CODES, CHIFFREN UND WEITERE GEHEIMSPRACHEN

Chiffren gehoeren zu den wichtigsten Kategorien der Kryptologie. Sie sind eine Methode der Verschluesselung, bei der dei Grundeinheit der Buchstabe ist. Das Wort Chiffre kommt vom arabischen sifr, was soviel wie nichts bedeutet. Chiffren waren von enormer Bedeutung fuer die fortgeschrittene arabische Kultur, aber auch fuer die Griechen und Roemer. Nach dem Untergang des Roemischen Reiches spielten Chiffren kam noch eine Rolle. Im Mittelalter wurden Chiffren wieder, allerdings in eingeschraenkter Form, vom Vertretern der katholischen Kirche verwendet. Spaeter waren sie als Alternative fuer Codes und Nomenklatoren beliebt.

Mit dem Aufkommen der Telegrafie Mitte des 19. Jahrhunderts erlebten Chiffren einen richtigen Boom. Codebücher konnten während einer Schlacht leicht verlorengehen, und die Erstellung von Ersatzbuechern war muehselig. Als im Ersten Weltkrieg zahlreiche Codes abgefangen und gebrochen wurden, begannen sich die Militaers verstaerkt fuer Chiffren zu interessieren, da diese einen hohen Sicherheitsstandard boten.

Im Lauf des 20. Jahrhunderts wurden im Militärbereich zur Verschluesselung nur noch Chiffren eingesetzt. Da sie auf der Verschiebung einzelner Buchstaben oder Silben basieren, waren sie bestens geeignet für moderne elektronische Verfahren wie Digitalrechnungen und Tabellenkalkulationen. Da Erfindung von Maschinen, die mit elektronischer Buchstabenumstellung ungeheuer schnell polyalphabetische Verschlüsselungen erzeugen konnten, bot eine bis dato nie gekannte Chiffrenkomplexität.

Während Codes ganze Wörter ersetzen, arbeiten Chiffren mit wenigen Buchstaben und können vielseitig verwendet werden. Ihre beiden wichtigsten Funktionen sind die Substitution und die Transposition, bei denen bestimmte Buchstabentransformationen vorgenommen werden. Die Transposition verschiebt den Originaltext, wobei die ursprüngliche Buchstabenfolge durcheinandergebracht wird. Bei der Substitution werden die Buchstaben der Botschaft durch Zahlen, Symbole oder andere Buchstaben ersetzt. Die Grundeinheit einer Chiffre kann auch aus einem Buchstabenpaar, einem sogenannten Bigramm oder Digraph, und manchmal aus grösseren Gruppen, Polygramme genannt, bestehen. Die Substitute, womit das normale Alphabet ersetzt wird, nennt man das Chiffrealphabet.

Wenn eine unverschlüsselte Botschaft, der sogenannte Klartext, mit einer Chiffre versehen, also chiffriert wird, nennt man das Resultat Geheimtext, Verschlüsselung oder Kryptogramm. Wenn der Empfänger den Geheimtext entschlüsselt hat, nennt man die Botschaft ebenfalls Klartext. Der Ausdruck dechiffrieren wurde früher verwendet, wenn ein Gegner versucht hat, eine Botschaft zu entschlüsseln, aber der 1920 von William Friedman geprägte Begriff Kryptoanalyse hat sich mittlerweile durchgesetzt.

Chiffren werden häufig zu Blöcken aus fünf Buchstaben gruppiert, um versehentliche Wiederholungen zu vermeiden und die Übermittlung zu erleichtern. Auf internationalen Telegrafiekonferenzen des 19. Jahrhunderts wurden diese Gruppen standardisiert. In verschiedenen Kommunikationssystemen wurden die Gebühren auf der Basis von fünf Zahlen oder Buchstaben berechnet. Anhand dieser Fünfergruppen konnte der Adressat leichter Beginn und Ende der Gruppen feststellen und klare Übertragungsmuster erhalten.

Chiffren erfordern einen Schluessel, der die fuer eine bestimmte Verschluesselung noetigen Operationen regelt. Ein Schluesselwort kann das Buchstabenmuster in einen Geheimtextalphabet angehen, eine Schluesselzahl dagegen die Buchstabenreihenfolge bei einer Transposition. Im folgenden Beispiel legen der erste und der dritte Buchstabe des Schluesselwortes here das Muster des Alphabets fest.

KLARALPAHBET

GEHEIMTEXT

im Alphabet liegen h und r 10 Buchstaben auseinander. Dies führt bei den 26 Buchstaben des Alphabets zu einer Verschiebung um jeweils 10 Buchstaben. Nach dem Alphabet aus diesem Beispiel lautet das Wort message nun wocckqo.

Wenn die Schlüsselzahl 34512 für eine Transpostionschiffre genommen wird, dann bedeutet dies, dass der dritte Buchstabe des Originalwortes zum ersten wird, der vierte Buchstabe wird der Zweite und so weiter: aus engl. leave wird avele.

Der Schlüssel kann vor Sendung der chiffrierten Botschaft festgelegt werden oder innerhalb der Verschlüsselung. Er sollte regelmässig geändert werden oder innerhalb der Verschlüsselung. Er sollte regelmässig gewechselt werden, da häufig wiederkehrende Wörter von einem erfahrenen Kryptoanalytiker erkannt werden. Freilich sollten die Änderungen mit dem Empfänger abgesprochen werden, da sie die Struktur der erzeugten Chiffre sowie das Ver- und das Entschlüsselungsmuster bestimmen.

Mit diversen Mitteln lassen sich Chiffren zusätzlich absichern . Kryptographen benutzen oft sogenannte Füller, die keine Klartextbuchstaben vertreten. Sie machen es Dritten erheblich schwerer, weil sie die erwarteten Satzmuster, Wortlängen und Silbengruppen durchbrechen. Außerdem kann man verschlüsselte Wörter oder Zahlen noch super-verschlüsseln. Bei diesem Verfahren wird die Verschlüsselung selber noch einmal chiffriert, entweder durch Transposition oder Substitution.

Fortschritte in Mathematik und Datenverarbeitung haben ungeahnte Einsatzmöglichkeiten für Chiffren erschlossen. Dennoch bleibt die grundlegende Beziehung zwischen Chiffren, Schlüsseln, Transposition und Substitution die Basis für die Millionen computergenerierter Verschlüsselungsmöglichkeiten.

Transpositions-Chiffren

Die Transposition ist eine Verschlüsselungsmethode, bei der die Buchstaben einer Nachricht vertauscht werden, ohne dass einzelne Buchstaben eines Worts durch andere Buchstaben, Zahlen oder Symbole ersetzt würden. So kann das Wort watchful nach der Transposition afcwluth oder flwhuatc lauten. Die Buchstaben wechseln zwar ihre jeweilige Position, bleiben aber gleich. Ein bekanntes Beispiel für Transpostiionen sind Anagramme, die im 17. Jahrhundert durch Leute wie Galilei und Johannes Kepler populär wurden. Anagramme verwenden die Buchstaben eines Wortes, ordnen sie neu und bilden so neue Wörter. So wird das Wort are zu era, bat wird tab und aus percussion kann supersonic werden, um nur ein paar Beispiele zu nennen.

Die Ursprünge der Transposition liegen im dunklen. Moeglicherweise war es ein Schreiber im Altertum, der aus Sicherheitsgruenden oder zu rituellen Zwecken die Buchstaben im Namen seines Koenigs vertauscht hat. Schriftliche Dokumente belegen, dass seit dem 5. Jahrhundert vor Christus die Spartaner und die Araber Transpositionsformen kannten. Die Spartaner entwickelten die Skytale, eine der frhesten Formen der Transposition und das erste bekannte kryptografische Werkzeug. Nach Berichten des griechischen Geschichtsschreibers Thukydides bestand die Skytale aus einem Holzstab, um den ein Streifen Leder, Pergament oder Tuch gebunden wurde. Der Klartext wurde vertikal auf diesen Streifen geschrieben, bedeutungslose Fueller standen am Anfang und am Schluss der Botschaft.

Es gab zwar Versuche, mehr als einen sinnvollen Satz am Holzstab anzubringen, aber das kostete Zeit. Wenn das Pergament oder das Leder vom Stab gewickelt wurde, hatte eine dritte Person nur eine Folge willkuerlicher Buchstaben vor sich.

Ein Bote brachte die Botschaft in ein anderes Feldlager, wo sie um eine andere Skytale mit dem richtigen Durchmesser gewickelt wurde. Nur dann tauchte die urspruengliche Nachricht in der korrekten Buchstabenfolge wieder auf. Die Skytale bewaehrte sich vor allem bei Feldzuegen, da kein komplizierter Code noetig und sie relativ leicht zu verschluesseln war.

Waehrend des Mittelalters benutzte der Klerus in Europa manchmal Buchstabenverschiebungen und Satzverdrehungen. In der Renaissance probierten Kryptographen in Italien neue Anwendungen der Transposition und ihres Gegenstueckes, der Substitution. Der neapolitanische Gelehrte Giovannie Porta behandelte in seiner klassischen Abhandlung De Furtivis Litterarum Notis von 1563 die Transposition als grundlegende Verschluesselungsmethode. Bereits damals jedoch wurde der Nomenklator zum wichtigsten Chiffriersystem, und die Transposition geriet in Vergessenheit.

Die Transposition wurde waehrend des Sezessionskrieges in den Vereinigten Staaten wiederbelebt, mit einem Typus namens Route, mit der die Nordstaaten ihre telegrafischen Nachrichten vor dem Zugriff der Konfoerderierten schuetzten. Zwar wird die Transposition heute kaum noch als einzige Verschleusselungsmethode benutzt, nach wie vor aber, zur Erhoehung der Sicherheit, als Ergaenzung anderer kryptografischer Verfahren.

Die Sicherheit von Transpositions-Chiffren ergibt sich aus der breiten Skala moeglicher Permutationen (Vertauschungen). Eine moegliche Permutation waere die Aufteilung einer Botschaft in Gruppen von 8 Buchstagen und Leerstellen. Der erste und letzte sowei der vierte und fuenfte Buchstabe (bzw. Zahl) innerhalb jeder Gruppe werden dann vertauscht. Die Symbole . fuer Leertaste und Punkt sollten ebenfalls vertauscht werden.

Klartext:

Permutation:

Die Transposition eignet sich fr das Verschluesseln von Botschaften mit niedriger Sicherheitsstufe genauso wie die Substitution; jedoch sind sie fuer einen erfahrenen Kryptoanalytiker gut zu knacken, da die Originalbuchstaben in dem Kryptogramm enthalten sind. Diese Methode ist nicht so sicher wie die meisten fortgeschrittenen Substitutionsverfahren, bei denen die Buchstaben oder Zahlen neue Formen annehmen.

Ruecklaeufige Transposition

Einen grundlegenden Typus der Transposition stellt die ruecklaeufige Schreibung des Klartextes dar. Nehmen wir zum Beispiel die Nachricht meet her at nine tonight Treff sie heute abend um neun. Daraus wird:

Geheimtext: thginotenintarehteem

Wenn man fuer die Uebermittlung die Buchstabenfolge in Fuenfergruppen aufteilt, erhaelt man das Kryptogramm:

thgin oteni ntare hteem Eine andere Moeglichkeit liegt darin, die Woerter einzeln ruecklaeufig zu schreiben, wie in dem Kryptogramm:

teem reh ta enin thginot

Dieses Kryptogramm wird in f�nfbuchstabigen Gruppen gesendet:

teemr ehtae ninth ginot

Rueklaeufige Variationen

Im ersten ruecklaeufigen Beispiel oben kann jedes der Fuenfbuchstaben-Woerter veraendert werden, etwa durch Vertauschung von erstem und drittem sowie zweitem und viertem Buchstaben:

Erster Geheimtext: thgin oteni ntare hteem
Zweiter Geheimtext: githn enoti arnte eehtm

Wenn man diese ganze Folge erneut rueckwaerts schreibt, dann lautet die neue Verschluesselung:

mthee etnra itone nhtig

Geometrische Chiffren

Eine geometrische Chiffre ist eine Transpositions-Chiffre, in der die Elemente des Klartextes in ein geometrisches Muster gebracht werden, eine Schablone oder ein Gitter. Durch bestimmte Richtungswechsel - zum Beispiel eine Spalte aufwaerts, eine abwaerts, eine andere diagonal - ergibt sich eine unterschiedliche Buchstabenfolge. Ein Schluessel bestimmt fuer den Empfaenger Laenge und Richtung. Codenamen fuer Personen und Orte, bedeutungslose Fueller und diagonale Anordnungen koennen ebenfalls die Verschluesselung unterstuetzen.


Einfache geometrische Formen bieten grundlegende Moeglichkeiten zur Vertauschung von Buchstaben. Zum Beispiel koennen die Woerter meet her at nine tonight in folgendes Rechteck uebertragen werden:

Der Geheimtext wird aus den horizontalen Paaren gebildet, und es entsteht das Kryptogramm:

mi en ee tt ho en ri ag th nt


Die Paare koennen zu Gruppen aus je 5 Buchstaben angeordnet werden. Sie bilden den Geheimtext:

miene ettho enria gthnt

Routen-Transposition

Routen-Transpositionen haben ihren Namen aus der Richtung oder dem Muster ihrer Anordnung und der Buchstabenverschiebung durch den Kryptographen. Der Klartext befindet sich innerhalb dieser Konfigurationen, und zwar in einem vorab festgelegtem Muster, das veraendert wird, um den Geheimtext zu erzeugen. Routen-Verschluesselungen basieren auf einem geometrischen Muster, meistens auf Rechtecken, aber auch Dreiecke, Kreise und sogar Trapeze haben sich als nuetzlich erwiesen.