Ablauf der Schülerkrypto

Die Schülerkrypto 2009 in Siegen bestand aus zwei Teilen, einer Kryptofortbildung ausschließlich für Lehrer und dem Schülertag. In Rahmen der Kryptofortbildung für Lehrer wurde die Themen Kryptographie und Kryptoanalyse im Detail vorgetragen und praktisch ausprobiert. Der Fokus hierbei lag auf der Theorie und sollte den Lehrern einen Überblick über die Kryptographie vermitteln, damit sie danach selbst entscheiden können, welche Teile sich für den Oberstufenunterricht eignen. An dem Schülertag dagegen wurden nur ausgewählte Themen vorgeführt und praktisch angewandt. Die Schüler sollten durch die Vorträge einen Überblick über die Möglichkeiten der Kryptographie bekommen. Durch die praktischen Aufgaben hingegen sollte das Interesse geweckt und auf spielerische Art und Weise der Umgang mit der verwendeten Software, CrypTool, gelernt werden.

Ablauf des Lehrertags
Die Kryptofortbildung für Lehrer fand an zwei Tagen statt, an einem Freitagnachmittag (18.09.2009) von 15:00 bis 18:00 und an dem darauf folgenden Samstag (19.09.2009) von 09:00 bis 13:00. Dabei wurden folgende Themen besprochen und teilweise anhand von CrypTool praktisch angewandt.

  • Einleitung
    Zunächst wurden die Begriffe der Kryptologie und der Steganologie geklärt. Im Anschluss wurde die Software CrypTool 1.4 und CrypTool 2.0 in einer Demo vorgeführt. Es folgte ein Abriss der Entstehungsgeschichte der Kryptologie beginnend 1900 v. Chr. bis heute.
  • Verschlüsselung von Hand
    Es wurden einfache Handverfahren der Kryptographie vorgeführt und praktisch ausprobiert. Insgesamt wurde folgende Verfahren vorgestellt: Scytale, Caesar, Einfache Spaltentransposition, Monoalphabetische Substitution, Homophone Verfahren*, das Vigenère-Verfahren* und One-Time-Pads.
  • Verschlüsselungsmaschinen
    Als bekannteste Verschlüsselungsmaschine wurde hier die Enigma vorgestellt. Dabei wurde auch auf deren Kryptoanalyse, also das Brechen von Enigma-Codes eingegangen. Abschließend wurden noch weitere Maschinen kurz vorgestellt: SIGABA, SIGCUM, TypeX, Purple, Lorenz-Maschine, Geheimschreiber T52.
  • Computerverschlüsselung
    Hier wurden die aktuell eingesetzten und verwendeten Algorithmen der modernen symmetrischen Kryptographie und der asymmetrischen Kryptographie vorgestellt. Als Vertreter der symmetrischen Kryptographie wurden DES und AES* erklärt und praktisch vorgeführt. Der Übergang von der symmetrischen Kryptographie in die asymmetrische wurde – genau wie in der Geschichte selbst – mit dem Diffie-Hellman-Merkle-Verfahren zum Austausch von Schlüsseln erklärt. Anschließend wurden mathematische Grundlagen und das asymmetrische RSA-Verfahren – heutzutage eines der weltweit am häufigsten eingesetzten Verfahren – im Detail besprochen.
  • Ausblick/Zukunft: Quantenkryptographie
    Abschließend wurde noch ein kurzer Ausblick in die Zukunft, nämlich der Quantenkryptographie, gegeben. Dabei wurde Wiesners Quantengeld aus den 70er Jahren vorgestellt, was man heute als den Ursprung der Quantenkryptographie sehen kann. Auch das heute eingesetzte Verfahren BB84 wurde besprochen. Des Weiteren wurde am Ende über das Potential der Kryptoanalyse mit Hilfe des Quantencomputers diskutiert.

* im Rahmen des Vortrags nur kurz angesprochen, vollständig in den Unterlagen verfügbar.

Ablauf des Schülertags

Der Schülertag im Rahmen der Schülerkrypto 2009 in Siegen wurde an zwei aufeinanderfolgenden Tagen (29. und 30.09.2009), jeweils von 09:00 bis 16:00, angeboten. Daran nahmen insgesamt über 80 Schüler teil. Der Schülertag war unterteilt in Vorträge und die „Agenteneinsätze“, die praktische Aufgaben zur Anwendung der gelernten Methoden enthielten. Bei den praktischen Aufgaben wurden kryptographische Rätsel (sogenannte Challenges) gestellt, und derjenige, der diese am schnellsten lösen konnte, bekam einen Sachpreis. Als Preise gab es DVDs mit den Filmen „Enigma“ und „Sneakers“, die Bücher „Codeknacker gegen Codemacher“ und „Versteckte Botschaften“ von Klaus Schmeh, sowie das Buch „Geheime Botschaften“ von Simon Singh. Die Bücher von Klaus Schmeh wurden von dem Autor selbst für diese Veranstaltung gespendet. Die anderen Sachpreise wurden von dem bbz zur Verfügung gestellt.
Die Schülertage bestanden dabei aus jeweils vier Teilen, zwei theoretischen und zwei praktischen, bei denen die Schüler an den Rechnern des bbz die ihnen gestellten Aufgaben lösten.
Agent Bob
  • Vortrag und Vorführung – Teil 1 (9:00-10:30)
    • Einleitung
      Nachdem die Begriffe der Kryptologie und der Steganologie geklärt wurden, wurde CrypTool 1.4 und CrypTool 2.0 in einer Demo vorgestellt. Anschließend wurden praktische Einsatzgebiete für Kryptologie von heute diskutiert.
    • Einfache Verschlüsselung
      An den Beispielen von Skytale und Caesar wurde die Transposition und die Substitution erklärt. Sowohl für die Skytale als auch für Caesar gab es direkt im Vortrag ein kleines kryptographisches Rätsel, welches mit Papier und Stift gelöst werden konnte. Für die schnellste Lösung gab es hier eine DVD mit dem Film „Sneakers“ bzw. „Enigma“.
    • Verbesserte Verschlüsselung
      Aufbauend auf der einfachen Transposition (Skytale) und der einfachsten Substitution (Caesar) wurden nun die einfache Spaltentransposition* und die monoalphabetische Substitution inklusive der zugehörigen Angriffsmöglichkeiten besprochen.
  • Agenteneinsatz – Teil 1 (10:45-12:45)
    • Grundausbildung zum Geheimagent
      Ziel der Grundausbildung war das praktische Anwenden der eben gelernten Methoden mit Hilfe von CrypTool 1.4 bzw. CrypTool 2.0. Dafür wurden den Schülern Schritt-für-Schritt-Anleitungen für insgesamt 6 Aufgaben zur Verfügung gestellt. Erst nach erfolgreichem Abschluss all dieser Aufgaben bekamen die Schüler ihren ersten Auftrag.
    • Aufträge 1-2
      In den Aufträgen musste man Agent 009 helfen, die gestohlenen Kunstschätze aus dem Museum wiederzubeschaffen und die Täter zu fassen. Im ersten Auftrag musste dafür eine mit der monoalphabetischen Substitution verschlüsselte Nachricht und im zweiten Auftrag eine Skytale-Nachricht gebrochen werden. Für die schnellste Lösung gab es bei Auftrag 01 das Buch „Codeknacker gegen Codemacher“ von K. Schmeh, und für Auftrag 02 das Buch „Geheime Botschaften“ von S. Singh.
    • Sonderauftrag
      Für die besonders Schnellen gab es am 29.09.2009 (erster Schülertag) noch einen Sonderauftrag. Es handelte sich dabei um eine mit der einfachen Spaltentransposition verschlüsselte Nachricht. Der Schwierigkeitsgrad war weit über den anderen Aufträgen, wodurch der Sonderauftrag nicht an dem Schülertag gelöst wurde – vielmehr sollten die Schüler sich damit daheim weiterbeschäftigen und die Lösung per E-Mail einschicken. Die erste korrekte Lösung erreichte den Dozenten bereits am 30.09.2009 um 15:59 von Herrn Niels Friedhoff. Für seine eingeschickte Lösung erhielt er als Sachpreis das Buch „Codeknacker gegen Codemacher“ von K. Schmeh, welches zusätzlich zu den anderen Sachpreisen vom Dozenten Dr. Wacker gespendet wurde.
  • Vortrag und Vorführung – Teil 2 (13:15-14:30)
    • Maschinelle Verschlüsselung
      Auch am Schülertag wurde die Enigma als der bekannteste Vertreter der mechanischen Verschlüsselung erklärt und anhand von CrypTool 1.4 und 2.0 vorgeführt.
    • Moderne Verschlüsselung
      Bei den modernen Verfahren wurden die beiden symmetrischen Verfahren DES und AES* besprochen. Anschließend wurden beide Verfahren in einer Demo mit Hilfe von CrypTool vorgeführt. Des Weiteren wurde der Schlüsselaustausch nach Diffie-Hellman-Merkle anhand einer verschließbaren Box mit zwei Schlösser vorgeführt. Abschließend wurden das RSA-Verfahren und die zugehörige Mathematik erklärt. Zu dem RSA Verfahren gab es zusätzlich ein kleines Rätsel direkt in dem Vortrag zu lösen. Als Sachpreis für die schnellste Lösung gab es eine „Sneakers“-DVD.
  • Agenteneinsatz – Teil 2 (14:45-16:00)
    • Agentenfortbildung
      In der Agentenfortbildung sollten die Schüler die im zweiten Vortragsteil gelernten Verfahren selbst praktisch anwenden. Dafür wurden den Schülern Schritt-für-Schritt-Anleitungen für insgesamt 4 Aufgaben zur Verfügung gestellt. In diesen Aufgaben mussten die Schüler einenen Ciphertext-only-Angriff auf die Enigma und Brute-force-Angriffe auf AES (mit teilweise bekanntem Schlüssel) durchführen. Erst nach erfolgreichem Abschluss all dieser Aufgaben bekamen die Schüler ihren dritten Auftrag.
    • Aufträge 3-4
      In den letzten beiden Aufträgen engt sich den Kreis um die Täter stärker ein. Durch die erfolgreiche Kryptoanalyse der ersten beiden Aufträge sind die Agenten den Tätern dicht auf der Spur. Ob sie gefasst wurden oder nicht, hing nun davon ab, ob die beiden letzten Aufträge rechtzeitig entschlüsselt werden konnten. Bei Auftrag 03 galt es, eine mit der Enigma verschlüsselte Nachricht zu entziffern. Noch etwas schwieriger wurde es bei Auftrag 04, in dem eine hybrid mit RSA und AES verschlüsselte Nachricht zu brechen war.

* im Rahmen des Vortrags nur kurz angesprochen, vollständig in den Unterlagen verfügbar.