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Kryptographie

Einführung
Wenn Sie eine geheime Nachricht an einen Freund senden müssen, wie können Sie verhindern, dass andere sie lesen? Eine Möglichkeit besteht darin, die Nachricht zu verschlüsseln, dh einen geheimen Code zu verwenden, den nur Sie und Ihr Freund kennen. Probieren Sie diese Aktivität aus, um zu lernen, wie Sie Ihre eigene „Caesar-Chiffre“ erstellen, eine beliebte Art von Code, der leicht zu erlernen ist.

Hintergrund
Kryptographie ist das Studium des Schreibens oder Lösens von Geheimcodes, die für eine sichere Kommunikation verwendet werden. In der Vergangenheit wurden Codes von Politikern, Spionen und Ländern im Krieg verwendet, um zu verhindern, dass ihre Feinde wissen, was sie vorhaben. Viele der frühesten Codes oder „Chiffren“, wie die, die Sie in diesem Projekt erstellen werden, waren einfach von Hand zu erstellen. Jetzt ist Kryptographie in der Informatik unerlässlich, um alles von E-Mails bis hin zu Bankkontoinformationen sicher zu halten.

Die Caesar-Chiffre, benannt nach dem römischen Kaiser Julius Cäsar, ist eine der frühesten und bekanntesten Chiffren. Es ist eine einfache Form einer „Ersatzchiffre“, bei der Sie jeden Buchstaben des Alphabets durch einen anderen Buchstaben ersetzen, indem Sie das gesamte Alphabet um eine bestimmte Anzahl von Buchstaben verschieben (an den Anfang umbrechen, sobald Sie das Ende erreicht haben). Dies wäre beispielsweise Ihr Schlüssel und Code, wenn Sie jeden Buchstaben um drei Leerzeichen verschieben:

Plain: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
Cipher: XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW

Wenn Sie also Ihre Nachricht schreiben, wird der Buchstabe A durch X , B durch Y usw. ersetzt. Zum Beispiel lautet das Wort „HALLO“:

Plain: HALLO
Chiffre: EBIIL

Um Ihre Nachricht zu entschlüsseln, müssen Sie den „Schlüssel“ (die Nummer 3) mit Ihrem Freund teilen. Danach können Sie Nachrichten senden, die in Chiffre geschrieben sind, damit andere sie nicht lesen können!

Materialien

• Bleistift und Papier
• Mindestens eine weitere Person

Vorbereitung

• Erklären Sie einem Freund das Konzept einer Caesar-Chiffre oder lassen Sie ihn den Hintergrundabschnitt dieser Aktivität lesen.
• Schreiben Sie das Alphabet von A bis Z.
• Wählen Sie eine Zahl von 1 bis 25. (Wenn Sie 26 verwenden, erhalten Sie nur das ursprüngliche Alphabet.) Diese Nummer ist Ihr Schlüssel.

Vorgehensweise

• Verschiebe das gesamte Alphabet um die von dir gewählte Zahl und schreibe es unter dein ursprüngliches Alphabet (wie oben gezeigt).
• Wählen Sie eine Nachricht, die Sie Ihrem Freund schreiben möchten. Es kann am einfachsten sein, mit einer einfachen Nachricht (z. B. einem einzelnen Wort oder einer Phrase) zu beginnen, bevor Sie längere Sätze oder Absätze ausprobieren.
• Schreiben Sie Ihre verschlüsselte Nachricht mit Ihrem verschobenen Alphabet auf. Wenn es hilft, schreiben Sie zuerst Ihre reine Textnachricht auf und codieren Sie sie dann Buchstabe für Buchstabe (z. B. das obige „Hallo“ -Beispiel). Stellen Sie einfach sicher, dass das Stück Papier, das Sie Ihrem Freund geben, nur die verschlüsselte Nachricht enthält!
• Gib deinem Freund die verschlüsselte Nachricht und teile ihm den Schlüssel mit. Warum denkst du, würdest du den Schlüssel nicht aufschreiben wollen?
• Überprüfen Sie, ob Ihr Freund Ihre Nachricht entschlüsseln kann. Wenn es beim ersten Versuch hilft, lassen Sie sie mit den ursprünglichen und verschobenen Alphabeten, die Sie aufgeschrieben haben, rückwärts arbeiten. Am Beispiel aus dem Hintergrund wird der Buchstabe x zu a; y wird zu b; und so weiter.
• Versuchen Sie, einen anderen Schlüssel für dieselben Nachrichten zu verwenden. Sehen beide leichter zu knacken aus?
• Extra: Versuchen Sie, eine dritte Person zu finden, die nicht weiß, was eine Caesar-Chiffre ist. Können sie Ihren Code knacken, wenn sie Ihre Nachricht „abfangen“?
• Extra: Was ist, wenn die Person, die Ihre Nachricht abfängt, von Caesar-Chiffren weiß? Macht es das einfacher, den Code zu knacken? Da es nur 25 mögliche Schlüssel gibt, sind Caesar-Chiffren sehr anfällig für einen „Brute-Force“ -Angriff, bei dem der Decoder einfach jede mögliche Buchstabenkombination ausprobiert. Dies kann etwas Geduld erfordern, wenn ein Mensch dies tut, aber heutzutage können Computer den Code in Sekundenbruchteilen entschlüsseln, sodass Caesar-Chiffren nicht als sichere Methode zur Verschlüsselung elektronischer Kommunikation angesehen werden.
• Extra: Eine andere Möglichkeit, die Caesar-Chiffre zu knacken, ist die „Frequenzanalyse“, die auf der Tatsache basiert, dass in natürlicher englischer Sprache und Schrift bestimmte Buchstaben viel häufiger vorkommen als andere. Zum Beispiel erscheint der Buchstabe E häufiger als jeder andere, während Z am seltensten erscheint. (Wenn Sie jemals das Brettspiel Scrabble gespielt haben, werden Sie feststellen, dass dies bestimmt, wie viele Punkte Buchstaben wert sind!) Wenn Sie beispielsweise einen ganzen Absatz lesen und feststellen, dass der Buchstabe D häufiger vorkommt als jeder andere, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass er eine Caesar-Chiffre mit einer Verschiebung von 1 verwendet hat (was E zu D im Code macht). Diese Technik ist für längere Textblöcke genauer und für kurze Wörter oder Phrasen sehr ungenau, da es viele Wörter gibt, die überhaupt kein E enthalten. Können Sie einen Freund einen ganzen Absatz mit einer Caesar-Chiffre schreiben lassen und dann versuchen, ihn mithilfe der Frequenzanalyse zu knacken?
• Extra: Wenn Sie vorhaben, die Caesar-Chiffre für die regelmäßige Kommunikation zu verwenden, besteht ein Risiko darin, dass irgendwann jemand Ihren Schlüssel entdeckt. Sie können dies verhindern, indem Sie den Schlüssel ändern, z. B. jede Woche einen neuen verwenden. Dies ist ein ähnliches Konzept wie das regelmäßige Ändern Ihrer Computerkennwörter.
• Extra: Die Caesar-Chiffre ist nur eine Art von Ersatzchiffre. Schauen Sie sich einige andere Arten von Ersatzchiffren an und probieren Sie sie aus. Sind sie schwieriger oder einfacher zu bedienen und zu knacken?

Beobachtungen und Ergebnisse
Sobald Sie und Ihr Freund beide verstehen, wie man eine Caesar-Chiffre verwendet, sollte es relativ einfach sein, verschlüsselte Kommunikation miteinander zu senden. Dies kann eine unterhaltsame Möglichkeit sein, geheime Nachrichten zwischen Freunden hin und her zu leiten. Obwohl die Caesar-Chiffre eine großartige Einführung in die Kryptographie bietet, ist sie im Computerzeitalter keine sichere Möglichkeit mehr, verschlüsselte Kommunikationen elektronisch zu senden.

Mehr zu entdecken
Grundlagen der Kryptographie: Caesar Cipher, von Instructables
Cryptography, von Learn Cryptography
Password Hacker, von Scientific American
Science Aktivitäten für alle Altersgruppen!, von Science Buddies

Diese Aktivität wurde Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies