Symmetrische Verschlüsselung
Bei der symmetrischen Verschlüsselung benutzen Sender und Empfänger denselben geheimen Schlüssel: einmal zum Unlesbarmachen einer Nachricht, einmal zum Zurückverwandeln. Das Verfahren ist sehr schnell, hat aber ein Problem – der Schlüssel muss vorher sicher zum Gegenüber gelangen.
Symmetrische Verschlüsselung ist ein Verfahren, um Daten für Außenstehende unlesbar zu machen. Dabei gibt es ein Geheimnis, das beide Seiten kennen müssen: den Schlüssel. Das ist keine Metallzacke, sondern eine sehr lange Zufallszahl, meist 128 oder 256 Stellen im Binärsystem. Wer eine Nachricht verschickt, rechnet sie mit diesem Schlüssel in Zeichensalat um. Wer sie empfängt, macht mit genau demselben Schlüssel die Rechnung rückwärts und erhält den Originaltext. « Symmetrisch » heißt also: derselbe Schlüssel für beide Richtungen. Das Gegenstück dazu arbeitet mit zwei verschiedenen Schlüsseln, dazu später mehr.
Der Schlüssel, den beide kennen müssen
Symmetrische Verfahren sind das Arbeitspferd der digitalen Sicherheit. Sie sind extrem schnell, weil sie im Kern nur einfache Rechenoperationen auf Bits ausführen. Ein moderner Prozessor hat dafür sogar eingebaute Spezialbefehle. Deshalb verschlüsselt dein Handy die gesamte Festplatte in Echtzeit, ohne dass du etwas davon merkst. Auch Videostreams und große Downloads laufen so über verschlüsselte Verbindungen.
Die Schwachstelle liegt nicht in der Mathematik, sondern in der Organisation. Beide Seiten brauchen denselben Schlüssel, bevor sie sicher reden können. Wie soll man ihn übermitteln, wenn der Kanal noch unsicher ist? Dieses Problem heißt Schlüsselaustausch und war jahrzehntelang das zentrale Ärgernis der Kryptographie. Früher transportierten Kuriere Codebücher; das funktioniert im Internet offensichtlich nicht.
Ein zweites Problem ist die Zahl der Schlüssel. Wenn sich in einer Gruppe jeder mit jedem vertraulich austauschen will, braucht jedes Paar einen eigenen. Bei 10 Personen sind das 45 Schlüssel, bei 1000 Personen schon fast eine halbe Million. Ein einziger geleakter Schlüssel gibt außerdem alle damit geschützten Daten frei.
Von AES bis zum Betriebsmodus
Der wichtigste heute genutzte Algorithmus heißt AES, Advanced Encryption Standard. Er zerlegt die Daten in Blöcke von 16 Bytes und schiebt jeden Block durch mehrere Runden. In jeder Runde werden Bytes ersetzt, vertauscht, gemischt und mit einem Teil des Schlüssels verrechnet. Bei einem 256-Bit-Schlüssel sind es 14 solcher Runden. Jede Runde allein wäre leicht zu knacken, die Wiederholung macht das Ergebnis praktisch unumkehrbar.
Ein Angreifer ohne Schlüssel kann nur raten. Bei 256 Bit gibt es rund 10 hoch 77 Möglichkeiten – mehr als es Atome in unserer Galaxie gibt. Alle Computer der Welt zusammen kämen damit nicht durch, egal wie lange sie rechnen. Sicherheitslücken entstehen deshalb fast immer durch Fehler in der Umsetzung, nicht durch geknackte Algorithmen.
Wichtig ist zusätzlich der Betriebsmodus, also die Regel, wie die einzelnen Blöcke verkettet werden. Verschlüsselt man jeden Block unabhängig, ergeben gleiche Klartextblöcke gleiche Geheimtextblöcke. Muster im Bild bleiben dann sichtbar. Gute Modi mischen deshalb einen Zufallswert ein und hängen eine Prüfsumme an, die Manipulationen auffallen lässt. Das Schlüsselproblem lösen moderne Systeme mit asymmetrischer Verschlüsselung: dort gibt es einen öffentlichen und einen privaten Schlüssel, und man nutzt sie nur, um einen symmetrischen Schlüssel sicher zu vereinbaren.
Überall dort, wo das Schloss-Symbol auftaucht
Jedes Mal, wenn im Browser das kleine Schloss neben der Adresse erscheint, arbeitet symmetrische Verschlüsselung im Hintergrund. Beim Verbindungsaufbau handeln Browser und Server einen frischen gemeinsamen Schlüssel aus. Danach läuft der ganze Datenverkehr symmetrisch, weil das schnell genug für Videos und große Seiten ist. Dasselbe Muster steckt in WhatsApp, Signal und verschlüsselten E-Mails.
Auch offline begegnet dir das Verfahren dauernd. Die Festplattenverschlüsselung von Windows und macOS nutzt AES, ebenso der Speicher deines Smartphones. Ein ZIP-Archiv mit Passwort, ein WLAN-Passwort, ein verschlüsselter USB-Stick: immer derselbe Grundgedanke. Dein Passwort wird dabei rechnerisch in einen Schlüssel umgewandelt.
In Nachrichten tauchen symmetrische Verfahren meist auf, wenn etwas schiefgeht. Ein Anbieter speichert Schlüssel unverschlüsselt daneben, oder ein Entwickler schreibt ihn direkt in den Programmcode. In Debatten über Ende-zu-Ende-Verschlüsselung geht es fast immer um die Frage, wer die Schlüssel besitzt. Der Algorithmus selbst ist dabei selten das Streitthema.