Anwendungsfälle der Kryptografie: Von sicherer Kommunikation zur Datensicherheit – IBM Blog

Wenn es um die Datensicherheit, die alte Kunst des Geheimschrift ist zu einem entscheidenden Eckpfeiler des heutigen digitalen Zeitalters geworden. Von streng geheimen Regierungsinformationen bis hin zu alltäglichen persönlichen Nachrichten ermöglicht die Kryptografie, unsere sensibelsten Informationen vor unerwünschten Zuschauern zu verbergen. Ganz gleich, ob wir online einkaufen oder wertvolle Geschäftsgeheimnisse auf der Festplatte speichern: Wir verdanken der Kryptographie jeden Anschein von Privatsphäre, den wir haben. 

Die Hauptprinzipien der Kryptographie schaffen Vertrauen bei Online-Geschäften. Dazu gehören Folgendes:

• Vertraulichkeit: Verschlüsselte Informationen Zugriff hat nur die Person, für die es bestimmt ist, und niemand anderes. 
• Integrität: Verschlüsselte Informationen können weder bei der Speicherung noch bei der Übertragung zwischen dem Absender und dem beabsichtigten Empfänger geändert werden, ohne dass Änderungen festgestellt werden.
• Nicht-Zurückweisung: Der Ersteller/Absender verschlüsselter Informationen kann seine Absicht, die Informationen zu senden, nicht leugnen.
• Authentifizierung: Die Identität des Absenders und Empfängers sowie der Ursprung und das Ziel der Informationen werden bestätigt.
• Schlüsselverwaltung: Die zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Daten und damit verbundenen Aufgaben wie Schlüssellänge, Verteilung, Generierung, Rotation usw. verwendeten Schlüssel werden sicher aufbewahrt.

Bevor wir uns mit den vielen Anwendungsfällen der Kryptografie befassen, werfen wir einen Blick auf die Grundlagen der Kryptografie.

Grundlagen der Kryptographie verstehen

Im Laufe der Geschichte haben Kryptologen verschiedene Methoden zur Verschlüsselung privater Informationen und zur Erstellung verschlüsselter Nachrichten verwendet. Während modern kryptografische Algorithmen sind weit fortgeschrittener, die grundlegenden Schritte bleiben jedoch sehr ähnlich. 

Die grundlegende Kryptologie nimmt die ursprünglichen, unverschlüsselten Informationen (bekannt als Klartext) und kodiert sie mit Hilfe eines oder mehrerer geheimer Schlüssel in einen verschlüsselten Code (bekannt als Chiffretext), der auch verwendet werden kann, um den Chiffretext wieder in Klartext zu dekodieren. 

Kryptographische Algorithmen

Kryptografische Algorithmen sind mathematische Formeln, die zum Ver- und Entschlüsseln von Daten verwendet werden. Diese Algorithmen erstellen geheime Schlüssel, um zu bestimmen, wie Daten von ihrem ursprünglichen Klartext in Chiffretext und umgekehrt umgewandelt werden. Zu den bekannten kryptografischen Algorithmen gehören: RSA (Rivest-Shamir-Adleman), Advanced Encryption Standard (AES) und ECC (Elliptic Curve Cryptography). 

Grundsätzlich erstellen die meisten kryptografischen Algorithmen Schlüssel durch Multiplikation großer Primzahlen. Während die Multiplikation für moderne Computer einfach ist, erfordert die Zerlegung großer Zahlen in zwei große Primzahlen so viel Rechenleistung, dass dies praktisch unmöglich ist. Kryptosysteme, die kleinere Schlüssel verwenden, können relativ leicht rückentwickelt werden, aber selbst die schnellsten Supercomputer würden Hunderte bis Hunderttausende von Jahren benötigen, um die heutigen stärkeren kryptografischen Algorithmen brutal anzugreifen. Die Elliptische-Kurven-Kryptographie bietet ein zusätzliches Maß an Sicherheit, indem sie mithilfe von Zufallszahlen viel stärkere Schlüssel erstellt, die selbst Quantencomputer der nächsten Generation nicht knacken können. 

Schlüsselverwaltung

Schlüsselverwaltung ist ein integraler Bestandteil der Kryptographie; Jedes Kryptosystem verwendet Schlüssel sowohl zum Verschlüsseln als auch zum Entschlüsseln von Daten. Bei der Schlüsselverwaltung geht es um die sichere Generierung, Speicherung und Verteilung von Verschlüsselungsschlüsseln zwischen Benutzern. Eine ordnungsgemäße Schlüsselverwaltung ist für die Aufrechterhaltung der Sicherheit verschlüsselter Daten von entscheidender Bedeutung, da schwache oder gestohlene Schlüssel in jedem Kryptosystem kritische Schwachstellen schaffen können. Schlüsselgrößen, Zufälligkeit und Speicherung sind entscheidende Funktionen der Schlüsselverwaltung. 

Symmetrische Verschlüsselung

Auch bekannt als Kryptografie mit privatem Schlüssel oder Kryptografie mit geheimem Schlüssel. symmetrische Kryptosysteme Verwenden Sie nur einen Schlüssel sowohl für die Verschlüsselung als auch für die Entschlüsselung. Damit solche Systeme funktionieren, muss jeder Benutzer bereits Zugriff auf denselben privaten Schlüssel haben. Private Schlüssel können entweder über einen zuvor eingerichteten vertrauenswürdigen Kommunikationskanal (z. B. einen privaten Kurier oder eine gesicherte Leitung) oder, praktischer, über eine sichere Schlüsselaustauschmethode (z. B.) weitergegeben werden Diffie-Hellman-Schlüsselvereinbarung). 

Trotz der Schwachstellen, die durch die Verwendung nur eines einzigen Schlüssels entstehen, ist diese Art der Verschlüsselung schneller und effizienter als alternative Methoden. Zu den beliebten symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen gehören: DES (Datenverschlüsselungsstandard), 3DES (Triple DES) und AES.

Asymmetrische Verschlüsselung

Asymmetrisches enKrypta, auch bekannt als Public-Key-Verschlüsselung, verwendet ein Schlüsselpaar – einen öffentlichen Schlüssel und einen privaten Schlüssel. Der öffentliche Schlüssel dient zur Verschlüsselung, der private Schlüssel zur Entschlüsselung und jeder Benutzer verfügt über ein eigenes Schlüsselpaar. Die beiden bei der Public-Key-Kryptografie verwendeten Verschlüsselungsschlüssel bieten eine zusätzliche Sicherheitsebene, dieser zusätzliche Schutz geht jedoch mit einer geringeren Effizienz einher. RSA, ECC und die Secure Shell-Protokoll (SSH) sind gängige asymmetrische Kryptographiealgorithmen.

Anwendungsfälle der Kryptographie

Sichere Kommunikation 

Einer der häufigsten Anwendungsfälle der Kryptographie ist die Bereitstellung sicherer Kommunikation über das Internet. Transport Layer Security (TLS) und sein Vorgänger, Secure Sockets Layer (SSL), verwenden kryptografische Protokolle, um geschützte Verbindungen zwischen Webbrowsern und Servern herzustellen. Dieser sichere Kanal stellt sicher, dass die zwischen dem Browser eines Benutzers und einer Website ausgetauschten Daten privat bleiben und nicht von böswilligen Akteuren abgefangen werden können. 

Kryptographie wird auch für gängige Messaging-Anwendungen wie E-Mail und WhatsApp verwendet Ende-zu-Ende-Verschlüsselung (E2EE) und die Privatsphäre der Benutzergespräche wahren. Mit E2EE können nur der Absender und der beabsichtigte Empfänger ihre Nachrichten entschlüsseln und lesen, wodurch es für Dritte – einschließlich der eigenen Dienstanbieter der Benutzer – nahezu unmöglich ist, auf den Inhalt zuzugreifen.

Datenverschlüsselung

Datenverschlüsselung ist eine weit verbreitete Form der Kryptografie, die vertrauliche Informationen schützt, die auf verschiedenen Geräten wie Festplatten, Smartphones und Cloud-Speicherdiensten gespeichert sind. Starke Verschlüsselungsalgorithmen wie AES wandeln Klartext effektiv in Chiffretext um und stellen so sicher, dass, selbst wenn eine unbefugte Partei Zugang erhält, sie nicht in der Lage ist, sensible Daten zu entschlüsseln, ohne Zugriff auf den Verschlüsselungsschlüssel der autorisierten Benutzer zu haben. 

Datenintegrität

Kryptographie wird auch verwendet, um die Integrität von Daten sicherzustellen. Hash-Funktionen sind eine Art kryptografischer Algorithmus, der Hashes fester Größe (auch als Digests bezeichnet) von Daten generiert und dabei im Wesentlichen einen Datensatz in eine eindeutige numerische Hash-Nummer umwandelt. Diese Hashes sind so einzigartig, dass die Änderung auch nur eines einzigen Zeichens oder Leerzeichens im Klartext zu einem völlig anderen Zahlenwert führen würde. Empfänger, Anwendungen oder Websites können die Datenintegrität überprüfen, indem sie den Hash der empfangenen Daten mit dem erwarteten Hash vergleichen, und sie können bestätigen, dass die Daten während der Übertragung nicht verändert wurden. 

Hash-Funktionen werden auch häufig verwendet, um Benutzerkennwörter zu überprüfen, ohne dass eine anfällige clientseitige Datenbank mit privaten Kennwörtern erstellt werden muss. Stattdessen sammeln und speichern Dienste wie Online-Banking-Portale nur die Hashes von Benutzerpasswörtern. Selbst wenn eine solche Datenbank gestohlen würde, wäre ein böswilliger Akteur nicht in der Lage, das Passwort eines Benutzers allein aus seinem Hash abzuleiten. 

Authentifizierung

Die Überprüfung der Authentizität gesendeter und empfangener Informationen ist eine entscheidende Funktion der Kryptographie, die für die Abwicklung aller Arten von Geschäften verwendet wird und durch den Einsatz von ermöglicht wird digitale Signaturen. Durch asymmetrische Kryptografie können Dokumente mit digitalen Signaturen versehen werden, die nur unter Verwendung eines privaten Schlüssels generiert werden können. Empfänger digital signierter Dokumente können den öffentlichen Schlüssel des Absenders verwenden, um die Echtheit der Signatur zu überprüfen und sicherzustellen, dass das Dokument während der Übertragung nicht manipuliert wurde. 

Nicht-Zurückweisung

Nicht-Zurückweisung ist ein rechtlicher Begriff, der die Authentizität empfangener Nachrichten sicherstellt und verhindert, dass ein Absender möglicherweise die Gültigkeit einer bestimmten gesendeten Nachricht verneint. Digitale Signaturen sind ein entscheidender Bestandteil der Nichtabstreitbarkeit, da sie beweisen, dass der Absender und niemand anderes die Nachricht oder das Dokument signiert hat. Die durch Kryptografie ermöglichte Nichtabstreitbarkeit, wie sie durch Datenintegritätsprotokolle und digitale Signaturen festgelegt wird, bietet einen brauchbaren Rahmen für die Überprüfung rechtsverbindlicher Verhandlungen, Verträge und anderer Arten von Rechtsgeschäften und Geschäften.

Schlüsselaustausch 

Der Schlüsselaustausch ist ein wichtiger Bestandteil der sicheren Kommunikation und ein entscheidender Aspekt beim Aufbau einer sicheren Verbindung, insbesondere in asymmetrischen Kryptosystemen. Auch in diesem Vorschritt spielt die Kryptographie eine wertvolle Rolle. Der Diffie-Hellman-Schlüsselaustauschalgorithmus ist ein Meilenstein in der Entwicklung der Public-Key-Kryptographie und ermöglicht es zwei Parteien, Verschlüsselungsschlüssel sicher über einen unsicheren Kanal auszutauschen. Diese Methode stellt sicher, dass selbst wenn ein Lauscher den Schlüsselaustauschdialog abhört, er die ausgetauschten Verschlüsselungsschlüssel nicht entschlüsseln kann. Durch Kryptografie ermöglichen Algorithmen wie das Diffie-Hellman-Schlüsselaustauschprotokoll den Parteien den Aufbau sicherer Verbindungen durch Verschlüsselung mit öffentlichem Schlüssel, ohne dass ein zuvor eingerichteter und potenziell anfälliger alternativer Schlüsselaustausch erforderlich ist. 

Sichern der API-Kommunikation

Ein Markenzeichen von Web 2.0 (und darüber hinaus) ist die kooperative Inter-App-Bedienbarkeit, die es verschiedenen Anwendungen und Webdiensten ermöglicht, Daten aus ihren respektierten, ummauerten virtuellen Ökosystemen abzurufen, was eine massiv erweiterte Funktionalität aller Arten von Apps ermöglicht – von der Einbettung von Social-Media-Beiträgen in Nachrichten Artikel zum Teilen kritischer Systemanalysen in erweiterten Betriebs-Dashboards.

Bekannt als Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs)Diese Systeme sind darauf ausgelegt, die programmübergreifende Kommunikation zu erleichtern, und die Kryptografie sorgt dafür, dass diese sensiblen Daten vor unbefugtem Abhören oder Manipulation geschützt bleiben und sichergestellt wird, dass nur autorisierte Parteien auf die Informationen zugreifen können. API-Schlüssel und Token werden häufig zusammen mit der Verschlüsselung verwendet, um vertrauliche Daten zu schützen, die zwischen Anwendungen ausgetauscht werden, insbesondere in Situationen, in denen die Sicherheit am kritischsten ist, wie z. B. bei öffentlichen Arbeiten und Infrastruktur. 

Quantencomputing-Cybersicherheit

Der Aufstieg von Quantencomputing stellt eine erhebliche Bedrohung für bestehende Verschlüsselungsmethoden dar und Internet-Sicherheit Systeme. Die meisten modernen Kryptosysteme sind so konzipiert, dass sie der potenziellen Rechenleistung herkömmlicher Computer standhalten, die für einen erfolgreichen Brute-Force-Angriff auf die heutigen kryptografischen Algorithmen lediglich Hunderte bis Hunderttausende von Jahren benötigen würden. Quantencomputer könnten jedoch möglicherweise die Leistung heutiger Computer um Größenordnungen steigern und die Zeit, die zum Knacken selbst der stärksten kryptografischen Schlüssel benötigt würde, von Tausenden von Jahren auf nur noch wenige Sekunden verkürzen.

Während die meisten modernen kryptografischen Algorithmen theoretischen Angriffen auf Quantencomputer nicht standhalten können, reagieren Kryptologen auf diese Schwachstellen mit der Entwicklung von Quantenresistente Kryptographie Techniken. Die Anwendungsfälle für quantenresistente und Post-Quanten-Kryptographie sind so zahlreich wie die Anwendungsfälle der Kryptographie im Allgemeinen. Obwohl davon ausgegangen wird, dass sich das Quantencomputing bestenfalls noch im Prototypenstadium befindet, sind sich die meisten Informatiker einig, dass große Durchbrüche in den nächsten 10 bis 50 Jahren die Entwicklung der quantenresistenten Kryptographie ebenso entscheidend machen werden wie das Quantencomputing selbst.

Blockchain-Sicherheit

Blockchain Technologie verlässt sich stark auf Kryptografie, um die Sicherheit und Unveränderlichkeit aller Transaktionen und Aktualisierungen in der Kette zu gewährleisten. Kryptowährungen wie Bitcoin verwenden kryptografische Algorithmen, um neue Münzen zu schürfen und zu prägen, während kryptografische Hash-Funktionen die Integrität der Blöcke in der Kette sicherstellen. Bei der Durchführung von Transaktionen wird die Public-Key-Kryptographie zur Erstellung und Überprüfung digitaler Signaturen verwendet. Die Blockchain-Technologie umfasst die meisten Kernprinzipien der Kryptographie und nutzt Verschlüsselung, um ein vertrauenswürdiges Ökosystem zu schaffen, in dem alle Aktionen leicht authentifiziert und verifiziert werden können.

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