Zusammenfassung DC

Paul Lödige Matrikel: 15405036

SoSe 2020

Inhaltsverzeichnis

1 Substitionsverfahren 4 1.1 Skytale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Monoalphabetische Substitionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1 Caesar-Verschlüsselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2 Häufigkeitsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Polyalphabetische Substitutionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1 Vignère-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2 One-Time-Pad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 algebraische Substitionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4.1 Hill-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Modulare Arithmetik 7 2.1 Exkurs: Division mit Rest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Der Ring ℤ_{n} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Addition und Multiplikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.2 Subtraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.3 Teiler, Vielfache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.4 Kongruenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.5 Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Der erweiterte Euklid’sche Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.1 Euklid’scher Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.2 erweiterter Euklid’scher Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Euler’sche φ-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4.1 φ-Funktion und Primzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 IT-Sicherheit: Gefährdungen und Maßnahmen 11

3.1 Vertraulichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1.1 Schutzmaßnahmen: Verschlüsselungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Integrität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2.1 Schutzmaßnahme: Hashfunktionen, Whitelists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.3 Authenzität der Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3.1 Schutzmaßnahme: Signaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.3.2 Schutz vor Replay-Angriffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.4 Authenzität von Nutzern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.4.1 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.5 Zugriffskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.5.1 Schutzmaßname: Zugriffskontrollsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.6 Nichtabstreitbarkeit, Verbindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.6.1 Schutzmaßname: Signaturen und PKI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.7 Verfügbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.7.1 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.8 Anonymität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4 Verschlüsselungsverfahren 14

4.1 Das Kerckhoffs’sche Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.2 Mathematische Modelierung von Verschlüsselungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.3 Schlüsselaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.4 Angriffsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.4.1 Ciphertext-only Angriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.4.2 Known-plaintext Angriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.4.3 Chosen-plaintext Angriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.5 Brute-Force Angriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.5.1 Beispiel: Brute-Force Angriff auf k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.5.2 Beispiel: Brute-Force Angriff auf m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.5.3 Anforderungen zum Schutz vor Brute-Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.6 Wörterbuchangriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.6.1 Schutz vor Wörterbuchangriffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5 Stromverschlüsselungsverfahren 17 5.1 Synchrone Stromverschlüsselungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5.2 Zustandsabhängige Stromverschlüsselungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.2.1 Additive zustandsabhängige Stromverschlüsselungsverfahren . . . . . . . . . . . 19 5.3 Schlüsselstrom vs. One-Time-Pad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.4 Nonces zur Initialisierung eines Schlüsselstromgenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.5 ChaCha20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 5.6 Cipher-Instanzen: Verschlüsselungsalgorithmen in Java-Laufzeitumgebungen . . . . . . 22

6 Blockverschlüsselungsverfahren 23 6.1 Padding-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.2 Betriebsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

6.2.1 ECB (Electronic Code Book) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.2.2 CBC (Cipher Block Chaining) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6.2.3 CBC-CS (Chiphertext Stealing for CBC Mode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.2.4 CTR (Counter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.2.5 OFB (Output Feedback) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.2.6 CFB (Cipher-Feedback) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.3 Konstruktionsprinzipien von Blockverschlüsselungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 28 6.4 DES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.4.1 Triple-DES (3DES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 6.5 Meet-in-the-Middle-Angriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.6 AES (Advanced Encryption Standard) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.6.1 AES-128 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7 Hashfunktionen 32 7.1 schwache Kollisionsfreiheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 7.2 MessageDigest-Instanzen: Hashfunktionen in Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 7.3 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7.3.1 Anwendungsbeispiel: Passwortdatei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 7.3.2 Anwendungsbeispiel: Integritätsschutz von Dateien . . . . . . . . . . . . . . . . 33 7.3.3 Anwendungsbeispiel: Integritätsschutz bei einem Dateidownload . . . . . . . . . 33

7.4 Brute-Force-Angriffe auf Hashfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 7.4.1 Brute-Force-Urbildsuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 7.4.2 Brute-Force-Kollisionssuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.5 Konstruktionsverfahren von Hashfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 8 MAC-Verfahren 36

8.1 HMAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 8.2 CMAC, CBC-MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

8.2.1 CMAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 8.2.2 CBC-MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37