Angewandte Kryptographie: mit 53 Bildern, 55 Aufgaben und 21 Tabellen
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München
Hanser
[2018]
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1 Elektronisches Bargeld, ein erstes Beispiel............................ 15
2 Grundlagen............................................................. 21
2.1 Terminologie .......................................................... 21
2.2 Kryptographische Algorithmen........................................... 22
2.3 Kryptographische Protokolle............................................ 24
2.4 Public-Key-Algorithmen................................................. 24
2.5 Kryptanalyse........................................................... 26
2.6 Sicherheit von Schlüsseln.............................................. 27
3 Klassische Chiffren.................................................... 31
3.1 Verschiebechiffren..................................................... 32
3.2 Multiplikative Chiffren................................................ 33
3.3 Tauschchiffren (Affine Chiffren)....................................... 35
3.4 Kryptanalyse monoalphabetischer Chiffren............................... 36
3.5 Polyalphabetische Chiffren............................................. 37
3.5.1 Homophone Chiffren.............................................. 37
3.6 Die Vigenère-Chiffre................................................... 38
3.6.1 Der Algorithmus................................................. 38
3.6.2 Kryptanalyse.................................................... 40
3.6.3 Der Kasiski-Test................................................ 40
3.6.4 Der Friedman-Test............................................... 43
3.7 Die Enigma ............................................................ 45
3.7.1 Kryptanalyse.................................................... 48
3.8 Das One-Time-Pad, die perfekte Chiffre................................. 52
3.9 One-Time-Pad fast ohne Schlüsseltausch................................. 55
3.10 Zusammenfassung ....................................................... 57
4 Moderne Blockchiffren.................................................... 59
4.1 Data-Encryption-Standard DES............................................. 59
4.1.1 Übersicht......................................................... 61
4.1.2 Eine Runde........................................................ 63
4.1.3 Die 16 Teilschlüssel.............................................. 64
4.1.4 Die Dechiffrierfunktion .......................................... 64
4.1.5 Sicherheit und Nichtlinearität.................................... 66
4.1.6 Sicherheit und Geschwindigkeit.................................... 68
4.1.7 Triple-DES........................................................ 68
4.2 Advanced-Encryption-Standard AES ........................................ 68
4.2.1 Die Blockchiffre Rijndael......................................... 69
4.2.2 Die ByteSub-Transformation........................................ 70
4.2.3 Die ShiftRow-Transformation....................................... 71
4.2.4 Die MixColumn-Transformation...................................... 72
4.2.5 Die Schlüsselexpansion............................................ 72
4.2.6 Die inverse Chiffre............................................... 73
4.2.7 Geschwindigkeit................................................... 73
4.2.8 Sicherheit........................................................ 73
4.2.9 Andere Funktionalitäten........................................... 74
4.3 Betriebsmodi von Blockchiffren........................................... 74
4.4 Andere Blockchiffren..................................................... 75
5 Public-Key-Krypiographie................................................. 77
5.1 Merkles Rätsel........................................................... 78
5.2 Der RSA-Algorithmus ................................................... 79
5.2.1 Der Algorithmus................................................... 80
5.2.2 Sicherheit von RSA................................................ 82
5.2.3 Effiziente Primzahltests.......................................... 83
5.2.4 Effizienz und Implementierung von RSA............................. 84
5.2.5 Schnellere Implementierung von RSA................................ 85
5.2.6 Angriffe gegen RSA................................................ 86
5.3 Angriffe gegen Public-Key-Verfahren...................................... 87
5.3.1 Chosen-Ciphertext-Angriff mit Social Engineering.................. 87
5.3.2 Angriffe aufgrund von Seiteneffekten.............................. 87
5.3.3 Angriffe mit Spezialhardware...................................... 89
5.4 Schlüsseltausch.......................................................... 89
5.4.1 Schlüsseltausch mit symmetrischen Verfahren....................... 89
5.4.2 Man-in-the-Middle-Angriff......................................... 90
5.4.3 Das Interlock-Protokoll.......................................... 90
5.4.4 Schlüsseltausch mit Quantenkryptographie......................... 91
5.5 Der Diffie-Hellman-Algorithmus........................................... 91
5.6 Der ElGamal-Algorithmus.................................................. 93
5.7 Algorithmen mit Elliptischen Kurven...................................... 93
6 Authentifikation und digitale Signatur................................... 97
6.1 Einwegfunktionen und Einweg-Hash-Funktionen.............................. 98
6.1.1 Passwortverschlüsselung......................................... 100
6.1.2 Der Geburtstagsangriff.......................................... 100
6.2 Zero-Knowledge-Protokolle............................................... 102
6.2.1 Challenge-and-Response.......................................... 102
6.2.2 Die Idee der Zero-Knowledge-Protokolle.......................... 103
6.2.3 Das Fiat-Shamir-Protokoll....................................... 104
6.3 Digitale Signaturen..................................................... 105
6.3.1 Digital Signature Algorithm (DSA)............................... 106
6.3.2 Blinde Signaturen............................................... 107
6.4 Digitale Signatur in der Praxis......................................... 108
6.4.1 Speichern des geheimen Schlüssels............................... 108
6.4.2 Vertrauen in die Software ...................................... 109
6.4.3 Zusammenfassung................................................. 110
6.5 Das Signaturgesetz...................................................... 111
6.6 Authentifikation mit digitaler Signatur................................. 112
6.7 Message-Authentication-Code (MAC)....................................... 113
6.8 Biometrische Verfahren.................................................. 114
7 Public-Key-Infrastruktur................................................ 117
7.1 Persönliche Prüfung öffentlicher Schlüssel.............................. 117
7.2 Trustcenter............................................................. 118
7.3 Zertifikatshierarchie................................................... 119
7.4 Web-of-Trust............................................................ 120
7.5 Zukunft................................................................. 121
8 Public-Key-Systeme..................................................... 123
8.1 PGP .................................................................... 123
8.1.1 Schlüsseltausch mit PGP........................................ 126
8.1.2 Die Big-Brother-Funktion........................................ 126
8.1.3 GnuPG......................................................... 127
8.1.4 Angriffe gegen PGP.............................................. 128
8.2 S/MIME und das X.509-Protokoll......................................... 130
8.3 OpenPGP versus S/MIME.................................................. 131
8.4 Secure shell (SSH)..................................................... 131
8.5 Secure socket layer (SSL).............................................. 132
8.6 Virtual Private Networking und IP Security............................. 133
8.7 Der neue Personalausweis............................................... 134
8.7.1 Hoheitliche Funktionen......................................... 134
8.7.2 Andere Funktionen ............................................. 135
8.7.3 Digitale Signatur.............................................. 135
8.7.4 Sicherheit des neuen Personalausweises......................... 136
9 Elektronisches Bargeld................................................ 139
9.1 Secret-Splitting....................................................... 139
9.2 Bit-Commitment-Protokolle.............................................. 140
9.3 Protokolle für Elektronisches Bargeld.................................. 141
10 Elektronische Zahlungssysteme...........................................145
10.1 Die Geldkarte.......................................................... 146
10.2 Mondex................................................................. 147
10.3 Ecash ................................................................. 148
10.4 Zahlung per Kreditkarte................................................ 148
10.4.1 Secure Electronic Transactions (SET) .......................... 148
10.4.2 PayPal......................................................... 149
10.4.3 Andere Systeme................................................. 150
10.5 Zusammenfassung ....................................................... 150
11 Blockchaintechnologie und BitCoin.......................................151
11.1 Ein einführendes Beispiel.............................................. 151
11.2 Vom virtuellen verteilten Kassenbuch zu BitCoin........................ 153
11.3 Authentizität der Nachricht............................................ 153
11.4 Berechnung des Kontostandes............................................ 154
11.5 Bestätigung der Zahlung durch die Mehrheit der Teilnehmer.............. 154
11.6 Worin besteht das mathematische Rätsel?................................ 155
11.7 Was sind die Eingabedaten in die Hash-Funktion?........................ 156
11.8 Die Blockchain....................................................... 156
11.9 Wie sieht ein Block bei BitCoin aus?................................... 158
11.10 Der Blockheader....................................................... 158
11.11 Wie wird die Gültigkeit eines Blocks überprüft?....................... 159
11.12 Die Arbeit eines Miners: Proof of Work (PoW).......................... 159
11.13 Steuerung der Höhe des Schwellwertes ........................ 160
11.14 Das Rennen um die längste Kette....................................... 161
11.15 Die Geschichte von BitCoin............................................ 161
11.16 Gibt es bei der Kryptowährung BitCoin eine Inflation?................. 162
11.17 Ökologische Aspekte des BitCoinsystem (Stromverbrauch)................ 162
11.18 Public Key Infrastruktur versus Blockchain............................ 164
12 Politische Randbedingungen.............................................167
12.1 Starke Kryptographie und der Lauschangriff............................ 167
12.2 US-Exportgesetze...................................................... 169
13 Sicherheitslücken in der Praxis........................................171
Anhang..................................................................... 175
A Arithmetik auf endlichen Mengen............................................175
A.1 Modulare Arithmetik..................................................... 175
A.2 Invertierbarkeit in Zn.................................................. 178
A.3 Der Euklidische Algorithmus............................................. 180
A.4 Die Eulersche «^-Funktion............................................... 183
A.5 Primzahlen.............................................................. 185
A.5.1 Primzahltests ................................................ 186
A. 6 Der endliche Körper GF (28) ........................................... 190
A.6.1 Addition ..................................................... 190
A.6.2 Multiplikation................................................ 190
A. 6.3 Polynome mit Koeffizienten in GF (28) ........................ 191
B Erzeugen von Zufallszahlen.................................................195
B. l Pseudozufallszahlengeneratoren......................................... 197
B. l.l Lineare Schieberegister mit Rückkopplung...................... 198
B.1.2 Stromchiffren................................................. 200
B.2 Echte Zufallszahlen..................................................... 201
B.2.1 Der Neumann-Filter............................................ 201
B.3 Zusammenfassung ........................................................ 203
C Lösungen zu den Übungen....................................................205
Literatur..................................................................227
Index
235
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