Die AES-Verschlüsselung (Advanced Encryption Standard) ist der aktuelle kryptografische Standard, den die US-Regierung zum Schutz sensibler Daten einsetzt und fördert. Sie kommt breit in der Cybersicherheit zum Einsatz, schützt IT-Infrastrukturen und sichert die Kommunikation ab.
Dieser Leitfaden erklärt, was AES-Verschlüsselung ist, wie sie funktioniert und wo sie eingesetzt wird. Außerdem zeigt er, welche Bedeutung sie für die Cybersicherheit und den Schutz wertvoller Daten hat.
Einführung in die Verschlüsselung
Verschlüsselung verwürfelt Daten so, dass nur die vorgesehenen Empfänger:innen sie lesen können, also diejenigen, die über die nötigen Informationen zum Entschlüsseln verfügen. Verschlüsselung gibt es seit Jahrtausenden: von den Chiffren der Antike bis zu mechanischen Verschlüsselungsgeräten wie Enigma und TypeX im frühen 20. Jahrhundert. Stets gab es sowohl die Notwendigkeit als auch die Mittel, Kommunikation so zu kodieren, dass Dritte sie nicht mitlesen können.
Verschlüsselung ist für die Cybersicherheit und den alltäglichen Betrieb von praktisch allem in der modernen Welt unverzichtbar. Da das Internet ein öffentliches Netzwerk ist, dessen Infrastruktur verschiedenen Akteuren in unterschiedlichen Ländern gehört, ist unverschlüsselter Datenverkehr darin nicht privat.
Verschlüsselung macht Aufgaben sicher, die Vertraulichkeit erfordern, etwa Online-Banking. Sie schützt außerdem Ihre Kommunikation sowie die Dateien auf Ihren Geräten, falls diese gestohlen werden.
Was ist AES-Verschlüsselung (Advanced Encryption Standard)?
Die AES-Spezifikation für die Datenverschlüsselung wurde 2001 vom National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelt, der US-Behörde, die für Technologiestandards und die Förderung von Innovation zuständig ist.
AES wurde als schnellerer und sichererer Ersatz für den Digital Encryption Standard (DES) konzipiert, einen damals weit verbreiteten kryptografischen Algorithmus, der unsicher geworden war. Triple DES löste zwar einige der Sicherheitsprobleme, indem es den DES-Verschlüsselungsprozess dreimal wiederholte, doch dieses langsame und ressourcenintensive Verfahren war ein Grund für die Entwicklung von AES.
AES ist eine Variante der Rijndael-Chiffre und wird manchmal auch so bezeichnet. Benannt ist sie nach Vincent Rijmen und Joan Daemen, den belgischen Kryptografen, die den Verschlüsselungsalgorithmus beim NIST einreichten.
Da AES ein Standard beziehungsweise eine Spezifikation ist, liegt die Umsetzung bei anderer Software. AES selbst ist kein Softwareprodukt.
So funktioniert die AES-Verschlüsselung
AES ist eine Blockchiffre. Sie nutzt ein Substitutions-Permutations-Netzwerk, das Daten in Blöcken fester Größe verarbeitet und sie wiederholt ersetzt und umordnet, um den Chiffretext, also die verschlüsselten Daten, zu erzeugen.
Zum Ver- und Entschlüsseln von Daten werden Schlüssel verwendet. Die Schlüssellänge, also die Anzahl der Bits im Schlüssel, bestimmt, wie sicher die Verschlüsselung ist. AES unterstützt Schlüssel mit 128 Bit, 192 Bit und 256 Bit. 256-Bit-Schlüssel bieten die höchste Sicherheit und werden von Geheimdiensten zum Schutz ihrer Geheimnisse eingesetzt, während 192-Bit- und 128-Bit-AES-Verschlüsselung etwa im Bankwesen und beim sicheren Surfen im Web zum Einsatz kommen.
AES ist eine Form der symmetrischen Verschlüsselung, im Gegensatz zur asymmetrischen Verschlüsselung. Das bedeutet, dass derselbe Schlüssel sowohl zum Verschlüsseln als auch zum Entschlüsseln der Daten dient.
Ein kurzes Video erklärt AES im Schnelldurchlauf: „Was ist AES-Verschlüsselung: Der Advanced Encryption Standard erklärt“.
Die Schritte beim Ver- und Entschlüsseln
Daten werden nach dem AES-Standard in diesen Schritten verschlüsselt:
- Aus dem ursprünglichen Chiffrierschlüssel, meist einem von den Benutzer:innen vergebenen Passwort, wird eine Reihe von „Rundenschlüsseln“ erzeugt. Sie kommen in jeder Verschlüsselungsrunde zum Einsatz.
- Der Verschlüsselungsvorgang beginnt damit, dass der Chiffrierschlüssel über eine XOR-Operation mit den zu verschlüsselnden Daten kombiniert wird.
- Der Verschlüsselungsalgorithmus verwürfelt die Daten in weiteren „Runden“ mithilfe des Substitutions-Permutations-Netzwerks. Dieser Schritt wiederholt sich jeweils auf dem Ergebnis der vorherigen Runde, abhängig von der Schlüssellänge: zehnmal bei 128-Bit-Verschlüsselung, zwölfmal bei 192-Bit-Verschlüsselung und 14-mal bei 256-Bit-AES-Verschlüsselung.
- Eine abschließende Verschlüsselungsrunde mit dem „finalen Rundenschlüssel“ erzeugt die fertig verschlüsselte Nachricht.
Daten werden nach dem AES-Standard in diesen Schritten entschlüsselt:
- Um die Verwürfelung rückgängig zu machen, wird zunächst eine XOR-Operation mit den verschlüsselten Daten und dem finalen Rundenschlüssel aus dem Verschlüsselungsvorgang durchgeführt.
- Die Verschlüsselungs-„Runden“ werden einzeln in umgekehrter Reihenfolge rückgängig gemacht.
- Die letzte Entschlüsselungsrunde entschlüsselt die Daten mit dem ursprünglichen Chiffrierschlüssel und gibt so die Originaldaten zurück.
Anwendungsbereiche der AES-Verschlüsselung
Der AES-Verschlüsselungsstandard ist in der Cybersicherheit weit verbreitet, unter anderem bei der Datenverschlüsselung und bei Technologien für sichere Kommunikation.
- Dateiverschlüsselung: Verschlüsselungssoftware wie BitLocker und FileVault nutzt AES, um Ihre Dateien und Laufwerke zu verschlüsseln. Auch Cloud-Speicherdienste wie Dropbox sichern Ihre hochgeladenen Daten mit AES ab.
- Geräteverschlüsselung: Android und iOS (iPhones und iPads) setzen AES für die Sicherheit mobiler Geräte ein und verhindern so, dass auf verlorene oder gestohlene Geräte zugegriffen werden kann.
- Funkverschlüsselung: Die WLAN-Sicherheitsprotokolle WPA2 und WPA3 verschlüsseln mit AES.
- Sichere Kommunikation: Sichere Messaging-Apps wie Signal und WhatsApp verschlüsseln Nachrichten mit AES für eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.
- Virtual Private Networks (VPNs): VPN-Lösungen, die entfernte Netzwerke sicher über das Internet verbinden, verschlüsseln ihren Datenverkehr nach dem AES-Standard. Dazu zählen auch verbreitete Produkte, die OpenVPN nutzen.
AES spielt außerdem eine wichtige Rolle bei der Compliance mit Datenschutzgesetzen: Die europäische Datenschutz-Grundverordnung, der kalifornische CCPA und die HIPAA-Vorgaben für Gesundheitsdienstleister in den USA verlangen allesamt, dass Sie bestimmte Schutzstandards für sensible Kundendaten einhalten, einschließlich personenbezogener Daten (PII).
Implementierung
Solange Sie keine eigene Verschlüsselungsbibliothek entwickeln, müssen Sie den AES-Verschlüsselungsstandard nicht selbst programmieren. Wenn Sie sichere Produkte für Kommunikation und Dateispeicherung suchen, genügt es, solche auszuwählen, die AES umsetzen. AES lässt sich in Software oder in Hardware implementieren: Moderne CPUs enthalten zum Beispiel spezielle Befehlssätze, die die AES-Verschlüsselung beschleunigen.
Wenn Sie Software entwickeln, stehen Ihnen etablierte Bibliotheken zur Verfügung, die AES-Verschlüsselung für Ihre Anwendungen bieten:
- Python: PyCryptodome
- JavaScript: crypto-js
- C++: Crypto++
- Java: javax.crypto
- C#: System.Security.Cryptography
Bei sicherheitsrelevantem Code, also auch bei Verschlüsselung und Authentifizierung, ist es immer besser, sich nach Möglichkeit auf renommierte Bibliotheken zu verlassen, statt selbst sicheren Code schreiben zu wollen. Eine große Entwickler:innen-Community, die ein Projekt verbessert und testet, entdeckt Fehler und Sicherheitsschwachstellen mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit und veröffentlicht Patches für gefundene Probleme.
Wenn Sie Software entwickeln, die AES-Algorithmen nutzt, sollten Sie die Best Practices einhalten: Erzeugen Sie starke Schlüssel aus Zufallsdaten und rotieren Sie diese regelmäßig. Schreiben Sie AES-Schlüssel niemals fest in den Quellcode Ihrer Software und speichern Sie sie stets getrennt von den verschlüsselten Daten. Achten Sie außerdem darauf, dass Schlüssel bei der Übertragung über ein Netzwerk sicher übermittelt und vernichtet werden, sobald sie nicht mehr benötigt werden.
Herausforderungen und Grenzen
AES ist derzeit sicher, muss es in Zukunft aber nicht bleiben. Es ist möglich, wenn auch höchst unwahrscheinlich, solange keine Schwäche im Algorithmus gefunden wird und insbesondere bei 256-Bit-AES-Verschlüsselung, dass die heutigen AES-Algorithmen irgendwann mit Quantencomputern gebrochen werden. Dann wären auf einen Schlag große Mengen verschlüsselter Daten lesbar, die als sicher galten und möglicherweise bereits online abgeflossen sind. Angesichts der Stärke des AES-Algorithmus ist die Wahrscheinlichkeit dafür jedoch wirklich sehr gering.
Das Ver- und Entschlüsseln von Daten mit AES verursacht zwar einen gewissen Performance-Overhead in Anwendungen, und die Schlüsselverwaltung kann komplex sein. Sicherheit ist den geringen Leistungsverlust und den zusätzlichen Aufwand bei der Implementierung aber immer wert.
Die Zukunft der AES-Verschlüsselung
AES wird uns erhalten bleiben und dürfte noch viele Jahre sicher sein. Dennoch ist es wichtig, dass sich Sicherheitsstandards weiterentwickeln, um neuen Anforderungen gerecht zu werden.
Die AES-Verschlüsselung wird sich neuen Sicherheitsherausforderungen stellen müssen, darunter dem Quantencomputing und der Kompatibilität mit neuen Technologien. Fortschritte bei der Hardware werden die AES-Performance weiter verbessern und die Verbreitung in stromsparenden Anwendungsfällen wie Geräten im Internet der Dinge (IoT) fördern.
IT-Kommunikation gegen Cyberbedrohungen absichern
Es ist entscheidend, dass Ihre gesamte Netzwerkkommunikation gegen Mitlesen geschützt ist und Ihre Unternehmensinfrastruktur angemessen gegen Eindringlinge abgesichert wird. Wenn Sie Software entwickeln, müssen Sie robuste Verschlüsselung und Sicherheitsmaßnahmen umsetzen, damit sie nicht als Angriffsvektor gegen Ihre Benutzer:innen dient.
Die AES-Verschlüsselung ist der Standard für den Schutz von Daten und Kommunikation. Produkte einzusetzen, die sie umsetzen, ist ein wichtiger Baustein, um Datenschutzvorgaben einzuhalten und Ihre Benutzer:innen, Ihre Infrastruktur und den Ruf Ihres Unternehmens zu schützen.
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