Symmetrische Verschlüsselung, asymmetrische Verschlüsselung und Hashing

Menschen sagen oft „das ist verschlüsselt“, als wäre damit eine Sicherheitsfrage geklärt. Das ist sie nicht, denn Verschlüsselung ist nicht eine einzige Sache. Diese Lektion behandelt die drei Grundbausteine hinter fast jeder Behauptung digitalen Schutzes: symmetrische Verschlüsselung, asymmetrische Verschlüsselung und Hashing. Jedes garantiert etwas anderes, und zu wissen, welches gerade im Spiel ist, verrät, was tatsächlich geschützt wird.

Symmetrische Verschlüsselung: ein gemeinsamer Schlüssel

Das Cloudflare Learning Center beschreibt symmetrische Verschlüsselung einfach: „Es gibt nur einen Schlüssel, und alle kommunizierenden Parteien verwenden denselben (geheimen) Schlüssel sowohl zur Verschlüsselung als auch zur Entschlüsselung.“ Der Advanced Encryption Standard (AES) ist heute das Standardbeispiel, nachdem er den älteren Data Encryption Standard (DES) abgelöst hat, dessen kurze Schlüssellänge ihn per Brute-Force angreifbar machte. Symmetrische Verschlüsselung ist schnell und verschlüsselt tatsächlich den Großteil Ihrer Daten, sei es eine Datei auf der Festplatte oder der Inhalt einer über HTTPS geladenen Webseite. Ihr zentrales Problem ist die Verteilung: Beide Seiten brauchen denselben geheimen Schlüssel, und genau das Problem, diesen Schlüssel der anderen Partei zukommen zu lassen, ohne dass ihn jemand sonst sieht, löst asymmetrische Verschlüsselung.

Asymmetrische Verschlüsselung: zwei Schlüssel, die als Paar arbeiten

Bei asymmetrischer Verschlüsselung, auch Public-Key-Verschlüsselung genannt, gibt es zwei mathematisch verknüpfte Schlüssel: „Ein Schlüssel wird zur Verschlüsselung verwendet, und ein anderer Schlüssel zur Entschlüsselung“, laut Cloudflare. Der Verschlüsselungsschlüssel kann jedem veröffentlicht werden — daher „öffentlicher Schlüssel“ —, während der passende Entschlüsselungsschlüssel privat bleibt. Mit dem öffentlichen Schlüssel gesperrte Daten lassen sich nur mit dem privaten Schlüssel entsperren. Das erlaubt zwei Personen, die sich nie getroffen haben, sich über ein offenes Netzwerk auf ein gemeinsames Geheimnis zu einigen — genau das geschieht zu Beginn jeder HTTPS-Verbindung (die nächste Lektion behandelt diesen Handschlag im Detail). RSA und elliptische-Kurven-Kryptografie sind heute die gängigen dahinterstehenden Algorithmen.

Hashing: ein Fingerabdruck, kein Schloss

Eine Hash-Funktion ist keines von beidem: Sie sperrt nichts, und es gibt keinen Schlüssel, um sie zu entsperren. NIST definiert sie als eine Funktion, die „eine Bitfolge beliebiger Länge auf eine Bitfolge fester Länge abbildet“ — einfach gesagt, sie verwandelt jede Datei oder Nachricht in einen kurzen, gleich großen Fingerabdruck. NIST legt fest, welche Eigenschaften eine zugelassene Hash-Funktion haben muss: Es muss rechnerisch unmöglich sein, eine Eingabe zu finden, die eine gegebene Ausgabe erzeugt (Einwegfunktion), und unmöglich, zwei verschiedene Eingaben zu finden, die dieselbe Ausgabe erzeugen (Kollisionsresistenz). Deshalb prüft Hashing Integrität — hat sich diese Datei verändert? — und schützt gespeicherte Passwörter: Ein Dienst kann ein Passwort gegen seinen gespeicherten Hash prüfen, ohne je das eigentliche Passwort zu speichern. Ältere Hash-Funktionen wie MD5 und SHA-1 gelten gegen einen entschlossenen Angreifer nicht mehr als sicher, weshalb moderne Systeme stattdessen die Familien SHA-2 oder SHA-3 verwenden.

Was jedes davon tatsächlich garantiert

Wie sie in der Praxis zusammenwirken

Fast nichts verwendet nur eines davon. Eine typische sichere Verbindung nutzt asymmetrische Verschlüsselung kurz, um sich auf ein gemeinsames Geheimnis zu einigen, wechselt dann zu schneller symmetrischer Verschlüsselung für die eigentlichen Daten, während Hashing durchgehend läuft, um sicherzustellen, dass unterwegs nichts verändert wurde. Diese drei Rollen zu erkennen, macht den Rest dieses Kurses — Signaturen, Zertifikate, TLS und Ende-zu-Ende-Verschlüsselung — als Kombinationen desselben kleinen Werkzeugsatzes verständlich, statt als getrennte Magie.