Kryptografie gibt es schon seit tausenden von Jahren und ist mittlerweile eine wichtige Säule der IT-Sicherheit. In den 1970er Jahren kam es zu einer neuen und innovativen Idee in der Kryptografie, die alles verändern sollte: Um sicher zu kommunizieren, sollte der Schlüssel nicht mehr geheim gehalten, sondern veröffentlicht werden. Dies stellte die NSA allerdings vor große Probleme.
Die elektronische Kommunikation ist mittlerweile eine Selbstverständlichkeit. Dabei verlässt man sich darauf, dass Internetanbieter wie Google oder Yahoo alle Daten sicher verschlüsseln und niemand Unbefugtes einen Zugriff auf sensible Daten hat. Aber sind Unternehmen wirklich vertrauenswürdig? Und was bedeutet Kryptografie?
Was bedeutet Kryptografie?
Kryptografie bezeichnet die Verschlüsselung von Daten oder Nachrichten zur Geheimhaltung. In der ersten Epoche wurde Kryptografie per Hand (mit Papier und Stift) oder mit mechanischen Scheiben verwendet. Danach folgten spezielle Maschinen in der zweiten Epoche (etwa 1920 bis 1970) und in der dritten Epoche (seit 1970) übernahmen Computer die Kryptografie. Die Kryptoanalyse bildet den Gegenspieler zur Kryptografie und erforscht Methoden, um kryptographische Verfahren zu analysieren bzw. zu brechen.
Wie vertrauenswürdig sind Unternehmen bei der Verschlüsselung von Daten?
Spätestens seit den im Jahr 2013 geleakten Dokumenten von Edward Snowden wird die Vertrauenswürdigkeit zentralisierter Unternehmen in Frage gestellt. Snowden legte offen, dass große Firmen wie Google, Facebook und Yahoo mit der NSA (National Security Agency) zusammenarbeiten. Zudem sollen sie sogar einfachen Zugriff der NSA auf sensible Nutzerdaten zugelassen haben. Daraufhin folgte eine öffentliche Diskussion über den Datenschutz in der digitalen Privatsphäre.
Kryptografie 3.0
Dies war allerdings beileibe nicht die erste Diskussion in der Richtung – bereits in den 1970er Jahren sorgte eine mathematische Idee für viel Kritik. Dabei gerieten Befürworter der freien Wissenschaft und die NSA aneinander. Whitfield Diffie war ein studierter Mathematiker, der einen Job beim Forschungsinstitut Mitre Corporation annahm, um dem Wehrdienst zu entgehen. Infolgedessen musste er als Informatiker arbeiten. Obwohl er sich als Mathematiker zunächst von der Informatik distanzierte, fand er immer mehr Gefallen daran und ließ sich vor allem von der Kryptografie verzaubern. Er setzte sich damit auseinander, wie elektronische Daten abgesichert werden können – und das ganz ohne Internet. Allerdings entwickelten sich gerade neben Kommunikationskanälen und drahtlosen Telefonen auch die ersten Computer. Ohne Verschlüsselungen in den Computern sind alle übertragenen Informationen von jedem Menschen offen einsehbar.
Innovationen dank der Newcomer Diffie & Hellmann
Diffie las sich zunächst in die Kryptografie ein. Dabei musste er feststellen, dass alle Informationen über die Standard-Verschlüsselungsmethoden in der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg geheim und somit unzugänglich waren. Gleichzeitig lernte er den Auslandsgeheimdienst NSA kennen, der 1952 wenige Jahre nach dem zweiten Weltkrieg in den USA gegründet wurde. Um maximale Wirkung zu erzielen, versuchte die Behörde die intelligentesten Wissenschaftler des Landes, die sich für kryptografische Forschung interessierten, zusammen zu bringen.
Nachdem der damalige Professor der Massachusetts Institute of Technology Martin Hellman sein Interesse an Kryptografie verkündete, stürzten sich die Mitarbeiter der NSA auf ihn. Allerdings lehnte er alle Angebote ab und wollte lieber seine Erkenntnisse veröffentlichen. Seine Kollegen warnten ihn zunächst vor dem Risiko als Alleingänger. Hellman ließ sich allerdings davon nicht beirren und schaffte im Jahr 1976 tatsächlich gemeinsam mit Diffie den Durchbruch. Dieser sollte die Kryptografie für immer verändern.
Verschlüsselungssysteme in der Vergangenheit
Bis dahin beruhten Verschlüsselungssysteme auf folgender Idee: Es wird ein Schlüssel zwischen zwei Parteien ausgetauscht und genutzt, um eine Nachricht zu chiffrieren und im Anschluss zu decodieren. Allerdings war es schwierig, einen Mechanismus zu finden, der es unmöglich macht, die verschlüsselte Nachricht auch von einer zufälligen symbolischen Reihenfolge zu unterscheiden. Demnach sollte die Chiffre möglichst sinnfrei aussehen und auf den ersten Blick für Verwirrung sorgen.
Bereits in der Antike lassen sich Beispiele für ähnliche Verfahren finden, wie beispielsweise die Cäsar-Chiffre, die der römische Feldherr im 1. Jahrhundert v. Chr. für die militärische Korrespondenz verwendete. Die Buchstaben des Alphabets wurden um einen festen Wert verschoben, sodass man daraus Codewörter erhielt. Somit konnten Angreifer mit den Symbolfolgen nichts anfangen. Nur der Empfänger weiß, wie er die Zeichen ersetzt und kann somit den ursprünglichen Text wiederherstellen. Aber sonderlich schwer zu knacken war die Cäsar-Chiffre nicht. Im Laufe der Zeit wurden immer komplexere Verfahren entwickelt, die schwieriger zu entschlüsseln waren. Anfang der Renaissance wurden spezielle mechanische Geräte wie Chiffrierscheiben konstruiert. Die Deutschen nutzten beispielsweise im Zweiten Weltkrieg eine Schlüsselmaschine namens „Enigma“.
Probleme der Verschlüsselungen
Neben der NSA, Diffie und Hellmann erkannten aber auch andere Wissenschaftler, dass mit der Verbreitung von Computern neue Möglichkeiten entstanden, um selbst komplizierte und aufwändige Codes und Berechnungen zu lösen. Dadurch wurden viele Systeme angreifbar: Algorithmen konnten unzählige Passwortkombinationen in einer hohen Geschwindigkeit ausprobieren, für die kein Mensch auf der Welt im Stande gewesen wäre. Kryptografie und auch die Krypto-Analyse entwickelten sich rasant weiter.
Lucifer als Sicherheitssystem für die individuelle Privatsphäre
Bereits 1973 warnte der deutsche Kryptograf Horst Feistel, dass Computer zukünftig die individuelle Privatsphäre gefährden würden. Die Schlussfolgerung: Computersysteme sollten ihre Inhalte verschlüsseln, um Unbefugten einen Zugang zu den Daten zu verwehren. Infolgedessen entwickelte Feistel einen komplexen Verschlüsselungsalgorithmus namens „Lucifer“, der die Welt jahrzehntelang schützen sollte. Allerdings wurde die NSA darauf aufmerksam und sicherte sich den Verschlüsselungsalgorithmus, um ihn unter Verschluss zu halten.
Wie funktioniert der Lucifer-Algorithmus?
Der Lucifer-Algorithmus teilt zuerst eine Nachricht in Blöcke auf. Diese werden unabhängig voneinander chiffriert. Gleichzeitig werden die einzelnen Blöcke immer wieder in die Hälfte geteilt, vermischt und sogar noch verschlüsselt. Der Algorithmus war so aufgebaut, dass sich dieser nur dann umkehren lässt, wenn jemand den Schlüssel kennt. Derjenige kann die Nachricht am Ende wieder entziffern.
Das US-Unternehmen „IBM“ spezifizierte den Algorithmus weiter, sodass auch erstmalig Bankautomaten abgesichert werden konnten, wenn diese Daten zum Bankgroßrechner schickten. Allerdings war das Vorgehen auch mit einem hohen Risiko verbunden, denn IBM musste darauf vertrauen, dass sich die Verschlüsselung nicht durch einen ausgeklügelten Trick knacken lässt. Ansonsten hätten Hacker zahlreiche Bankautomaten leeren können.
Sichere Verschlüsselungssysteme waren für das beginnende Elektronikzeitalter unumgänglich, sodass auch die US-Regierung die Relevanz erkannte. Daher suchte die Standardisierungsbehörde National Institute of Standards and Technology (NIST) (damals NBS, National Bureau of Standards) Anfang der 70er Jahre nach einem Verschlüsselungsalgorithmus, der hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt. Allerdings blieben die Einsendungen zunächst aus. Der Grund dafür war offensichtlich: Es gab kaum Wissenschaftler, die außerhalb der NSA an den Themen forschten.
Lediglich das Lucifer-System erfüllte alle Voraussetzungen. Noch bevor der Algorithmus veröffentlicht wurde, machte die NSA dem verantwortlichen IBM-Mitarbeiter ein Angebot. Die NSA gab an, den Algorithmus gründlich zu prüfen und anschließend öffentlich die damit einhergehende Sicherheit zu garantieren. Im Gegenzug dafür sollte sich das Unternehmen verpflichten, den Lucifer-Code geheim zu halten und nur Verschlüsselungschips zu verkaufen. Spätestens jetzt war der Lucifer-Algorithmus eine Geheimsache, denn die betroffenen IBM-Mitarbeiter durften nicht mehr über ihre Arbeit sprechen.
Das damalige NBS gab im Jahr 1975 seine Empfehlung bekannt: Der auf Lucifer basierende „Data Encryption Standard (DES)“. Anstelle des Vorschlags von Feistel bei seinem Lucifer-Code (128 Bit – eine Schlüssellänge von einer Zeichenkette aus 128 Kombinationen von Nullen und Einsen), besaß der NBS-Schlüssel 56 Bit.
Die Schlüssellänge war nicht nur deutlich kürzer, sondern auch ungewöhnlich: Oftmals wurden in der Informatik nämlich Zweierpotenzen verwendet. Viele Wissenschaftler vermuteten daraufhin, dass die NSA die Schlüssellänge gekürzt habe, um bedeutsame Nachrichten entschlüsseln zu können.
Ist ein kurzer Schlüssel sicher genug?
Mittlerweile wurde bekannt, dass die NSA tatsächlich forderte, die Schlüssellänge von 64 auf 48 Bit zu reduzieren. Als Kompromiss einigte man sich auf einen 56-Bit-Schlüssel. Ziel sei es nach NSA-Angaben gewesen, ein Kryptografie-Niveau zu finden, welches die Privatsphäre von Einzelpersonen und Unternehmen gegenüber der Konkurrenz schützt. Zudem wollte die NSA sicherstellen, dass die Verschlüsselungen auch im Notfall geknackt werden können.
Schaut man sich die tatsächlichen Rechenzeiten an, werden die Auswirkungen deutlich: Wenn man beispielsweise einen Schlüssel mit 128 Bit erraten möchte und nur weiß, dass dieser aus 128 Nullen und Einsen besteht, muss man alle Kombinationen durchprobieren.
Da es kumuliert 128 Zeichen mit zwei optionalen Werten gibt (0 oder 1), resultieren daraus 2 hoch 128 verschiedene Möglichkeiten. Die Anzahl der möglichen Kombinationen reduziert sich bei einer Länge von 127 Bit bereits um 50 %. Wenn man nun die Frage nach der Realisierbarkeit, ein derartig verschlüsseltes Passwort zu knacken, stellt, könnte man moderne Technologie heranziehen. Denn ein Computer mit einem 3 Ghz-Prozessor führt pro Sekunde rund drei Milliarden Rechnungen durch. Möchte dieser die 2 hoch 128 Möglichkeiten durchspielen, bräuchte er 10 hoch 21 Jahre. Dies ist vereinfacht gesagt ein Zeitraum, der deutlich länger als die Existenz unseres Universums ist.
Demgegenüber könnte eine 56-Bit-Verschlüsselung von den Computern bereits in 7,5 Jahren entschlüsselt werden – immer noch ein langer Zeitraum, doch die 128 Bit-Verschlüsselung kann somit ein signifikantes Mehr an Sicherheit gerieren.
Daraufhin gab es massive Beschwerden von Wissenschaftlern über die Schlüssellänge. Diese forderten eine Anpassung, unter anderem auch Diffie und Hellman. Aber es passierte nichts. Erst im Jahr 2000 wurde ein sichereres Verfahren namens AES eingesetzt und ersetzte das DES. Bis dahin bewiesen
Informatiker, dass sich die ursprüngliche DES-Verschlüsselung mit ausgeklügelten Tricks in nur 22 Stunden entschlüsseln lässt.
Schwachstellen der Verschlüsselungssysteme
Diffie grübelte nicht nur über die Schlüssellänge des DES-Standards, sondern er verwies auch ansonsten auf diverse Schwachstellen aller Verschlüsselungssysteme. Er stellte die Frage, wer den Schlüssel bereitstellt, wenn zwei Parteien geheime Informationen untereinander austauschen wollen. Daher wird eine
zentrale Anlaufstelle benötigt, die den Schlüssel bereitstellen kann.
In den 1970er Jahren war das zwar noch kein allzu großes Problem, da nur wenige Firmen und militärische Institutionen auf digitale Verschlüsselungsalgorithmen zurückgegriffen haben. Als die elektronische Kommunikation dann aber auch im privaten Raum an Relevanz gewann, konnte man davon ausgehen, dass eine solche Schlüsselverwaltung fast sicher Ziel von Angriffen werden würde.
Etablierung der Public-Key-Kryptografie
1975 fand Diffie dann tatsächlich die Lösung und veränderte damit die Kryptografie für immer. Dabei verstieß er gegen das Grundprinzip der Kryptografie und machte die Schlüssel öffentlich, anstatt sie nur zu verschlüsseln. An diesem Tag wurde die sogenannte „Public-Key-Kryptografie“ erfunden.
Diffie suchte jahrelang vergebens nach Wissenschaftlern, um sich über Verschlüsselungen auszutauschen – bis er auf Martin Hellman traf. Die beiden stritten kontrovers und suchten nach einer Methode, um elektronische Daten abzusichern. Diffies erreichte einen Durchbruch, indem er die Schüssel in zwei Bestandteile teilte. Demnach besitzt eine Person einen privaten und einen öffentlichen Schlüssel. Das Verfahren basierte auf sogenannten „Falltürfunktionen“. Diese bezeichnen mathematische Abbildungen, die sich nur ganz schwer wieder umkehren lassen, zumindest, solange man den privaten Schlüssel nicht besitzt. So ein Verfahren würde eine sichere Kommunikation und sogar Authentifizierungen ermöglichen.
Mit dem Fortschritt des elektronischen Zeitalters wurde die Bedeutung von Authentifizierungen immer größer, denn man musste beweisen, dass man auch die Person ist, die man vorgibt zu sein. Nach seinem Durchbruch wollte Diffie noch am gleichen Tag Hellman davon berichten, der das gigantische Potenzial sofort erkannte. In den darauffolgenden Monaten tüftelten die beiden Wissenschaftler weiter an der Idee und entwickelten ein kryptografisches Protokoll. Dieses veröffentlichten sie im Jahr 1976. Allerdings mussten die Wissenschaftler zunächst ein mathematisches Verfahren finden, welches diese Form der Verschlüsselung auch erlaubt. Sie benötigten eine Falltürfunktion, jedoch war die tatsächliche Existenz einer solchen noch nicht einmal bewiesen.
Diffie und Hellman waren nicht die ersten Wissenschaftler, die auf die Idee einer Public-Key-Kryptografie kamen. Auch der Doktorand Ralph Merkle von der University of California in Berkeley hatte einen ähnlichen Einfall. Bereits im Jahr 1975 hatte dieser seine Idee beim Fachjournal „Communications of the ACM“ eingereicht, allerdings lehnten die Gutachter die Public-Key-Kryptografie sofort ab. Der Grund dafür: Die Gutachter sahen ein Problem darin, dass ein Kryptosystem ohne eine sichere Übermittlung der Schlüssel funktionieren sollte. Als Merkles registrierte, dass Diffie und Hellman eine ähnliche Methode entwickelt hatten, nahm er sofort Kontakt auf. Anschließend schickte er den beiden Wissenschaftlern eine Kopie seines Manuskripts mit (dieses wurde drei Jahre später doch noch veröffentlicht). Diffie und Hellman arbeiteten fortan mit Merkle zusammen an der Public-Key-Kryptografie.
Umsetzung der Public-Key-Kryptografie
1976 fand Hellman dann tatsächlich eine mathematische Umsetzung, die sich für ihren Algorithmus (bzw. einen Teil davon) eignete. Getauft wurde die Innovation auf den Namen „Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch“, den sie einige Monate später veröffentlichten. Jedoch hatten sich die beiden Wissenschaftler die Lösung ein wenig anders vorgestellt, denn Hellman hatte anstelle einer mathematischen Falltürfunktion eine Einwegfunktion gefunden.
Was ist eine Einwegfunktion?
Eine Einwegfunktion bezeichnet eine Abbildung, die sich nicht wieder umkehren lässt. Somit war das System nicht dafür geeignet, um verschlüsselte Nachrichten zu übertragen oder Inhalte umzuschreiben, aber zumindest konnte ein Schlüssel zwischen zwei Parteien sicher ausgetauscht werden.
Damit konnten Parteien, die bisherige symmetrische Verfahren wie beispielsweise Lucifer nutzen, nun ohne eine zentrale Schlüsselverwaltung miteinander kommunizieren. Um das Verfahren umzusetzen, benötigt man allerdings eine geeignete mathematische Funktion. Die mathematische Funktion sollte also einfach zu berechnen, aber dennoch schwer umzukehren sein. Hellman fand schließlich eine Methode auf der Basis von ganzzahligen Exponenten. Allerdings wächst die Berechnungsdauer exponentiell mit der Größe der gewählten Zahlen an. Ansonsten ließ sich der Algorithmus von Hellmann und Diffie zur Schlüsselgenerierung schnell ausführen und eignete sich damit für praktische Anwendungen.
Angriff der NSA auf die Forschungsfreiheit
Die Arbeiten von Diffie und Hellman verbreiteten sich dynamisch. Mathematiker wie Adi Shamir, Ron Rivest und Leonard Adleman analysierten die Forschungsideen und veröffentlichten 1977 erste Entwürfe, um tatsächliche Falltürfunktionen zu entwerfen. Damit konnte die Public-Key-Kryptografie doch noch realisiert und in die Praxis umgesetzt werden.
Mit einer Falltürfunktion können auf sichere Weise Schlüssel ausgetauscht und gleichzeitig Dateien signiert und Nachrichten verschlüsselt werden. Diese Methode wurde „RSA-Kryptosystem“ genannt und wird bis heute angewendet.
Selbstverständlich gingen die gravierenden Fortschritte nicht an der NSA vorbei. Zuerst hielt sich die Behörde zurück und agierte im Hintergrund. Die NSA wollte das alleinige Forschungsmonopol bei diesem Thema. Der Geheimdienst berief sich aber auch auf den ITAR-Code (International Traffic in Arms Regulations), dem US-amerikanischen Regelwerk zum Rüstungshandel. Daher zählten kryptografische Geräte und Datenschutzvorrichtungen als „Waffen“ und durften nicht einfach exportiert werden. Infolgedessen durfte auf Konferenzen oder in Fachartikeln nicht über Kryptosysteme gesprochen werden.
Diese Regelungen sorgten für einen Aufschrei der Wissenschaft: Forscher am MIT und Stanford tauschten sich mit den Vorgesetzten und Rechtsberatern der Universitäten aus. Die juristischen Experten konstatieren die rechtliche Bedenkenlosigkeit, die Forschungsergebnisse zu veröffentlichen – eine gewisse Unsicherheit blieb jedoch vorhanden. Daher stellte Hellman seine Ergebnisse auf einem Kongress selbst vor und bezog keine Studenten ein, um diese vor rechtlichen Nachteilen zu schützen.
Weitere Auseinandersetzungen zwischen der NSA und der Wissenschaft sollten in den nächsten Jahrzehnten folgen.
Die NSA heute
Die geleakten Dokumente von Snowden offenbaren, dass die Geheimdienstbehörde auch heute noch versucht, verschlüsselte Informationen abzugreifen. Zudem baut die NSA mit dem Utah Data Center eines der weltweit größten Datenzentren. Dieses soll Schätzungen zufolge so viel Speicherplatz umfassen, um zu jeder Person auf der Erde rund ein Gigabyte an Information zu sichern. Diese Art „Festplatte“ speichert aber nicht nur Audio- und Testmaterial, sondern auch Bilder und Videos.
