Kryptographie, die Wissenschaft des Schreibens von Codes und Chiffren für eine sichere Kommunikation, ist eines der wichtigsten Elemente bei der Schaffung von Kryptowährungen und modernen Blockchains. Die heute verwendeten kryptografischen Techniken sind jedoch das Ergebnis einer langen Entwicklungsgeschichte. Seit der Antike nutzen Menschen Verschlüsselung, um Informationen sicher zu übertragen. Im Folgenden wird die faszinierende Geschichte der Kryptographie beschrieben, die zu den fortschrittlichen und ausgefeilten Methoden der modernen digitalen Kryptographie führte.
Die alten Wurzeln der Kryptografie
Wir wissen, dass es bereits in der Antike primitive Techniken der Kryptografie gab, und dass die meisten antiken Zivilisationen offenbar irgendeine Form von Kryptografie genutzt haben. Die Ersetzung von Symbolen – die grundlegendste Form der Kryptografie – findet sich sowohl in alten ägyptischen Schriften als auch in den mesopotamischen. Das älteste bekannte Beispiel für diese Art von Kryptografie wurde im Grab eines ägyptischen Adligen namens Khnumhotep II gefunden, der ungefähr vor 3.900 Jahren lebte.
Das Ziel der Symbolersetzung in der Inschrift von Khnumhotep war nicht, Informationen zu verbergen, sondern ihren sprachlichen Reiz zu verbessern. Das älteste bekannte Beispiel dafür, dass Kryptografie zum Schutz sensibler Informationen eingesetzt wurde, fand sich vor etwa 3.500 Jahren: Damals verwendete ein Schreiber aus Mesopotamien Kryptografie, um eine Glasurformel für Keramik zu verstecken, die auf Tontafeln verwendet wurde.
Nach der Antike wurde Kryptografie in großem Umfang genutzt, um wichtige militärische Informationen zu schützen – ein Zweck, der bis heute dient. In der griechischen Stadtstaatenwelt von Sparta wurden Botschaften verschlüsselt und auf Pergamentrollen geschrieben, die auf einen Zylinder mit bestimmter Größe gelegt wurden. Die Nachricht wurde erst entschlüsselt, wenn sie vom Empfänger in einen Zylinder ähnlicher Größe eingesetzt wurde. In ähnlicher Weise ist bekannt, dass Spione des alten Indiens bereits im 2. Jahrhundert v. Chr. codierte Nachrichten verwendeten.
Vielleicht wurde die fortschrittlichste Kryptografie der antiken Welt von den Römern entwickelt. Ein herausragendes Beispiel römischer Kryptografie ist die Cäsar-Chiffre. Dabei wurden die Buchstaben einer Nachricht durch andere Buchstaben ersetzt, die sich einige Positionen weiter unten in der lateinischen Alphabetfolge befanden. Wenn der Empfänger dieses System kannte und die Anzahl der zu verschiebenden Positionen, konnte er die unleserliche Nachricht entschlüsseln.
Entwicklungen im Mittelalter und in der Renaissance
Im Verlauf des Mittelalters wurde Kryptografie zunehmend wichtiger, doch die Substitutionschiffren – bei denen die Cäsar-Chiffre ein Beispiel ist – blieben als Standard bestehen. Die Kryptoanalyse, die Wissenschaft, die Codes und Chiffren knackt, begann, mit der noch relativ neuen Wissenschaft der Kryptografie gleichzuziehen. Al-Kindi, ein berühmter arabischer Mathematiker, entwickelte etwa um 800 n. Chr. eine Technik, die als Frequenzanalyse bekannt ist. Dadurch wurden Substitutionschiffren anfällig für die Decodierung. Zum ersten Mal hatten Menschen, die versuchten, verschlüsselte Nachrichten zu entschlüsseln, Zugriff auf eine systematische Methode, um dies zu tun. Dadurch wurde es notwendig, dass sich die Kryptografie noch weiterentwickeln musste, um weiterhin nützlich zu sein.
Im Jahr 1465 entwickelte Leone Alberti die polyalphabetische Verschlüsselung, die als die Lösung gegen die Frequenzanalyse-Technik von Al-Kindi gilt. Bei einer polyalphabetischen Verschlüsselung wird eine Nachricht mithilfe von zwei unterschiedlichen Alphabeten codiert. Eines ist das Alphabet, in dem die ursprüngliche Nachricht geschrieben ist, während das zweite ein völlig anderes Alphabet ist, in dem die Nachricht nach der Codierung erscheint. In Kombination mit den herkömmlichen Substitutionschiffren erhöhten polyalphabetische Chiffren die Sicherheit codierter Informationen erheblich. Sofern ein Leser nicht wusste, in welchem Alphabet die Nachricht ursprünglich geschrieben war, hätte die Frequenzanalyse-Technik keinerlei Nutzen gehabt.
Neue Methoden zur Codierung von Informationen wurden auch in der Renaissance entwickelt, darunter eine beliebte alte Methode binärer Codierung, die 1623 vom berühmten Philosophen und Wissenschaftler Sir Francis Bacon entwickelt wurde.
Fortschritte in den neueren Jahrhunderten
Die Kryptografie-Wissenschaft entwickelte sich in den folgenden Jahrhunderten stetig weiter. Ein großer Durchbruch in der Kryptografie wurde beschrieben, auch wenn er vielleicht nie gebaut wurde, von Thomas Jefferson in den 1790er-Jahren. Seine Erfindung, bekannt als cipher wheel (verschlüsselte Walze/Chiffrenrad), bestand aus 36 Buchstabenringen in beweglichen Rädern, die genutzt werden konnten, um eine komplexe Codierung zu erhalten. Diese Idee war so fortschrittlich, dass sie bis zum Zweiten Weltkrieg als Grundlage für die amerikanische Militärkryptografie diente.
Auch im Zweiten Weltkrieg zeigte sich das perfekte Beispiel analoger Kryptografie: die Enigma-Maschine. Ähnlich wie bei der cipher wheel nutzte dieses Gerät, das von den Achsenmächten eingesetzt wurde, rotierende Ringe, um eine Nachricht zu codieren, wodurch es praktisch unmöglich wurde, die Nachricht ohne eine weitere Enigma-Maschine zu lesen. Die Computertechnologie wurde schließlich verwendet, um dabei zu helfen, die Enigma-Chiffre zu knacken, und eine erfolgreiche Entschlüsselung von Enigma-Nachrichten gilt immer noch als ein entscheidendes Element des eventualen Sieges der Alliierten.
Kryptografie im Zeitalter des Rechnens
Mit dem Aufstieg der Computer wurde Kryptografie viel fortschrittlicher als in der analogen Ära. Die mathematische Verschlüsselung mit 128 Bit, deutlich stärker als jede alte oder mittelalterliche Chiffre, ist heute der Standard für viele sensible Geräte und Computersysteme. Beginnend im Jahr 1990 war eine völlig neue Art der Kryptografie, die als Quantenkryptografie bezeichnet wurde, im Aufbau: Wissenschaftler der Informatik arbeiteten daran, das Schutzniveau der modernen Kryptografie erneut anzuheben.
Mais recentemente, wurden kryptografische Techniken auch verwendet, um Kryptowährungen überhaupt erst möglich zu machen. Kryptowährungen nutzen mehrere fortgeschrittene kryptografische Verfahren, darunter Hash-Funktionen, Public-Key-Verschlüsselung und digitale Signaturen. Diese Techniken werden vor allem eingesetzt, um die Sicherheit der in Blockchains gespeicherten Daten zu gewährleisten und Transaktionen zu authentifizieren. Eine spezialisierte Form der Kryptografie, bekannt als Elliptic-Curve-Digital-Signature-Algorithmus (ECDSA), bildet die Grundlage für Bitcoin und die Systeme anderer Kryptowährungen: Sie soll zusätzliche Sicherheit bieten und sicherstellen, dass die Gelder nur von ihren rechtmäßigen Eigentümern verwendet werden können.
Die Kryptografie hat in den letzten 4.000 Jahren einen langen Weg zurückgelegt und wird vermutlich noch nicht so bald damit aufhören. Solange sensible Daten Schutz benötigen, wird sich Kryptografie weiterentwickeln. Obwohl die kryptografischen Systeme, die heute in den Blockchains von Kryptowährungen verwendet werden, einige der fortschrittlichsten Formen dieser Wissenschaft darstellen, sind sie auch Teil einer Tradition, die sich über weite Teile der Menschheitsgeschichte erstreckt hat.