Ein umfassender Leitfaden zur Verschlüsselung mit privaten Schlüsseln

Die Private-Key-Verschlüsselung, auch bekannt als Verschlüsselung mit privatem Schlüssel, symmetrische Verschlüsselung oder Kryptographie mit privatem Schlüssel, ist eine Verschlüsselungsmethode, bei der ein einziger Schlüssel zur Ver- und Entschlüsselung von Daten verwendet wird. Um Vertraulichkeit zu gewährleisten, muss der kryptografische Schlüssel geheim gehalten und darf nur zwischen den an der Kommunikation beteiligten Parteien ausgetauscht werden. Daher wird er auch als „geheimer Schlüssel“ bezeichnet.

Dies ist das Gegenteil der Public-Key-Kryptographie, bei der ein anderer Schlüssel für die Ver- und Entschlüsselung verwendet wird.

Was ist Verschlüsselung?

Nach Angaben des National Institute of Standards and Technology (NIST) ist Verschlüsselung die kryptografische Umwandlung von Klartext in Chiffretext mithilfe eines Algorithmus. Einfacher ausgedrückt wird hier Bedeutung der Daten verschleiert, um zu verhindern, dass Dritte sie lesen oder verwenden können. Der Umkehrprozess wird als Entschlüsselung bezeichnet. Hierbei werden die verschlüsselten Daten (oder die verschlüsselte Nachricht) wieder in lesbaren Klartext umgewandelt. 

Obwohl die beiden Begriffe oft synonym verwendet werden, bezeichnen Verschlüsselung und Kryptografie ähnliche, aber verschiedene Konzepte. Das NIST definiert Kryptografie als die Wissenschaft davon, Informationen zu verbergen und zu verifizieren. Es handelt sich um eine Disziplin. Sie umfasst die Grundsätze, Mittel und Methoden zur Unkenntlichmachung sensibler Daten einerseits und zur Wiederumwandlung verschlüsselter Daten in eine verständliche Form andererseits.

Die Verschlüsselung ist, kurz gesagt, eine dieser Methoden. Ihr wesentliche Merkmal besteht darin, dass sie Algorithmen verwendet, um sensible Daten mathematisch zu verbergen.

Warum ist Verschlüsselung wichtig?

Generell ist die Verschlüsselung aus einigen wichtigen Gründen unerlässlich:

• Vertraulichkeit: Verschlüsselungsmethoden mit öffentlichen und privaten Schlüsseln schützen sensible Informationen vor unberechtigtem Zugriff. Ohne den entsprechenden privaten Schlüssel ist eine verschlüsselte Nachricht für alle unlesbar, die sie im Zweifel in die Hände bekommen. Selbst wenn ein Hacker die Daten abfängt oder stiehlt, nützen sie ihm nichts, wenn er die Verschlüsselung nicht knacken kann.
• Integrität: Die Verschlüsselung sorgt auch dafür, dass die Daten durch die Übertragung oder Speicherung nicht verändert werden. Zu den Verschlüsselungsmechanismen gehören häufig kryptografische Hashes, die einen eindeutigen Fingerabdruck für die Daten erzeugen. Jede noch so kleine Änderung an den verschlüsselten Originaldaten führt bei der Verifizierung zu einem nicht übereinstimmenden Hashwert, durch den ihre Benutzer auf mögliche Manipulationen aufmerksam gemacht werden.
• Authentifizierung: Die Verschlüsselung ermöglicht eine sichere Kommunikation, weil die Identität des Senders bzw. Empfängers überprüft wird, etwa durch digitale Signaturen und kryptografische Schlüssel. Im E-Mail-Verkehr kann die Verschlüsselung zum Beispiel den Absender authentifizieren und darüber gewährleisten, dass die Nachricht wirklich von der angegebenen Person oder Organisation stammt.
• Compliance: Sie kann Unternehmen auch dabei helfen, die gesetzlichen Anforderungen an die Datensicherheit zu erfüllen, insbesondere in Branchen wie dem Finanz-, Gesundheits- und Behördenwesen. In den USA schreibt beispielsweise der Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA) vor, dass Unternehmen ruhende Daten verschlüsseln müssen, damit sensible Gesundheitsdaten geschützt sind. Verstöße können zu Gerichtsverfahren, Geldstrafen und einem beschädigten Ruf führen.

Es gibt viele potenzielle Anwendungen, bei denen die Private-Key-Kryptographie nützlich sein kann. Dies sind einige der häufigsten Arten:

Verschlüsselung von Dateien und Daten

Die Verschlüsselung mit privaten Schlüsseln ist unerlässlich dabei, sensible Dateien auf Geräten oder Servern zu schützen und sicherzustellen, dass nur befugte Personen auf deren Inhalt zugreifen können. Durch die Verschlüsselung von Dateien mit einem symmetrischen Schlüssel können Unternehmen vertrauliche Informationen wie Finanzunterlagen, Verträge oder geistiges Eigentum vor unbefugtem Zugriff schützen, selbst wenn ein Gerät oder Server kompromittiert wird. Darüber hinaus ermöglicht die Private-Key-Verschlüsselung die sichere gemeinsame Nutzung von Dateien in Unternehmen und minimiert das Risiko eines Datenlecks.

Datenbanksicherheit

In Datenbanken werden oft große Mengen sensibler Kundendaten gespeichert, etwa personenbezogene Daten, Zahlungsinformationen und Transaktionsverläufe. Dies macht sie zu bevorzugten Zielen für Cyberangriffe. Die Private-Key-Verschlüsselung stellt sicher, dass diese geschützten Daten selbst im Falle eines Datenlecks sicher sind.

Durch die Verschlüsselung von ruhenden Daten können Unternehmen sie für unbefugte Benutzer unlesbar machen und so ihre Vertraulichkeit und Integrität bewahren. Darüber hinaus ist die Private-Key-Verschlüsselung entscheidend für die Sicherung von Backup-Datenbanken und stellt sicher, dass die gespeicherten Kopien vor missbräuchlicher Nutzung geschützt sind. Für Branchen, die auf gegenseitiges Vertrauen angewiesen sind, etwa der elektronische Handel und das Bankwesen, schafft die Datenbankverschlüsselung Vertrauen, indem sie Kundendaten vor unbefugtem Zugriff schützt.

Sichere Kommunikation

Private-Key-Kryptographie ist grundlegend für die Sicherung von Websites und Online-Kommunikation. Dies geschieht vor allem durch Transport-Layer-Security(TLS)-Zertifikaten.

Wenn ein Benutzer eine mit „Hypertext Transfer Protocol Secure“ (HTTPS) geschützte Website besucht, findet ein sogenannter TLS-Handshake statt. Hierbei werden zwischen dem Browser des Benutzers und dem Webserver Verschlüsselungsparameter ausgehandelt. So wird eine sichere Verbindung hergestellt. Zunächst wird über eine asymmetrische Verschlüsselung ein symmetrischer Sitzungsschlüssel ausgetauscht.

Sobald dieser kryptografische Schlüssel sicher erstellt wurde, wechselt der Prozess für die Dauer der Sitzung zur symmetrischen Verschlüsselung, über die die zwischen Client und Server ausgetauschten Daten verschlüsselt werden. So wird sichergestellt, dass sensible Informationen, etwa Anmeldedaten, Zahlungsdetails und personenbezogene Daten vor dem Abgriff und der Manipulation durch Unbefugte geschützt sind.

Außerdem wird die Identität der Website überprüft, sodass sich Benutzer sicher sein können, dass sie mit einer legitimen Website und nicht mit einer Phishing-Seite oder einer gefälschten Version interagieren. Besonders wichtig ist das für E-Commerce-Plattformen, Onlinebanking und alle Websites, auf denen sensible Kundeninteraktionen abgewickelt werden, weil es Vertrauen schafft und die Nutzer vor Betrug schützt.

Festplattenverschlüsselung

Unternehmen nutzen die Private-Key-Verschlüsselung auch zur Sicherung ganzer Speichergeräte, etwa Festplatten, USB-Laufwerke oder externe SSDs. Dadurch wird sichergestellt, dass alle auf dem Gerät gespeicherten Daten verschlüsselt bleiben und für unbefugte Benutzer ohne den richtigen Entschlüsselungsschlüssel unzugänglich sind.

Die Festplattenverschlüsselung ist besonders nützlich, wenn Geräte verloren oder gestohlen werden, da sie sicherstellt, dass sensible Informationen nicht ausgelesen werden können, selbst wenn die Hardware in die falschen Hände gerät. Häufig kommt die Festplattenverschlüsselung in Unternehmen bei Laptops und tragbaren Geräten von Mitarbeitern zum Tragen, um die Sicherheit bei mobilem Arbeiten zu gewährleisten.

Sowohl Public-Key- als auch Private-Key-Verschlüsselung sind weit verbreitet, dennoch gibt es einige entscheidende Unterschiede. Schauen wir uns beide genauer an, um ihre jeweiligen Vorteile und Grenzen besser zu verstehen.

Public-Key-Verschlüsselung

Bei der Public-Key-Verschlüsselung, auch bekannt als asymmetrische Verschlüsselung oder Public-Key-Kryptografie, wird nicht ein einzelner kryptografischer Schlüssel, sondern ein Schlüsselpaar zur Ver- und Entschlüsselung von Daten verwendet: ein öffentlicher Schlüssel (jedem zugänglich) und ein privater Schlüssel (geheim, nur dem Besitzer zugänglich).

Das Schlüsselpaar ist mathematisch miteinander verknüpft. Das bedeutet, dass Daten, die mit dem öffentlichen Schlüssel verschlüsselt wurden, nur mit dem dazu passenden privaten Schlüssel entschlüsselt werden können und umgekehrt.

Die Vorteile dessen sind:

• Einfachere Schlüsselverteilung: Bei der Public-Key-Kryptographie müssen die Unternehmen nur den privaten Schlüssel geheim halten. Sie können den öffentlichen Schlüssel beliebig mit anderen teilen, ohne dabei ihre Sicherheit zu gefährden.
• Höhere Sicherheit: Der Schlüsselaustausch ist bei der Public-Key-Verschlüsselung wesentlich sicherer, da der geheime Schlüssel nie weitergegeben wird.
• Skalierbarkeit: Diese Verschlüsselungsmethode ist äußerst skalierbar, da der öffentliche Schlüssel frei verteilt werden kann, was die Methode ideal für die Kommunikation zwischen mehreren Beteiligten macht.

Allerdings sind auch ein paar Nachteile zu nennen:

• Geschwindigkeit: Die asymmetrische Verschlüsselung ist in der Regel mit einem höheren Rechenaufwand verbunden, was sich in langsamerer Ver- und Entschlüsselung bemerkbar macht.
• Ressourcenintensität: Für jeden Benutzer ein Schlüsselpaar aus öffentlichem und privatem Schlüssel zu erzeugen und zu verwalten verursacht in großen Systemen zusätzlichen Verwaltungsaufwand.
• Schlüsselverwaltung: Für jeden Benutzer ein Schlüsselpaar zu verwalten kann in Systemen mit vielen Personen komplex werden.

Aufgrund dieser Faktoren eignet sich die Public-Key-Verschlüsselung gut für digitale Signaturen und Szenarien, die eine sichere Authentifizierung und hohe Sicherheit erfordern. Für die Verschlüsselung großer Datenmengen oder für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ist sie jedoch nicht unbedingt ideal.

Private-Key-Verschlüsselung

Als symmetrische Verschlüsselungsmethode bietet die Private-Key-Kryptographie mehrere Vorteile:

• Größere Einfachheit: Da nur ein einziger Schlüssel für die Ver- und Entschlüsselung verwendet wird, funktioniert das Verfahren im Allgemeinen viel schneller und unkomplizierter als die asymmetrische Kryptografie.
• Effizienz: Außerdem ist es weniger rechenaufwändig und daher ideal für die Verschlüsselung großer Datenmengen, etwa von Dateien oder Datenbankeinträgen.

Dennoch gibt es einige nennenswerte Risikofaktoren, die man im Auge behalten sollte:

• Schlüsselverteilung: Da derselbe Schlüssel sowohl für die Verschlüsselung als auch für die Entschlüsselung verwendet wird, muss er auf sichere Weise zwischen den Parteien ausgetauscht werden. Dies erzeugt eine erhebliche Schwachstelle während des Schlüsselaustauschs, da das Abfangen oder die Kompromittierung des Schlüssels zu unbefugtem Zugriff führen könnte.
• Einzelner Ausfallpunkt: Wenn der Schlüssel kompromittiert wird, werden alle mit ihm verschlüsselten Daten für Unbefugte zugänglich, und die Kommunikation bzw. die gespeicherten Daten sind nicht mehr sicher.
• Mangelnde Skalierbarkeit: In Umgebungen mit vielen Benutzern oder Systemen wird die Verwaltung eindeutiger Schlüssel für jedes Paar von Beteiligten zunehmend komplex und unüberschaubar. Die Private-Key-Verschlüsselung skaliert daher nicht gut in Kommunikationsnetzen mit vielen Benutzern.
• Abhängigkeit von gegenseitigem Vertrauen: Beide Parteien müssen sich darauf verlassen können, dass der Schlüssel geschützt und verantwortungsvoll verwendet wird. Ein Leck auf einer der beiden Seiten kann die verschlüsselten Daten gefährden. 

Trotz dieser Einschränkungen ist die Private-Key-Verschlüsselung in Anwendungsfällen, in denen ein sicherer Schlüsselaustausch möglich ist und die Skalierbarkeit keine Rolle spielt, nach wie vor sehr effektiv, etwa bei der Verschlüsselung von Dateien, Datenbanken oder der Kommunikation innerhalb eines vertrauenswürdigen Netzwerks.

Bei der Private-Key-Verschlüsselung wird der Klartext mit einem Verschlüsselungsalgorithmus verschlüsselt. Kurz gesagt sind Verschlüsselungsalgorithmen mathematische Regeln, die festlegen, wie der Schlüssel die zu verschlüsselnden Daten verändert. Von diesen Regeln gibt es zwei hauptsächliche Arten:

• Eine Blockchiffre verschlüsselt die Daten in Blöcken fester Größe.
• Eine Stromchiffre verschlüsselt ein Bit bzw. Byte nach dem anderen.

Je nachdem, welche Chiffrenart Sie wählen, funktioniert der Private-Key-Prozess folgendermaßen:

• Schlüsselerstellung: Der Absender erzeugt mit einem kryptografischen Algorithmus einen sicheren, zufälligen Verschlüsselungscode.
• Schlüsselaustausch: Man gibt den Schlüssel an den Empfänger weiter, oft über einen geschützten Kanal oder in Kombination mit einer asymmetrischen Verschlüsselungsmethode. 
• Datenvorbereitung: Der Absender formatiert den Klartext oder unterteilt ihn in bestimmte Blöcke.
• Datenverschlüsselung: Der Algorithmus wandelt mithilfe des Schlüssels den Klartext in Chiffretext um, sodass dieser ohne den Schlüssel nicht mehr lesbar ist.
• Übermittlung: Der Absender übermittelt den verschlüsselten Text an den Empfänger oder speichert ihn sicher zur späteren Verwendung.
• Entschlüsselung: Der Empfänger verwendet denselben Schlüssel, um den Verschlüsselungsprozess umzukehren und den verschlüsselten Text wieder in Klartext umzuwandeln.

Gängige Private-Key-Verschlüsselungsalgorithmen

Häufig anzutreffende Beispiele für symmetrische bzw. Private-Key-Verschlüsselungen sind folgende Algorithmen: 

• Data Encryption Standard (DES): Verwendet einen 56-Bit-Schlüssel und unterteilt Daten in 64-Bit-Blöcke. Schwachstellen führten schließlich zur Abkehr von dieser Methode.
• Triple Data Encryption Standard (3DES): Wendet auf jeden Block dreimal denselben Verschlüsselungsalgorithmus an, was die Schlüsselgröße und die Sicherheit erhöht. 2019 kennzeichnete NIST 3DES mit Verweis auf bekannte Schwachstellen als veraltet.
• Advanced Encryption Standard (AES): Bietet Schlüssellängen von bis zu 256 Bits, was es widerstandsfähiger gegen Brute-Force-Angriffe macht.

Das Quantencomputing ist eine in der Kryptografie bekannte und unvermeidliche Bedrohung für moderne Verschlüsselungsmethoden. Quantencomputer verfügen über eine exponentiell höhere Rechenleistung als die fortschrittlichsten heutigen Technologien, sodass sie selbst die anspruchsvollsten Chiffren knacken können. Glücklicherweise gelten symmetrische Verschlüsselungsalgorithmen als weniger anfällig für Quantenangriffe, solange die Schlüssellänge ausreichend ist.

Unternehmen, die mit privaten Schlüsseln arbeiten, müssen sich mit verschiedenen potenziellen Sicherheitsrisiken auseinandersetzen, z. B:

1. Schlüsselpreisgabe

Eine Schlüsselpreisgabe liegt vor, wenn ein privater Verschlüsselungsschlüssel versehentlich oder böswillig an Unbefugte weitergegeben wird. Dies kann durch unsachgemäße Speicherung, Diebstahl oder Systemschwachstellen geschehen. Sobald der Schlüssel preisgegeben ist, können Angreifer damit sensible Daten zu entschlüsseln, sich als der Eigentümer des Schlüssels ausgeben oder bösartige Inhalte signieren, was die Integrität und Vertraulichkeit der verschlüsselten Systeme kompromittiert.

2. Brute-Force-Angriffe

Bei Brute-Force-Angriffen probieren die Angreifer systematisch alle möglichen Tastenkombinationen aus, bis sie die richtige finden. Während starke Verschlüsselungsalgorithmen mit ausreichend langen Schlüsseln diese Bedrohungen rechnerisch undurchführbar machen, sind kürzere oder schlecht gewählte Schlüssel angreifbar, insbesondere angesichts der Fortschritte in der Rechenleistung oder bei Quantencomputern.

3. Seitenkanalangriffe

Bei Seitenkanalangriffen werden Informationen, die während des Verschlüsselungsvorgangs durchsickern, etwa das Timing, der Stromverbrauch oder elektromagnetische Emissionen, ausgenutzt, um private Schlüssel zu ermitteln. Diese Angriffe zielen eher auf die Aufsetzung des kryptografischen Systems als auf den Algorithmus selbst ab und stellen eine ernsthafte Bedrohung für Systeme mit unzureichendem Hardware- oder Softwareschutz dar.

4. Schlechte Schlüsselverwaltung

Ineffektive Schlüsselverwaltung umfasst unter anderem die Generierung schwacher Schlüssel, unsachgemäße Schlüsselspeicherung, unzureichende Zugangskontrollen und keine regelmäßige Schlüsselrotation. Solche Praktiken erhöhen das Risiko eines unbefugten Zugriffs oder Datenmissbrauchs, was zu Datenschutzverletzungen führen kann oder dazu, dass wichtige Daten im Zweifel nicht entschlüsselt werden können.

Glücklicherweise gibt es mehrere bewährte Verfahren, mit denen Unternehmen ihre privaten Schlüssel besser schützen können:

• Nutzen Sie starke Algorithmen: Implementieren Sie robuste Verschlüsselungsstandards, etwa AES-256. Symmetrische Algorithmen wie diese sind resistent gegen Quantenangriffe – eine zukünftige, aber bedeutende Bedrohung für die moderne Kryptographie.
• Führen Sie Schlüsselverwaltungslösungen ein: Verwenden Sie zum Beispiel Hardware-Sicherheitsmodule (HSMs), um Schlüssel mit einer starken Root-of-Trust zu sichern. Diese Lösungen bieten manipulationssichere Umgebungen und automatisieren die Lebenszyklusverwaltung von Schlüsseln, wodurch das Risiko menschlicher Fehler verringert wird.
• Rotieren Sie die Schlüssel regelmäßig: Ändern Sie die Verschlüsselungsschlüssel regelmäßig, um die Gefährdung zu minimieren und den durch kompromittierte Schlüssel verursachten Schaden zu begrenzen. Die Schlüsselrotation sorgt dafür, dass veraltete Schlüssel ausgemustert werden, wodurch das Risiko langfristiger Schwachstellen verringert wird.
• Beschränken Sie den Schlüsselzugriff: Beschränken Sie den Zugang zu privaten Schlüsseln auf wenige, zentrale Mitarbeiter oder Systeme und führen Sie strenge rollenbasierte Kontrollen ein. Dadurch wird das Risiko eines versehentlichen oder böswilligen Missbrauchs minimiert und die Transparenz erhöht.
• Überwachen und prüfen Sie die Schlüsselnutzung: Überwachen Sie die Verwendung von Schlüsseln, um unbefugte Aktivitäten zu erkennen. Regelmäßige Prüfungen geben Aufschluss darüber, wie auf Schlüssel zugegriffen wird und wie sie verwendet werden. Dadurch können Sie schneller auf potenzielle Bedrohungen reagieren.
• Sensibilisieren Sie Ihre Mitarbeiter: Schulen Sie Ihre Mitarbeiter im Umgang mit Verschlüsselungsschlüsseln, einschließlich der Erkennung von Phishing-Versuchen und der sicheren Speicherung von Schlüsseln. Gut geschulte Mitarbeiter sind ein wichtiger Bestandteil Ihrer Verteidigung gegen durch menschliche Fehler verursachte Datenlecks.

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