Was ist Public-Key-Kryptographie?

Public-Key-Kryptografie (PKC), auch asymmetrische Kryptografie genannt, ist eine Struktur, die 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 Kryptografie ist zu einem wichtigen Element der modernen Computersicherheit und zu einem kritischen Bestandteil des wachsenden Kryptowährungs-Ökosystems geworden.


Wie funktioniert die Public-Key-Kryptographie?

Beim PKC-Schema verwendet der Absender den öffentlichen Schlüssel zum Verschlüsseln von Informationen, während der Empfänger den privaten Schlüssel zum Entschlüsseln verwendet. Da sich die beiden Schlüssel voneinander unterscheiden, kann der öffentliche Schlüssel sicher weitergegeben werden, ohne dass die private Sicherheit gefährdet wird. Jedes asymmetrische Schlüsselpaar ist einzigartig und stellt sicher, dass eine mit einem 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, ist die Länge dieser Schlüssel viel länger als die der symmetrischen Kryptografie. Diese längeren Schlüssel – typischerweise 1024 bis 2048 Bit – machen es äußerst schwierig, den privaten Schlüssel aus seinem öffentlichen Gegenstück zu berechnen. Einer der heute am häufigsten verwendeten asymmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen ist RSA. Im RSA-Schema werden Schlüssel mithilfe eines Moduls generiert, der durch Multiplikation zweier Zahlen (häufig zweier großer Primzahlen) erhalten wird. Grundsätzlich generiert das Modul zwei Schlüssel (einen öffentlichen, der geteilt werden kann, und einen privaten, der geheim gehalten werden muss). Der RSA-Algorithmus wurde erstmals 1977 von Rivest, Shamir und Adleman (daher RSA) beschrieben und ist nach wie vor ein grundlegender Bestandteil von kryptografischen Systemen mit öffentlichem Schlüssel.


PKC als Verschlüsselungstool

Die Public-Key-Kryptographie löst eines der seit langem bestehenden 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 ist riskant und könnte an Dritte weitergegeben werden, die dann alle mit diesem 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. Bei der Public-Key-Kryptographie ist das Gegenteil der Fall. Der zur Verschlüsselung verwendete Schlüssel kann sicher über jede Verbindung übertragen werden. Dadurch bieten asymmetrische Algorithmen ein höheres Schutzniveau als symmetrische.


Verwendung digitaler Signaturen

Eine weitere Anwendung asymmetrischer Kryptografiealgorithmen ist die Datenauthentifizierung mithilfe digitaler Signaturen. Im Wesentlichen handelt es sich bei einer digitalen Signatur um einen Hash, der anhand der Daten in der Nachricht erstellt wird. Wenn diese Nachricht gesendet wird, kann der Empfänger die Signatur mithilfe des öffentlichen Schlüssels des Absenders überprüfen, um den Ursprung der Nachricht zu überprüfen und sicherzustellen, dass sie nicht manipuliert wurde. In einigen Fällen werden digitale Signaturen und Verschlüsselung zusammen verwendet, da der Hash selbst als Teil der Nachricht verschlüsselt sein kann. Es ist zu beachten, dass nicht alle digitalen Signatursysteme eine Verschlüsselungsmethode verwenden.


Grenzen

Obwohl es zur Verbesserung der Computersicherheit und zur Überprüfung der Nachrichtenintegrität verwendet werden kann, weist PKC einige Einschränkungen auf. Aufgrund der komplexen Mathematik bei der Ver- und Entschlüsselung können asymmetrische Algorithmen recht langsam sein, wenn sie mit großen Datenmengen arbeiten müssen. Auch diese Art der Kryptografie beruht stark auf der Annahme, dass der private Schlüssel geheim bleibt. Wenn der private Schlüssel versehentlich weitergegeben oder offengelegt würde, wäre die Sicherheit aller Nachrichten gefährdet, die mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel verschlüsselt wurden. Es kann auch passieren, dass Benutzer versehentlich ihre privaten Schlüssel verlieren und dann nicht mehr auf verschlüsselte Daten zugreifen können.


Anwendungen der Public-Key-Kryptographie

Diese Art der Kryptografie wird von vielen modernen Computersystemen verwendet, um die Sicherheit sensibler Informationen zu gewährleisten. Beispielsweise können E-Mails mithilfe von Kryptografietechniken mit öffentlichen Schlüsseln verschlüsselt werden, um die Vertraulichkeit ihres Inhalts sicherzustellen. 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 eingesetzt, die es Wählern möglicherweise ermöglichen würde, von ihren Heimcomputern aus an Wahlen teilzunehmen.

PKC spielt auch bei Blockchain- und Kryptowährungstechnologien eine herausragende Rolle. Beim Erstellen eines neuen Kryptowährungs-Wallets wird ein Schlüsselpaar (öffentlicher und privater Schlüssel) generiert. Die öffentliche 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 muss daher geheim gehalten werden. Sobald eine Transaktion durch Validierung des in der digitalen Signatur enthaltenen Hashs bestätigt wurde, kann die Transaktion dem Blockchain-Ledger hinzugefügt werden. Dieses System zur Überprüfung digitaler Signaturen stellt sicher, dass nur die Person, die über den mit der entsprechenden Kryptowährungs-Wallet verknüpften privaten Schlüssel verfügt, Geld davon abheben kann. Es ist zu beachten, dass sich asymmetrische Verschlüsselungen, die in Kryptowährungsanwendungen verwendet werden, von denen unterscheiden, die für Computersicherheitszwecke verwendet werden. Beispielsweise verwenden Bitcoin und Ethereum eine spezielle Verschlüsselung, die als Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) bekannt ist, um Transaktionen zu verifizieren.

Von der Computersicherheit bis zur Überprüfung von Kryptowährungstransaktionen spielt die Public-Key-Kryptografie eine wichtige Rolle beim Schutz moderner digitaler Systeme. Mithilfe gepaarter öffentlicher und privater Schlüssel lösen asymmetrische Kryptografiealgorithmen die grundlegenden Sicherheitsprobleme symmetrischer Chiffren. Obwohl PKC schon seit vielen Jahren im Einsatz ist, werden regelmäßig neue Anwendungen und Anwendungen dafür entwickelt, insbesondere im Bereich Blockchain und Kryptowährungen.