3. Grundlegende Kryptografietechniken

In der Kryptografie geht es jeweils darum, eine Nachricht, die in Klartext (K) vorliegt, zu verschlüsseln. Es resultiert ein Geheimtext (G), der im Optimalfall nur vom Empfänger wieder in den Originalzustand (K) überführt werden kann.
Die Ausdrücke verschlüsseln, codieren und chiffrieren werden hier als Synonyme verwendet.

Abbildung 5: Kryptographie, wenn der Kommunikationskanal zwischen Alice und Bob nicht sicher ist… Quelle:Info-bw.de

Grundsätzlich werden beim Verschlüsseln (genauer gesagt beim Chiffrieren von Buchstaben) zwei Methoden unterschieden:

3.1 Transposition

Die Buchstaben bleiben was sie sind, aber nicht wo sie sind.
Wird ein Text durch ein Transpositionsverfahren verschlüsselt, so werden die Buchstaben untereinander vertauscht, ohne dass sie sich selbst ändern, wodurch die Nachricht unkenntlich wird. Beim Knacken resp. decodieren der Botschaft geht es dann darum, die ursprüngliche Reihenfolge der Buchstaben wieder herzustellen. Transpositionsalgorithmen werden hier nicht im Detail behandelt. Dennoch sollen hier zwei Beispiele angeführt werden.
In der Transposition ist oft kein Schlüssel im eigentlichen Sinne nötig, jedoch sind oft Zusatzinformationen nützlich, um die Nachricht einfach und zuverlässig entschlüsseln zu können, diese also nicht knacken zu müssen.

A: „Gartenzaun-Transposition“

Die sogenannte „Gartenzaun-Transposition“ wird z.T. bereits von Schulkindern verwendet. Dabei wird ein Klartext K auf zwei (oder mehr) Linien verteilt, wobei immer abwechslungsweise ein Buchstabe des Textes auf die erste und ein Buchstabe auf die zweite Linie geschrieben wird. Der Geheimtext G entsteht dann dadurch, dass man die Buchstaben der zweiten Linie an die erste Linie anfügt. Leerzeichen werden weggelassen.
Der „Schlüssel“ hier ist, dass der Sender und der Empfänger abmachen, auf wie viele Zeilen sie die Nachricht verteilen, um anschliessend anders zusammenzufügen. 

"Wir sind Lernende des Kollegiums"

wird durch die „Gartenzaun-Transposition“ verschlüsselt: 

W r i d e n n e e K l e i m
 i s n L r e d d s o l g u s

und daraus ergibt sich der Geheimtext G: 

WridenneeKleimisnLreddsolgus

A: Aufgabe: Verschlüsseln und entschlüsseln mit der „Gartenzaun-Transposition“

  1. Arbeiten Sie zu zweit. Verschlüsseln Sie jeweils einen kurzen selbst gewählten Satz. Tauschen Sie untereinander die Zettel und entschlüsseln Sie die Nachricht des anderen! Für jene, die die Sache schwieriger machen wollen, verschlüsseln Sie die Nachricht auf mehr als 2 Zeilen, behalten Sie die Anzahl Zeilen aber für sich…Wie muss Ihr Gegenüber vorgehen, um diese Nachricht zu entschlüsseln?
  2. Die folgende Botschaft ist mit einer Gartenzaun-Verschlüsselung mit 5 Zeilen verschlüsselt worden: knacke sie: dnsekeeztewrcertashhzangruircunansk

Es gibt natürlich unzählige Varianten dieser einfachen Transpositionsverschlüsselung. So könnte man z.B. zusätzlich jeweils den ersten mit dem zweiten Buchstaben vertauschen, bevor man die „Gartenzaun-Transposition“ anwendet etc.

B: Skytale
Die Skytale ist das erste bekannte Kryptografieverfahren, welches militärisch Verwendung fand. Dieses Verfahren wurde bereits im 5. Jahrhundert n.Chr. durch die Spartaner benutzt. Für die Verschlüsselung wird lediglich ein (kantiger) Holzstab verwendet, um welchen ein Streifen Papier (damals Papier oder auch Leder) gewickelt wird. Die Nachricht wird nun der Länge nach auf den Stab, quer über die Streifen geschrieben, sodass die Buchstaben beim Lösen des Pergaments anscheinend sinnlos aneinandergereiht sind. Für das Entschlüsseln der Botschaft benötigt man lediglich einen Stab mit derselben Kantenzahl und Grösse, auf welchen der Pergamentstreifen auf gleiche Weise aufgerollt werden kann und so die Botschaft „quer“ über die Streifen sichtbar wird und gelesen werden kann.

Abbildung: Skytale mit ledernem Band und der geheimen Botschaft. Quelle

B: Aufgaben: Verschlüsseln und entschlüsseln mit der Skytale

  1. Beschreiben Sie, wie eine Nachricht entschlüsselt werden kann, wenn man den Holzstab nicht zur Hand hat. Beispiele liegen bereit! Skytale-Streifen
  2. Wie sicher schätzen Sie eine Nachricht, die nach diesen Prinzipien chiffriert wurde?

C: Schablonen
Die Fleissner Schablonen (nach Eduard Fleissner von Wostrowitz benannt) ist eine quadratische Schablone (meist aus Karton) mit mehreren kleineren quadratischen Löchern. Die Schablone wird auf ein Papier gelegt. Jeder Buchstabe des Klartextes wird der Reihenfolge nach in ein Quadratloch eingetragen. Sobald alle Löcher beschrieben sind, wird die Schablone um neunzig Grad gedreht und die folgenden Buchstaben werden in die Lücken eingetragen. Die Schablone wird dreimal gedreht, es werden somit viermal Buchstaben in die Löcher geschrieben. Sind nicht alle Stellen in im quadratisch angeordneten Geheimtext gefüllt, werden diese mit willkürlich gewählten Buchstaben gefüllt. Für längere Nachrichten ist ein zweites Quadrat (ein Neuanfang) nötig. Quelle

Abbildung: Fleissner Schablone zum Verschlüsseln einer Botschaft über das Drehen der Schablone (dreimal um 90 Grad) und füllen der Löcher durch die Botschaft Quelle

C: Aufgaben: Verschlüsseln und entschlüsseln mit einer Schablone

  1. Arbeiten Sie zu zweit. Verschlüsseln Sie jeweils einen kurzen selbst gewählten Satz. Schablonen liegen bereit. Tauschen Sie untereinander die Zettel und entschlüsseln Sie die Nachricht des anderen!
  2. Eine Nachricht wurde verschlüsselt, Eine Ecke der Schablone ist allerdings beschädigt. Wie gehen Sie vor, um die Nachricht zu entschlüsseln? Welche wichtigen Überlegungen (Argumente) sind hier zu nennen? Quelle

D: Fragen zur Schablone:

  1. Wie dürfen die Löcher nicht angeordnet sein?
  2. Wie viele Löcher darf die Schablone der Kante nach haben, um kein leeres Kästen in der Mitte zu erhalten, welches dann mit einem willkürlich gewählten Buchstaben gefüllt werden muss?
  3. Wieviele Löcher musst du ausschneiden, damit nach drei Drehungen alle Kästchen komplett mit Buchstaben ausgefüllt sind?
  4. Warum ist dieses Verschlüsselungsverfahren, gleich wie die „Gartenzaun-Transposition“ oder das Skytale nicht sicher?

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