Symmetrische Verschlüsselung (AES), asymmetrische Kryptographie (RSA, ECC), kryptographische Hashfunktionen (SHA-256, Salt), digitale Signaturen und der TLS 1.3 Handshake.
📖 Fachtheorie & KMK-Prüfungswissen
1. Symmetrische vs. Asymmetrische Verschlüsselung
| Kriterium | Symmetrische Verschlüsselung | Asymmetrische Verschlüsselung |
|---|
| Schlüssel | Genau ein gemeinsamer geheimer Schlüssel (Secret Key) für Ver- und Entschlüsselung. | Ein Schlüsselpaar: Öffentlicher Schlüssel (Public Key zum Verschlüsseln) und Privater Schlüssel (Private Key zum Entschlüsseln). |
| Bekannte Algorithmen | AES-128 / AES-256, ChaCha20 | RSA (2048/4096 Bit), ECC (Elliptic Curve Cryptography / Ed25519) |
| Rechenaufwand / Speed | Extrem schnell, hardwarebeschleunigt (AES-NI) | Sehr rechenintensiv (Faktor 1.000 langsamer als AES) |
| Hauptproblem | Sicherer Schlüsselaustausch über unsichere Kanäle | Größere Schlüssellängen, hoher CPU-Bedarf |
2. Hybride Verschlüsselung (Standard bei HTTPS / TLS)
Weil asymmetrische Verschlüsselung zu langsam für große Datenmengen ist und symmetrische Verschlüsselung am Schlüsselaustausch scheitert, kombiniert TLS beide Verfahren:
- Der Client prüft das X.509-Zertifikat des Servers über die Kette vertrauenswürdiger Zertifizierungsstellen (Root CAs).
- Mittels asymmetrischem Schlüsselaustausch (Diffie-Hellman / ECDHE) handeln Client und Server sicher einen zufälligen Sitzungsschlüssel (Session Key) aus.
- Die eigentlichen Nutzdaten der Web-Sitzung werden hocheffizient symmetrisch mit AES-256-GCM verschlüsselt.
3. Kryptographische Hashfunktionen & Digitale Signatur
- Hashfunktion (z. B. SHA-256): Berechnet aus Daten beliebiger Länge einen Prüfwert fixer Länge (256 Bit). Eigenschaften: Nicht umkehrbar (Einweg), deterministisch, Lawineneffekt (kleinste Änderung ändert den Hash komplett), kollisionsresistent.
- Passwort-Hashing mit Salt: Passwörter werden niemals im Klartext gespeichert! Ein zufälliger Wert (Salt) wird an das Passwort angehängt, bevor der Hash berechnet wird (z. B. bcrypt, Argon2). Dies verhindert Angriffe über vorberechnete Rainbow Tables.
- Digitale Signatur: Der Absender berechnet den Hashwert eines Dokuments und verschlüsselt diesen mit seinem privaten Schlüssel. Jeder Empfänger kann mit dem öffentlichen Schlüssel des Absenders den Hash entschlüsseln und prüfen. Garantiert Authentizität und Unverfälschbarkeit!
✍️ Authentische IHK-Prüfungsaufgaben mit Erwartungshorizont
Ablauf einer digitalen Signatur & Passwortsicherheit
8 Punkte
Fachinformatikerin Sarah sendet einen Programmcode an einen Kunden. Der Kunde möchte sicherstellen, dass der Code tatsächlich von Sarah stammt (Authentizität) und während der Übertragung nicht durch Dritte modifiziert wurde (Integrität).
1. Erläutern Sie schrittweise, wie Sarah die digitale Signatur erzeugt und wie der Kunde diese verifiziert.
2. Bei der Nutzeranmeldung speichert eine neue Web-App Passwörter als reine MD5-Hashes. Nennen Sie zwei gravierende Schwachstellen dieses Vorgehens und erläutern Sie die zeitgemäße Lösung.
💡 Didaktischer Erwartungshorizont & Punkteverteilung (nach KMK-Kriterien)
1. Ablauf der digitalen Signatur:
- Signaturerzeugung durch Sarah:
Sarah generiert einen kryptographischen Hashwert (z. B. SHA-256) aus dem Programmcode. Diesen Hashwert verschlüsselt sie mit ihrem eigenen Privaten Schlüssel (Private Key). Das Ergebnis ist die digitale Signatur, die zusammen mit dem Code versendet wird. (2 Pkt.)
- Verifikation durch den Kunden:
Der Kunde berechnet unabhängig den SHA-256-Hashwert des empfangenen Codes. Parallel entschlüsselt er die digitale Signatur mit Sarahs Öffentlichem Schlüssel (Public Key). Stimmen der selbst berechnete und der entschlüsselte Hash überein, ist bewiesen: Der Code ist unverfälscht (Integrität) und stammt zweifelsfrei von Sarah (Authentizität). (2 Pkt.)
2. Schwachstellen von reinem MD5:
- MD5 ist kryptographisch gebrochen (Kollisionsangriffe möglich).
- Ohne Salt können MD5-Hashes in Sekundenschnelle über vorberechnete Rainbow Tables oder Brute-Force mit GPUs entschlüsselt werden. (2 Pkt.)
- Zeitgemäße Lösung: Verwendung moderner, rechenintensiver Key-Derivation-Funktionen mit individuellem Salt und Work-Factor (z. B. Argon2id oder bcrypt). (2 Pkt.)