Was ist Verschlüsselung? Ein umfassender Leitfaden

Eine kurze Geschichte der Verschlüsselung

Verschlüsselung für die breite Öffentlichkeit im Internet ist zwar noch recht neu, hat sich mittlerweile aber relativ stark etabliert. Anfangs war die Datenverschlüsselung ausschließlich eine Maßnahme der staatlichen Sicherheit: Sie diente dazu, nationale oder militärische Geheimnisse zu schützen und (tatsächliche oder potenzielle) Feinde daran zu hindern, darauf zuzugreifen. Als das Internet in den 1990er Jahren zu einer zunehmend öffentlich genutzten Ressource wurde, veränderten sich die Sprache rund um die Verschlüsselung und deren Zugänglichkeit. Die Begriffe „Sicherheit“ oder „Datenschutz“ wurden zu Recht auf die breite Öffentlichkeit ausgeweitet. Doch dieses Bedürfnis, Informationen zu verbergen, ist in Wirklichkeit schon recht alt.

Die antiken Ursprünge der Kryptografie

Die Praxis, Nachrichten zu verbergen, reicht bis in alte Zivilisationen zurück. Herodot berichtet, wie Histeaus eine geheime Botschaft auf die rasierte Kopfhaut eines Sklaven tätowierte und sie so verbarg, dass sie beim Nachwachsen der Haare unsichtbar wurde. Dies ist Steganografie – das Verbergen, nicht das Umwandeln einer Nachricht.

Um 700–500 v. Chr. entstanden Chiffren zur Verschlüsselung sensibler Informationen, wie beispielsweise militärischer Kommunikation. Zu den frühen Methoden gehörten einfache Buchstabenersetzungen (A=Z, B=Y). Im Laufe der Zeit wurde die Verschlüsselung immer komplexer. Die „Enigma“-Maschinen des nationalsozialistischen Deutschlands verwendeten komplexe, auf Rotoren basierende Verschlüsselungssysteme, und deren Entschlüsselung trug zum Sieg der Alliierten im Zweiten Weltkrieg bei.

Wir können also sagen, dass Verschlüsselung so alt ist wie der Moment, in dem die menschliche Sprache politisch wurde, und so neu wie die Sprache, die sich weiterhin digitalisiert.

Verschlüsselung als moderne Sicherheitstechnologie

Die moderne digitale und computergestützte Kryptografie wurde in den 1970er Jahren entwickelt, größtenteils durch Forschungsgelder und Initiativen der USA. government. RSA (Rivest–Shamir–Adleman) war ein Ergebnis dieser Arbeit. Diese Bemühungen wurden nicht gerade geheim gehalten, da daran akademische Forscher und Technologieunternehmen wie IBM beteiligt waren, die im Auftrag der Regierung arbeiteten. Die Ergebnisse wurden jedoch streng geheim gehalten und als Vermögenswerte der nationalen Sicherheit betrachtet. Kryptografische Technologie wurde in den USA sogar als „Munition“ oder Waffe eingestuft. Gesetzes zur Beschränkung und strafrechtlichen Verfolgung seines Exports während des Kalten Krieges.

Verschlüsselung als öffentliche Ressource zum Schutz der Privatsphäre

Durch Gerichtsverfahren, Aktivismus und technische Basisinitiativen haben die USA Verschlüsselungsgesetze wurden gelockert, was die weltweite Verbreitung verschlüsselter Nachrichten ermöglichte – und damit den digitalen Datenschutz begründete.

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

Auch heute geht der Kampf um sichere, hintertürfreie Verschlüsselung weiter. Aber lassen Sie uns zunächst einmal untersuchen, wie Verschlüsselung funktioniert.

Was ist Verschlüsselung?

Verschlüsselung ist die Umwandlung von Daten, sodass diese nur für diejenigen lesbar sind, die über die zum Entschlüsseln erforderlichen kryptografischen Schlüssel verfügen. Stellen Sie sich das zunächst so vor, als würden Sie Ihre sensiblen Daten in einen undurchdringlichen Raum legen, der ohne einen speziellen Schlüssel, den nur Sie besitzen, unzugänglich ist. Schließlich bedeutet „verschlüsseln“, etwas zu versiegeln, zu schützen oder geheim zu halten. Doch anstatt in einem physisch geschützten Raum aufbewahrt zu werden, werden Ihre Daten in digitalen Code umgewandelt.

Verschlüsselungsprozess

Die Verschlüsselung wandelt Ihre Daten von „Klartext“ (im Original und lesbar, also „im Klaren“) in „Chiffretext“ (unlesbar, unter einer „Chiffre“ oder einem Rätsel verborgen) um. Spezielle Algorithmen wandeln jeden Buchstaben oder Wert in Ihren Daten so um, dass diese selbst bei einer Abfangung unlesbar wären. Zu den modernen Verschlüsselungsalgorithmen, die wir behandeln werden, gehören AES, RSA und ECC (Elliptic Curve Cryptography).

Stärken von Verschlüsselungsschlüsseln

Die Stärke der Verschlüsselung wird durch die numerische Länge (oder die Anzahl der Bits) des/der Verschlüsselungsschlüssel(s) bestimmt: Je länger der Schlüssel, desto schwieriger ist es, ihn zu knacken. Im Jahr 2001 wurde AES als 128-Bit-Verschlüsselung sowohl für sensible als auch für allgemeine Anwendungen eingeführt und ist zudem mit 256-Bit-Schlüsseln kompatibel. Die AES-Verschlüsselung hat den ursprünglichen 56-Bit-DES (Data Encryption Standard) praktisch überflüssig gemacht.

Für erweiterte Sicherheit gilt mittlerweile eine 256-Bit-Verschlüsselung als Standard, und in sensiblen Fällen werden sogar noch höhere Bitzahlen verwendet. Um die Stärke einer 256-Bit-Verschlüsselung zu verdeutlichen: Es gibt etwa 10^77 mögliche Zahlenkombinationen und Schlüssel.

Grundlegende Verschlüsselungsarten

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

Symmetrische Verschlüsselung

Bei der symmetrischen Verschlüsselung wird derselbe gemeinsame Schlüssel sowohl zum Verschlüsseln als auch zum Entschlüsseln eines Datenpakets verwendet. Sowohl der Absender als auch der Empfänger müssen daher über den Schlüssel verfügen oder ihn im Voraus austauschen, um die Nachricht jeweils zu verschlüsseln bzw. zu entschlüsseln. AES ist der wichtigste symmetrische Standard, der Daten in Blöcke fester Größe von 128 Bit verschlüsselt.

Da sie deutlich effizienter ist, eignet sich die symmetrische Verschlüsselung besonders für große Mengen an ruhenden Daten, beispielsweise zum Schutz von Datenbeständen in Datenbanken. Ein Problem der symmetrischen Verschlüsselung besteht jedoch darin, 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

Bei der asymmetrischen Verschlüsselung oder Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln werden zwei miteinander verknüpfte Schlüssel verwendet: ein öffentlicher Schlüssel zur Verschlüsselung und ein privater Schlüssel zur Entschlüsselung. Diese Schlüssel sind mathematisch durch große Primzahlen miteinander verbunden, wodurch sichergestellt wird, dass 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 mit dem privaten Schlüssel des Empfängers entschlüsselt werden können.

Elliptical Curve Cryptography (ECC)

ECC (Elliptic Curve Cryptography) ist eine sich schnell entwickelnde Form der asymmetrischen Verschlüsselung, die auf elliptischen Kurven über endlichen Körpern basiert. Es generiert öffentliche und private Schlüssel mithilfe komplexer mathematischer Probleme und bietet so hohe Sicherheit bei minimalem Rechenaufwand. Ein 256-Bit-ECC-Schlüssel entspricht einem 3072-Bit-RSA-Schlüssel, wodurch sich ECC ideal für SSL/TLS-Zertifikate, Blockchain, WireGuard und mobile Sicherheit eignet.

Neue Verschlüsselungsmethoden

Zudem entstehen neue Verschlüsselungsmethoden. WireGuard verwendet beispielsweise ChaCha20, eine schnelle, sichere Stromverschlüsselung, die Daten Bit für Bit verschlüsselt. ChaCha20-Poly1305 wird häufig zusammen mit Poly1305 zur Authentifizierung eingesetzt und ist äußerst effizient sowie widerstandsfähig gegen Cyberangriffe.

Hybridverschlüsselung für den Online-Datenverkehr

Die Verschlüsselung kann auch in hybriden und mehrschichtigen Formen erfolgen, um Daten während der Übertragung besser zu schützen. Wie wir gesehen haben, ist die symmetrische Verschlüsselung zwar schnell, bietet aber für sich allein keine sichere, verschlüsselte Möglichkeit, Schlüssel auszutauschen. Die Public-Key-Kryptografie bietet hierfür eine Lösung. Hybridmodelle (einschließlich ECC) kombinieren symmetrische und asymmetrische Verschlüsselungsprotokolle auf verschiedenen Ebenen, um sowohl Schlüsselsicherheit als auch Verschlüsselungsoptimierung zu gewährleisten.

Erfahren Sie mehr über Verschlüsselungsprotokolle bei VPNs im Leitfaden von Nym.

Internet-Sicherheitsprotokolle

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

SSL/TLS ist der Vorgang zum erstmaligen Aufbau einer verschlüsselten Verbindung. Dies beginnt mit Ihrem Browser und dem Webdienst, wobei das TLS/SSL-Zertifikat des Webdienstes und dessen Gültigkeit durch eine vertrauenswürdige Zertifizierungsstelle (CA) überprüft werden, um sicherzustellen, dass es sich um den echten Server handelt. Anschließend wird ein symmetrischer Verschlüsselungsschlüssel sicher ausgetauscht, um Ihre Daten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln.

Mehrschichtige Verschlüsselung

In der Regel werden Benutzerdaten einmal verschlüsselt, da dies sowohl ausreichend sicher als auch schnell ist. Es gibt jedoch Möglichkeiten, Daten mehrfach zu verschlüsseln. Bei der Verbindung über ein VPN werden Ihre Daten wahrscheinlich zweimal verschlüsselt: zunächst 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 Ihrer Klartextdaten darstellt.

Andere Routing-Verfahren weisen komplexere Schichtstrukturen auf. Die Onion-Verschlüsselung des Tor-Netzwerks ist ein weiteres bekanntes Beispiel für hybride Verschlüsselung, bei der eine mehrschichtige Verschlüsselung zum Einsatz kommt, um den Weg eines Pakets durch das aus drei Servern (oder Knoten) bestehende Routing-Netzwerk zu schützen. Sphinx wurde speziell für anonyme Kommunikation in einem Mixnet entwickelt, wie es beispielsweise NymVPN nutzt.

Geschwindigkeitsoptimierung

Je robuster der Verschlüsselungsprozess ist, desto größer wird das Problem der Latenz. Längere Schlüssel, mehrstufige Schlüsselaustausche, mehrere Verschlüsselungsebenen sowie die Entschlüsselung und Weiterleitung über mehrere Knoten: All dies verlängert die Rechenzeit des Prozesses. Aber es sorgt zweifellos für mehr Sicherheit.

Letztendlich wird es bei der Online-Sicherheit und dem Datenschutz immer einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Leistung geben. Bei der Auswahl eines Verschlüsselungsprotokolls oder eines darauf basierenden Dienstes wie eines VPNs ist es daher wichtig zu berücksichtigen, welche Verschlüsselungsalgorithmen und Routing-Protokolle verwendet werden.

Techniken zum Knacken von Verschlüsselungen

Ist es möglich, die Verschlüsselungssicherheit zu knacken? Grundsätzlich ja. In der Praxis ist es jedoch derzeit nicht möglich, moderne Verschlüsselungsstandards direkt zu „knacken“. Dies würde enorme Rechenressourcen erfordern, von deren Existenz derzeit nichts bekannt ist. Die einzige Frage ist, wann diese Rechenleistungen praktisch umsetzbar sein werden. Schauen wir uns auf jeden Fall einmal an, wie man das möglicherweise umsetzen könnte.

Schlüsselerwerb

Der einfachste Weg, die Verschlüsselung zu umgehen – also unrechtmäßig auf verschlüsselte Daten zuzugreifen –, besteht darin, den oder die Verschlüsselungs/decryptionsschlüssel zu erlangen. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden.

• Benutzerfehler: Private Schlüssel werden häufig aufgrund unsachgemäßer Verwaltung offengelegt, beispielsweise durch Wiederverwendung oder unsichere Weitergabe. Ähnlich wie Passwörter können sie, wenn sie kompromittiert werden, missbraucht werden.
• Cyberangriffe: Hacker erlangen Schlüssel durch Phishing, Man-in-the-Middle-Angriffe oder Datenbankverletzungen. Phishing verleitet Nutzer dazu, Zugangsdaten preiszugeben, während Angreifer den Schlüsselaustausch abfangen oder auf unsicher gespeicherte Klartext-Schlüssel zugreifen können.
• Social Engineering: Psychologische Taktiken wie Spear-Phishing oder Baiting verleiten Nutzer dazu, Schlüssel preiszugeben. Beispielsweise könnte eine gefälschte IT-E-Mail fälschlicherweise eine Sicherheitslücke vortäuschen, um Nutzer dazu zu manipulieren, Verschlüsselungsschlüssel preiszugeben.

Selbst wenn einer dieser Angriffe erfolgreich sein sollte, brechen oder knacken diese Methoden technisch gesehen nicht die Verschlüsselung selbst, sondern nutzen menschliche Schwachstellen aus, um Zugriff auf Schlüssel zu erlangen.

Brute-Force-Angriffe

Brute-Force-Angriffe erraten Verschlüsselungsschlüssel systematisch durch Ausprobieren. Mit zunehmender Schlüssellänge wächst die Anzahl der möglichen Kombinationen jedoch exponentiell, was solche Angriffe unpraktikabel macht.

Während die 56-Bit-Verschlüsselung innerhalb weniger Stunden geknackt und außer Betrieb genommen wurde, ist die 128-Bit-Verschlüsselung nach wie vor ungebrochen. Fortgeschrittene Verschlüsselungsmethoden wie die 256-Bit-Verschlüsselung machen Brute-Force-Angriffe praktisch unmöglich, da sie einen unrealistischen Aufwand an Zeit und Rechenleistung erfordern.

Kryptoanalyse

Wo immer Codes existieren, folgen Versuche, sie zu knacken. Kryptoanalyse, deren Ursprünge bis in die Antike zurückreichen, untersucht Sprachmuster, um Chiffren zu knacken, indem sie die Anzahl möglicher Codes eingrenzt und Häufigkeitsmuster analysiert.

Bei der digitalen Verschlüsselung ist dies weitaus komplexer. Die moderne Kryptoanalyse sucht nach Mustern im Chiffretext, um die Möglichkeiten für den Schlüssel einzugrenzen, doch die derzeitigen Techniken sind nach wie vor weitgehend unpraktikabel.

Seitenkanalangriffe

Seitenkanalangriffe zielen nicht auf die Verschlüsselung selbst ab, sondern analysieren Daten, die aus dem Verschlüsselungsprozess austreten, wie beispielsweise den Stromverbrauch des Computers und das Timing. Diese Metadaten können verwendet werden, um die Art des verwendeten Verschlüsselungsalgorithmus und die Parameter der Schlüssel genauer zu identifizieren. Aber auch hier gilt: Moderne 128- und 256-Bit-Verschlüsselungsalgorithmen sind nach wie vor nahezu unknackbar, selbst wenn der Algorithmus bekannt ist.

Quantencomputing

Quantencomputing stellt ein zukünftiges Risiko für die Verschlüsselung dar, da es in der Lage ist, mehrere Berechnungen gleichzeitig durchzuführen. Obwohl sie weitgehend theoretischer Natur sind, könnten diese Supercomputer herkömmliche Systeme bei Brute-Force-Angriffen und bei der Kryptoanalyse übertreffen. Auch wenn die genauen Auswirkungen weiterhin spekulativ sind, hat diese Bedrohung die Entwicklung quantenresistenter Kryptografie vorangetrieben, um die Verschlüsselung gegen eine mögliche Quantenentschlüsselung zu stärken.

Einschränkungen der Verschlüsselung zum Schutz der Privatsphäre

Moderne Verschlüsselungsmethoden sind praktisch unknackbar, was bedeutet, dass der Inhalt Ihres Online-Datenverkehrs und Ihrer Kommunikation, sofern er Ende-zu-Ende-verschlüsselt ist, sicher sein sollte. Allerdings ist die Datenverschlüsselung allein zwar ein notwendiger, aber kein ausreichender Schutz.

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

Metadaten-Leck

Traffic-Metadaten sind äußerst aufschlussreich, selbst wenn Nachrichten verschlüsselt sind. Lesbare Daten wie IP-Adressen, Gerätetyp, Standort, IP-Adresse des Empfängers und Zeitstempel der Aktivitäten können weiterhin offengelegt werden. Zwar werden dadurch keine persönlichen Daten direkt preisgegeben, doch kann dies mit Datensätzen von Internetdienstanbietern oder zentralisierten VPNs verknüpft werden. Häufiger wird es jedoch von Dritten analysiert, um Verhaltensmuster und Nutzerinteressen abzuleiten.

Datenverkehrsanalyse

Traffic-Analyse erfasst Verbindungshäufigkeiten, Surfgewohnheiten, Interessen und politische Neigungen und schafft so einen riesigen Pool an personenbezogenen Daten. Selbst wenn Nachrichten oder Transaktionen verschlüsselt sind, kann KI-gestütztes Tracking dennoch das Nutzerverhalten und die Interessen analysieren und ableiten, oft ohne Einwilligung.

Fazit

Moderne Verschlüsselung ist für die Online-Sicherheit unerlässlich, reicht jedoch für echten Datenschutz nicht aus. Angesichts der weit verbreiteten Datenverfolgung und Überwachung sind zusätzliche Datenschutz-Tools erforderlich.

Herkömmliche VPNs zentralisieren häufig die Metadaten der Nutzer, wodurch sie anfällig für Sicherheitsverletzungen und Überwachung sind. Dezentrale VPNs wie NymVPN beseitigen diese Risiken, indem sie die Protokollierung verhindern und Multi-Hop-Routing für einen stärkeren Schutz vor Datenverkehrsanalyse nutzen.

Weitere Informationen zur Verschlüsselung in VPNs finden Sie in den WireGuard- und OpenVPN-Protokollen von Nym.