RC4
RC4, ARC4 oder Arcfour ist eine Stromverschlüsselung, die mit Standards wie HTTPS, SSH 1 und WEP bzw. WPA weite Verbreitung gefunden hat.
RC4 (Rivest Cipher 4) wurde 1987 von Ronald L. Rivest entwickelt und ist eine Marke von RSA Security. Der Algorithmus wurde vom Hersteller geheim gehalten (siehe Security by Obscurity), bis sein Quelltext im Jahr 1994 anonym auf einer Mailingliste veröffentlicht wurde.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Thank you Bob Anderson|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Thank you Bob Anderson}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://web.archive.org/web/20010722163902/http://cypherpunks.venona.com/date/1994/09/msg00304.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Thank you Bob Anderson}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20010722163902/http://cypherpunks.venona.com/date/1994/09/msg00304.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Thank you Bob Anderson}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Cypherphunks Mailingliste{{#if: 2025-01-01 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Im Februar 2015 wurde mit RFC 7465 der Einsatz von RC4 im Rahmen von TLS verboten, da es erhebliche Sicherheitsmängel aufweist.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Jürgen Schmidt|Jürgen Schmidt: }}{{#if:|{{#if:IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.heise.de/security/meldung/IETF-verbietet-RC4-Verschluesselung-in-TLS-2556520.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.heise.de/security/meldung/IETF-verbietet-RC4-Verschluesselung-in-TLS-2556520.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Heise Security2015-02-20{{#if: 2015-02-20 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Beschreibung
Eine Zufallsfolge wird aus einem nur einmalig zu verwendenden Schlüssel erzeugt. Der Klartext wird Bit für Bit per XOR mit der Zufallsfolge verknüpft, um die Daten zu verschlüsseln.
Der Zufallsgenerator verwendet eine sogenannte S-Box, eine zufällig gewählte Permutation oder Substitution der Zahlen 0 bis 255. Die S-Box wird in einem ersten Schritt aus dem geheimen Schlüssel berechnet und anschließend zur Berechnung der Zufallsfolge verwendet. Nach jedem Berechnungsschritt werden zwei Werte der S-Box vertauscht.
Die Sicherheit eines solchen Verfahrens ist nur gewährleistet, wenn sich die Zufallsfolge nicht wiederholt. Daher darf der Schlüssel bzw. das Passwort nur einmalig verwendet werden. Für die Besetzung der S-Box und die Werte zweier weiterer Variablen gibt es ca. 21684 Möglichkeiten, was einer Schlüssellänge von 210 (1684/8) Zeichen entsprechen würde. Nach dem Geburtstagsparadoxon ist zu erwarten, dass es Schlüssel mit einer Schlüssellänge von <math>\frac{\frac{1684}{2}}{8}\approx{105}</math> Zeichen gibt, die identische Permutationen der S-Box erzeugen. Es ist bekannt, dass zwei aneinander gehängte identische Texte bis zu 128 Bytes zur gleichen Permutation der S-Box führen wie der ursprüngliche Text. Damit gibt es auch sehr kurze Schlüssel, die zur gleichen Verschlüsselungsfolge führen.<ref name="fse2009matsui">Mitsuru Matsui: Key Collisions of the RC4 Stream Cipher. Fast Software Encryption, 2009. In: Lecture Notes. In: Computer Science, Nummer 5665, Springer Verlag, 2009, S. 38–50, Präsentation (PDF; 267 kB; englisch)</ref>
Der Algorithmus ist sehr einfach mit praktisch jeder Hard- und Software zu implementieren und sehr effizient berechenbar.
Im WEP wurde der einmalige Schlüssel durch einfaches Zusammensetzen eines festen geheimen Schlüssels und eines Session Key bestimmt. In diesem Fall ist es jedoch möglich, den festen geheimen Schlüssel abzuleiten. Falls der Schlüssel mit einer Hashfunktion quasi zufällig gewählt wird, kann der RC4 aber weiterhin als sicher betrachtet werden.
Bei Microsoft-Windows-Systemen, welche an eine NT-Domäne angebunden sind, wird das Anmeldepasswort, welches der Benutzer in der GINA-Oberfläche eingibt, nach vorangegangener Aushandlung eines Schlüssels per RC4-HMAC verschlüsselt und durch einen Kerberos-Frame an den Server übertragen. Die Aushandlung des Schlüssels findet während der Meldung „Netzwerkverbindungen werden vorbereitet“ statt.
Algorithmus
Kern des Verfahrens ist die sogenannte S-Box, eine zufällige Vertauschung oder Permutation des Standard-Alphabets (Byte-Werte 0–255). Mittels der S-Box wird eine Zufallsfolge erzeugt, die Bit für Bit durch Addition modulo 2, auch XOR-Verknüpfung genannt, mit dem Nachrichtenstrom verknüpft wird. Die S-Box wird zunächst als identische Abbildung vorbesetzt, so dass <math>S[i] = i</math> für i=0 bis 255 gilt.
Die initiale Belegung der S-Box kann mit dem folgenden Pseudo-Code beschrieben werden. Die S-Box wird dabei aus dem Schlüssel <math>k</math> der Länge <math>L</math> Byte berechnet: <syntaxhighlight lang="text">
k[]: gegebene Schlüssel-Zeichenfolge der Länge 5 bis 256 Byte L := Länge des Schlüssels in Byte s[]: Byte-Vektor der Länge 256 Für i = 0 bis 255 s[i] := i j := 0 Für i = 0 bis 255 j := (j + s[i] + k[i mod L]) mod 256 vertausche s[i] mit s[j]
</syntaxhighlight>
Die anschließende Berechnung der Zufallsfolge erfolgt analog: <syntaxhighlight lang="text">
klar[]: gegebene Klartext-Zeichenfolge der Länge X schl[]: Vektor zum Abspeichern des Schlüsseltextes i := 0 j := 0 Für n = 0 bis X-1 i := (i + 1) mod 256 j := (j + s[i]) mod 256 vertausche s[i] mit s[j] zufallszahl := s[(s[i] + s[j]) mod 256] schl[n] := zufallszahl XOR klar[n]
</syntaxhighlight>
Zum Entschlüsseln verwendet man den gleichen Algorithmus, wobei der Schlüsseltext anstelle des Klartextes eingegeben wird. Zwei XOR-Verknüpfungen mit derselben Zufallszahl heben sich gegenseitig auf, und als Ausgabe entsteht wieder der Klartext.
Sicherheit
Wie jede Stromchiffre bietet auch RC4 keinen Integritätsschutz. Wenn ein Angreifer ein Bit einer verschlüsselten Nachricht ändert, so ändert er damit auch das gleiche Bit des Klartextes.
Der erste praktische Angriff auf RC4 gelang Scott Fluhrer, Itsik Mantin und Adi Shamir im Jahr 2001.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> RSA Security empfahl daraufhin, die ersten 256 Bytes (eine Runde) des Schlüsselstroms zu verwerfen.<ref>{{#if:2011-09-29|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20110929141319/http://www.rsa.com/rsalabs/node.asp?id=2009%7C{{#if:RSA Security Response to Weaknesses in Key Scheduling Algorithm of RC4|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20110929141319/http://www.rsa.com/rsalabs/node.asp?id=2009}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=RSA Security Response to Weaknesses in Key Scheduling Algorithm of RC4}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.rsa.com/rsalabs/node.asp?id=2009%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C1}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=RSA Security Response to Weaknesses in Key Scheduling Algorithm of RC4}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.rsa.com/rsalabs/node.asp?id=2009}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=RSA Security Response to Weaknesses in Key Scheduling Algorithm of RC4}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:1RSA Securityhttps://web.archive.org/web/20110929141319/http://www.rsa.com/rsalabs/node.asp?id=2009{{#if: 2012-09-10 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Anfang 2013 wurde ein neues Angriffsszenario von AlFardan, Bernstein, Paterson, Poettering und Schuldt vorgeschlagen, das statistische Auffälligkeiten im von RC4 erzeugten Datenstrom nutzt,<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> um eine Nachricht zu entziffern, die über mehrere RC4-verschlüsselte TLS-Verbindungen übertragen wird.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Matthew Green|Matthew Green: }}{{#if:|{{#if:Attack of the week: RC4 is kind of broken in TLS|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Attack of the week: RC4 is kind of broken in TLS}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://blog.cryptographyengineering.com/2013/03/attack-of-week-rc4-is-kind-of-broken-in.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Attack of the week: RC4 is kind of broken in TLS}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://blog.cryptographyengineering.com/2013/03/attack-of-week-rc4-is-kind-of-broken-in.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Attack of the week: RC4 is kind of broken in TLS}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Cryptography Engineering{{#if: 2013-03-12 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Jacob Appelbaum ist der Ansicht, dass die NSA die RC4-Verschlüsselung in Echtzeit brechen könne. Bruce Schneier bezeichnete dies als eine plausible Vermutung.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:NSA entschlüsselt Webserver-Daten angeblich in Echtzeit|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=NSA entschlüsselt Webserver-Daten angeblich in Echtzeit}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.heise.de/security/meldung/NSA-entschluesselt-Webserver-Daten-angeblich-in-Echtzeit-2041383.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=NSA entschlüsselt Webserver-Daten angeblich in Echtzeit}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.heise.de/security/meldung/NSA-entschluesselt-Webserver-Daten-angeblich-in-Echtzeit-2041383.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=NSA entschlüsselt Webserver-Daten angeblich in Echtzeit}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Heise Security{{#if: 2013-11-07 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Die Europäische Agentur für Netz- und Informationssicherheit empfiehlt, RC4 durch Rabbit oder Snow 3G zu ersetzen.<ref>{{#if:Vorlage:Cite book/URL|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:{{#if:
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Die Internet Engineering Task Force verbietet mit dem RFC 7465 seit Februar 2015 den Einsatz von RC4, da in der Praxis die Zahl der Versuche, die zum Brechen der Verschlüsselung nötig wären, zu klein geworden wäre und sie keine ausreichend hohe Sicherheit für TLS-Sessions mehr bieten könne.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Jürgen Schmidt|Jürgen Schmidt: }}{{#if:|{{#if:IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.heise.de/security/meldung/IETF-verbietet-RC4-Verschluesselung-in-TLS-2556520.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.heise.de/security/meldung/IETF-verbietet-RC4-Verschluesselung-in-TLS-2556520.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=IETF verbietet RC4-Verschlüsselung in TLS}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Heise SecurityHeise online2015-02-20{{#if: 2015-07-08 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Spritz
Am 27. Oktober 2014 stellten Ronald L. Rivest und Jacob C. N. Schuldt eine verbesserte Variante von RC4 namens Spritz vor.<ref name="rs14">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Ronald L. Rivest, Jacob C. N. Schuldt|Ronald L. Rivest, Jacob C. N. Schuldt: }}{{#if:|{{#if:Spritz – a spongy RC4-like stream cipher and hash function|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Spritz – a spongy RC4-like stream cipher and hash function}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://people.csail.mit.edu/rivest/pubs/RS14.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Spritz – a spongy RC4-like stream cipher and hash function}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://people.csail.mit.edu/rivest/pubs/RS14.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Spritz – a spongy RC4-like stream cipher and hash function}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:2014-10-27{{#if: 2014-11-01 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Es folgt eine kurze Gegenüberstellung der Kernstücke von RC4 und SPRITZ.
RC4: <syntaxhighlight lang="text">
i = i + 1 j = j + S[i] SWAP(S[i],S[j]) z = S[S[i] + S[j]] Return z
</syntaxhighlight>
SPRITZ: <syntaxhighlight lang="text">
i = i + w j = k + S[j + S[i]] k = i + k + S[j] SWAP(S[i],S[j]) z = S[j + S[i + S[z + k]]] Return z
</syntaxhighlight>
Der Parameter w ist eine zu N teilerfremde Zahl, wobei N (meist 256) die Größe des Arrays S ist. Addiert wird immer modulo N. Nach N Iterationen hat i daher jeden Wert von 0 bis N-1 genau einmal angenommen. Jeder Wert in S wurde entsprechend mindestens einmal mit einer zufällig gewählten Position vertauscht.
Weblinks
- Überblick über Arbeiten bezüglich der Sicherheit von RC4 (englisch)
- Original-Post des damals noch geheimen RC4-Algorithmus im Usenet (englisch)
- Scott Fluhrer, Itsik Mantin, Adi Shamir: Weaknesses in the Key Scheduling Algorithm of RC4. (PDF; 297 kB) cs.cornell.edu (englisch).
- A Stream Cipher Encryption Algorithm “Arcfour”. Internet Engineering Task Force Network Working Group, 1997.
- Vorlage:RFC-Internet
- Online Demonstrator von RC4 in Excel (ohne Makros) von Tim Wambach
Einzelnachweise
<references responsive> <ref name="RFC7465"> Vorlage:RFC-Internet </ref> </references>
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