Übersicht

• WarmUp: KI-TandemLab
• Forderungen an sichere Systeme
• Symmetrische Verschlüsselung
  • Substitutionschiffren (Cäsar, Vigenère)
  • One-Time-Pad
  • Moderne Verfahren (AES)
• Asymmetrische Verschlüsselung
  • RSA-Algorithmus
  • PGP & digitale Signaturen
• Übungsaufgaben

Contents

• Warm-up: AI Tandem Lab
• Requirements for secure systems
• Symmetric encryption
  • Substitution ciphers (Caesar, Vigenère)
  • One-time pad
  • Modern methods (AES)
• Asymmetric encryption
  • RSA algorithm
  • PGP & digital signatures
• Exercises

Motivation

Informationen sollen zuverlässig und vertraulich über unsichere Nachrichtenkanäle übermittelt werden können.

Motivation

Information must be transmitted reliably and confidentially over insecure communication channels.

Kryptologie

Quelle: norbert-pohlmann.com

Cryptology

Source: norbert-pohlmann.com

Kryptographie

• Wissenschaft von der Datenverschlüsselung
• Ein Klartext wird mithilfe eines Schlüssels in einen Geheimtext umgewandelt

Cryptography

• The science of data encryption
• A plaintext is converted into a ciphertext using a key

Anwendungsgebiete

• E-Mail
• Online-Banking
• E-Commerce (Bestellungen, Bezahlung)
• Pay-TV
• Ende-zu-Ende-Verschlüsselung (WhatsApp, Signal)
• SSH-Verbindungen zu Servern

Applications

• E-mail
• Online banking
• E-commerce (orders, payments)
• Pay-TV
• End-to-end encryption (WhatsApp, Signal)
• SSH connections to servers

Vier Forderungen an sichere Systeme

• Vertraulichkeit (Confidentiality):
  Unbefugte können Nachrichten nicht mitlesen.
• Integrität (Integrity):
  Nachrichten können nicht unbemerkt verändert werden.
• Authentizität (Authenticity):
  Die Identität des Kommunikationspartners ist verifizierbar.
• Schlüsselverwaltung (Key Management):
  Erzeugung, Verteilung und Löschung von Schlüsseln muss sicher sein.

Four Requirements for Secure Systems

• Confidentiality:
  Unauthorized parties cannot read messages.
• Integrity:
  Messages cannot be altered undetected.
• Authenticity:
  The identity of communication partners is verifiable.
• Key Management:
  Generation, distribution and deletion of keys must be secure.

Symmetrische Verschlüsselung

• Nachricht wird mit einem geheimen Schlüssel verschlüsselt
• Zum Ver- und Entschlüsseln wird derselbe Schlüssel verwendet
• Schlüssel muss über einen sicheren Kanal ausgetauscht werden

Symmetric Encryption

• Message is encrypted with a secret key
• Same key is used for encryption and decryption
• Key must be exchanged via a secure channel

Beispiel: Cäsar-Code

Der i-te Buchstabe wird durch den (i + d)-ten ersetzt. d ist eine feste Verschiebung.

Example: Caesar Cipher

The i-th letter is replaced by the (i + d)-th letter. d is a fixed shift.

Kryptanalyse

• Kryptanalyse: Methoden zur Entschlüsselung ohne Kenntnis des Schlüssels
• Typische Angriffe auf einfache Chiffren:
  1. Häufigkeitsanalyse: Auswertung der Buchstabenverteilung
  2. Brute-Force: Durchprobieren aller Schlüsselvarianten
  3. Known-Plaintext: Bekannte Textteile helfen beim Rückschluss

Cryptanalysis

• Cryptanalysis: Methods for decryption without knowing the key
• Typical attacks on simple ciphers:
  1. Frequency analysis: Evaluating letter distribution
  2. Brute force: Trying all possible key variants
  3. Known plaintext: Known text parts help deduce the key

Vigenère-Code & One-Time-Pad

• Vigenère: Schlüssel aus mehreren Buchstaben wird wiederholt und mit dem Text kombiniert
• One-Time-Pad: Schlüssel ist genauso lang wie die Nachricht und rein zufällig → theoretisch unknackbar
• Problem bleibt: sicherer Schlüsselaustausch

Vigenère Cipher & One-Time Pad

• Vigenère: A multi-letter key is repeated and combined with the text
• One-time pad: Key is as long as the message and truly random → theoretically unbreakable
• Problem remains: secure key exchange

Moderne symmetrische Verfahren

• DES: 64-Bit-Schlüssel, entwickelt 1976 – heute unsicher
• AES: Standard seit 2001, unterstützt 128, 192 oder 256 Bit – sicher und effizient
• Wird verwendet in:
  • SSH (sicherer Fernzugriff)
  • TLS/IPSec (Webverschlüsselung)
  • WPA2 (WLAN-Sicherheit)

Modern Symmetric Methods

• DES: 64-bit key, developed 1976 – insecure today
• AES: Standard since 2001, supports 128, 192 or 256 bit – secure and efficient
• Used in:
  • SSH (secure remote access)
  • TLS/IPSec (web encryption)
  • WPA2 (Wi-Fi security)

Problem: Schlüsselaustausch

• Sender und Empfänger brauchen denselben geheimen Schlüssel
• Übertragung über unsichere Netze ist riskant
• Bei n Personen braucht man n(n−1)/2 Schlüssel
• Lösung: Asymmetrische Verfahren

Problem: Key Exchange

• Sender and receiver need the same secret key
• Transmitting over insecure networks is risky
• With n people you need n(n−1)/2 keys
• Solution: Asymmetric methods

Asymmetrische Verschlüsselung

• Verschlüsselung mit öffentlichem Schlüssel (Public Key)
• Entschlüsselung mit privatem Schlüssel (Private Key)
• Kein Schlüsselaustausch erforderlich

Asymmetric Encryption

• Encryption with public key
• Decryption with private key
• No key exchange required

Ablauf (Public-Key)

• Alice verschlüsselt mit Bobs öffentlichem Schlüssel: C = P(M)
• Bob entschlüsselt mit seinem privaten Schlüssel: M = S(C)

Process (Public Key)

• Alice encrypts with Bob's public key: C = P(M)
• Bob decrypts with his private key: M = S(C)

Der RSA-Algorithmus

• 1978 von Rivest, Shamir und Adleman beschrieben
• Sicherheit beruht auf der Schwierigkeit, große Zahlen zu faktorisieren
• Wird genutzt in: SSH, TLS, IPSec (für Schlüsselaustausch)
• RSA ist ca. 1000× langsamer als AES → wird oft nur für den Schlüsselaustausch genutzt

The RSA Algorithm

• Described in 1978 by Rivest, Shamir and Adleman
• Security relies on the difficulty of factoring large numbers
• Used in: SSH, TLS, IPSec (for key exchange)
• RSA is approx. 1000× slower than AES → often only used for key exchange

PGP – Pretty Good Privacy

• E-Mail wird mit symmetrischem Schlüssel verschlüsselt
• Dieser Schlüssel wird asymmetrisch (z.B. RSA) verschlüsselt
• Empfänger entschlüsselt zuerst den Schlüssel, dann die Nachricht
• Optionale digitale Signatur und Web of Trust

PGP – Pretty Good Privacy

• E-mail is encrypted with a symmetric key
• This key is encrypted asymmetrically (e.g. RSA)
• Receiver decrypts the key first, then the message
• Optional digital signature and Web of Trust

Man-in-the-Middle-Angriff

• Angreifer fängt Kommunikation ab und tauscht Schlüssel aus
• Kann Nachrichten lesen, verändern und weiterleiten
• Abhilfe: Digitale Zertifikate, PKI, Web of Trust

Man-in-the-Middle Attack

• Attacker intercepts communication and swaps keys
• Can read, modify and forward messages
• Countermeasures: Digital certificates, PKI, Web of Trust

Digitale Signaturen & PKI

• Digitale Signatur: Private Signatur → öffentliche Prüfung (Authentizität + Integrität)
• PKI (Public Key Infrastructure): Digitale Zertifikate verknüpfen Schlüssel mit Identität
• Certification Authorities (CAs) bestätigen die Echtheit
• Webbrowser erkennen CA-Zertifikate automatisch (HTTPS)

Digital Signatures & PKI

• Digital signature: Private signing → public verification (authenticity + integrity)
• PKI (Public Key Infrastructure): Digital certificates link keys to identities
• Certification Authorities (CAs) confirm authenticity
• Web browsers automatically recognize CA certificates (HTTPS)

Zusammenfassung

• Ziel: Vertrauliche & sichere Kommunikation
• Vier Anforderungen: Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität, Schlüsselmanagement
• Symmetrisch: gleicher Schlüssel (schnell, aber Austausch-Problem)
• Asymmetrisch: öffentlich/privat (kein Austausch nötig, aber langsamer)
• Digitale Signaturen garantieren Absender-Identität

Summary

• Goal: Confidential & secure communication
• Four requirements: Confidentiality, integrity, authenticity, key management
• Symmetric: same key (fast, but exchange problem)
• Asymmetric: public/private (no exchange needed, but slower)
• Digital signatures guarantee sender identity

Ist Verschlüsselung eine fundamentale Idee?

Überprüfung anhand der vier Kriterien (Schwill, 1993):

Is Encryption a Fundamental Idea?

Evaluation using the four criteria (Schwill, 1993):

Fragen?

Sitzungsreflexion

franke-lab.de/lehre/sose/fundidee/reflexion.html?sitzung=5

Artefakte & Reflexion verfassen → HTML kopieren → in Mahara einfügen

To Do's:

• e-Portfolio aktualisieren (Reflexion Sitzung 5)
• Übungsaufgaben fertigstellen

Questions?

Session Reflection

franke-lab.de/lehre/sose/fundidee/reflexion.html?sitzung=5

Write artifacts & reflection → copy HTML → paste into Mahara

To Do's:

• Update e-portfolio (reflection session 5)
• Complete exercises