← Alle Klicktafeln

Klicktafel · Informatik · Sek II, erhöhtes Anforderungsniveau

One-Time-Pad und perfekte Sicherheit

Was heißt es genau, dass ein Angreifer aus dem Geheimtext nichts lernt? Ihr rechnet es mit bedingten Wahrscheinlichkeiten nach, beweist es für das One-Time-Pad und zeigt mit Shannons Schranke, warum es ohne lange Schlüssel nicht geht. Dann wird es praktisch: Schlüssel zweimal benutzt, Bits gekippt, Schlüssel aus einem Startwert berechnet.

Die Grundlagen für Klasse 9–10 stehen auf der Tafel One-Time-Pad: der unknackbare Schlüssel.

Einstieg · Ein Bit

Eve fängt ein Bit ab. Was weiß sie danach?

Alice m XOR k Bob c XOR k c = 1 Eve Schlüssel k: faire Münze kennt k

Die Hafenbehörde meldet dem Lotsen jeden Morgen ein Bit: m = 1 heißt „Tanker läuft heute ein“, m = 0 heißt „nicht“. Aus alten Fahrplänen weiß Eve: An 80 % der Tage ist m = 1.

Verschlüsselt wird mit einem Schlüsselbit k aus einem fairen Münzwurf, jeden Tag neu: c = m ⊕ k. Heute fängt Eve c = 1 ab.

Wie wahrscheinlich ist für Eve jetzt, dass heute ein Tanker kommt (m = 1)?

Station 1 · Vernam-Verfahren

Klartext ⊕ Schlüssel, Bit für Bit

Auftrag: Tippt ein Wort. Begründet algebraisch, warum Bob mit demselben Schlüssel zurückkommt: (m ⊕ k) ⊕ k = ?

Gefüllte Felder = 1, darunter das Byte in hex

XOR (⊕) = Addition modulo 2

a0011b0101a ⊕ b0110

Gilbert Vernam verknüpfte 1917 so die Lochstreifen von Fernschreibern (Patent 1919). Mit echt zufälligem Schlüssel, der nur einmal benutzt wird, heißt das Verfahren One-Time-Pad. Der Schlüssel hier kommt aus crypto.getRandomValues.

Station 2 · Shannons Definition

Perfekt sicher heißt: Vorher = nachher

Auftrag: Sagt erst voraus, was bei unfairer Münze passiert. Dann stellt q ein und lest Eves Wissen nach dem Abfangen ab.

Für alle m, c mit P(C = c) > 0:
P(M = m | C = c) = P(M = m)

Claude Shannon, 1949: Der abgefangene Geheimtext ändert die Wahrscheinlichkeit keines Klartexts. M, K, C sind Zufallsgrößen; K ist unabhängig von M.

C = 0C = 1Summe

Eves Wissen über M = 1

Station 3 · Satz und Beweis

Das One-Time-Pad mit n Bit ist perfekt sicher

Auftrag: Deckt Schritt für Schritt auf. Begründet vor jedem Klick, warum der nächste Schritt gilt.

Satz: Ist K gleichverteilt auf {0,1}n und unabhängig von M, und ist C = M ⊕ K, dann gilt P(M = m | C = c) = P(M = m).

1

Zu festem m und c gibt es genau einen Schlüssel mit m ⊕ k = c, nämlich k = m ⊕ c.

XOR mit m ist umkehrbar (Station 1).

Station 4 · Shannons Schranke

Geht es auch mit kürzerem Schlüssel?

Auftrag: 3-Bit-Nachrichten, ein ℓ-Bit-Schlüssel wird wiederholt (wie bei Vigenère). Welche Klartexte kann Eve ausschließen?

Schlüssellänge ℓ:
Geheimtext c: antippen zum Umschalten

Allgemein (Zählargument)

Zu festem c liefert jeder Schlüssel höchstens einen Klartext. Also passen höchstens |K| Klartexte zu c.

Station 5 · Two-Time-Pad

Ein Schlüssel, zwei Nachrichten

Auftrag: Eve kennt c₁ ⊕ c₂ = m₁ ⊕ m₂. Legt ein vermutetes Wort an: Wo wird der andere Text lesbar?

c₁ ⊕ c₂ (hex)
als ASCII
Vermutung
anderer Text

Station 6 · Vertraulichkeit ist nicht Integrität

Eve ändert den Betrag, ohne den Schlüssel zu kennen

Auftrag: Eve kennt das Format des Auftrags und vermutet den üblichen Betrag 0100. Wählt einen neuen Betrag und lasst Eve eingreifen. Ist das One-Time-Pad damit gebrochen?

Alice: m
Geheimtext c
Eve: Δ
c′ = c ⊕ Δ
Bob: c′ ⊕ k

Δ = „0100“ ⊕ „9100“ an den Stellen des Betrags, sonst 0. Dann gilt c′ ⊕ k = m ⊕ Δ.

Station 7 · Vom One-Time-Pad zur Stromchiffre

Den Schlüsselstrom aus einem Startwert berechnen

Auftrag: Ein Spielzeug-Generator macht aus einem 16-Bit-Startwert den Schlüsselstrom. Eve vermutet „MOIN“ am Anfang. Schätzt erst die Rechenzeit.

xi+1 = (25173 · xi + 13849) mod 216
Schlüsselbyte = oberes Byte von xi+1

Geheimtext

Mit nur zwei bekannten Bytes passen bei diesem Generator meist zwei Startwerte; vier Bytes legen ihn fest.

Alle Schlüssel probieren, angenommen 1018 Versuche pro Sekunde

SchlüsselAnzahlDauer
16 Bit65 536unmessbar kurz
64 Bit1,8 · 1019rund 18 s
128 Bit3,4 · 1038rund 1,1 · 1013 Jahre
256 Bit1,2 · 1077rund 3,7 · 1051 Jahre

Station 8 · Sicherheit beurteilen

Perfekt, berechenbar sicher oder gebrochen?

Auftrag: Prüft echt zufällig · so lang wie die Nachricht · nur einmal · geheim. Erst begründen, dann aufdecken.

A · „OTP-App“: Eine App erzeugt den Schlüssel so lang wie die Nachricht mit Math.random().

B · Heißer Draht ab 1963: Fernschreiber Washington–Moskau. Jede Seite liefert der anderen Schlüsselbänder per Kurier über die Botschaften.

C · Messenger: AES-256-GCM, Schlüssel per Diffie-Hellman ausgehandelt, für jede Sitzung neu.

D · Gigabyte-Schlüssel: 1 GB echter Zufall auf einem USB-Stick. Jede neue Nachricht wird wieder ab dem ersten Byte verschlüsselt.

Abschluss · Teil 1

Check

Auftrag: Entscheidet euch zuerst, dann auflösen.

„Das One-Time-Pad ist perfekt sicher.“ Was bedeutet das genau?

Nachrichten haben 128 Bit, der Schlüssel echt zufällige 127 Bit, sonst wie beim One-Time-Pad. Was folgt?

Abschluss · Teil 2

Check

Auftrag: Entscheidet euch zuerst, dann auflösen.

Eve kippt im Geheimtext c das erste Bit. Was liest Bob?

Warum ist ChaCha20 kein One-Time-Pad, obwohl es den Klartext mit einem Schlüsselstrom XOR-verknüpft?

Hinweise für Lehrkräfte

Jahrgang und Zeit

Qualifikationsphase Informatik, Kurs auf erhöhtem Anforderungsniveau (auf grundlegendem Niveau Einstieg bis Station 4 ohne den formalen Beweis, dazu 5, 6 und 8).

90 Minuten: Einstieg bis Station 4 (Definition, Beweis, Schranke). Weitere 90 Minuten: Station 5–8 und Check, dazu die Programmieraufgabe. 45 Minuten: Einstieg, Station 2, 4, 5 und Check 1.

Bezug zum Kerncurriculum (2017)

  • Lernfeld „Informationen und Daten“, Modul Kryptologie, Qualifikationsphase: die Sicherheit eines gegebenen symmetrischen Verfahrens beurteilen (Station 4–8).
  • Erweiterung erhöhtes Anforderungsniveau: ein symmetrisches Verfahren entwerfen und implementieren (Programmieraufgabe), Funktionsweise eines modernen symmetrischen Verfahrens (Ausblick Stromchiffre, AES im Zählermodus).
  • Das One-Time-Pad selbst nennt das Kerncurriculum nicht; es dient hier als Maßstab für „sicher“.

Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler formulieren perfekte Sicherheit als Gleichheit von A-priori- und A-posteriori-Wahrscheinlichkeit und prüfen sie an der Vierfeldertafel.
  • Sie beweisen die perfekte Sicherheit des One-Time-Pads und benennen, wo Gleichverteilung und Unabhängigkeit gebraucht werden.
  • Sie begründen mit einem Zählargument, dass perfekte Sicherheit mindestens so viele Schlüssel wie Nachrichten verlangt.
  • Sie unterscheiden Vertraulichkeit und Integrität sowie perfekte und berechenbare Sicherheit und beurteilen damit konkrete Verfahren.

Typische Fehlvorstellungen

  • „Perfekt sicher heißt, Eve weiß gar nichts.“ Richtig ist: Ihr Vorwissen bleibt, der Geheimtext fügt nichts hinzu.
  • „Der Geheimtext ist gleichverteilt, also ist es sicher.“ Gleichverteilung von C allein reicht nicht; entscheidend ist, dass P(C=c | M=m) nicht von m abhängt.
  • „Perfekt sicher heißt auch fälschungssicher.“ Richtig ist: Das One-Time-Pad schützt nur die Vertraulichkeit (Station 6).
  • „Eine Stromchiffre ist ein One-Time-Pad.“ Richtig ist: Der Strom ist berechnet, die Sicherheit ist berechenbar, nicht perfekt.
  • „XOR ist sicherer als Addition modulo 26.“ Beide sind mit echtem Einmalschlüssel perfekt sicher; XOR passt nur besser zu Bits.

Programmieraufgabe (eA)

Implementiert verschluesseln(text, schluessel) mit XOR auf ASCII-Bytes und testet: Klartext „MOIN“ = 4D 4F 49 4E, Schlüssel A5 3C 0F F0 ergibt E8 73 46 BE. Erweiterung: den Startwert-Angriff aus Station 7 nachbauen.

Station 5 liefert auch Fehltreffer (etwa „IRF“ für „ AM “ an Stelle 8). Das ist gewollt: Eve muss beurteilen, welcher Treffer Sinn ergibt, und mit dem Gefundenen weiterraten.

Mathematik und Notation

Gebraucht werden bedingte Wahrscheinlichkeit, Vierfeldertafel, totale Wahrscheinlichkeit und der Satz von Bayes. Station 2 geht auch ohne Bayes-Formel, allein über die Vierfeldertafel. Die Tafel rechnet mit ASCII-Bytes (ASCII-Tabelle wie in den Ergänzenden Hinweisen zum Kerncurriculum, Neufassung 2025); die dortige Alphabet-Nummerierung A = 1 … Z = 26 wird hier nicht gebraucht.

Technik

Die Schlüssel in Station 1, 5 und 6 und der Startwert in Station 7 kommen aus crypto.getRandomValues (gleichverteilte Bytes); das ist kryptographischer Pseudozufall, kein physikalischer Zufall. Die Seite speichert nichts im Browser. Der Generator in Station 7 ist absichtlich schwach und nur ein Modell.

An der Tafel

Adresse mit #tafel startet den Tafelmodus, #tafel-3 die dritte Tafel. → / Bild↓ weiter, ← / Bild↑ zurück, Esc beendet.