Kurs für Security Engineering und Kryptographie

Lektion 1 • Lebenszyklus der Sicherheitstechnik

Ordnet Sicherheitsaktivitäten jeder Phase des Softwareentwicklungslebenszyklus zu. Schafft den Prozesskontext für alle später vermittelten technischen Kontrollen.

Lektion 2 • Angreiferdenken und Gegnermodelle

Untersucht Motivationen, Fähigkeiten und Taktiken von Angreifern, um das defensive Design zu informieren. Entwickelt das Einfühlungsvermögen für gegnerisches Denken als zentrale technische Fähigkeit.

Lektion 3 • Grundlegende Sicherheitsprinzipien und -konzepte

Führt Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit und Nichtabstreitbarkeit als Designtreiber ein. Verbindet grundlegende Prinzipien mit jeder nachfolgenden technischen Entscheidung im Kurs.

Lektion 4 • Entwicklung von Sicherheitsanforderungen

Behandelt die Ermittlung, Dokumentation und Validierung von Sicherheitsanforderungen durch Stakeholder. Verknüpft Anforderungen mit überprüfbaren Kontrollen und Abnahmekriterien.

Lektion 1 • Wahrscheinlichkeits- und Informationstheorie

Lehrt Entropie, Zufälligkeit und probabilistische Sicherheitsdefinitionen. Untermauert Sicherheitsbeweise und Schlüsselraumanalyse in strengen informationstheoretischen Begriffen.

Lektion 2 • Berechnungskomplexität für Kryptographie

Erklärt Härteannahmen und Komplexitätsklassen, die kryptographische Sicherheit rechtfertigen. Befähigt die Studierenden zu bewerten, ob die Sicherheit eines Verfahrens fundiert ist.

Lektion 3 • Modulare Arithmetik und Zahlentheorie

Behandelt modulare Operationen, Kongruenzen und Eigenschaften von Primzahlen, die für die Kryptographie wesentlich sind. Stellt das arithmetische Werkzeug für alle symmetrischen und asymmetrischen Algorithmen bereit.

Lektion 1 • Klassische und historische Chiffren

Untersucht Substitutions-, Transpositions- und Vigenère-Chiffren, um grundlegende Schwächen zu veranschaulichen. Motiviert moderne Designanforderungen durch historische Kryptoanalyse.

Lektion 2 • Blockchiffre-Design und AES

Untersucht Substitutions-Permutations-Netzwerke, Feistel-Strukturen und AES-Interna. Vermittelt das strukturelle Wissen, das zur Bewertung der Sicherheit von Blockchiffren benötigt wird.

Lektion 3 • Authentifizierte Verschlüsselungsverfahren

Integriert Vertraulichkeit und Integrität in kombinierte AEAD-Konstruktionen wie AES-GCM und ChaCha20-Poly1305. Stellt die Verbindung zum sicheren Protokolldesign in späteren Kapiteln her.

Lektion 4 • Betriebsmodi

Behandelt ECB, CBC, CTR, GCM und andere Modi mit ihren Sicherheitseigenschaften und Fehlerfällen. Ermöglicht die korrekte Modusauswahl für spezifische Vertraulichkeits- und Integritätsanforderungen.

Lektion 1 • RSA-Kryptosystem

Leitet RSA aus der Härte der Ganzzahlfaktorisierung ab und behandelt Schlüsselerzeugung, Verschlüsselung und Signierung. Hebt Padding-Anforderungen und häufige Implementierungsfallen hervor.

Lektion 2 • Digitale Signaturen und Nichtabstreitbarkeit

Formalisiert Sicherheitsmodelle für Signaturen und behandelt DSA, EdDSA und blinde Signaturen. Verbindet Signaturverfahren mit Identitäts- und Nichtabstreitbarkeitsanforderungen.

Lektion 3 • Schlüsselkapselung und hybride Verschlüsselung

Kombiniert asymmetrischen Schlüsseltransport mit symmetrischer Verschlüsselung für praktischen Datenschutz. Bereitet die Studierenden darauf vor, hybride Systeme zu entwerfen, die in TLS und sicherer Nachrichtenübermittlung verwendet werden.

Lektion 4 • Elliptische-Kurven-Kryptographie

Behandelt elliptische Kurvengruppen, ECDH und ECDSA mit Schwerpunkt auf Kurvenauswahl und Sicherheit. Demonstriert die Effizienzvorteile gegenüber RSA bei gleichwertigen Sicherheitsniveaus.

Lektion 1 • SHA-Familie und moderne Hash-Algorithmen

Behandelt SHA-1-Schwächen, SHA-2-Interna und das Sponge-Design von SHA-3. Leitet die Algorithmenauswahl basierend auf Sicherheitsanforderungen und Leistungsbeschränkungen an.

Lektion 2 • Passwort-Hashing und Schlüsselableitung

Behandelt bcrypt, scrypt, Argon2 und PBKDF2 für die Passwortspeicherung und Schlüsselstreckung. Adressiert Speicherhärte und Parallelisierungsresistenz gegen Offline-Angriffe.

Lektion 3 • Eigenschaften und Design von Hash-Funktionen

Definiert Urbild-, Zweiturbild- und Kollisionsresistenz mit formalen Sicherheitsmodellen. Legt die Eigenschaften fest, von denen alle nachfolgenden Hash-Anwendungen abhängen.

Lektion 4 • Commitment-Verfahren und Zero-Knowledge-Grundlagen

Führt Hash-basierte Commitments und die Intuition hinter Zero-Knowledge-Beweisen ein. Verbindet diese Primitive mit dem datenschutzfreundlichen Protokolldesign in späteren Kapiteln.

Lektion 1 • Management des Zertifikatslebenszyklus

Lehrt Ausstellungs-, Erneuerungs-, Widerrufs- und Ablauf-Workflows für operative PKI. Verbindet Lebenszykluslücken mit realen Ausfällen und Sicherheitsvorfällen.

Lektion 2 • X.509-Zertifikate und Zertifizierungsstellen

Behandelt Zertifikatsstruktur, -erweiterungen und CA-Hierarchiedesign für die Vertrauensbildung. Bietet das strukturelle Wissen, das für alle PKI-Bereitstellungsentscheidungen erforderlich ist.

Lektion 3 • Schlüsselvereinbarungsprotokolle und -rotation

Behandelt den TLS-1.3-Schlüsselplan, das Double-Ratchet-Verfahren des Signal-Protokolls und automatisierte Schlüsselrotationsstrategien. Bereitet die Studierenden darauf vor, Forward-Secret- und Break-in-Recovery-Schlüsselmanagement zu implementieren.

Lektion 4 • Vertrauensmodelle und Web of Trust

Vergleicht hierarchische PKI, Web of Trust und DANE-Vertrauensmodelle mit ihren Sicherheitsabwägungen. Ermöglicht fundierte Entscheidungen zur Vertrauensarchitektur für verschiedene Einsatz-Kontexte.

Lektion 1 • Sicherheitsziele von Protokollen und Bedrohungsmodelle

Definiert Authentifizierungs-, Geheimhaltungs- und Integritätsziele innerhalb des Dolev-Yao-Gegnermodells. Rahmt alle nachfolgenden Protokollanalysen in einen konsistenten formalen Bedrohungskontext ein.

Lektion 2 • Häufige Protokollangriffe

Untersucht Wiedergabe-, Reflexions-, Man-in-the-Middle- und Downgrade-Angriffe mit konkreten Beispielen. Entwickelt die Fähigkeit zur gegnerischen Analyse, die zur Härtung von Protokollimplementierungen benötigt wird.

Lektion 3 • TLS und sichere Transportprotokolle

Analysiert eingehend den TLS-1.3-Handshake, die Aufzeichnungsschicht und Downgrade-Schutzmaßnahmen. Verbindet Protokoll-Interna mit den in früheren Kapiteln behandelten kryptographischen Primitiven.

Lektion 4 • Formale Methoden zur Protokollverifikation

Führt ProVerif, Tamarin und BAN-Logik für automatisierte Korrektheitsbeweise von Protokollen ein. Demonstriert, wie formale Werkzeuge Schwachstellen aufdecken, die bei manueller Analyse übersehen werden.

Lektion 1 • Schwachstellen in kryptographischen Implementierungen

Behandelt Timing-Seitenkanäle, Padding-Oracle-Angriffe und Fehlerinjektion in kryptographischem Code. Verbindet Implementierungsfehler mit den theoretischen Primitiven, die in früheren Kapiteln studiert wurden.

Lektion 2 • Entwurf und Missbrauch kryptographischer API

Analysiert häufige API-Designfehler, die zu Missbrauch führen, einschließlich Schlüsselverwechslung und Nonce-Offenlegung. Leitet die Studierenden beim Entwurf von APIs an, die schwer falsch zu verwenden sind.

Lektion 3 • Techniken der Seitenkanalanalyse

Lehrt Leistungsanalyse, elektromagnetische Analyse und akustische Seitenkanäle gegen Hardware. Bereitet die Studierenden darauf vor, die physische Sicherheit kryptographischer Geräte zu bewerten.

Lektion 4 • Kryptographische Agilität und Migration

Lehrt Algorithmenaushandlung, Abkündigungsplanung und Migrationsstrategien für alternde kryptographische Systeme. Bereitet die Studierenden darauf vor, langlebige Systeme durch Algorithmentransitionen zu verwalten.