LU05.A05 - RSA-Verschlüsselungsverfahren [BZZ

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====== LU05.A05 - RSA-Verschlüsselungsverfahren ======
==== Lernziele ====
  * Ich kann das RSA-Verschlüsselungsverfahren anhand einer mathematischen Aufgabe nachvollziehen.
  * Ich kann öffentliche und private Schlüssel generieren und verwenden, um Nachrichten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln.

==== Rahmenbedingungen ====
  * **Zeitbudget:** 45 Minuten
  * **Sozialform:** Einzelarbeit
  * **Hilfsmittel:** Taschenrechner oder Computer mit Zugriff auf eine Programmierumgebung
  * **Erwartetes Ergebnis:** Ausgefülltes Arbeitsblatt mit Ihren Berechnungen und Erklärungen

==== Ausgangslage ====
Das RSA-Verschlüsselungsverfahren ist ein weit verbreitetes asymmetrisches Kryptosystem, das für sichere Datenübertragungen verwendet wird.

==== Arbeitsauftrag ====
  * **Schlüsselgenerierung:**
    - Wählen Sie zwei unterschiedliche Primzahlen ''p'' und ''q''.
    - Berechnen Sie das Produkt ''n = p * q'', welches als Modulus für die Schlüssel dient.
    - Ermitteln Sie die totient Funktion ''ϕ(n) = (p-1)(q-1)''.
    - Wählen Sie eine ganze Zahl ''e'', die zu ''ϕ(n)'' teilerfremd ist und kleiner als ''ϕ(n)'' ist.
    - Berechnen Sie den privaten Exponenten ''d'', sodass ''e * d ≡ 1 (mod ϕ(n))''.

  * **Öffentlicher Schlüssel (Public Key):** Der öffentliche Schlüssel besteht aus dem Paar ''(n, e)''.
  * **Privater Schlüssel (Private Key):** Der private Schlüssel besteht aus dem Paar ''(n, d)''.

  * **Verschlüsselung:**
    - Verschlüsseln Sie die Nachricht ''m = 123'', indem Sie ''c = m^e mod n'' berechnen. Verwenden Sie dafür den öffentlichen Schlüssel.

  * **Entschlüsselung:**
    - Entschlüsseln Sie den Chiffretext ''c'', indem Sie ''m = c^d mod n'' berechnen. Verwenden Sie dafür den privaten Schlüssel.

  * **Verifikation:**
    - Überprüfen Sie, dass der entschlüsselte Text mit der ursprünglichen Nachricht ''m'' übereinstimmt.
==== Verwenden eines Simulators ====
Verwenden Sie CrypTools um die Schritte zu veranschaulichen: [[https://www.cryptool.org/en/cto/rsa-step-by-step]]
==== Theorie: Berechnung von Kongruenzen ====
Um die Kongruenz ''a ≡ b (mod m)'' zu berechnen, folgen Sie diesen Schritten:

  * **Modulo-Operation durchführen:**
    - Berechnen Sie den Rest der Division von ''a'' durch ''m'', bezeichnet als ''a mod m''.
    - Berechnen Sie den Rest der Division von ''b'' durch ''m'', bezeichnet als ''b mod m''.

  * **Vergleich der Reste:**
    - Wenn die Reste gleich sind, d.h., ''a mod m'' ist gleich ''b mod m'', dann gilt die Kongruenz ''a ≡ b (mod m)''.

**Beispiel:**
- Um ''17 ≡ x (mod 5)'' zu berechnen, bestimmen Sie den Rest von 17 geteilt durch 5. Da ''17 mod 5 = 2'', suchen Sie nach einem Wert von ''x'', der ebenfalls einen Rest von 2 ergibt, wenn er durch 5 geteilt wird. Jede Zahl, die um ein Vielfaches von 5 plus 2 ist (z.B. 7, 12, 22, ...), würde diese Bedingung erfüllen.


==== Theorie: Sicherheit des RSA-Algorithmus ====
Die Sicherheit des RSA-Algorithmus basiert nicht auf der Schwierigkeit der Kongruenzberechnung, sondern auf dem Problem der Faktorisierung großer Zahlen.

  * **Faktorisierungsproblem:**
    - Im RSA-Algorithmus wird das Produkt zweier großer Primzahlen ''p'' und ''q'' verwendet, um ''n = p × q'' zu bilden. Der öffentliche Schlüssel enthält ''n'' und einen Exponenten ''e'', während der private Schlüssel aus einem anderen Exponenten ''d'' besteht.
    - Der private Schlüssel ''d'' wird durch die Berechnung von ''e^{-1} mod φ(n)'' ermittelt, wobei ''φ(n) = (p-1) × (q-1)''. Um ''φ(n)'' zu berechnen, muss man ''n'' faktorisieren.
    - Das Problem der RSA-Sicherheit basiert auf der Schwierigkeit, eine große Zahl ''n'' in ihre Primfaktoren ''p'' und ''q'' zu zerlegen. Für große Zahlen wird dies extrem schwierig und zeitaufwändig, selbst mit leistungsfähigen Computern.

  * **Kongruenzberechnung im RSA:**
    - Die Kongruenzberechnung kommt ins Spiel, wenn Nachrichten verschlüsselt oder entschlüsselt werden (z.B. ''c = m^e mod n'' für die Verschlüsselung und ''m = c^d mod n'' für die Entschlüsselung). Diese Operationen sind selbst für sehr große Zahlen effizient durchführbar.

Zusammenfassend beruht die Sicherheit des RSA-Algorithmus auf der Schwierigkeit, große Zahlen zu faktorisieren, nicht auf der Schwierigkeit der Kongruenzberechnung. Die Komplexität und Sicherheit des RSA-Algorithmus erhöht sich mit der Länge der verwendeten Schlüssel.


===== Solution =====
[[modul:m183:learningunits:lu05:loesungen:05|Lösung]]


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[[https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/|{{https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/4.0/88x31.png}}]] Volkan Demir