9.4: Wie bleiben Nachrichten vertraulich?
| Autoren: | |
| Publikation: | 4.10.2016 |
| Lernstufe: | 3 |
| Übersicht: | Die Schüler überlegen sich, wie man eine Nachricht vertraulich verschicken kann. Sie verwenden dazu die Caesar-Verschlüsselung (Verschiebung der Buchstaben im Alphabet). |
| Angestrebte Kenntnisse: |
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| Wortschatz: | Textverschlüsselung, chiffrieren |
| Dauer: | 1 Stunde 30 Minuten |
| Material: |
Für jeden Schüler:
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| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Ausgangssituation
Das Forscherteam im Außeneinsatz und die Basisstation müssen regelmäßig miteinander kommunizieren. Außerdem funkt die Basisstation ständig Nachrichten an die Erde. In beiden Fällen sollte sichergestellt sein, dass diese Nachrichten nicht von Spionen abgehört werden. Diese könnten das Team gefährden bzw. dessen Forschungsergebnisse stehlen. "Wie könnte man verhindern, dass Unbefugte die Nachrichten lesen können?".
Die Klasse diskutiert über das Thema Datenschutz. Sehr schnell tauchen Begriffe wie "Geheimsprache" und "verschlüsselte Sprache" auf. Im Gegensatz zu den vorherigen Unterrichtsstunden verwenden wir in dieser Unterrichtsstunde wieder den Begriff "verschlüsseln" (siehe die pädagogischen Anmerkung in der Unterrichtsstunde 9.2). In dieser Stunde soll ein Text verschlüsselt werden. Das heißt, dass er für unbefugte Leser unkenntlich gemacht werden soll: Nach einem geheimen Schlüssel (in dessen Besitz nur der Sender und der Empfänger sind) werden Buchstaben durch andere Buchstaben oder durch Zahlen ersetzt. Man benutzt für "verschlüsseln" in dem Zusammenhang auch den Begriff "chiffrieren". Synonyme für "entschlüsseln" sind "dechiffrieren" oder ganz einfach "entziffern".
Experimentieren: Die Nachricht der Planetenforscher entziffern (alle zusammen)
Die Lehrerin gibt jedem Schüler den verschlüsselten Satz aus dem Arbeitsblatt 44 (Sichere Kommunikation – Beispiel 1). Es ist eine Nachricht, die von den Forschern im Außeneinsatz an die Basisstation geschickt wurde. Die Schüler sollen diese Nachricht entziffern/entschlüsseln.
Pädagogische Anmerkungen
Um die Methode des Ver- und Entschlüsselns in den Vordergrund zu rücken (und nicht den Inhalt des ver- oder entschlüsselten Textes), werden weder Satzzeichen noch Groß- und Kleinschreibung berücksichtigt. Buchstaben mit Umlauten werden ersetzt: ä durch ae, ö durch oe und ü durch ue.
Die Schüler stellen relativ schnell fest, dass die Nachricht einfach nur rückwärts geschrieben wurde. Liest man sie von rechts nach links, lautet sie:
UNBEDINGT NACHRICHTEN VERSCHLUESSELN FREMDE EXPEDITION ENTDECKT
Die Klasse stellt auch fest, dass diese Verschlüsselung sehr leicht zu knacken war. Rückwärts schreiben ist also keine besonders sichere Verschlüsselung. Im Folgenden werden wir ein etwas komplizierteres (und eines der ältesten) Verschlüsselungsverfahren kennenlernen.
Experimentieren: Die Nachricht der Basisstation entziffern (alle zusammen)
Die Lehrerin verteilt das Arbeitsblatt 45 (Sichere Kommunikation – Beispiel 2). Auf die besorgniserregende Nachricht der Forscher antwortet die Basisstation:
QDFKULFKW HUKDOWHQ ZHUGHQ FDHVDU YHUVFKOXHVVHOXQJ YHUZHQGHQ
Diesmal ist die Nachricht nicht einfach rückwärts geschrieben worden, das ist sofort klar. Wenn die Schüler nicht genau wissen, wie sie beginnen sollen, kann die Lehrerin ihnen mit ein paar Fragen auf die Sprünge helfen.
- "Welches sind die kürzesten Worte?". Worte mit zwei Buchstaben sind zum Beispiel: in, im, an, am, um. Häufige Worte mit drei Buchstaben sind die Artikel: ein, das, die, der, den, dem.
- "Welcher Buchstabe kommt in einem auf Deutsch verfassten Text am häufigsten vor?". Das ist mit Abstand das E, gefolgt vom N. Der in dieser Nachricht am häufigsten vorkommende Buchstabe ist das H, sodass man vermuten kann, dass das H einem E entspricht. Der hier am zweithäufigsten vorkommende Buchstabe ist das Q. Das Q könnte also vielleicht einem N entsprechen.
- "Welche Buchstaben werden häufig als Doppelbuchstaben verwendet?". Es ist das Doppel-L (soll, wollen), Doppel-M (kommen), Doppel-N (kann), Doppel-S (muss, dass).
Die einfache Chiffriermethode dieser Nachricht nennt man Caesar-Verschlüsselung: Jeder Buchstabe des Alphabets wurde um drei Buchstaben verschoben. Dadurch wird das A zu D, das B zu E, das C zu F, das E (wie vermutet) zu H, das X zu A und das Z zu C. Bei der Caesar-Verschlüsselung handelt es sich um eine zyklische Permutation von Buchstaben. Die entschlüsselte Nachricht lautet:
NACHRICHT ERHALTEN WERDEN CAESAR VERSCHLUESSELUNG VERWENDEN
Wissenschaftliche Anmerkungen
- Die Caesar-Verschlüsselung geht auf Julius Caesar zurück, der vermutlich diese geheime Kommunikation zum Beispiel während des Gallischen Krieges einsetzte.
- Bei der Caesar-Verschlüsselung sind im Geheimtext alle Buchstaben um eine bestimmte Anzahl von Buchstaben verschoben. Diese Anzahl ist der Schlüssel der Caesar-Verschlüsselung. In unserem Beispiel ist der Schlüssel "+3":
- Mit dem Schlüssel "0" werden die Buchstaben nicht verschoben: Der "verschlüsselte" Text stimmt mit dem Originaltext überein. Mit dem Schlüssel "−3" werden die Buchstaben im Alphabet "nach links" verschoben: Das A wird zu X, das B zu Y usw. Das entspricht genau der Entschlüsselung unserer mit dem Schlüssel "+3" verschlüsselten Nachricht.
Experimentieren: Andere Verschlüsselungsmöglichkeiten (Gruppenarbeit)
Im dritten Teil dieser Unterrichtsstunde sollen die Schüler ihre bisher erworbenen Kenntnisse wieder einsetzen: "Um eure Nachrichten noch schwerer lesbar zu machen, sollt ihr jetzt die Caesar-Verschlüsselung verbessern". Zunächst üben sich die Gruppen im Ver- und Entschlüsseln kurzer Nachrichten. Anschließend schicken sie sich gegenseitig Nachrichten und versuchen die jeweilige Verschlüsselung zu knacken.
Wissenschaftliche Anmerkung
Es gibt zahlreiche Verschlüsselungsmethoden. Die Schüler werden wahrscheinlich zunächst einfach nur den Schlüssel der Caesar-Verschlüsselung ändern. Eine Variante der Caesar-Verschlüsselung besteht darin, den Schlüssel innerhalb einer Nachricht nach einem bestimmten Muster zu verändern. Man könnte zum Beispiel den ersten Buchstaben um +1 verschieben, den zweiten um +2, den dritten um +3 und so weiter. Es gibt unendlich viele Möglichkeiten. Die Schüler könnten auch darauf kommen, die Leerzeichen zu entfernen, was das Aufspüren von kurzen Wörtern unmöglich macht und dadurch die Entschlüsselung zusätzlich erschwert.
Gemeinsame Erörterung
Jede Gruppe stellt an der Tafel die Verschlüsselungsmethode vor, die sie sich ausgedacht hat. Die Klasse diskutiert anschließend darüber, welche Verschlüsselungsmethoden einfach und welche schwer zu knacken sind. Nach und nach entdecken die Schüler, dass es ganz unterschiedliche Verschlüsselungsstrategien gibt. Die Klasse kann sich eventuell auf eine gemeinsame Verschlüsselungsmethode einigen, einen Text damit verschlüsseln und diesen an die Nachbarklasse schicken. Damit können sie testen, wie gut ihre Verschlüsselung ist.
Zusammenfassung
Die Schüler fassen zusammen, was sie in dieser Unterrichtsstunde gelernt haben.
- Eine Nachricht verschlüsseln bedeutet, dass man sie so verändert, dass sie nur von der Person gelesen werden kann, für die sie gedacht ist.
- Die Caesar-Verschlüsselung ist einfach zu benutzen, aber auch leicht zu knacken.
Die Lehrerin vervollständigt den Abschnitt "Information" des Plakats "Was ist Informatik?".
Mögliche Erweiterung
Recherchearbeit über Alan Turing
Die Schüler können zum Beispiel Informationen über Alan Turing zusammenstellen. Der britische Mathematiker knackte im Zweiten Weltkrieg den Code der Chiffriermaschine Enigma, mit der das deutsche Militär seine Funknachrichten verschlüsselte. Alan Turing erfand schon 1936 ein später nach ihm benanntes prinzipielles Modell für Maschinen, die wie Computer arbeiten: die Turing-Maschine.
Verschiedene Chiffrier- und Dechiffriergeräte basteln
Die Schüler können selbst verschiedene Chiffrier- und Dechiffriergeräte basteln. Mit jedem Chriffriergerät kann man auch gleichzeitig dechiffrieren.
Abb. 1: Zylinder mit "Alphabetstreifen" (zum Vergrößern auf das Bild klicken)
Das Chiffriergerät in Abb. 1 besteht aus einem Zylinder aus Pappe (von einer Küchenrolle zum Beispiel) und schmalen Papierstreifen, auf die die Buchstaben des Alphabets von A bis Z gedruckt sind (der Abstand der Buchstaben muss so sein, dass das Alphabet ein Mal um den Zylinder "passt"). Die Enden eines Papierstreifens werden mit Klebeband aneinandergeheftet (das Z an das A), und zwar so, dass sich der zum Ring geformte Papierstreifen auf dem Zylinder gerade noch drehen lässt.
Möchte man mit dem Gerät eine Nachricht verschlüsseln, braucht man so viele Papierringe wie Buchstaben in der Nachricht sind. Die Schüler drehen die Ringe nun so, dass in einer Zeile die gewünschte Nachricht erscheint. In Abb. 1 ist es der Satz: "CHIFFRIEREN IST LUSTIG". Eine Zeile darunter steht dann zum Beispiel: "DIJGGSJFSFO JTU MVTUJH", was einer Caesar-Verschlüsselung mit dem Schlüssel "+1" entspricht.
Abb. 2: Nebeneinander angeordnete "Alphabetstreifen" mit Schieber
(zum Vergrößern auf das Bild klicken)
Das zweite Chiffriergerät besteht ebenfalls aus schmalen Papierstreifen, auf die diesmal zweimal hintereinander die Buchstaben des Alphabets von A bis Z gedruckt sind. Die Papierstreifen liegen paarweise flach auf dem Tisch. Die Streifen werden durch ein "Fenster" geschoben (in Abb. 2 gut zu erkennen). Nun verschiebt man die Papierstreifen so, dass die gewünschte Nachricht im Fenster erscheint (Beispiel in der Abbildung: "VENI VIDI VICI"). Anschließend verschiebt man das Fenster nach oben oder unten (auf keinen Fall die Papierstreifen verschieben!) und erhält die verschlüsselte Nachricht: Im Bild links "YHQL YLGL YLFL", was einer Caesar-Verschlüsselung mit dem Schlüssel "+3" entspricht.
Abb. 3: Chiffrierscheibe (Quelle: Wikimedia Commons, Public Domain)
Zum Basteln einer Chiffrierschreibe verteilt die Lehrerin das Arbeitsblatt 46 (Eine Chiffrierscheibe basteln). Die Schüler schneiden erst die beiden Scheiben aus und das kleine Fenster in der oberen Scheibe. Sie legen die Scheiben übereinander und befestigen sie mittig mit einer Musterklammer. Durch Drehen der oberen Scheibe kann man ganz schnell jeden beliebigen Buchstaben chiffrieren und dechiffrieren.
Letzte Aktualisierung: 17.1.2017
