Chiffrendesign
Will man ein Verschlüsselungsverfahren entwickeln, bieten sich zwei Wege an:
- Man macht das Verfahren möglichst kompliziert und hofft, dass dadurch keine Schwachstellen entstehen – oder dass ein Angreifer diese in der Komplexität nicht findet. Diesen Ansatz nennt man auch "Security by Intricacy" (in etwa "Sicherheit durch Unduchschaubarkeit")
- Man entwirft das Verfahren möglichst durchdacht und versucht, Schwachstellen gar nicht entstehen zu lassen.
Wenig verwunderlich kommt bei ernsthaften Verfahren nur die zweite Variante zum Einsatz.
Was ist eine Schwachstelle eines modernen Verfahrens?
Zunächst muss man sich klarmachen, was man bei modernen Verfahren unter einer Schwachstelle versteht.
Bei einem modernen Verfahren spricht man bereits dann von einer "Schwachstelle", wenn es einen Angriff auf das Verfahren gibt, der besser ist als die vollständige Schlüsselsuche.
Außerdem werden statistische Auffälligkeiten bei einem modernen Verfahren als Schwachstelle betrachtet, da diese als Angriffpunkt dienen können. Ein gutes symmetrischen Verfahren soll ein Zufallsorakel sein.
Als Zufallsorakel bezeichnet man eine Funktion, bei der kein erkennbarer Zusammenhang zwischen der Eingabe (Klartext & Schlüssel) und der Ausgabe (Geheimtext) existiert – auch nicht in wenigen Einzelfällen.
- Wenn ein Verschlüsselungsverfahren beispielsweise bei Verwendung des Schlüssels
00…000stets einen Geheimtext liefert, der als letztes Bit eine0hat, ist die Zufallsorakel-Eigenschaft schon verletzt. - Ebenso hat man kein Zufallsorakel mehr, wenn das Invertieren von Klartext und Schlüssel dazu führt, dass auch der Geheimtext invertiert. Dies ist beim DES der Fall. Unter anderem deshalb ist der DES kein perfektes Zufallsorakel.
- Wenn es Schlüssel gibt, bei denen Verschlüsselung und Entschlüsselung identisch sind - dann führt das zweifache Verschlüsseln wieder zum Klartext. Das ist bei DES bei einigen wenigen Schlüsseln der Fall → kein Zufallsorakel.
Überlegungen zur Schlüssellänge
| Schlüssellänge | Anzahl der Schlüssel | Dauer einer vollständigen Schlüsselsuche |
|---|---|---|
| 40 Bit | 1,1·1012 | 1,3 Sekunden |
| 56 Bit | 7,1·1016 | 24 Stunden |
| 64 Bit | 1,8·1019 | 256 Tage |
| 128 Bit | 3,4·1038 | 1,3·1019 Jahre |
| 192 Bit | 6,3·1057 | 2,4·1038 Jahre |
| 256 Bit | 1,2·1077 | 4,4·1057 Jahre |
Das Alter des Universums liegt bei etwa 1010 Jahren. Auch "stärkere" Computer lösen das Problem der vollständigen Schlüsselsuche nicht, da diese dazu neigen auch sehr viel mehr Energie zu verbrauchen.
Angewandte Operationen
Oft wird vermutet, dass moderne Verschlüsselungsverfahren komplizierte mathematische Funktionen verwenden - das ist bei praktisch allen modernen Verfahren nicht der Fall. Die Verfahren operieren auf Blöcken von Bits, es kommen daher praktisch nur Bit-Operationen und deren Kombinationen zum Einsatz:
| Zeichen | Name | Beispiel |
|---|---|---|
⊕ | exklusives Oder | 11100 ⊕ 10110 = 01010 |
+ | Addition | 1110 + 1011 = 1001 |
- | Subtraktion | 1110 - 1011 = 0011 |
< < | Linksverschiebung | 1100 < < 1 = 1000 |
< < < | Linksrotation | 1110 < < < 2 = 1011 |
> > | Rechtsverschiebung | 1110 > > 2 = 0011 |
> > > | Rechtsrotation | 1110 > > > 2 = 1011 |
∨ | Oder | 1110 ∨ 1011 = 1111 |
∧ | Und | 1110 ∧ 1011 = 1010 |
|| | Konkatenation | 1110 || 1011 = 11101011 |
Konfusion und Diffusion
- Zu verschlüsselnde Daten müssen unkenntlich gemacht werden: Konfusion
- Zu verschlüsselnde Daten müssen vermischt werden: Diffusion
Das Problem besteht natürlich auch darin, das auf eine solche Weise zu tun, dass der Vorgang bei Kenntnis des korrekten Schlüssels umkehrbar ist.
Zur Konfusion kommen häufig sogenannte S-Boxen zum Einsatz (S-Box), oft handelt es sich hierbei einfach um Ersetzungstabellen, die bestimmte Eingabebitfolgen in aus der S-Box abzuleitende Ausgabebitfolgen transformieren.
Rundenprinzip und Schlüsselaufbereitung
Um Speicherplatz zu sparen, arbeiten alle bekannten symmetrischen Blockchiffren nach dem Rundenprinzip. Eine Verschlüsselung wird dabei in Teilschritte (Runden) aufgeteilt, die im Wesentlichen identisch ablaufen.
In jeder Runde kommen normalerweise 3 Operationen zum Einsatz:
- Konfusion (S-Box)
- Diffusion
- Einbringen eines "Rundenschlüssels" mit einer Bitoperation
Um für jede Runde einen Rundenschlüssel zur Verfügung zu stellen, muss aus dem eigentlichen Schlüssel meist mehr Schlüsselmaterial erzeugt werden, als die Länge des eigentlichen Schlüssels hergibt, diesen Vorgang nenn man Schlüsselaufbereitung.
So benötigt man bei DES insgesamt 768BitsSchlüsselmaterial, da DES 16 Runden vorsieht und in jeder Runde ein 48Bit Schlüssel Eingang findet. Die Schlüssellänge eines DES Schlüssels ist jedoch nur 56Bit - es ist also ein Verfahren nötig, wie aus den 56bit des Schlüssels die benötigten 16 Subschlüssel der Länge 48Bit erzeugt werden können.