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Klicktafel · Informatik · Klasse 8–10 · Reihe Kryptografie, Tafel 5

Vigenère: ein Schlüsselwort, viele Verschiebungen

Warum hilft das Zählen von Buchstaben plötzlich nicht mehr? Ihr verschlüsselt mit Schlüsselwort und Vigenère-Quadrat – und knackt am Ende einen abgefangenen Funkspruch.

Einstieg

Zählen hilft nicht mehr

Dieselbe Nachricht, zweimal verschlüsselt. Bei Cäsar wird jedes e zum H – das Zählen verrät alles. Beim neuen Verfahren nicht.

Schwarz umrandet: jedes e der Nachricht.

Warum ragt beim neuen Verfahren kein Buchstabe heraus wie das e?

Station 1 · Idee

Ein Schlüsselwort, viele Cäsar-Verschiebungen

Auftrag: Jeder Buchstabe des Schlüsselworts ist eine Verschiebung. Rechnet die Frage rechts aus, bevor ihr auflöst.

So geht's: 1. Buchstabe der Nachricht mit der 1. Verschiebung, 2. mit der 2. usw. Ist das Schlüsselwort zu Ende, beginnt es von vorn.

Über Z hinaus? Dann 26 abziehen: t + S = 19 + 18 = 37 → 37 − 26 = 11 → L.

Farben wie bei Cäsar: klartext blau und klein, GEHEIMTEXT rot und groß, SCHLÜSSEL violett und gestrichelt umrandet.

Der Schlüsselbuchstabe ist M. Zu welchem Buchstaben wird e?

Station 2 · Werkzeug

Das Vigenère-Quadrat

Auftrag: Stellt einen Schlüssel- und einen Klartextbuchstaben ein. Sagt voraus, wo sich Zeile und Spalte kreuzen – dann zeigen.

Schlüssel (Zeile) M
Klartext (Spalte) e

Zeile M · Spalte e → ?

Jede Zeile ist ein Cäsar-Alphabet. Zeile A verschiebt um 0, Zeile B um 1 … Zeile Z um 25.

Rückweg: In der Zeile des Schlüsselbuchstabens den Geheimbuchstaben suchen und oben den klartext ablesen.

Station 3 · Selbst verschlüsseln

Buchstabe für Buchstabe

Auftrag: Wählt ein Schlüsselwort und eine Nachricht. Sagt jeden nächsten Buchstaben voraus, bevor ihr auf „Schritt“ tippt.

Leerzeichen und Satzzeichen fallen weg, ä wird zu ae, ö zu oe, ü zu ue, ß zu ss. Höchstens 30 Buchstaben.

Station 4 · Knacken, Teil 1

Ein abgefangener Funkspruch: Wie lang ist das Schlüsselwort?

Auftrag: Markiert die Wiederholungen. Welche Schlüssellänge passt zu allen Abständen?

Wiederholung → Abstände

Wie lang ist das Schlüsselwort?

Station 5 · Knacken, Teil 2

Fünf Spalten, fünf Cäsars

Auftrag: Der häufigste Buchstabe einer Spalte steht vermutlich für e (umrandet). Welcher Schlüsselbuchstabe folgt daraus? Rechnet, dann zeigen. Zum Schluss die Probe.

Schlüssel: ? ? ? ? ?

Ausblick

Die Schwäche: Das Schlüsselwort wiederholt sich

Auftrag: Vergleicht beide Schlüssel. Warum findet der Angreifer im zweiten Fall keine verräterische Wiederholung?

Geschichte: Giovan Battista Bellaso beschrieb das Verfahren 1553. Benannt ist es nach Blaise de Vigenère, der 1586 eine ähnliche Variante vorstellte. Friedrich Wilhelm Kasiski veröffentlichte 1863 den Weg zum Knacken über die Abstände.

Was müsste man am Schlüssel ändern, damit dieser Angriff nichts findet?

Abschluss

Check

Auftrag: Entscheidet euch zuerst, dann auflösen.

Schlüsselwort KAI, Klartext oma. Wie lautet der Geheimtext?

Wiederholungen im Geheimtext haben die Abstände 12, 18 und 30. Welche Länge kann das Schlüsselwort nicht haben?

Warum hilft die Häufigkeitsanalyse in einer einzelnen Spalte wieder?

Hinweise für Lehrkräfte

Jahrgang und Zeit

Klasse 8–10, Informatik. Reihe Kryptografie, Tafel 5; setzt Cäsar und die Häufigkeitsanalyse voraus (Cäsar-Tafel).

45 Minuten: Einstieg, Stationen 1–3, Check Frage 1. 90 Minuten: alles, Stationen 4 und 5 in Partnerarbeit mit Papier (Funkspruch abschreiben, Abstände selbst zählen).

Lernziele

  • Die Schülerinnen und Schüler ver- und entschlüsseln mit Schlüsselwort, rechnerisch und mit dem Vigenère-Quadrat.
  • Sie erklären, warum polyalphabetische Verschlüsselung die Buchstabenhäufigkeit verwischt.
  • Sie bestimmen die Schlüssellänge über gemeinsame Teiler der Abstände (Kasiski-Test) und knacken die Spalten mit Häufigkeitsanalyse.
  • Sie begründen, warum ein sich wiederholender Schlüssel die Schwachstelle ist.

Typische Fehlvorstellungen

  • „A ist 1.“ Richtig ist: A = 0, sonst verschiebt A um eins (Check Frage 1).
  • „Vigenère ist unknackbar.“ So hieß es lange; mit Kasiski und Häufigkeitsanalyse ist es geknackt.
  • „Ein längeres Schlüsselwort ist sicher.“ Es macht das Knacken nur mühsamer, solange es sich wiederholt.
  • „Der ggT ist sicher die Schlüssellänge.“ Er ist nur der beste Kandidat; Zufallstreffer oder Teiler sind möglich. Darum die Probe.

Mathematik

Rechnen mit 26 Buchstaben (Rest bei Division durch 26), Teiler und größter gemeinsamer Teiler. Der Funkspruch auf Station 4 ist mit einem Schlüsselwort aus 5 Buchstaben verschlüsselt; die Lösung zeigt Station 5. In Spalte 5 sind I und V gleich häufig: ein guter Anlass, über Zufall beim Zählen zu sprechen (V als e ergibt R, und MOEWR ist kein Wort).

An der Tafel

Adresse mit #tafel startet den Tafelmodus, #tafel-4 die vierte Tafel. → / Bild↓ weiter, ← / Bild↑ zurück, Esc beendet. In den Eingabefeldern wirken die Pfeiltasten nicht.

In der Reihe

Übersicht: Verschlüsselung: von der Skytale bis AES. Der Ausblick führt zu Tafel 7: One-Time-Pad (Schlüssel so lang wie die Nachricht).