Wie Verschlüsselung funktioniert: Ein Leitfaden zum Schutz der digitalen Privatsphäre

Verschlüsselung ist der Prozess der Umwandlung lesbarer Informationen, bekannt als Klartext, in eine unlesbare Form namens Chiffrentext, unter Verwendung eines mathematischen Algorithmus und eines geheimen Werts namens Schlüssel. Nur jemand, der den entsprechenden Schlüssel hat, kann den Prozess rückgängig machen und die ursprünglichen Daten wiederherstellen. Dieser einzelne Mechanismus liegt den meisten Dingen zugrunde, die Menschen heute "digitale Privatsphäre" nennen, von sicherer Nachrichtenübermittlung bis zu Online-Banking.

Zwei grundlegende Typen: symmetrisch und asymmetrisch

Kryptographische Systeme fallen im Allgemeinen in zwei Kategorien. Die symmetrische Verschlüsselung verwendet einen einzigen geheimen Schlüssel sowohl zum Sperren als auch zum Entsperren von Daten: Sowohl der Absender als auch der Empfänger müssen bereits denselben Schlüssel haben, laut des Datenschutzunternehmens Proton. Dies macht die symmetrische Verschlüsselung schnell, aber es erzeugt ein praktisches Problem – der Schlüssel selbst muss irgendwie geteilt werden, ohne abgefangen zu werden.

Die asymmetrische Verschlüsselung löst dieses Problem, indem sie zwei mathematisch verknüpfte Schlüssel verwendet: einen öffentlichen Schlüssel, der offen geteilt werden kann, und einen privaten Schlüssel, der geheim gehalten wird. Daten, die mit einem Schlüssel verschlüsselt sind, können nur mit dem anderen entschlüsselt werden, daher besteht keine Notwendigkeit, einen Geheimnis im Voraus auszutauschen. Der Kompromiss ist die Geschwindigkeit: Proton bemerkt, dass asymmetrische Verschlüsselung ungefähr 1.000-mal langsamer ist als symmetrische Verschlüsselung, da die zugrunde liegende Mathematik viel komplexer ist.

Wegen dieses Kompromisses verwenden die meisten realen Systeme einen hybriden Ansatz: Die asymmetrische Verschlüsselung wird kurz verwendet, um einen einmaligen symmetrischen Schlüssel über ein offenes Netzwerk auszutauschen, und dann verarbeitet der schnelle symmetrische Algorithmus die eigentlichen Massendaten. Diese Kombination treibt HTTPS-Website-Verbindungen, Virtual Private Networks (VPNs) und verschlüsselte E-Mails an, erklärt Proton.

AES: der Standard hinter den meisten alltäglichen Verschlüsselungen

Der am weitesten verbreitete symmetrische Algorithmus ist der Advanced Encryption Standard (AES), veröffentlicht vom U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) am 26. November 2001, als Federal Information Processing Standard (FIPS) 197. AES unterstützt Schlüssellängen von 128, 192 oder 256 Bit und verarbeitet Daten in 128-Bit-Blöcken. NIST beschreibt es als einen FIPS-genehmigten Algorithmus, der zum Schutz elektronischer Daten verwendet werden kann, und wird überall in Regierungs- und Handelssystemen weltweit verwendet.

Was macht Verschlüsselung "End-to-End"

Nicht alle Verschlüsselung bietet das gleiche Schutzniveau. Standard-Verschlüsselung "beim Versand", wie das TLS-Protokoll in HTTPS, schützt Daten nur, während es sich zwischen einem Gerät und einem Server bewegt – aber die Daten können immer noch lesbar sein, sobald sie diesen Server erreichen. End-to-End-Verschlüsselung (E2EE) geht weiter: Daten bleiben laut IBM bei der Übertragung verschlüsselt und werden nur auf dem Gerät des Empfängers entschlüsselt, was bedeutet, dass selbst der Dienstanbieter, der die Nachricht übermittelt, ihren Inhalt nicht lesen kann.

IBM beschreibt E2EE als in vier Stufen funktionierend: Ein Algorithmus verwandelt die Nachricht in Chiffrentext; der Chiffrentext reist durch das Netzwerk und sieht für jeden Abfänger wie Zufallszeichen aus; das Gerät des Empfängers verwendet einen privaten oder gemeinsamen Schlüssel, um die ursprüngliche Nachricht wiederherzustellen; und die Daten werden dann auf Integrität überprüft, um zu bestätigen, dass sie während der Übertragung nicht manipuliert wurden. IBM listet Messaging-Plattformen wie WhatsApp, Signal und Apples iMessage sowie Passwort-Manager wie 1Password und Bitwarden als Beispiele für Dienste auf, die End-to-End-Verschlüsselung anwenden.

Warum Quantencomputer die Verschlüsselungsstandards verändern

Regulierungsbehörden bereiten sich bereits auf eine zukünftige Bedrohung vor: Ausreichend leistungsstarke Quantencomputer könnten theoretisch die mathematischen Probleme lösen, auf die sich heutige asymmetrische Verschlüsselung stützt. Am 13. August 2024 genehmigte NIST drei neue Federal Information Processing Standards, die speziell entwickelt wurden, um Angriffen sowohl von klassischen als auch von Quantencomputern zu widerstehen, laut NIST's Computer Security Resource Center (CSRC).

Die drei Standards sind FIPS 203, der Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism Standard (abgeleitet vom CRYSTALS-Kyber-Beitrag); FIPS 204, der Module-Lattice-Based Digital Signature Standard (abgeleitet von CRYSTALS-Dilithium); und FIPS 205, der Stateless Hash-Based Digital Signature Standard (abgeleitet von SPHINCS+). NIST's CSRC erklärt, dass die Standards "entworfen wurden, um zukünftigen Angriffen durch Quantencomputer zu widerstehen, die die Sicherheit der aktuellen Standards bedrohen", und umfassen sowohl den Schlüsselaustausch als auch die digitalen Signaturen, die verwendet werden, um zu überprüfen, dass Daten nicht geändert wurden.

Was dies für die tägliche Privatsphäre bedeutet

Für die meisten Menschen ist das praktische Fazit, dass Verschlüsselung bereits einen Großteil des täglichen digitalen Lebens standardmäßig schützt – HTTPS sichert das Web-Browsing, AES sichert Dateien und Wi-Fi-Verkehr, und E2EE schützt viele beliebte Messaging-Apps. Die fortlaufende Verschiebung hin zu Post-Quantum-Standards ist hauptsächlich eine Änderung der Hintergrund-Infrastruktur, verwaltet von Standards-Organisationen, Gerätherstellern und Dienstanbietern, anstatt etwas, das einzelne Benutzer selbst konfigurieren müssen.