Einführung in die Kryptologie

Kryptologie

• Kryptologie befasst sich mit der Sicherheit von Informationen.

Sicherheitsziele

• Vertraulichkeit schützt vor unbefugtem Zugriff.
• Integrität stellt sicher, dass Daten nicht manipuliert werden.
• Authentizität dient der Feststellung, dass der Absender echt ist.
• Verbindlichkeit bedeutet, dass der Absender eine Nachricht nicht abstreiten kann.

Kryptographische Verfahren

• Symmetrische Verschlüsselung verwendet einen Schlüssel für Ver- und Entschlüsselung.
• Asymmetrische Verschlüsselung verwendet zwei Schlüssel: einen Public und einen Private Key.
• Hashfunktionen erzeugen digitale Fingerabdrücke von Daten.

Historische Chiffriersysteme

• Caesar-Verschiebeverfahren ersetzt Buchstaben durch Verschiebung im Alphabet und ist einfach zu entschlüsseln.
• One-Time-Pad ist perfekt sicher, wenn der Schlüssel nur einmal verwendet wird, aber unpraktisch, da der Schlüssel so lang wie die Nachricht sein muss.

Moderne Chiffriersysteme

• AES (Advanced Encryption Standard) ist ein Beispiel für ein schnelles symmetrisches Verfahren, bei dem der Schlüssel sicher übertragen werden muss.
• RSA ist ein asymmetrisches Verfahren mit einem Public Key für die Verschlüsselung und einem Private Key für die Entschlüsselung.
• Asymmetrische Verfahren sind langsam, benötigen aber keinen sicheren Schlüsselaustausch.

Hybride Verfahren

• Hybride Verfahren kombinieren symmetrische und asymmetrische Verschlüsselung.
• Ein Beispiel hierfür ist TLS (Transport Layer Security) bei HTTPS.

Geheimnisse teilen

• Geheimnisse sind Informationen, die nur bestimmten Personen bekannt sind.

Grundprinzip der Geheimnisse

• Ein Geheimnis kann in Teilgeheimnisse aufgeteilt werden, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Personen Zugriff haben.

Geheimnisteilung & Sicherheitsmechanismen

• Shamir's Secret Sharing (SSS) zerlegt ein Geheimnis in mehrere Teile, die erst zusammen das Original ergeben.
• Ein Beispiel ist die Schlüsselaufteilung für Tresore oder verschlüsselte Dokumente.

Passwörter

• Sichere Passwörter sind wichtig zum Schutz persönlicher Daten und Online-Konten und verhindern unbefugten Zugriff durch Hacker.

Eigenschaften eines sicheren Passworts

• Es sollte mindestens 8-12 Zeichen lang sein.
• Sichere Passwörter bestehen aus einer Mischung aus Groß- und Kleinbuchstaben, Zahlen und Sonderzeichen.
• Sie enthalten keine persönlichen Informationen und sind für jeden Dienst einzigartig.

Angriffe und Schutzmaßnahmen auf Passwörter

• Brute-Force-Angriffe testen alle möglichen Kombinationen. Die Lösung sind komplexe Passwörter.
• Wörterbuchangriffe probieren häufig genutzte Begriffe und Namen aus. Hier helfen zufällige Zeichenfolgen und Passphrasen.
• Phishing ist, wenn Betrüger Passwörter per E-Mail oder gefälschten Websites fordern. Misstrauen und das Prüfen von URLs helfen.

Alternative Methoden zur Passwortsicherheit

• Passphrasen sind längere, leicht merkbare Sätze statt zufälliger Zeichen.
• Multi-Faktor-Authentifizierung (MFA) verwendet einen zweiten Sicherheitsfaktor wie SMS-Code oder Fingerabdruck.
• Passwort-Manager speichern und verwalten sichere Passwörter für verschiedene Konten.

RSA-Verfahren

• Das RSA-Verfahren basiert auf der Schwierigkeit die Primfaktorzerlegung großer Zahlen.
• Es wird in sicheren Kommunikationsprotokollen wie HTTPS verwendet.
• Bei der Schlüsselerzeugung werden zwei große Primzahlen gewählt und Modulus und Exponenten berechnet.
• Die Verschlüsselung und Entschlüsselung erfolgt durch mathematische Berechnung mit modularer Arithmetik und ermöglicht das sichere Senden geheimer Nachrichten.

Digitale Signaturen

• Digitale Signaturen stellen sicher, dass eine Nachricht echt und unverändert ist.
• Digitale Signaturen sind eine Kombination aus Hashfunktion & asymmetrischer Verschlüsselung.

Hashfunktionen

• Hashfunktionen erzeugen eine eindeutige Prüfsumme (Fingerabdruck) von Daten.
• Beispiele sind SHA-256 (sicher) und MD5 (unsicher).

Eigenschaften von Hashfunktionen

• Kollisionsresistenz bedeutet, dass unterschiedliche Eingaben verschiedene Hashwerte erzeugen.
• Determinismus bedeutet, dass gleiche Eingaben gleiche Hashwerte erzeugen.
• Effizienz steht für schnelle Berechnung.

Sicherheitsinfrastruktur

• Firewalls blockieren unerlaubte Verbindungen.
• VPNs ermöglichen verschlüsselte Verbindungen zu einem anderen Netzwerk.
• Intrusion Detection Systems (IDS) erkennen Angriffe.

Zero Trust Prinzip

• Niemandem im Netzwerk wird automatisch vertraut, jeder Zugriff muss authentifiziert werden.

Public Key Infrastructure (PKI)

• Digitale Zertifikate sichern die Kommunikation.
• Die PKI wird z. B. bei HTTPS & E-Mail-Signaturen verwendet.

Blockchain

• Verkettete Blöcke mit Hashwerten sorgen für Manipulationssicherheit, jeder Block speichert den Hash des vorherigen Blocks.

Mining & Proof of Work

• Miner suchen eine Nonce, um einen gültigen Hash zu erzeugen, was sehr rechenintensiv ist, aber die Sicherheit erhöht.

Anwendungsbeispiele einer Blockchain

• Kryptowährungen (Bitcoin, Ethereum) ermöglichen sichere digitale Transaktionen.
• Fälschungssichere Dokumentation für Lieferketten und Zertifikate.

Tor-Netzwerke

• Daten werden über mehrere Knoten geleitet, um IP-Adressen zu verschleiern.
• Webseiten im Darknet sind nicht automatisch sicher.

Geschichte der Tor-Netzwerke

• Das Tor-Netzwerk wurde von der US-Marine entwickelt (erste Version 2002) und wird heute von The Tor Project, Inc. verwaltet.

Gesellschaftliche Aspekte der Tor-Netzwerke

• Die Nutzung dient zur Umgehung von Zensur.
• Der Zugang ist über Bridges oder Snowflake möglich.