Channel Security

Entschlüsselung, Sicherheit und Anwendung des in About Security #74 vorgestellten Advanced Encryption Standard AES werden in dieser Folge beschrieben.

Entschlüsselung von AES

Die Entschlüsselung eines mit AES verschlüsselten Texts erfolgt durch Anwendung der inversen Transformationen in umgekehrter Reihenfolge. Die dafür benötigte inverse S-Box wird aus der vorhandenen S-Box berechnet. Die Rundenschlüssel werden wie bei der Verschlüsselung berechnet, aber in der umgekehrten Reihenfolge angewendet.

Die inversen Transformationen:

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  Jedes Byte im aktuellen Block wird durch die inverse S-Box umgewandelt.
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  Die ShiftRow-Verschiebung wird durch Verschiebung in die Gegenrichtung rückgängig gemacht: Die Bytes des aktuellen Blocks werden zeilenweise nach rechts verschoben, übergelaufene Zellen von links nachgeschoben.
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  Die Spalten des aktuellen Blocks werden mit dem zum bei der Verschlüsselung verwendeten konstanten Polynom inversen Polynom multipliziert
• AddRoundKey
  Aktueller Block und aktueller Rundenschlüssel werden bitweise XOR-verknüpft Die Umkehrung besteht darin, das die Rundenschlüssel in umgekehrter Reihenfolge verwendet werden.

Sicherheit von AES

Die linearen Transformationen MixColumn und ShiftRow sorgen für eine optimale Vermischung der Bits innerhalb jedes Blocks. Die nichtlineare Substitution durch die S-Box in SubBytes schützt vor differentieller und linearer Kryptanalyse. Die XOR-Verknüpfung mit den Rundenschlüsseln vor der ersten und nach jeder weiteren Runde führt dazu, dass jedes Bit vom Schlüssel abhängig ist.

Da AES auf mathematischen Funktionen basiert, ist es inzwischen gelungen, den allgemeinen Algorithmus als Formel mit Termen zu schreiben. 128-Bit-AES kann als System von ca. 8.000 Gleichungen mit 1.600 Variablen dargestellt werden. Solche Systeme können theoretisch gelöst werden, praktisch scheitert ein Angriff darüber (noch) an der Komplexität der Aufgabe und damit an der benötigten Rechenzeit. Trotzdem könnte sich die algebraische Einfachheit in der Zukunft als entscheidende Schwachstelle von AES erweisen.

Zurzeit erfolgversprechender sind die so genannten 'side chanel attacks', bei denen nicht der Algorithmus, sondern seine Implementierung das Ziel des Angriffs ist. So kann z.B. der Inhalt eines Prozessor-Caches Informationen über eine zuvor durchgeführte AES-Berechnung an einen anderen Prozess 'verraten' (Cache Timing Attacks, PDF). Dazu muss der Angreifer aber sein eigenes Programm auf dem gleichen Rechner laufen lassen, auf dem die AES-Ver- oder Entschlüsselung durchgeführt wird. Und dies gleichzeitig zur Nutzung von AES. Ob sich diese Methoden in praktisch durchführbare Angriffe umsetzen lassen, ist noch nicht endgültig entschieden.

Bisher kann AES auf jedem Fall als sicherer Algorithmus angesehen werden.

Anwendungen von AES

AES im WLAN
Der Wi-Fi Protected Access 2 Standard (WPA2, IEEE 802.11i (PDF), siehe auch About Security #109 ff.) nutzt AES zur Verschlüsselung von über WLAN übertragenen Daten. Alle bisher bekannten Angriffe auf WPA2 basieren auf dem Ausspähen oder der Brute-Force-Berechnung verwendeter schwacher Schlüssel, was ein gutes Beispiel dafür ist, dass ein sicherer Algorithmus allein noch nicht zu einem sicheren System führt.

AES in GnuPG
AES ist einer der in GnuPG zur Verschlüsselung zur Verfügung stehenden Algorithmen. Dabei verwendet GnuPG ein so genanntes hybrides Verschlüsselungsverfahren: Die Nachricht wird mit einem zufällig erzeugten Sitzungsschlüssel mit einem symmetrischen Verfahren, z.B. AES, verschlüsselt. Der Sitzungsschlüssel wird danach mit dem öffentlichen Schlüssel eines asymmetrischen Verfahrens (auch Public-Key-Verfahren genannt) verschlüsselt und zur verschlüsselten Nachricht hinzugefügt. Der Empfänger verwendet seinen geheimen Schlüssel des asymmetrischen Verfahrens, um den Sitzungsschlüssel zu entschlüsseln. Danach kann er damit die eigentliche Nachricht entschlüsseln.

Asymmetrische Verfahren

Alle bisher vorgestellten Verfahren waren symmetrische Verfahren: Für Ver- und Entschlüsselung wird der gleiche Schlüssel verwendet.

Ihr großer Nachteil ist der Schlüsselaustausch, der sicher erfolgen muss. Das ist kein Problem, wenn sich die Kommunikationspartner persönlich treffen und dabei den Schlüssel austauschen können. Ohne direkte Begegnung ist ein sicherer Austausch jedoch schwierig. Dazu kommt die große Anzahl auszutauschender Schlüssel: Damit n Parteien miteinander kommunizieren können, müssen n(n-1)/2 Schlüssel ausgetauscht werden, bei zehn Parteien also bereits 45.

Asymmetrische Verfahren wurden entwickelt, um die Schlüsselverteilung zu vereinfachen. Zum Ver- und Entschlüsseln werden verschiedene Schlüssel c und d verwendet, von denen nur der Dechiffrierschlüssel d geheim gehalten werden muss.

Damit c nicht geheim gehalten werden muss, darf d nicht bzw. nicht mit akzeptablem Aufwand aus c zu bestimmen sein. Ein solches asymmetrisches Verfahren ist das RSA-Verfahren, das in der nächsten Folge vorgestellt wird.

Carsten Eilers

About Security – Übersicht zum aktuellen Thema "Kryptographie – AES"

• About Security #74: Kryptographie – Advanced Encryption Standard (AES)
• About Security #75: AES – Entschlüsselung, Sicherheit und Anwendung