Einführung

Public-Key-Kryptografie (PKC), auch asymmetrische Kryptografie genannt, ist ein Framework, das sowohl einen privaten als auch einen öffentlichen Schlüssel verwendet, im Gegensatz zum einzelnen Schlüssel, der in der symmetrischen Kryptografie verwendet wird. Durch die Verwendung von Schlüsselpaaren verfügt PKC über einzigartige Eigenschaften und Fähigkeiten, mit denen sich Probleme lösen lassen, die anderen kryptografischen Methoden innewohnen. Diese Form der Kryptographie ist zu einem wichtigen Element der modernen Computersicherheit sowie zu einem wichtigen Bestandteil des wachsenden Ökosystems der Kryptowährungen geworden.

Wie funktioniert die Public-Key-Kryptographie?

Beim PKC-Schema verwendet der Absender den öffentlichen Schlüssel zum Verschlüsseln der Informationen und der Empfänger verwendet den privaten Schlüssel zum Entschlüsseln. Da sich die beiden Schlüssel voneinander unterscheiden, kann der öffentliche Schlüssel sicher verwendet werden, ohne die Sicherheit des privaten Schlüssels zu beeinträchtigen. Jedes asymmetrische Schlüsselpaar ist einzigartig, wodurch sichergestellt wird, dass eine mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsselte Nachricht nur von der Person gelesen werden kann, die über den entsprechenden privaten Schlüssel verfügt.

Da asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen mathematisch verwandte Schlüsselpaare erzeugen, sind ihre Schlüssellängen viel größer als die der symmetrischen Kryptographie. Diese große Länge, typischerweise zwischen 1024 und 2048 Bit, macht es äußerst schwierig, einen privaten Schlüssel aus seinem öffentlichen Gegenstück zu berechnen. Einer der heute am häufigsten verwendeten asymmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen ist RSA. 

Im RSA-Schema werden Schlüssel mithilfe des Moduls generiert, der durch Multiplikation zweier Zahlen (häufig zweier großer Primzahlen) erhalten wird. Einfach ausgedrückt generiert das Modul zwei Schlüssel (einen öffentlichen, der geteilt werden kann, und einen privaten, der geheim gehalten werden sollte). Der RSA-Algorithmus wurde erstmals 1977 von Rivest, Shamir und Adleman (daher RSA) beschrieben und ist nach wie vor eine Kernkomponente von Public-Key-Kryptographiesystemen.

PKC als Verschlüsselungstool

Die Private-Key-Kryptographie löst eines der uralten Probleme symmetrischer Algorithmen, nämlich die Übertragung eines Schlüssels, der sowohl zur Verschlüsselung als auch zur Entschlüsselung verwendet wird. Das Senden dieses Schlüssels über eine unsichere Verbindung könnte ihn Dritten zugänglich machen, die dann alle mit dem gemeinsamen Schlüssel verschlüsselten Nachrichten lesen könnten. Obwohl es kryptografische Methoden (wie das Diffie-Hellman-Merkle-Schlüsselaustauschprotokoll) gibt, um dieses Problem zu lösen, sind sie dennoch anfällig für Angriffe. Umgekehrt kann bei der Private-Key-Kryptographie der zur Verschlüsselung verwendete Schlüssel sicher über jede Verbindung übertragen werden. Daher bieten asymmetrische Algorithmen ein höheres Schutzniveau als symmetrische.

Erstellung digitaler Signaturen

Eine weitere Anwendung asymmetrischer Kryptographiealgorithmen ist die Datenauthentifizierung mit digitalen Signaturen. Im Wesentlichen handelt es sich bei einer digitalen Signatur um einen Hash, der anhand der Daten in der Nachricht erstellt wird. Beim Versenden dieser Nachricht kann die Signatur vom Empfänger mithilfe des öffentlichen Schlüssels des Absenders überprüft werden. Auf diese Weise können sie die Quelle der Nachricht identifizieren und sicherstellen, dass diese nicht manipuliert wurde. In einigen Fällen werden digitale Signaturen und Verschlüsselung zusammen verwendet, was bedeutet, dass der Hash selbst als Teil der Nachricht verschlüsselt werden kann. Es ist jedoch zu beachten, dass nicht alle digitalen Signaturverfahren Verschlüsselungsmethoden verwenden.

Einschränkung

Obwohl es zur Verbesserung der Computersicherheit und zur Überprüfung der Nachrichtenintegrität verwendet werden kann, weist PKC einige Einschränkungen auf. Aufgrund komplexer mathematischer Operationen im Zusammenhang mit der Ver- und Entschlüsselung können asymmetrische Algorithmen bei der Arbeit mit großen Datenmengen recht langsam sein. Diese Art der Kryptografie basiert auch auf der Annahme, dass der private Schlüssel immer geheim bleibt. Wenn der private Schlüssel versehentlich weitergegeben oder offengelegt wird, ist die Sicherheit aller mit dem entsprechenden privaten Schlüssel verschlüsselten Nachrichten gefährdet. Außerdem kann es passieren, dass Benutzer versehentlich ihre privaten Schlüssel verlieren und nicht mehr auf die verschlüsselten Daten zugreifen können.

Anwendung der Public-Key-Kryptographie

Diese Art der Kryptografie wird von vielen modernen Computersystemen verwendet, um die Sicherheit vertraulicher Informationen zu gewährleisten. E-Mails können beispielsweise mithilfe von Kryptografietechniken mit öffentlichen Schlüsseln verschlüsselt werden, um die Vertraulichkeit ihres Inhalts zu wahren. 

Das Secure Sockets Layer (SSL)-Protokoll, das sichere Verbindungen zu Websites ermöglicht, nutzt ebenfalls asymmetrische Kryptografie. PKC-Systeme wurden sogar als Mittel zur Bereitstellung einer sicheren elektronischen Abstimmungsumgebung in Betracht gezogen, die es den Wählern möglicherweise ermöglichen würde, von ihren Heimcomputern aus an Wahlen teilzunehmen.

Auch in der Blockchain-Technologie und Kryptowährungen spielt PKC eine wichtige Rolle. Beim Einrichten einer neuen Krypto-Wallet wird ein Schlüsselpaar (öffentlich und privat) generiert. Die Wallet-Adresse wird mithilfe eines öffentlichen Schlüssels generiert und kann sicher mit anderen geteilt werden. Andererseits wird der private Schlüssel zur Erstellung digitaler Signaturen und zur Überprüfung von Transaktionen verwendet und sollte daher geheim gehalten werden. 

Sobald eine Transaktion durch Verifizierung des in der digitalen Signatur enthaltenen Hashs verifiziert wurde, kann diese Transaktion dem Blockchain-Ledger hinzugefügt werden. Dieses System zur Überprüfung digitaler Signaturen stellt sicher, dass nur die Person, die über den mit der jeweiligen Krypto-Wallet verknüpften privaten Schlüssel verfügt, Gelder bewegen kann. 

Es ist zu beachten, dass sich die in Kryptowährungsanwendungen verwendete asymmetrische Kryptographie von der für Computersicherheitszwecke verwendeten unterscheidet. Beispielsweise verwenden Bitcoin und Ethereum einen speziellen Algorithmus zur Verifizierung von Transaktionen, der als „Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA)“ bekannt ist. ECDSA erstellt auch digitale Signaturen ohne Verschlüsselung. Das bedeutet, dass die Blockchain keine Verschlüsselung benötigt.

Ergebnisse

Die Public-Key-Kryptographie spielt eine wichtige Rolle für die Sicherheit heutiger digitaler Systeme, von der Computersicherheit bis zur Überprüfung von Kryptowährungstransaktionen. Durch die Verwendung von Paaren aus öffentlichen und privaten Schlüsseln lösen asymmetrische Kryptographiealgorithmen die wichtigsten Sicherheitsprobleme, die mit symmetrischen Chiffren verbunden sind. Obwohl PKC schon seit vielen Jahren im Einsatz ist, werden regelmäßig neue Anwendungen und Anwendungen dafür entwickelt, insbesondere im Bereich Blockchain und Kryptowährung.