Nach Meinung vieler Wissenschaftler begann die Geschichte der Kryptographie bereits vor der Zeit Caesars. Die Verschüsselungsmethoden waren nach unserem heutigen Wissenstand sehr einfach. Es wurden immer mehr Methoden zur Chiffrierung erfunden und damit verbesserte sich die Geheimhaltungstechnik im Lauf der Zeit. Manche Methoden sind bis heute immer noch ein wichtiger Baustein für moderne Algorithmen. Im kommenden Abschnitten werden verschiedene Chiffrierungsarten vorgestellt, welche für die Entwicklung der Kryptographie sehr bemerkenswert sind.
Ein sehr alte Verschlüsselungsmethode stellt "die Skytale von Sparta" dar. "Die Skytale von Sparta" wurde von der Regierung von Sparta vor etwa 2500 Jahren verwendet, um die geheimen Nachrichten im militärischen Bereich zu übermitteln. Um an die geheimen Daten zu gelangen, mußten der Sender und der Empfänger eine sogenannte Skytale besitzen. Dies waren zwei Zylinder mit dem gleichen Radius. Die Funktionalität der Skytale ist wie folgt zu erklären: Der Zylinder des Senders wurde mit einem schmalen Band aus Pergament, auf dem die verschickten Nachrichten geschrieben wurden, spiralförmig gewickelt. Zur Entschlüsselung des Chiffretextes auf dem abgewickelten Band mußte der Empfänger einen Zylinder mit dem genau gleichen Umfang.
Die darunterliegenden Abbildungen demonstrieren die Chiffrierung mit der Skytale:
Zur Verdeutlichung betrachten wir ein Beispiel. Nehmen wir an, daß wir einen Papierstreifen mit den folgenden Buchstaben abgefangen hätten:
S I E I Y H I T I E P I C I N L T E H S Z D O ! E T I E G R D G R R H A E K A
E S Z R P
Unter dem Umfang des Zylinders verstehen wir die Anzahl von Buchstaben. Wir können verschiedene Umfänge u ausprobieren, um herauszufinden, mit welchem Umfang wir die sinnvollsten Botschaft bekommen. Zuerst probieren wir den Umfang mit u = 4 aus:
S Y I C T Z E G R E S
I H E I E D T R R K Z
E I P N H O I D H A R
I T I L S ! E G A E P
Diese dechiffrierte Nachricht ist offensichtlich sinnlos. Aber wenn wir u = 6 Spalten anordnen, erhalten wir einen sinnvollen Klartext und er sieht wie folgt aus:
S I C H E R H E
I T I S T D A S
E I N Z I G E Z
I E L D E R K R
Y P T O G R A P
H I E !
Julius Caesar (100 bis 44 vor Christus) verwendete eine einfache Chiffrierung. Er versetzte einen Geheimtextbuchstaben um 3 Stellen nach links oder um 23 Stellen nach rechts. Eine einzige Randbedingung, daß nicht zwei verschiedene Zeichen durch ein gleiches ersetzt werden dürfen, sollte dabei beachtet werden. Sonst wird die Dechiffrierung des Chiffretextes nicht mehr eindeutig.
Klartext: a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z
Geheimtext: D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C
In diesem Fall setzte er also D für A ein. Zur Übersetzung braucht man nur die darüberstehenden Klartextbuchstaben abzulesen. Das heißt, D steht für a, E für b und so weiter. Der Schlüssel dieser Chiffrierung ist 3. Es muß aber nicht sein, daß die Verschiebung um 3 Stellen stattfindet wie in unserem Beispiel. Man kann das Alphabet um beliebige Anzahl von Stellen verschieben. Zur Vereinfachung der Chiffrierung hatte bereits 1470 Leon Battista Alberti (1404 bis 1472) eine Maschine erfunden, die das Verschlüsseln mechanisiert. Diese Chiffriermaschine sieht wie folgt aus:
Die Maschine hat insgesamt zwei Scheiben. Die innere Scheibe ist gegenüber der äußeren verdrehbar, so daß man die gewünschte Verschiebechiffre einstellen kann.
Die Vignère-Verschlüsselung ist die bekannteste unter allen polyalphabetischen Algorithmen. Sie wurde im Jahr 1586 von dem französischen Diplomaten Blaise de Vignère (1523 bis 1596) der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Der Hauptgedanke dieser Methode ist, verschiedene monoalphabetische Chiffrierungen im Wechsel zu benutzen. Zur Chiffrierung der Nachrichten nach dem Algorithmus von Vigenère braucht man unbedingt einen Schlüsselwort und das Vigenère-Quadrat. Ohne Schlüsselwort kann man nicht sagen, welchen gleichen Geheimtextzeichen den gleichen Klartextzeichen entsprechen. Dabei kann das Schlüsselwort jede beliebige Buchstabenfolge sein.
Um diese Verschlüsselungsmethode zu demonstrieren, nehmen wir ein Beispiel. Wir wählen ein beliebiges Schlüsselwort, z.B. "HALLO" und schreiben dieses Wort zeichenweise über den Klartext, und zwar so lange, bis die Länge des Klartextes erreicht ist:
Schlüsselwort: H A L L O H A L L O H A L
Klartext: k r y p t o g r a p h i e
Geheimtext: R R J A H V G C L D O I P
Das Schreiben des Geheimtextes ist wie folgt zu erklären: Der über einem bestimmten Klartextzeichen stehende Schlüsselwortbuchstabe und der direkt darunterliegende Klartextbuchstabe bestimmen anhand des Vigenère-Quadrates das Alphabet, mit dem der Klartextbuchstabe zu chiffrieren ist.
Also: das erste Geheimtextbuchstabe "R" bekommen wir, wenn wir in dem Alphabet, das mit "H" beginnt, nachschauen, was in der Spalte k steht; dies ist der Buchstabe R. Weiter suchen wir in der Zeile "A" den Buchstabe in der Spalte r; dieser ist R. (Das ist nur ein Zufall, daß zwei gleiche Geheimtextbuchstaben hintereinander stehen.) In gleicher Weise führen wir die Verschlüsselung weiter durch.
Aufbau des Vigenère-Quadrates:
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A
C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B
D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C
E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D
F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E
G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F
H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G
I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H
J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I
K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J
L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K
M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L
N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M
O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N
P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O
Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P
W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V
S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R
T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S
U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T
V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U
W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V
X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W
Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X
Z A B C D E F C H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y
Die Verschlüsselungsmethode von Vigenère wurde bereits in den frühen Jahren geknackt. Der erste Angriff wurde 1863 von dem preussischen Infanteriemajor Friedrich Wilhelm Kasiski (1805 bis 1881) veröffentlicht. Der zweite wurde im Jahr 1925 von Colonel William Frederick Friedman (1891 bis 1969) entwickelt. Die beiden Verfahren, der Kasiski-Test und der Friedman-Test, gelten als äußerst wichtig in der Kryptanalyse.
In diesem Jahrhundert haben Rotormaschinen eine Sonderrolle nicht nur im militärischen Bereich sondern auch in der Kryptanalyse gespielt. Bevor wir von der bedeutesten Rotormaschine, der Enigma, sprechen, gehen wir kurz auf ihren Vorläufer, den Chiffrierzylinder, ein.
Der Chiffrierzylinder sieht wie folgt aus:
Der Chiffrierzylinder besteht aus mehreren Scheiben, auf deren Ränder permutierte Alphabete eingraviert sind. Die Reihenfolge der Alphabete ist nicht wichtig und jede Scheibe hat eine andere Permutation. In der Abbildung hat der Chiffrierzylinder 6 Scheiben. Das heißt, jede Zeile enthält 6 Geheimtextzeichen. Der Schlüssel besteht in der Anordnung der Scheiben (hier 6! Möglichkeiten).
Die bekannten Chiffriergeräte, deren Konstruktion auf den Chiffrierzylinder beruhen, sind die M-94 der US Army und das CSP-642 der Japaner. Die M-94 war von 1922 bis 1943 im Einsatz. Sie bestand aus 25 Aluminiumzylindern, bei denen nicht nur die Anordnung der Scheiben geheim war, sondern auch ihre Auswahl aus einer größeren Menge.
Die Rotormaschinen wurden um 1920 von mehreren Erfindern zum Patent angemeldet. Hier ist es nicht wichtig, die Namen der Erfinder zu nennen, sondern der Aufbau und die Funktionalität der Rotormaschinen stehen im Vordergrund. Nun gehen wir auf die Konstruktion der Rotormaschinen ein, die als elektromechanische Verschlüsselungsgeräte gelten.
Auf den gegenüberliegenden Kreisflächen einer dicken, elektrisch isolierenden Scheibe (auch Walze oder Rotor genannt) sind ringförmig je 26 Schleifkontakte, die den Buchstaben des Alphabets entsprechen, angebracht. Jeder Kontakt auf der linken Seite der Scheibe ist mit genau einem auf der rechten verbunden. Das entspricht einer Substitution. Die Kontaktflächen der beiden Seiten werden nun von 26 Schleifkontakten abgegriffen. Durch die Anlegung einer Spannung an einen der linken Schleifkontakten kann eines von 26 Lämpchen zum Leuchten gebracht werden, da die Schleifkontakte auf der rechten Seite mit den auf linken verbunden sind.
Dreht man die Scheibe nach jedem Zeichen um einen Schritt weiter, erkennt man eine polyalphabetische Substitution mit der Periode 26 und das erinnert uns an die Vigenère-Chiffrierung. Was ist dann, wenn wir statt einer Scheibe mehrere solcher Scheiben nebeneinander verwenden? Die Scheiben sind miteinander verdrahtet, und zwar sind zwischen je zwei Scheiben Schleifkontakte angebracht. Die Verdrahtung (bedeutet Substitution) zwischen den Scheiben funktioniert wie folgt: die Schleifkontakte verbinden eine rechte Kontaktfläche der linken Scheibe mit der gegenüberliegenden linken Kontaktfläche der rechten Scheibe. Durch den solchen Aufbau wird die Kryptanalyse stark erschwert, weil die Substitutionen, die in den einzelnen Scheiben fest verdrahtet sind, jedesmal unterschiedlich sind.
Die obere Walze ist die Walze I. Man sieht die Rändelscheibe und das Zahnrad, über das die Scheibe während des Verschlüsselns gedreht werden kann.
Die untere Walze ist die Walze VIII. Sie liegt so, daß die sechsundzwanzig runden Kontaktflächen zusammen mit den Buchstaben auf dem Einstellring erkennbar sind.
Gehen wir nun auf den berühmtesten Vertreter der Rotormaschinen, die Enigma, ein. Die Enigma wurde in der deutschen Wehrmacht eingesetzt. Sie war sehr bedeutend im Bereich "Funkverkehr". Die ersten Modelle der Enigma waren gewöhnliche Rotormaschinen mit 4 Rotoren, deren Aufbau wie oben beschrieben wurde.
Im Jahr 1926 veränderte Willi Korn die Konstruktion der Enigma, da die bisherige aufgebaute Rotormaschine seiner Meinung nach nicht gut genug war.
Die von ihm gedachte Konstruktion ist wie folgt zu beschreiben:
Es tritt eine weitere Scheibe, die Kontaktflächen nur auf einer Seite (statt zwei) besitzt, an die Stelle der Schleifkontakte ganz rechts. Diese Kontaktflächen sind in der Weise verbunden, daß jede Fläche mit genau einer anderen verbunden ist. Das entspricht einer Substitution, bei der kein Buchstabe in sich selbst übergeht. Die an einem "Buchstaben" (Schleifkontakt) ganz links angelegte Spannung kommt durch Rotoren nach rechts an, wird in der Umkehrwalze umgelenkt und geht wieder von rechts nach links zurück. Außer den drei Rotoren und einer Umkehrwalze ist ein zusätzliches Steckbrett notwendig, um die Vertauschung von Buchstabenpaaren vor und nach der Verschlüsselung durchzuführen.
Nachdem ein Rotor eine bestimmte Stellung erreicht, wird der nächste Rotor durch zwei Kerben zur Bewegung gebracht. Mit den unterschiedlichen Stellungen für Rotoren dachte man, die Gegner bei der Kryptanalyse zu verwirren. Zum Brechen der Enigma-Verschlüsselungsmethode benötigt man die Auswahl und die Anordnung der drei bzw. vier Rotoren, ihre Ausgangstellungen sowie die Beschreibung des Steckbrettes.
Die oben beschriebene Rotormaschine wurde als die Enigma I genannt und von dem deutschen Heer verwendet. Ab 1942 besaß die Marine eine Enigma mit 4 Rotoren. Im Lauf der Zeit erhöhte sich die Anzahl der Rotoren mit der Absicht, die geheimen Nachrichten im Krieg erfolgreicher zu schützen.
Der Aufbau und damit die Funktionalität der Enigma war nach der Ansicht des Erfinders sehr sicher. Das ist offensichtlich nicht der Fall, weil die Verschlüsselung von den Polen und den Briten während der Kriegszeit mehrfach geknackt wurde.
Es stellt sich die Frage, was mit der Enigma nach dem Kriegsende 1945 passierte? Noch während des zweiten Weltkriegs wurde eine Organisation mit dem Namen "Bletchley Park" gegründet. Diese Organisation hatte am Anfang etwa 200 Mitarbeiter und beschäftigte sich mit der Kryptanalyse. Das Projekt "Ultra" war eines von zahlreichen kryptanalytischen Aktionen in der Geschichte von Großbritanien. Ultra bezieht sich sowohl auf den Aufwand als auch auf die Geheimhaltung. Durch die intensive Arbeit von Bletchley Park wurde die Enigma gebrochen und damit hatte Bletchley Park sicher dazu beigetragen, daß viele u-Boot Angriffe verhindert werden konnten.
Nach dem in einer Internet-Newsgroup veröffentlichten Artikel von Keith Lockstone wurden nach dem Kriegsende noch Enigmas von Deutschland und der Schweiz produziert und nach Afrika , im Nahen Osten sowie Südamerika verkauft. Sie wurden in der militärischen und diplomatischen Kommunikation eingesetzt.
Außer Deutschland und der Schweiz verkaufte USA die Enigmas an Dritte-Welt-Länder, um die Geheimnachrichten abhören zu können. Mit dem heutigen Stand der Rechnertechnik dürfte es keine Schwierigkeit geben, die Enigma mit einem Klartextangriff zu brechen.
Aus dem Verlauf der Geschichte von Kryptographie erkennt man, daß die
alten Kryptographieverfahren sich mit der Verschlüsselung von
buchstabenorientierten Geheimtextes beschäftigen. Im Gegensatz dazu
arbeiten die neuen Methoden auf der Basis von Bits. Das heißt, das
Alphabet ist auf die beiden Elemente