Verschlüsselung

Jeden Tag werden Milliarden Nachrichten über das Internet verschickt — E-Mails, Chat-Nachrichten, Bankdaten. Ohne Verschlüsselung könnte jeder mitlesen. In dieser Übung lernt ihr die wichtigsten Verschlüsselungsverfahren kennen, indem ihr sie selbst ausprobiert.

Hinweis
Arbeitet zu zweit. Viele Aufgaben funktionieren am besten, wenn ihr euch gegenseitig verschlüsselte Nachrichten schickt.

Aufgabe 1: Caesar-Verschlüsselung

Die Caesar-Verschlüsselung ist eines der ältesten Verfahren: Jeder Buchstabe wird um eine feste Anzahl von Stellen im Alphabet verschoben. Bei einer Verschiebung von 3 wird aus A ein D, aus B ein F usw.

Klartext:

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

Verschiebung 3:

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

A

B

C

a) Verschlüsselt den folgenden Satz mit einer Verschiebung von 5 (auf Papier):

b) Schickt eurem Tandempartner eine eigene verschlüsselte Nachricht (per Zettel oder Chat). Verratet nur die Verschiebung — nicht den Klartext. Der Partner entschlüsselt.

c) Beantwortet gemeinsam: Wie viele verschiedene Schlüssel gibt es bei der Caesar-Verschlüsselung? Warum ist das ein Problem?

Aufgabe 2: Caesar knacken

Ein Angreifer hat folgende verschlüsselte Nachricht abgefangen. Er kennt die Verschiebung nicht:

a) Probiert systematisch alle 25 möglichen Verschiebungen durch (Brute Force). Bei welcher Verschiebung ergibt sich ein sinnvoller deutscher Satz?

Tipp
Ihr müsst nicht alle 25 durchprobieren. Schaut euch den häufigsten Buchstaben im Geheimtext an. Im Deutschen ist E der häufigste Buchstabe. Wenn im Geheimtext zum Beispiel L am häufigsten vorkommt, wie gross ist dann die Verschiebung?

b) Diskutiert: Warum ist die Caesar-Verschlüsselung für echte Kommunikation ungeeignet?

Aufgabe 3: One Time Pad

Das One Time Pad ist das einzige Verschlüsselungsverfahren, das mathematisch bewiesen unknackbar ist — wenn man sich an die Regeln hält: Der Schlüssel muss zufällig sein, mindestens so lang wie die Nachricht, und darf nur einmal verwendet werden.

a) Öffnet den One Time Pad Generator.

1. Gebt eine kurze Nachricht ein (z.B. euren Namen).
2. Generiert ein Pad und verschlüsselt die Nachricht.
3. Sendet die verschlüsselte Nachricht an euren Tandempartner.
4. Sendet den Schlüssel separat (z.B. auf Papier oder per anderem Kanal).
5. Der Partner entschlüsselt die Nachricht mit dem Schlüssel.

b) Beantwortet gemeinsam: Warum wird das One Time Pad trotz perfekter Sicherheit in der Praxis kaum eingesetzt? Was ist das Problem?

Aufgabe 4: Symmetrisch vs. Asymmetrisch

Bei den bisherigen Aufgaben musstet ihr den Schlüssel immer irgendwie zum Partner bringen. Das ist das Schlüsselaustauschproblem. Die asymmetrische Verschlüsselung löst es mit zwei Schlüsseln: einem öffentlichen (zum Verschlüsseln) und einem privaten (zum Entschlüsseln).

Analogie
Stellt euch ein offenes Vorhängeschloss vor. Jeder kann etwas in eine Box legen und das Schloss zuklappen (= öffentlicher Schlüssel). Aber nur die Person mit dem passenden Schlüssel kann die Box wieder öffnen (= privater Schlüssel).

a) Ordnet die Begriffe in die richtige Spalte ein:

Symmetrisch	Asymmetrisch

Begriffe: Ein Schlüssel für alles • Zwei verschiedene Schlüssel • Caesar-Verschlüsselung • RSA • AES • SSH-Keys • Schlüssel muss geheim übertragen werden • Öffentlicher Schlüssel darf jeder kennen • Schnell bei grossen Datenmengen • Langsamer, aber sicherer Schlüsselaustausch

b) Erinnert euch an das SSH-Schlüsselpaar, das ihr kennt (z.B. id_ed25519 und id_ed25519.pub). Welcher davon ist der öffentliche, welcher der private Schlüssel? Was passiert, wenn man den privaten Schlüssel verliert? Was passiert, wenn man ihn weitergibt?

Aufgabe 5: HTTPS im Browser

Fast jede Website nutzt heute HTTPS — eine Kombination aus symmetrischer und asymmetrischer Verschlüsselung. Schaut euch an, wie das in der Praxis aussieht.

a) Öffnet www.ph-weingarten.de im Browser. Klickt auf das Schloss-Symbol links in der Adressleiste und findet heraus:

• Wer hat das Zertifikat ausgestellt?
• Bis wann ist es gültig?
• Welcher Verschlüsselungsalgorithmus wird verwendet?

b) Vergleicht mit franke-lab.de. Wer hat hier das Zertifikat ausgestellt? Was ist Let's Encrypt und warum ist es besonders?

c) Diskutiert: Was würde passieren, wenn eine Website kein HTTPS nutzt und ihr dort ein Passwort eingebt?

Aufgabe 6: Zusammenfassung

Erstellt gemeinsam eine kurze Übersicht (Tabelle, Stichpunkte oder Skizze), die folgende Fragen beantwortet:

1. Was ist der Unterschied zwischen symmetrischer und asymmetrischer Verschlüsselung?
2. Warum ist die Caesar-Verschlüsselung unsicher?
3. Was ist das Schlüsselaustauschproblem und wie löst asymmetrische Verschlüsselung es?
4. Wo begegnet euch Verschlüsselung im Alltag? (Nennt mindestens 3 Beispiele)

Reflexion
Tragt eure Ergebnisse in die Reflexion ein.

Encryption

Every day, billions of messages are sent over the internet — emails, chat messages, banking data. Without encryption, anyone could read them. In this exercise, you will learn about the most important encryption methods by trying them out yourself.

Note
Work in pairs. Many tasks work best when you send each other encrypted messages.

Task 1: Caesar Cipher

The Caesar cipher is one of the oldest methods: each letter is shifted by a fixed number of positions in the alphabet. With a shift of 3, A becomes D, B becomes E, and so on.

Plain:

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

Shift 3:

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

A

B

C

a) Encrypt the following sentence with a shift of 5 (on paper):

b) Send your partner an encrypted message of your own (on paper or via chat). Only reveal the shift — not the plaintext. Your partner decrypts it.

c) Discuss together: How many different keys does the Caesar cipher have? Why is that a problem?

Task 2: Breaking Caesar

An attacker intercepted the following encrypted message. They don't know the shift:

a) Systematically try all 25 possible shifts (brute force). Which shift produces a meaningful German sentence?

Hint
You don't need to try all 25. Look at the most frequent letter in the ciphertext. In German, E is the most common letter. If, for example, L appears most often in the ciphertext, what would the shift be?

b) Discuss: Why is the Caesar cipher unsuitable for real communication?

Task 3: One Time Pad

The One Time Pad is the only encryption method that is mathematically proven to be unbreakable — if you follow the rules: the key must be random, at least as long as the message, and used only once.

a) Open the One Time Pad Generator.

1. Enter a short message (e.g. your name).
2. Generate a pad and encrypt the message.
3. Send the encrypted message to your partner.
4. Send the key separately (e.g. on paper or via a different channel).
5. Your partner decrypts the message using the key.

b) Discuss together: Why is the One Time Pad rarely used in practice despite its perfect security? What's the problem?

Task 4: Symmetric vs. Asymmetric

In the previous tasks, you always had to somehow get the key to your partner. This is the key exchange problem. Asymmetric encryption solves it with two keys: a public one (for encryption) and a private one (for decryption).

Analogy
Imagine an open padlock. Anyone can put something in a box and snap the lock shut (= public key). But only the person with the matching key can open the box again (= private key).

a) Sort the terms into the correct column:

Symmetric	Asymmetric

Terms: One key for everything • Two different keys • Caesar cipher • RSA • AES • SSH keys • Key must be transmitted secretly • Public key can be known by anyone • Fast for large amounts of data • Slower but safer key exchange

b) Remember the SSH key pair you already know (e.g. id_ed25519 and id_ed25519.pub). Which one is the public key, which is the private key? What happens if you lose the private key? What happens if you share it?

Task 5: HTTPS in the Browser

Almost every website uses HTTPS today — a combination of symmetric and asymmetric encryption. Let's look at how it works in practice.

a) Open www.ph-weingarten.de in your browser. Click the lock icon in the address bar and find out:

• Who issued the certificate?
• When does it expire?
• Which encryption algorithm is used?

b) Compare with franke-lab.de. Who issued this certificate? What is Let's Encrypt and why is it special?

c) Discuss: What would happen if a website doesn't use HTTPS and you enter a password there?

Task 6: Summary

Create a short overview together (table, bullet points, or sketch) that answers the following questions:

1. What is the difference between symmetric and asymmetric encryption?
2. Why is the Caesar cipher insecure?
3. What is the key exchange problem and how does asymmetric encryption solve it?
4. Where do you encounter encryption in everyday life? (Name at least 3 examples)

Reflection
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