Symmetrische Verschlüsselung
Block I (45 Minuten)
Einstieg
Ash steht kurz vor einem wichtigen Turnier und möchte sein Team verstärken, indem er ein starkes Pokemon von Professor Eich erhält. Da er jedoch nur sechs Pokemon bei sich tragen darf, muss er eines an den Professor zurückschicken, bevor er ein neues empfangen kann. Um den Austausch sicher zu machen, verwendet Ash die Verschlüsselungstechnologie, um sein Pokemon sicher über den Computer zu übertragen.
Erarbeitung - Rollenspiel
Verschlüsselung in der Welt der Pokemon
Erklärung
Die Schüler, die eine Figur darstellen, lesen bitte die Dialoge ihrer jeweiligen Rolle vor und spielen die dazugehörigen Szenen.
Der Erzähler gibt zwischendurch Regieanweisungen, die dann von den Figuren direkt ausgeführt werden.
Achtet darauf, die Dialoge lebendig vorzutragen und die Aktionen entsprechend der Anweisungen umzusetzen.
Charaktere
- Erzähler: Er führt durch die Geschichte und erklärt den Ablauf.
- Ash: Der Pokemon-Trainer, der ein Pokemon an Professor Eich senden und eines von ihm empfangen möchte.
- Professor Eich: Der Empfänger des Pokemon und derjenige, der ein anderes Pokemon an Ash zurücksendet.
- Jesse: Ein Mitglied von Team Rocket, das versucht, das Datenpaket abzufangen.
- James: Ebenfalls von Team Rocket, er versucht ebenfalls, das Datenpaket zu stehlen.
- Officer Rocky: Die Polizistin.
- Schlüsselmacher: Er fertigt Schlüssel an.
- Der Computer: Der „Übermittler“ des Datenpakets zwischen Ash und Professor Eich.
Übersicht über die Rollen
Requisiten
- Pokemon für Ash und Professor Eich.
- Vorhängeschlösser: Diese symbolisieren die öffentlichen Schlüssel. Ash und Professor Eich bekommen je ein Schloss vom Schlüsselmacher.
- Schlüssel: Diese symbolisieren die privaten Schlüssel. Der Schlüsselmacher gibt Ash und Professor Eich ihre Schlüssel.
- Kleine Boxen oder Behälter: Diese stellen die Datenpakete dar, in denen die Pokemon verschickt werden.
- Symbolische Handschellen für Officer Rocky.
Geschichte
Erzähler:
Es war ein aufregender Tag für Ash. Vor dem großen Turnier wollte er seine Pokemon so stark wie möglich machen. Da er nur sechs Pokemon bei sich tragen durfte, musste er eines seiner Pokemon an Professor Eich schicken und dafür ein anderes erhalten. Doch in der modernen Welt von Pokemon war das nicht so einfach. Er musste den Computer und die Kunst der Verschlüsselung nutzen, um sein Pokemon sicher zu übertragen.
Ash (freudig):
„Ich will mein Pokemon tauschen, aber ich muss sicherstellen, dass niemand mein Datenpaket abfängt und das Pokemon stiehlt.“
Erzähler:
Zum Glück hatte Ash vorgesorgt. Er ging zum Schlüsselmacher und erhielt eine Reihe von Vorhängeschlössern und dazu einen einzigen privaten Schlüssel, den nur er und Professor Eich besaßen.
Schlüsselmacher (überreicht die Gegenstände):
„Hier, Ash! Diese Schlösser kannst du verwenden, um deinen Tausch zu sichern. Der Professor und du habt den passenden Schlüssel, um das Paket wieder zu öffnen.“
Regieanweisung (Erzähler):
- Ash erhält ein Schloss und einen Schlüssel
- Der Professor erhält einen Schlüssel
Erzähler:
Ash nahm eines seiner Pokemon aus seinem Team und legte es in das virtuelle Datenpaket. Er befestigte ein Vorhängeschloss an dem Paket, um es zu verschlüsseln.
Ash (verschließt das Paket):
„So, jetzt kann niemand das Paket öffnen – außer Professor Eich.“
Erzähler:
Ash übergab das verschlossene Datenpaket an den Computer, der die sichere Übertragung zum Professor organisierte.
Computer:
„Verbindung wird hergestellt... Datenpaket wird gesendet...“
Computer: hält das Paket und beginnt symbolisch mit der „Übertragung“.
Erzähler:
Doch der Übertragungsweg war gefährlich. Jesse und James, die berüchtigten Mitglieder von Team Rocket, lauerten in der Dunkelheit. Als das Datenpaket seinen Weg nahm, versuchten sie, es zu stehlen.
James (fängt das Paket ab):
„Ha! Ich habe es! Jetzt gehört das Pokemon Team Rocket!“
James: "fängt" symbolisch das Paket ab, indem er es vom Computer nimmt und so tut, als wolle er es öffnen.
Erzähler:
Doch als James versuchte, das Paket zu öffnen, stieß er auf das Schloss.
James (verzweifelt, schüttelt das Paket):
„Was ist das? Ich habe keinen Schlüssel! Verdammt!“
James: versucht, das Vorhängeschloss zu öffnen, aber kann es nicht.
Erzähler:
James konnte das Paket nicht öffnen und der Computer schnappte es sich sofort zurück, bevor Jesse ihren Versuch starten konnte.
Jesse:
„Ich habe einen Schlüssel! Vielleicht passt er!“
Jesse: fängt das Paket ab und versucht es zu öffnen, jedoch ohne Erfolg.
Erzähler:
Doch auch Jesses Schlüssel war nutzlos. Der Computer beschleunigte die Übertragung, und schließlich kam das Paket sicher bei Professor Eich an.
Computer: übergibt das Paket an Professor Eich.
Professor Eich (nimmt den Schlüssel):
„Ah, das ist das Paket von Ash. Ich werde es jetzt öffnen.“
Professor Eich: öffnet das Paket mit dem privaten Schlüssel und nimmt die Pokemon-Karte heraus.
Professor Eich:
„________________ ist angekommen! Ich werde nun eines meiner Pokemon an Ash zurückschicken.“
Professor Eich: nimmt eine andere laminierte Pokemon-Karte und verschließt es wieder im Paket.
Erzähler:
Professor Eich legte ein anderes Pokemon in das Paket, verschloss es wieder und gab es dem Computer zur Rücksendung.
Computer:
„Verbindung wird hergestellt... Datenpaket wird gesendet...“
Professor Eich: übergibt das verschlossene Paket erneut an den Computer.
Jesse (wütend):
„Schon wieder dieses Schloss! Wie schaffen die das nur?“
Jesse: greift das Paket, scheitert erneut, es zu öffnen.
Erzähler:
Der Computer schnappte sich das Paket erneut und machte sich auf den Weg zu Ash. Doch James war nicht untätig gewesen. Er hatte sich in der Zwischenzeit einen Schlüssel vom Schlüsselmacher besorgt.
James:
“Hey Schlüsselmeister, ich brauche einen Schlüssel”.
James: geht zum Schlüsselmacher, bekommt einen Schlüssel, der zu dem Schloss passt.
Der Schlüsselmeister: gibt James einen Schlüssel.
James (grinsend, zeigt den neuen Schlüssel):
„Jetzt habe ich den Schlüssel! Das Pokemon gehört mir!“
Erzähler:
James gelang es tatsächlich, das Schloss zu öffnen, und er versuchte, mit dem Pokemon zu fliehen.
James: öffnet mit seinem Schlüssel das Paket.
James (stolz, hält das Pokemon hoch):
„Endlich! Jetzt gehört dieses ________________ Team Rocket!“
Erzähler:
Doch bevor James weit kommen konnte, tauchte Officer Rocky auf und schnappte ihn.
Officer Rocky (streng, hält James fest):
„Du bist verhaftet, James! Pokemon-Diebstahl ist ein ernstes Verbrechen!“
Officer Rocky: nimmt James fest.
Erzähler:
James wurde festgenommen und das Pokemon sicher zurückgebracht. Ash erhielt schließlich das Pokemon von Professor Eich.
Officer Rocky: Übergibt das Pokemon an Ash.
Ash (erleichtert):
„Zum Glück haben wir diese Schlösser und Schlüssel verwendet. So konnte mein Pokemon sicher reisen.“
Erzähler:
Und so lernte Ash, dass in der Welt der Verschlüsselung der richtige Schlüssel entscheidend ist, um Informationen sicher von einem Punkt zum anderen zu übertragen.
Fragen zum Rollenspiel
Grundlagen
Beschreibe den sicheren Übertragungsweg, den Ash genutzt hat.
Grundlagen
Erkläre die Rolle des Computers im Rollenspiel.
Grundlagen
Begründe, warum Jesse das Paket trotz Schlüssel nicht öffnen konnte.
Grundlagen
Erkläre, weshalb es James nicht möglich war, das Datenpaket zu öffnen, als er dieses abgefangen hatte.
Grundlagen
Beschreibe die Funktion des Vorhängeschlosses im Rollenspiel. Nenne Gründe, warum dieses in diesem Zusammenhang wichtig ist.
Transfer
Vergleiche das Verschlüsseln eines Datenpakets aus dem Rollenspiel mit dem sicheren Versenden einer Nachricht per WhatsApp.
Benenne Gemeinsamkeiten.
Transfer
Diskutiere Risiken, die dadurch entstehen, wenn sensible Daten nicht verschlüsselt übertragen oder gespeichert werden.
Transfer
Übertrage das Konzept der Verschlüsselung auf den Onlinebankverkehr. Begründe die Wichtigkeit der Sicherheit in diesem Sektor.
Ash hat das Pokemon in ein Datenpaket gelegt und das Paket mit einem Vorhängeschloss verschlüsselt, das nur Professor Eich mit dem passenden Schlüssel öffnen konnte.
James konnte das Paket nicht öffnen, weil er keinen Zugang zum passenden Schlüssel hatte.
Der Computer diente als Vermittler, der die Datenpakete sicher von Ash zu Professor Eich transportierte, ohne selbst auf den Inhalt zugreifen zu können.
Jesse hatte einen falschen Schlüssel, der nicht zu dem Vorhängeschloss passte, sodass sie das verschlüsselte Paket nicht öffnen konnte.
Das Vorhängeschloss, also die Verschlüsselung, schützte das Paket davor, dass unbefugte Personen, wie Jesse und James, den Inhalt stehlen konnten.
Mögliche Antwort: Beide Prozesse verwenden Verschlüsselung, damit nur der vorgesehene Empfänger die Nachricht oder das Paket entschlüsseln und lesen kann, während Dritte keinen Zugriff darauf haben.
Mögliche Antwort: Wenn Passwörter unverschlüsselt übertragen werden, können Hacker diese Daten leicht abfangen, was zu Identitätsdiebstahl oder Missbrauch von Konten führen kann.
Mögliche Antwort: Bei Online-Banktransaktionen sorgt die Verschlüsselung dafür, dass nur die Bank und der Kunde Zugriff auf vertrauliche Daten wie Kontoinformationen haben, um Betrug und Diebstahl zu verhindern.
Aufgabe 1: Übertrage die Merkkästen in dein Heft.
Definition: Verschlüsselung
Verschlüsselung ist der Prozess, bei dem Informationen (der Klartext) mithilfe eines Schlüssels so verändert werden, dass sie für Unbefugte unlesbar werden (Geheimtext).
Nur mit einem passenden Schlüssel kann der Empfänger den Geheimtext wieder entschlüsseln und im Klartext lesen.
Ergänzung: Symmetrische Verschlüsselung
Verfahren, bei denen derselbe Schlüssel sowohl zum Verschlüsseln als auch zum Entschlüsseln verwendet wird, nennt man symmetrische Verschlüsselung.
Beispiel für eine nicht symmetrische Verschlüsselung.
Jeder Teilnehmer kann die Vorrichtung mit einem persönlichen Schlüssel öffnen und so Zugang erhalten.
Block II (45 Minuten)
Aufgaben / Übung
Bildersprache-Verschlüsselung
Aufgabe 2: Ash möchte eine geheime Nachricht an Professor Eich senden. Er hat eine Bildersprache entwickelt, bei der jedes Bild für einen Buchstaben des Alphabets steht.
a) Nutze das folgende Bild-Alphabet, um den folgenden Satz zu verschlüsseln.
b) Benenne und beschreibe Schwierigkeiten, die auftreten könnten.
Zu verschlüsselnder Satz: „ASH BRAUCHT HILFE“
| (A) | (B) | (C) | (D) | (E) |
| (F) | (G) | (H) | (I) | (J) |
| (K) | (L) | (M) | (N) | (O) |
| (P) | (Q) | (R) | (S) | (T) |
| (U) | (V) | (W) | (X) | (Y) |
| (Z) |
Farb-Verschlüsselung
Aufgabe 3: Professor Eich möchte eine geheime Botschaft übermitteln, indem er Farben statt Buchstaben verwendet. Jedem Buchstaben des Alphabets wird eine bestimmte Farbe zugeordnet.
a) Verwende die folgende Farb-Codierung, um die Botschaft zu entschlüsseln
Zu entschlüsselnder Farbsatz:
- Braun, Schwarz, Silber, Lila, Orange
- Grau, Hellgrün, Gold,Gold, Dunkelgrün
| Rot (A) | Blau (B) | Gelb (C) | Grün (D) | Orange (E) |
| Lila (F) | Rosa (G) | Braun (H) | Schwarz (I) | Weiß (J) |
| Grau (K) | Silber (L) | Gold (M) | Dunkelblau (N) | Hellgrün (O) |
| Türkis (P) | Pink (Q) | Beige (R) | Bordeaux (S) | Dunkelgrün (T) |
| Dunkelrot (U) | Violett (V) | Hellblau (W) | Magenta (X) | Hellgrau (Y) |
| Cyan (Z) |
HILFE KOMMT
Aufgabe 4: Du wirst nun eine geheime Nachricht verschlüsseln, an eine Mitschülerin oder einen Mitschüler senden und die erhaltene Nachricht entschlüsseln. Anschließend berichtest du über deine Erfahrungen.
a) Nachricht verschlüsseln und versenden
- Wähle eine Nachricht (z. B. „Wir treffen uns um 15 Uhr“), die du verschlüsseln möchtest.
- Verschlüssele deine Nachricht mithilfe eines der beiden Verfahren Bildersprache-Verschlüsselung oder Farbcodierung.
- Sende deine verschlüsselte Nachricht entweder über die Chatfunktion in ItsLearning, mit dem E-Mail-Simulator „Minimehl“ oder auf dem Papier an einen Mitschüler oder eine Mitschülerin.
b) Nachricht entschlüsseln
- Erhalte die Nachricht deines Partners oder deiner Partnerin.
- Entschlüssele die Nachricht, indem du die Bilder oder Farben zurück in Buchstaben verwandelst.
- Schreibe die entschlüsselte Nachricht auf, um sicherzugehen, dass du die Botschaft korrekt verstanden hast.
c) Erfahrungen austauschen
- Berichte schriftlich über deine Erfahrungen beim Verschlüsseln. War es einfach oder schwierig? Welche Herausforderungen gab es?
- Beschreibe, wie das Entschlüsseln verlief. Wie leicht konntest du die Nachricht entziffern? Gab es Hindernisse?
- Vergleiche die beiden Verschlüsselungsverfahren (Bildersprache und Farbcodierung). Welche Methode empfandest du als einfacher? Was sind die Vor- und Nachteile beider Verfahren?
Ziel der Aufgabe:
Du sollst verstehen, wie Verschlüsselung und Entschlüsselung in der Praxis funktionieren, und deine Erfahrungen im Umgang mit den Verschlüsselungsmethoden reflektieren.
Bildersprache-Verschlüsselung
| (A) | (B) | (C) | (D) | (E) |
| (F) | (G) | (H) | (I) | (J) |
| (K) | (L) | (M) | (N) | (O) |
| (P) | (Q) | (R) | (S) | (T) |
| (U) | (V) | (W) | (X) | (Y) |
| (Z) |
Farbcodierung
| Rot (A) | Blau (B) | Gelb (C) | Grün (D) | Orange (E) |
| Lila (F) | Rosa (G) | Braun (H) | Schwarz (I) | Weiß (J) |
| Grau (K) | Silber (L) | Gold (M) | Dunkelblau (N) | Hellgrün (O) |
| Türkis (P) | Pink (Q) | Beige (R) | Bordeaux (S) | Dunkelgrün (T) |
| Dunkelrot (U) | Violett (V) | Hellblau (W) | Magenta (X) | Hellgrau (Y) |
| Cyan (Z) |
Aufgabe 5: Entschlüssle die nachfolgenden Geheimtexte.
Aufgabe 6: Entschlüssle die folgende Botschaft. Führe den Inhalt der Botschaft aus.
- Hellblau, Orange, Dunkelblau, Dunkelblau
- Grün, Dunkelrot
- Grün, Rot, Bordeaux
- Orange, Dunkelblau, Dunkelgrün, Bordeaux, Gelb, Braun, Silber, Dunkelrot, Orange, Bordeaux, Bordeaux, Orange, Silber, Dunkelgrün
- Braun, Rot, Bordeaux, Dunkelgrün, Komma
- Grün, Rot, Dunkelblau, Dunkelblau
- Bordeaux, Türkis, Schwarz, Orange, Silber
- Dunkelblau, Hellgrün, Gelb, Braun,
- Orange, Dunkelgrün, Hellblau, Rot, Bordeaux
Grafische Text-Verschlüsselung
Bild entschlüsseln
Entschlüsselter Text:
Jeder Buchstabe wird als ein roter Pixel gespeichert, wobei der Grün- und Blauwert dem ASCII-Code des Zeichens entspricht.
Das Bild sieht komplett rot aus – trägt aber unsichtbar den Text in den Farben.
Block III + IV (90 Minuten)
Aufgabe 7: Übertrage die Merkkästen in dein Heft.
Hinweis: Lasse jeweils etwas Platz unterhalb des Merkkastens für die Tabelle aus Aufgabe 9.
Substitutionsverfahren
Ein Substitutionsverfahren ist ein Verschlüsselungsverfahren, bei dem jedes Zeichen im Klartext durch ein anderes Zeichen ersetzt wird.
Die Klartextzeichen bleiben an ihren Positionen, aber sie werden gemäß einem bestimmten Muster oder Schlüssel ersetzt.
Klartext |
| Geheimtext |
|---|---|---|
|
|
Transpositionsverfahren
Ein Transpositionsverfahren ist ein Verschlüsselungsverfahren, bei dem die Positionen der Zeichen in einer Nachricht verändert werden, ohne die Zeichen selbst zu ändern.
Der Klartext wird umgeordnet, indem die Zeichen nach einem bestimmten Muster vertauscht werden.
Klartext |
| Geheimtext |
|---|---|---|
|
|
|
Aufgabe 8: Symmetrische Verschlüsselungsverfahren in Partner- oder Gruppenarbeit
Ziel der Aufgabe: In dieser Gruppenarbeit wirst du gemeinsam mit deinen Mitschülern ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren erarbeiten, es den anderen vorstellen und in einer praktischen Übung anwenden.
Gruppenbildung: Bildet Gruppen von 2-3 Schülern. Jede Gruppe bekommt ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren, das ihr gemeinsam verstehen und anwenden sollt.
Vortrag und Anwendungsteil:
- Stellt euer Verfahren der Klasse vor und erklärt Schritt für Schritt, wie es funktioniert.
- Im Anwendungsteil führt ihr das Verfahren zusammen mit der Klasse durch: Ein einfacher Text wird verschlüsselt und dann wieder entschlüsselt. Eure Mitschüler sollen aktiv mitmachen und den Prozess nachvollziehen.
- Gebt der Klasse kleine Aufgaben, damit sie das Verfahren selbst ausprobieren kann.
Inhalt: [15 Punkte]
- [2 Punkte] Kurze Einführung in das Verfahren (Hintergrund, Entstehung, historischer Kontext)
- [4 Punkte] Grundprinzip der Funktionsweise (auch mit vereinfachten Darstellungen oder Beispielen)
- [2 Punkte] Typisierung des Verfahrens: symmetrisch/asymmetrisch, klassisch/moderne Kryptographie etc.
- [2 Punkte] Stärken und Schwächen des Verfahrens (z. B. Sicherheit, Geschwindigkeit, Anfälligkeit)
- [2 Punkte] Einsatzgebiete: Wo/wie wird das Verfahren (bzw. wurde) in der Praxis genutzt?
- [3 Punkte] Vergleichsaspekt: Was unterscheidet dieses Verfahren von anderen?
Format: [6 Punkte]
- [2 Punkte] Klarheit: Klar strukturierte Folien (z. B. Gliederung, Zwischenüberschriften)
- [2 Punkte] Visualisierung: Visualisierungen, die beim Verständnis helfen (z. B. Diagramme, Ablaufbilder, Beispielverschlüsselung)
- [1 Punkt] Stichpunkte: Begrenzter Textumfang pro Folie (Stichpunkte statt Fließtext)
- [1 Punkt] Lesbarkeit: (Schriftgröße, Farbwahl, Kontrast)
Struktur: [9 Punkte]
- [3 Punkte] Sprache: Klare, verständliche Sprache – Zielgruppe sind Mitschüler*innen ohne Spezialwissen und Präsentation in eigenen Worten (nicht abgelesen)
- [1 Punkt] Zeit: ca. 5–7 Minuten [-1 Punkt für jede volle Minute Abweichung]
- [4 Punkte] Anwendungsaufgabe: anschließend eine selbst gewählte und vorbereitete Anwendungsaufgabe für die Zuhörer
- [1 Punkt] Rückfragen: Möglichkeit zur kurzen Rückfrage am Ende
Bonus: [3 Punkte]
- [1 Punkt] Besonders kreative Gestaltung
- [1 Punkt] Außergewöhnlich klarer Vergleich
- [1 Punkt] Eigene vertiefte Recherche (aktuelle Relevanz, Sicherheitsdiskussion, …)
Beispiel
Musterdatei
Aufgabe 9: Ordne den Kategorien Substitutionsverfahren und Transpositionsverfahren jeweils die Verschlüsselungsverfahren zu.
| Caesar-Verschlüsselung | Morsecode | Gartenzaun-Chiffre |
| Fleißner-Verschlüsselung | XOR-Verschlüsselung | Polybios-Chiffre |
| Atbash-Codierung | Vigenère-Verschlüselung |
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|