Was ist Verschlüsselung? Ein umfassender Leitfaden

Ein kurzer Rückblick auf die Geschichte der Verschlüsselung

Verschlüsselung für die breite Öffentlichkeit im Netz ist relativ neu und inzwischen weitgehend selbstverständlich. Anfangs war Datenverschlüsselung ausschließlich eine staatliche Sicherheitsmaßnahme: Sie schützte nationale oder militärische Geheimnisse und hielt (echte oder potenzielle) Feinde vom Zugriff darauf ab. Als das Internet in den 1990er-Jahren zu einer öffentlich genutzten Ressource wurde, änderten sich Sprache und Zugänglichkeit rund um die Verschlüsselung. Die Begriffe "Sicherheit" oder "Privatsphäre" wurden zu Recht auf die breite Öffentlichkeit ausgeweitet. Doch das Bedürfnis, Informationen zu verbergen, ist in Wirklichkeit schon recht alt.

Antike Ursprünge der Kryptografie

Die Praxis, Botschaften zu verbergen, reicht bis in antike Zivilisationen zurück. Herodot berichtet, wie Histiaios eine geheime Botschaft auf die rasierte Kopfhaut eines Sklaven tätowierte und sie verbarg, indem die Haare nachwuchsen. Das ist Steganografie - eine Botschaft zu verbergen, nicht zu verändern.

Um 700-500 v. Chr. entstanden Chiffren zur Verschlüsselung sensibler Informationen wie militärischer Kommunikation. Zu den frühen Methoden gehörten einfache Buchstabenersetzungen (A=Z, B=Y). Mit der Zeit wurde Verschlüsselung immer komplexer. Die "Enigma"-Maschinen des nationalsozialistischen Deutschlands nutzten komplizierte, rotorbasierte Chiffren, und ihre Entschlüsselung half den Alliierten, den Zweiten Weltkrieg zu gewinnen.

Man kann also sagen - Verschlüsselung ist so alt wie der Moment, in dem die menschliche Sprache politisch wurde, und so neu wie die Sprache, die immer digitaler wird.

Verschlüsselung als moderne Sicherheitstechnologie

Die moderne digitale und computergestützte Kryptografie wurde in den 1970er-Jahren entwickelt, größtenteils durch Forschungsgelder und Initiativen der US- government. RSA (Rivest–Shamir–Adleman) war ein Ergebnis dieser Arbeit. Diese Bemühungen wurden nicht gerade geheim gehalten, da akademische Forscher und Technologieunternehmen wie IBM im Rahmen von Regierungsaufträgen daran beteiligt waren. Die Ergebnisse wurden aber streng gehütet und galten als Güter der nationalen Sicherheit. Kryptografische Technologie wurde sogar als "Kriegsmaterial" oder Waffe nach US- Recht eingestuft, um ihren Export im Kalten Krieg zu beschränken und strafrechtlich zu verfolgen.

Verschlüsselung als öffentliches Gut für die Privatsphäre

Durch Gerichtsverfahren, Aktivismus und technische Basisinitiativen wurden die US- Verschlüsselungsgesetze gelockert, was die weltweite Verbreitung verschlüsselter Nachrichten ermöglichte - und damit den Weg für digitale Privatsphäre ebnete.

In den 2010er-Jahren setzten die meisten Webdienste AES oder ähnliche Protokolle ein, wodurch Verschlüsselung zum Standard beim Surfen, bei E-Mails und beim Online-Einkauf wurde.

Heute geht der Kampf um sichere, hintertürfreie Verschlüsselung weiter. Aber zuerst schauen wir uns an, wie Verschlüsselung funktioniert.

Was ist Verschlüsselung?

Verschlüsselung ist die Umwandlung von Daten, sodass sie nur von denjenigen gelesen werden können, die über die nötigen kryptografischen Schlüssel zum Entschlüsseln verfügen. Stell dir das zunächst so vor, als würdest du deine sensiblen Informationen in einen undurchdringlichen Raum legen, der ohne einen speziellen Schlüssel, den nur du besitzt, unzugänglich ist. Schließlich bedeutet "verschlüsseln", etwas zu versiegeln, zu schützen oder geheim zu halten. Doch statt in einem physisch geschützten Raum eingeschlossen zu sein, werden deine Daten in digitalen Code umgewandelt.

Verschlüsselungsprozess

Verschlüsselung verwandelt deine Daten von „Klartext“ (ursprünglich und lesbar, also „im Klartext“) in „Chiffretext“ (unlesbar, hinter einer „Chiffre“ oder einem Rätsel verborgen). Spezielle Algorithmen verwandeln jeden Buchstaben oder Wert deiner Daten so, dass sie selbst im Fall eines Abfangens nicht zu entziffern wären. Zu den modernen Verschlüsselungsalgorithmen, die wir besprechen, gehören AES, RSA und ECC (Elliptic Curve Cryptography).

Stärke von Verschlüsselungsschlüsseln

Die Stärke der Verschlüsselung wird durch die numerische Länge (oder die Anzahl der Bits) des Verschlüsselungsschlüssels bzw. der Schlüssel bestimmt: Je länger der Schlüssel, desto schwieriger ist er zu knacken. 2001 wurde AES als 128-Bit-Verschlüsselung für sensible wie allgemeine Zwecke festgelegt und ist auch mit 256-Bit-Schlüsseln kompatibel. Die AES-Verschlüsselung hat den ursprünglichen 56-Bit-DES (Data Encryption Standard) praktisch obsolet gemacht.

Für hohe Sicherheit ist heute die 256-Bit-Verschlüsselung der Maßstab, und in sensiblen Fällen werden sogar noch längere Schlüssel genutzt. Um die Stärke einer 256-Bit-Verschlüsselung zu veranschaulichen: Es gibt etwa 10^77 mögliche Zahlenkombinationen und Schlüssel.

Grundlegende Verschlüsselungsarten

Die wichtigsten Verschlüsselungsformen unterscheiden sich danach, wie und welche Arten von Schlüsseln zwischen vertrauenswürdigen Parteien geteilt werden. In der aktuellen Praxis werden die folgenden Verschlüsselungsformen häufig zu hybriden Verschlüsselungsprotokollen kombiniert.

Symmetrische Verschlüsselung

Bei der symmetrischen Verschlüsselung wird derselbe gemeinsame Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln eines Datenpakets genutzt. Sowohl Absender als auch Empfänger müssen den Schlüssel daher besitzen oder vorab teilen, um die Nachricht zu verschlüsseln bzw. zu entschlüsseln. AES ist der wichtigste symmetrische Standard und verschlüsselt Daten in Blöcken fester Größe von 128 Bit.

Da sie deutlich effizienter ist, eignet sich symmetrische Verschlüsselung besonders für große Mengen ruhender Daten, etwa zum Schutz von Datenbankspeichern. Ein Problem der symmetrischen Verschlüsselung ist jedoch, dass der Schlüssel sicher zwischen mehreren Parteien ausgetauscht werden muss, was ohne Verschlüsselung ein Sicherheitsrisiko darstellt. Hier kommt die asymmetrische Verschlüsselung ins Spiel.

Asymmetrische Verschlüsselung

Asymmetrische Verschlüsselung, auch Public-Key-Kryptografie genannt, nutzt zwei miteinander verbundene Schlüssel: einen öffentlichen Schlüssel zur Verschlüsselung und einen privaten Schlüssel zur Entschlüsselung. Diese Schlüssel sind mathematisch über große Primzahlen verbunden, sodass mit dem einen verschlüsselte Daten nur mit dem anderen entschlüsselt werden können. Öffentliche Schlüssel können frei weitergegeben werden, sodass jeder Nachrichten verschlüsseln kann, die nur der private Schlüssel des Empfängers entschlüsseln kann.

Kryptografie mit elliptischen Kurven (ECC)

ECC (Kryptografie mit elliptischen Kurven) ist eine schnell wachsende Form der asymmetrischen Verschlüsselung auf Basis elliptischer Kurven über endlichen Körpern. Sie erzeugt öffentliche und private Schlüssel mithilfe komplexer mathematischer Probleme und bietet hohe Sicherheit bei minimalem Rechenaufwand. Ein 256-Bit-ECC-Schlüssel entspricht einem 3072-Bit-RSA-Schlüssel, weshalb sich ECC ideal für SSL/TLS-Zertifikate, Blockchain, WireGuard und mobile Sicherheit eignet.

Neue Verschlüsselungsmethoden

Zudem entstehen neue Verschlüsselungsmethoden. WireGuard nutzt zum Beispiel ChaCha20, eine schnelle, sichere Stromchiffre, die Daten Bit für Bit verschlüsselt. Oft wird ChaCha20 zur Authentifizierung mit Poly1305 kombiniert - ChaCha20-Poly1305 ist äußerst effizient und widerstandsfähig gegen Cyberangriffe.

Hybride Verschlüsselung für den Online-Datenverkehr

Verschlüsselung kann auch hybride und mehrschichtige Formen annehmen, um Daten bei der Übertragung besser zu schützen. Wie wir gesehen haben, ist symmetrische Verschlüsselung schnell, bietet aber für sich allein keine sichere, verschlüsselte Möglichkeit, Schlüssel auszutauschen. Public-Key-Kryptografie bietet dafür eine Lösung. Hybridmodelle (einschließlich ECC) kombinieren symmetrische und asymmetrische Verschlüsselungsprotokolle auf verschiedenen Ebenen, um sowohl Schlüsselsicherheit als auch optimierte Verschlüsselung zu bieten.

Mehr zu Verschlüsselungsprotokollen bei VPNs erfährst du im Leitfaden von Nym.

Internet-Sicherheitsprotokolle

Die am weitesten verbreitete Form hybrider Verschlüsselung sind tatsächlich genau die Protokolle, die heute den Datenverkehr im Web sichern: das ursprüngliche SSL (Secure Socket Layer), TLS (Transport Layer Security), das auf SSL aufbaut und es verbessert, und HTTPS, das auf TLS/SSL aufsetzt.

SSL/TLS ist der Prozess, mit dem zuerst eine verschlüsselte Verbindung aufgebaut wird. Dabei authentifizieren dein Browser und der Webdienst zunächst das TLS/SSL-Zertifikat des Dienstes und dessen Gültigkeit über eine vertrauenswürdige Zertifizierungsstelle (CA), damit sichergestellt ist, dass es der echte Server ist. Anschließend wird sicher ein symmetrischer Verschlüsselungsschlüssel ausgetauscht, um deine Daten zu ver- und entschlüsseln.

Mehrschichtige Verschlüsselung

In der Regel werden Nutzerdaten nur einmal verschlüsselt, weil das ausreichend sicher und schnell ist. Es gibt jedoch Möglichkeiten, Daten mehrfach zu verschlüsseln. Bei einer VPN-Verbindung werden deine Daten wahrscheinlich zweimal verschlüsselt: zuerst durch die HTTPS-Verbindung zum Ziel und ein weiteres Mal durch den VPN-Tunnel. Diese Verschlüsselungsschritte bilden im Wesentlichen Schichten, wobei HTTPS die erste Schicht um den Kern deiner Klartextdaten bildet.

Andere Routing-Verfahren haben komplexere Schichtmodelle. Die Onion-Verschlüsselung des Tor-Netzwerks ist ein weiteres bekanntes Beispiel für hybride Verschlüsselung: Sie ergänzt eine mehrschichtige Verschlüsselung, um den Weg eines Pakets durch das Routing-Netzwerk aus drei Servern (oder Knoten) zu schützen. Sphinx wurde speziell für anonyme Kommunikation in einem Mixnet wie dem von NymVPN entwickelt.

Geschwindigkeitsoptimierung

Je robuster der Verschlüsselungsprozess, desto größer wird das Problem der Latenz. Längere Schlüssel, mehrstufiger Schlüsselaustausch, mehrere Verschlüsselungsschichten sowie Entschlüsselung und Routing über mehrere Knoten: All das erhöht den Rechenaufwand. Aber es erhöht zweifellos auch die Sicherheit.

Letztlich sind Sicherheit und Privatsphäre im Netz immer ein Kompromiss mit Geschwindigkeit und Leistung. Bei der Wahl eines Verschlüsselungsprotokolls oder eines darauf basierenden Dienstes wie eines VPNs ist es daher wichtig, darauf zu achten, welche Verschlüsselungsalgorithmen und Routing-Protokolle genutzt werden.

Techniken zum Knacken von Verschlüsselung

Lässt sich die Sicherheit einer Verschlüsselung knacken? Im Prinzip ja. In der Praxis ist es derzeit jedoch nicht möglich, moderne Verschlüsselungsstandards direkt zu "knacken". Dafür wären enorme Rechenressourcen nötig, von deren Existenz derzeit nichts bekannt ist. Die einzige Sorge ist, wann diese Rechenleistung praktisch möglich wird. Schauen wir uns jedenfalls an, wie es möglicherweise gehen könnte.

Erlangen von Schlüsseln

Der einfachste Weg, Verschlüsselung zu kompromittieren - also unrechtmäßig auf verschlüsselte Daten zuzugreifen -, ist, an den oder die Ver- und Entschlüsselungsschlüssel zu gelangen. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden.

• Nutzerfehler: Private Schlüssel werden oft durch schlechte Verwaltung offengelegt, etwa durch Wiederverwendung oder unsichere Weitergabe. Wie Passwörter können sie ausgenutzt werden, wenn sie kompromittiert sind.
• Cyberangriffe: Hacker erlangen Schlüssel durch Phishing, Man-in-the-Middle-Angriffe oder Datenbankeinbrüche. Beim Phishing werden Nutzer dazu gebracht, Zugangsdaten preiszugeben, während Angreifer Schlüsselaustausche abfangen oder auf unsicher gespeicherte Klartext-Schlüssel zugreifen können.
• Social Engineering: Psychologische Taktiken wie Spear-Phishing oder Baiting verleiten Nutzer dazu, Schlüssel weiterzugeben. Eine gefälschte IT-E-Mail kann zum Beispiel fälschlich einen Sicherheitsvorfall behaupten und Nutzer so manipulieren, Verschlüsselungsschlüssel preiszugeben.

Selbst wenn einer dieser Angriffe gelingt, knacken diese Methoden die Verschlüsselung technisch gesehen nicht selbst, sondern nutzen menschliche Schwachstellen, um an Schlüssel zu gelangen.

Brute-Force-Angriffe

Brute-Force-Angriffe raten Verschlüsselungsschlüssel systematisch durch Ausprobieren. Mit wachsender Schlüssellänge steigt die Zahl möglicher Kombinationen jedoch exponentiell, sodass diese Angriffe unpraktikabel werden.

56-Bit-Verschlüsselung wurde in wenigen Stunden geknackt und ausgemustert, während 128-Bit-Verschlüsselung bis heute ungebrochen ist. Fortgeschrittene Schlüssel wie bei der 256-Bit-Verschlüsselung machen Brute-Force-Angriffe praktisch unmöglich, weil sie unrealistisch viel Zeit und Rechenleistung erfordern.

Kryptoanalyse

Wo es Codes gibt, folgen Versuche, sie zu knacken. Die Kryptoanalyse, die bis in die Antike zurückreicht, untersucht Sprachmuster, um Chiffren zu knacken, indem sie die Zahl möglicher Codes eingrenzt und Häufigkeitsmuster analysiert.

Bei digitaler Verschlüsselung ist das weitaus komplexer. Die moderne Kryptoanalyse sucht nach Mustern im Chiffretext, um die möglichen Schlüssel einzugrenzen, doch die heutigen Techniken sind weitgehend unpraktikabel.

Seitenkanalangriffe

Seitenkanalangriffe zielen nicht auf die Verschlüsselung selbst, sondern analysieren Daten, die beim Verschlüsselungsprozess nach außen dringen, etwa Stromverbrauch und Timing des Computers. Diese Metadaten lassen sich nutzen, um die Art des verwendeten Verschlüsselungsalgorithmus und die Parameter der Schlüssel genauer zu bestimmen. Doch auch hier gilt - moderne 128- und 256-Bit-Verschlüsselungsalgorithmen sind selbst bei bekanntem Algorithmus nahezu unknackbar.

Quantencomputing

Quantencomputing ist ein künftiges Risiko für Verschlüsselung, weil es mehrere Berechnungen gleichzeitig verarbeiten kann. Obwohl das weitgehend theoretisch ist, könnten diese Supercomputer herkömmliche Systeme bei Brute-Force-Angriffen und der Kryptoanalyse übertreffen. Auch wenn ihre genauen Auswirkungen noch spekulativ sind, hat diese Bedrohung die Entwicklung quantenresistenter Kryptografie vorangetrieben, um Verschlüsselung gegen eine mögliche Quantenentschlüsselung zu stärken.

Einschränkungen der Verschlüsselung zum Schutz der Privatsphäre

Moderne Verschlüsselungsmethoden sind praktisch undurchdringlich, das heißt- der Inhalt deines Online-Datenverkehrs und deiner Kommunikation sollte sicher sein, sofern er Ende-zu-Ende-verschlüsselt ist. Datenverschlüsselung allein ist jedoch ein notwendiger, aber kein ausreichender Schutz.

Selbst wenn der Inhalt unserer Daten verschlüsselt ist, verfolgen uns viele Akteure und KI-gestützte Systeme aktiv online und sammeln unsere Metadaten - also die Daten rund um den verschlüsselten Datenverkehr all unserer Aktivitäten.

Metadatenlecks

Verkehrsmetadaten sind äußerst aufschlussreich, selbst wenn Nachrichten verschlüsselt sind. Lesbare Daten wie IP-Adressen, Gerätetyp, Standort, IP-Adresse des Empfängers und Zeitstempel von Aktivitäten können weiterhin durchsickern. Das legt zwar keine persönlichen Daten direkt offen, lässt sich aber mit Datensätzen von Internetanbietern oder zentralisierten VPNs verknüpfen. Häufiger werten Dritte sie aus, um Verhaltensmuster und Nutzerinteressen abzuleiten.

Datenverkehrsanalyse

Die Verkehrsanalyse erfasst Verbindungshäufigkeiten, Surfgewohnheiten, Interessen und politische Neigungen und schafft so einen riesigen Pool persönlicher Daten. Selbst wenn Nachrichten oder Transaktionen verschlüsselt sind, kann KI-gestütztes Tracking Nutzerverhalten und Interessen analysieren und ableiten - oft ohne Einwilligung.

Fazit

Moderne Verschlüsselung ist für die Sicherheit im Netz unverzichtbar, reicht aber für echte Privatsphäre nicht aus. Angesichts der weit verbreiteten Datenverfolgung und Überwachung braucht es zusätzliche Tools für die Privatsphäre.

Herkömmliche VPNs zentralisieren häufig Nutzer-Metadaten und sind dadurch anfällig für Datenlecks und Überwachung. Dezentrale VPNs wie NymVPN beseitigen diese Risiken, indem sie Logging verhindern und Multi-Hop-Routing für einen stärkeren Schutz vor Verkehrsanalyse nutzen.

Mehr zur Verschlüsselung in VPNs erfährst du bei den Protokollen WireGuard und OpenVPN von Nym.