Mathematische Verfahren zur Wahrung des Datenschutzes und der Datensicherheit werden als Verschlüsselungsalgorithmen bezeichnet. Sie wandeln Daten in ein unlesbares Format um, das nur mit einem bestimmten Passwort oder Schlüssel (Key) entschlüsselt werden kann, um die Vertraulichkeit der Datensätze zu gewährleisten.

Verschlüsselungsmethoden gibt es in verschiedenen Typen: symmetrische, asymmetrische und Hash-Funktionen. Symmetrische Verschlüsselung verwendet einen einzigen Schlüssel sowohl für die Verschlüsselung als auch für die Entschlüsselung. Im Gegensatz dazu beinhaltet die asymmetrische Verschlüsselung zwei Schlüssel: einen für die Verschlüsselung und den anderen für die Entschlüsselung. Hash-Funktionen hingegen bieten eine eindeutige Prüfsumme oder einen Hash, der alle an den Datenmengen vorgenommenen Änderungen erkennt, was sie ideal für die Überprüfung der Datenintegrität macht.

Um die Daten- und Kommunikationssicherheit zu erhöhen, ist der Einsatz einer zuverlässigen Verschlüsselung wie Advanced Encryption Standard oder Rivest-Shamir-Adleman unerlässlich. AES ist ein symmetrischer Algorithmus, der Datensammlungen verschlüsselt, während die RSA-Verschlüsselung ein asymmetrischer Algorithmus ist, der Schlüssel codiert und digitale Signaturen generiert.

Um Datennutzung zu schützen, verwendet ein symmetrischer Verschlüsselungsalgorithmus wie einen einzigen Schlüssel sowohl für die Verschlüsselung als auch für die Entschlüsselung. Die Wahrung der Vertraulichkeit des Schlüssels ist von entscheidender Bedeutung, da ein Täter durch Diebstahl des Schlüssels in die verschlüsselten Datenspeicher eindringen könnte. Die Auswahl eines robusten Schlüssels ist ebenfalls wichtig, da schwächere Schlüssel anfällig für Risse sind. Der AES-Algorithmus ist ein weit verbreitetes Beispiel für einen robusten symmetrischen Algorithmus, der häufig in zahlreichen Anwendungen eingesetzt wird.

Verschlüsselung wie der RSA-Algorithmus verwenden zwei verschiedene Schlüssel für ihre Operationen. Ein öffentlicher Schlüssel wird verwendet, um Informationen zu verschlüsseln, während ein privater Schlüssel notwendig ist, um sie zu entschlüsseln. Während ein öffentlicher Schlüssel offen geteilt werden kann, muss der private Schlüssel vertraulich bleiben. Diese Verschlüsselungstechnologie wird stark zum Verschlüsseln von Schlüsseln und zum Erstellen digitaler Signaturen eingesetzt.

Hash-Funktionen, das Fundament der Kryptografie, wandeln lange Eingaben mathematisch in eine feste, prägnante Ausgabe um. Dieser Ausgabe-Hash trägt maßgeblich zur Gewährleistung der Datenintegrität und -authentizität bei, da er als digitaler Fingerabdruck der Originaldaten dient.

Hash-Funktionen besitzen eine signifikante Eigenschaft, die als „Avalanche-Effekt“ bekannt ist, wobei eine geringfügige Änderung der Eingabe eine signifikante Änderung des Hash-Werts erzeugt. Diese Qualität trägt wesentlich zur Verbesserung der Datenintegrität und -vertraulichkeit bei, da es mühsam wird, den ursprünglichen Eingabeinhalt aus seinem jeweiligen Hash-Wert abzurufen.

Hash-Funktionen haben eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Passwort-Hashing, digitale Signaturen und Nachrichtenauthentifizierung. Beliebte Beispiele für solche Funktionen sind SHA-256, SHA-512 und MD5.

Die Praxis der Kryptographie und elektronischer Kryptosysteme beinhaltet die Sicherung von Angaben, Nachrichten und Unterlagen durch Kodierung und Dekodierung, wodurch ihre Privatsphäre, Kohärenz und Legitimität bestätigt werden. Bei der Blockverschlüsselung per Blockchiffren wird die Nachricht vor der Verschlüsselung in gleiche Blöcke aufgeteilt.

 

Gebräuchliche Verschlüsselungsverfahren mithilfe Verschlüsselungsalgorithmus als Software, Funktion oder Service

Verschlüsselungverfahren sind Prozesse, um Daten zu sichern und nur autorisierten Benutzern den Zugriff zu ermöglichen. Das Verfahren besteht darin, den ursprünglichen Text (Klartext) durch mathematische Operationen in verschlüsselten Text (Geheimtext) umzuwandeln. Der Empfänger, der im Besitz eines geheimen Schlüssels ist, kann dann den Chiffretext wieder in Klartext entschlüsseln, um auf die ursprüngliche Nachricht zuzugreifen.

 

Twofish

Der Twofish Algorithmus wurde 1998 gemeinsam von Bruce Schneier, John Kelsey, Doug Whiting, David Wagner, Chris Hall und Niels Ferguson verfasst. Als frei lizenzierter und symmetrischer Blockverschlüsselungsalgorithmus wurde er als einer der fünf besten Kandidaten für den Advanced-Encryption Standard.

Twofish ist ein hochsicheres Feistel-Netzwerk mit einer Blockgröße von 128 Bit und Schlüssellängen von entweder 128, 192 oder 256 Bit. Es nutzt mehrere Ebenen von S-Boxen und eine komplexe Schlüsselplanungsroutine, um maximale Absicherung zu gewährleisten. Twofish ist insbesondere für seine Wirksamkeit gegen Angriffe mit linearer und differentieller Kryptoanalyse populär.

Twofish ist ein leistungsfähiges Verschlüsselungsverfahren, das sich besonders zum Schutz großer Datenmengen eignet. Seine Implementierung ist besonders effektiv in Datenbank- und Cloud-Speicherkontexten. Tatsächlich wurde es erfolgreich in mehrere Anwendungen und Protokolle integriert, darunter Virtual Private Networks (VPNs) und Secure Shell (SSH).

 

Blowfish (Kugelfisch)

Bruce Schneier entwickelte 1993 Blowfish, einen Blockverschlüsselungsalgorithmus. Der Algorithmus benutzt ein Feistel-Netzwerk und hat eine 64-Bit-Blockgröße mit Schlüsselgrößen von 32 bis 448 Bit.

Als einer der ersten Sicherheitsalgorithmen, der variable Schlüssellängen befürwortete, wurde Blowfish als schneller Algorithmus angesehen. Trotz seines guten Sicherheitsniveaus wird es nicht mehr als Maßstab angesehen, da er anfällig für bestimmte Angriffe ist, einschließlich "Sweet32"-Angriff.

Obwohl Blowfish durch ausgefeiltere Algorithmen ersetzt wurde, findet es immer noch Verwendung in verschiedenen Anwendungen, darunter Verschlüsselungssoftware, virtuelle private Netzwerke (VPNs) und sichere Dateiübertragungen im Internet (Secure File Transfer Protocol - SFTP).

 

DES

Der "Data Encryption Standard" oder DES ist ein Verfahren zur Verschlüsselung, das in den 1970er Jahren entwickelt wurde. DES verschlüsselt Datendateien in 64-Bit-Blöcken durch ein Blockverschlüsselungsverfahren. Während des Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsprozesses verwendet der Algorithmus einen 56-Bit-Schlüssel.

In den 1970er und 1980er Jahren galt DES als sicherer Codierungsalgorithmus. Verbesserungen der Rechenleistung und das Aufkommen neuer Angriffsmethoden zeigten jedoch, dass die Schlüssellänge unzureichend war. Anschließend ersetzte Triple-DES (3DES) DES und wendete den Algorithmus dreimal mit eindeutigen Schlüsseln an, um maximale Risikovermeidung zu gewährleisten.

DES gilt aufgrund seiner unzureichenden Schlüsselstärke als unzuverlässig für die Sicherung vertraulicher Infos und wird daher nicht mehr empfohlen.

 

AES

Advanced Encryption Standard (AES) ist ein Kryptoalgorithmus, der symmetrisch arbeitet, um Datenpools zu sichern. Diese Technik wurde 1998 von den belgischen Kryptografen Vincent Rijmen und Joan Daemen entwickelt. Im Jahr 2001 wurde es vom National Institute of Standards and Technology (NIST) als offizielle Vorschrift für die Verschlüsselung von Datenmengen der US-Regierung festgelegt.

Um Daten mit dieser Chiffrierung zu verschlüsseln, werden sie in einheitliche Blöcke aufgeteilt und sequentiell mit einer Blockchiffre codiert. Je nach Anforderung können Blockgröße und Verschlüsselungslänge variieren. Der AES-Algorithmus verwendet am häufigsten Schlüssellängen von 128, 192 oder 256 Bit.

Der AES-Algorithmus ist weithin für seine tadellose Security geläufig und findet seine Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Finanzdatenverschlüsselung, Cloud-Speicherung, E-Mail-Verschlüsselung und virtuellen privaten Netzwerken (VPNs). Auch die National Security Agency (NSA) empfiehlt die Verwendung dieser Verschlüsselungstechnik zum Schutz von Regierungsdokumenten und -kommunikation.

 

RSA

Die Entwickler Rivest, Shamir und Adleman prägten den Begriff RSA für ihren bahnbrechenden asymmetrischen Schutzalgorithmus, der 1977 debütierte. Auch heute noch ist er eine der beliebtesten und am weitesten verbreiteten Verschlüsselungstechniken weltweit.

Der RSA-Algorithmus unterscheidet sich von anderen Schutzalgorithmen dadurch, dass es ein Doppelpack an Schlüssel als Schlüsselpaar verwendet. Ein Schlüssel ist für den öffentlichen Gebrauch und verschlüsselt Daten, während der andere privat ist und wieder entschlüsselt. Ersteres kann mit jedem geteilt werden, der Entschlüsselungsschlüssel sollte jedoch ausschließlich dem Eigentümer bekannt sein.

Die RSA-Verschlüsselung gilt als bevorzugte Verschlüsselungsmethode und wird umfassend zum Schutz von Datenbeständen bei Online-Transaktionen, E-Mails und Dateiübertragungen eingesetzt. SSL/TLS-Zertifikate verlassen sich stark auf dieses Chiffriersystem, um Websites zu verschlüsseln und unbefugten Zugriff auf Online-Transaktionen zu verhindern.

Im Vergleich zu anderen Verschlüsselungsverfahren bietet der RSA-Algorithmus einen einfacheren und effizienteren asymmetrischen Verschlüsselungsprozess. Trotzdem kann sich dieses Kryptosystem als anfällig für Angriffe erweisen, wenn es nicht gut implementiert oder richtig verwendet wird. Daher ist es von größter Bedeutung, die korrekte Implementierung sicherzustellen, um die größtmögliche Sicherheit der verschlüsselten Datenablage zu gewährleisten.

 

SHA

Das Akronym SHA steht für „Secure Hash Algorithm“, eine Gruppe von kryptografischen Hash-Funktionen, die zum Erstellen von Prüfsummen und zum Feststellen der Authentizität von digitale Inhalte verwendet werden. Im Wesentlichen empfängt eine Hash-Funktion Eingaben mit variabler Länge und generiert einen Hash-Wert mit unveränderlicher Länge, normalerweise 128, 256 oder 512 Bit.

SHA-Versionen unterscheiden sich durch ihre unterschiedlichen Ausgangsbitzahlen. Beispielsweise liefert SHA-1 einen Hashwert von 160 Bit, während SHA-256 einen 256-Bit-Hashwert generiert.

SHA findet seinen Nutzen in mehreren Anwendungen, wie z. B. Passwortauthentifizierung, Erstellung digitaler Signaturen und Überprüfung der Datenintegrität. Es ist auch eine beliebte Wahl, um mit anderen kryptografischen Systemen zusammenzuarbeiten, um eine abgesicherte Datenübertragung zu gewährleisten.

Es sollte betont werden, dass SHA-1 jetzt als unsicher gilt, da seine Zusammensetzung anfällig für Schwachstellen ist, die es Hackern ermöglichen, Hash-Kollisionen zu erzeugen. Folglich wird die Verwendung von SHA-1 nicht mehr empfohlen und stattdessen durch sicherere Optionen wie SHA-256 oder SHA-3 ersetzt.

 

HMAC

HMAC, eine Kurzform für „Keyed-Hash Message Authentication Code“, fungiert als kryptografische Technik zur Berechnung von Message Authentication Codes (MACs). Im Wesentlichen ist ein MAC ein aus einer Nachricht abgeleiteter Wert und ein Schlüssel, der verwendet wird, um die Glaubwürdigkeit und Echtheit der Nachricht zu bestätigen.

Durch die Kombination einer kryptografischen Hash-Funktion (z. B. SHA-256 oder SHA-512) mit einem geheimen Schlüssel generiert HMAC einen MAC. Der Schlüssel dient gleichzeitig als Werkzeug zum Berechnen und Verifizieren des MAC.

Wenn vertrauliche Informationen über unsichere Netzwerke übertragen werden oder Passwörter sicher gespeichert werden müssen, erweist sich HMAC als unschätzbar. Es gewährleistet sowohl Authentizität als auch Datenintegrität und kann neben anderen kryptografischen Protokollen wie TLS und VPNs eingesetzt werden.

Zahlreiche Anwendungen und Protokolle, die eine unangreifbare Datenauthentizität und -integrität verlangen, verlassen sich auf HMAC als bewährte Methode zur Berechnung von MACs, was es zu einer sicheren Wahl macht.

 

MDS

Das Akronym MDS steht für Maximum Distance Separable, ein Merkmal bestimmter linearer Codes, die in der Codierungstheorie verwendet werden. Diese Codes sind ein mathematisches Verfahren zur Erkennung und Behebung von Fehlern bei der Datenübertragung, sogenannte lineare Codes.

MDS-Codes sollen sicherstellen, dass sich jeder Codewortvektor minimal von allen anderen Codewortvektoren unterscheidet. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen Codewörtern optimiert wird, was zu verbesserten Fehlererkennungs- und Korrekturfähigkeiten des Codes führt.

MDS-Codes erfüllen eine Vielzahl von Zwecken, einschließlich Datenaufbewahrung auf Laufwerken, Datenübertragung über Netzwerke und Datenverschlüsselung. Nehmen wir zum Beispiel den Reed-Solomon-Code – einen MDS-Code, der üblicherweise genutzt wird, um Datenspeicherung auf optischen Speichermedien wie CDs und DVDs zu speichern.

 

Das Hybridverfahren schützt effizient

Kryptosysteme mit einem Hybridverfahren sind für erhöhten Schutzmechanismus ausgelegt, indem sie sowohl symmetrische als auch asymmetrische Verschlüsselungsverfahren nutzen. Dies wird erreicht, indem Datenbestand zunächst mit einem symmetrischen Algorithmus verschlüsselt werden, gefolgt von der Verschlüsselung des Schlüssels des symmetrischen Algorithmus unter Verwendung eines asymmetrischen Verfahrens, um eine sichere Übertragung zu gewährleisten.

Das HTTPS-Protokoll ist ein hervorragendes Beispiel für ein hybrides Kryptosystem. Es wurde entwickelt, um eine sichere Datenübertragung über das Internet zu ermöglichen. Zunächst wird eine sichere Verbindung zwischen dem Webbrowser und dem Webserver hergestellt. Dadurch können sie sich auf einen gemeinsamen Schlüssel zur Verschlüsselung der Datenübertragung einigen. Anschließend kryptiert der asymmetrische RSA-Algorithmus den Schlüssel, der dann gesichert an den Webbrowser gesendet wird.

Die Einbindung hybrider Kryptosysteme kann die Sicherheit von Datenübertragungen erheblich verbessern, da sie stärkere Verschlüsselungsmaßnahmen beinhalten als die alleinige Verwendung eines der beiden Verfahren.

 

Beispiele in der praktischen Anwendung der Verschlüsselung im Bereich der Informationstechnologie

IT-Experten setzen verschiedene Verschlüsselungstechniken für viele Anwendungen und Szenarien ein:

  • Zur Wahrung der Vertraulichkeit und Sicherheitsvorkehrungen können E-Mails mit Methoden wie PGP (Pretty Good Privacy) oder S/MIME (Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions) kryptiert werden. Diese Verschlüsselungsmethoden stellen sicher, dass vertrauliche Informationen in E-Mails geschützt bleiben.
  • Um Festplattendaten vor unbefugtem Zugriff zu schützen, werden Festplattenverschlüsselungstechniken wie BitLocker oder FileVault eingesetzt, um sie zu verschlüsseln.
  • Um die Sicherheit bei der Datenübertragung zu erhöhen, nutzen Virtual Private Networks (VPNs) Verschlüsselungstechniken wie OpenVPN oder IPSec. Durch die Herstellung einer sicheren Verbindung zwischen einem entfernten Server oder Netzwerk und einem Computer oder Netzwerk stellen VPNs sicher, dass der Datenaustausch privat bleibt.
  • Um den Sicherheitsstandard von Online-Transaktionen wie E-Commerce und Online-Banking zu gewährleisten, werden SSL- (Secure Sockets Layer) oder TLS- (Transport Layer Security) Verschlüsselungsverfahren eingesetzt.
  • Datensicherheit ist ein Schlüsselmerkmal von Cloud-Speicherdiensten wie Google Drive und Dropbox. Diese Dienste setzen Verschlüsselungstechniken ein, um sicherzustellen, dass die in der Cloud gespeicherten Daten geschützt bleiben.

 

Trends in der Datenverschlüsselung

Die Weiterentwicklung von Kryptierungsalgorithmen geht aufgrund der Bedrohung durch Quantencomputer derzeit in Richtung Post-Quanten-Kryptographie (PQC). Einst als undurchdringlich geglaubte kryptografische Algorithmen lassen sich heute in deutlich kürzerer Zeit knacken als herkömmliche Computer. Um dem entgegenzuwirken, arbeitet PQC an der Entwicklung neuer kryptografischer Algorithmen, die für Quantencomputer undurchlässig sind.

Ein steigender Trend in der Datensicherheit ist die Verwendung von homomorpher Verschlüsselung. Dieses Verschlüsselungsverfahren ermöglicht die Datenverarbeitung in verschlüsselter Form, ohne dass eine Entschlüsselung erforderlich ist. Dadurch wird die Datensicherheit der Datenverarbeitung in der Cloud gestärkt, ohne dass die Vertraulichkeit der Daten gefährdet wird.

Die neueste Modeerscheinung ist die Nutzung der Blockchain-Technologie zum Schutz von elektronischen Dokumenten, Medien, Akten und Archivierung. Die dezentrale und verteilte Datenspeicherung und -verifizierung durch Blockchain-Technologie stärkt die Datenintegrität und verringert die Gefahr der Datenmanipulation.

Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Vereinfachung und Beschleunigung von Verschlüsselung, ohne deren Security zu gefährden. Das Erreichen dieses Ziels wird die weit verbreitete Verwendung von Verschlüsselung in verschiedenen Anwendungen und Systemen fördern und gleichzeitig die Privatsphäre und Sicherheitsstrategie der Benutzer schützen.

 

Der sicherste Verschlüsselungsalgorithmus

Es ist schwierig, einen bestimmten Kryptierungsalgorithmus als den sichersten zu krönen, da das Sicherheitsniveau, das er bietet, von verschiedenen Variablen beeinflusst wird. Diese Variablen können die Größe des verwendeten Schlüssels, seine Implementierung und die Anfälligkeit des Algorithmus für bekannte Angriffe umfassen.

Um optimale Sicherheitsmaßnahmen zu gewährleisten, wird häufig eine Kombination aus Verschlüsselungsalgorithmus und -techniken eingesetzt. Beispielsweise kann die AES-Verschlüsselung Daten symmetrisch verschlüsseln, während Schlüssel mit asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren wie Elliptische-Kurven-Kryptografie sicher übertragen werden.

Obwohl moderne Kryptosystemalgorithmen robuste Security gewährleisten, ist es wichtig zu bedenken, dass ihr Schutz nicht dauerhaft ist. Im Laufe der Zeit können neue Schlupflöcher aufgedeckt werden, die einen Algorithmus angreifbar machen. Daher ist es wichtig, Sicherheitsprotokolle regelmäßig zu aktualisieren und zu patchen sowie neue Verschlüsselungsverfahren und -techniken aktiv zu erforschen und einzuführen, um eine narrensichere Security zu gewährleisten.

Zum Schutz vor unbefugtem Datenzugriff muss ein Verschlüsselungsalgorithmus sicher sein. Algorithmensicherheit ist zwar unerlässlich, reicht aber nicht aus. Implementierungen müssen außerdem sicher und ohne Schwachstellen sein. Selbst geringfügige Mängel oder Schwachstellen können die Verschlüsselung beeinträchtigen und zu Sicherheitsverletzungen und Datenverlust führen.

Die Wahl des geeigneten Verschlüsselungsalgorithmus hängt von der Art der zu schützenden Datenbestände und dem erforderlichen Sicherheitsniveau ab.