Verkettung von Blöcken
Im letzten Kapitel wurde der Geheimtext zur Ver- bzw. Entschlüsselung in Blöcke aufgeteilt, die exakt so lang sind wie der Schlüssel. Die Blöcke werden anschliessend einzeln durch die XOR-Funktion mit dem Schlüssel ver- bzw. entschlüsselt.
Prinzipiell kann anstelle der XOR-Funktion jede beliebige mathematische Funktion (resp. Verkettung von Funktionen) zur Verschlüsselung verwendet werden (in den unten aufgeführten Grafiken daher mit dem allgemeinen Begriff block cipher encryption bezeichnet). Wir beschränken uns hier allerdings auf die einfache und gut verständliche XOR-Verschlüsselung.
Der Betriebsmodus «Electronic Code Book» (ECB)
Falls jeder Block mit dem immer gleichen Schlüssel verschlüsselt wird, spricht man vom «Electronic Code Book» (ECB) Betriebsmodus. Schematisch dargestellt sieht dieser wie folgt aus:
In der Abbildung wird deutlich, dass ECB kein eigenes Verschlüsselungsverfahren ist, sondern nur ein Modus ist. Er definiert, wie die einzelnen Blöcke verwendet werden. Die konkrete Verschlüsselungsfunktion ist in dieser Darstellung nicht genauer angegeben – wir verwenden der Einfachheit halber hier die XOR-Funktion.
Die Entschlüsselung funktioniert analog: Der Geheimtext wird wiederum in Blöcke aufgeteilt, welche separat mit dem Schlüssel entschlüsselt werden. Die dabei entstandenen Klartext-Blöcke ergeben aneinander gereiht den gesamten Klartext.
Der Betriebsmodus «Cipher Block Chaining» (CBC)
Im CBC-Modus werden die Blöcke nicht mehr getrennt voneinander verarbeitet. Wie in der folgenden Abbildung ersichtlich ist, dient jeder Geheimtext-Block (ausser der letzte) im nachfolgenden Schritt zusätzlich als Input. So werden gleiche Klartext-Blöcke trotz identischem Schlüssel zu unterschiedlichen Geheimtextblöcken verschlüsselt.
Das Plus-Zeichen ich Kreis steht hier ebenfalls für die XOR-Operation. Diese ist gegeben, während die Verschlüsselung im grossen Rechteck mit der Bezeichnung block cipher encryption frei gewählt werden kann (also bspw. auch ein aktuell sicheres Verfahren). Da wir in unseren Beispielen allerdings jeweils die XOR-Verschlüsselung als block cipher encryption verwenden, wird bei uns sowohl für die Verrechnung des Klartextblocks mit dem vorherigen Geheimtextblock, wie auch für die eigentliche Verschlüsselung die XOR-Operation verwendet.
Da bei der Verarbeitung des ersten Blocks noch kein Geheimtext-Block zur Verfügung steht, wird als eine Art Platzhalter ein sogenannter Initialisierungsvektor (IV) verwendet.
Ändert man 1 Bit im IV, führt dies zu Änderungen im gesamten Geheimtext. Ändert man 1 Bit im Klartext, so ändern sich auch sämtliche darauffolgenden Blöcke im Geheimtext.
Ein Nachteil des CBC-Modus ist allerdings, dass die Verschlüsselung der verschiedenen Blöcke nicht gleichzeitig (also parallel) berechnet werden können, da das Resultat des vorherigen Blocks für die Verschlüsselung des aktuellen Blocks benötigt wird. D.h. ein bestimmter Klartext-Block kann erst verschlüsselt werden, wenn sämtliche vorherigen Blöcke bereits verschlüsselt sind.
Bei der Entschlüsselung sieht es anders aus. Da sofort sämtliche Geheimtextblöcke vorliegen, kann die Entschlüsselung problemlos parallelisiert werden, wie Sie in der folgenden Abbildung nachvollziehen können:
Selbstverständlich ist XOR als Verschlüsselungsfunktion aus kryptologischer Sicht nicht ideal – dafür aber für uns gut verständlich, überschaubar und einfach anzuwenden.
In der Realität ist es besonders wichtig, dass die Verschlüsselungsfunktion sämtliche Bits des aktuellen Blocks stark «vermischt». Damit ist gemeint, dass eine winzige Änderung an einer bestimmten Stelle im Klartextblock nicht nur zu einer kleinen Änderung an derselben Stelle im Geheimtextblock führt (wie dies bei XOR wegen der bitweisen Verarbeitung der Fall), sondern dass durch die kleine Änderung viele Bits überall im Block verändert werden.
Aus diesem Grund arbeiten aktuelle Verschlüsselungsfunktionen von Blockchiffren in mehreren Runden.
Rechenbeispiel
In diesem Rechenbeispiel sehen Sie den ECB- und den CBC-Modus im Vergleich.
- Klartext
RAMIRA- Schlüssel
AB- Initialvektor (für CBC)
XY
Dieses Beispiel zeigt, was die Verkettung von Blöcken ausmachen kann. Bei beiden Modu werden zwei identische Klartextblöcke RA mit dem Schlüssel AB verschlüsselt.
Beim ECB-Modus weist dementsprechend auch der Geheimtext zwei identische Blöcke SC auf. Durch das Verketten der Blöcke kann diese unschöne Regelmässigkeit mit dem CBC-Modus vermieden werden.
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