Verschlüsseln heißt: Eine Nachricht so verändern, dass nur Berechtigte sie lesen können. Gründe sind der Schutz privater Daten, von Passwörtern und Bankgeschäften und von Geheimnissen vor Mitlesern. Die lesbare Nachricht heißt Klartext. Du verschlüsselst sie zum Geheimtext und entschlüsselst sie wieder.

Ein Verfahren besteht aus einer Vorschrift (einem Algorithmus) und einem Schlüssel. Der Schlüssel ist ein Wert, den nur Sender und Empfänger kennen, und er bestimmt, wie genau verschlüsselt wird. Benutzen beide denselben Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln, heißt das Verfahren symmetrisch. Man nimmt an, dass ein Angreifer das Verfahren kennt. Geheim bleibt nur der Schlüssel. Verschlüsseln ist etwas anderes als Codieren: Ein Code wie ASCII ist öffentlich, jeder kann ihn decodieren. Beim Verschlüsseln fehlt dem Mitleser der Schlüssel.

Es gibt zwei Grundideen:

• Bei der Substitution ersetzt du Zeichen durch andere. Die Stellen bleiben, die Zeichen ändern sich.
• Bei der Transposition vertauschst du die Stellen der Zeichen. Die Zeichen bleiben, ihre Reihenfolge ändert sich.

Die Cäsar-Verschlüsselung ist eine Substitution mit fester Verschiebung. Jeder Buchstabe wird durch den Buchstaben ersetzt, der um k Stellen weiter im Alphabet steht. Die Zahl k ist der Schlüssel. Nach Z geht es bei A weiter, du denkst dir das Alphabet als Kreis. Sinnvoll sind Schlüssel von 1 bis 25, denn bei 0 und bei 26 bliebe der Text gleich. Beispiel mit k = 3:

Aus HALLO wird KDOOR. Zum Entschlüsseln gehst du um k Stellen zurück. Du schreibst in Großbuchstaben, ersetzt Ä, Ö, Ü und ß durch AE, OE, UE und SS und lässt die Leerzeichen weg.

Bei der monoalphabetischen Verschlüsselung bekommt jeder Buchstabe einen frei gewählten anderen Buchstaben, und jeder Ersatzbuchstabe kommt genau einmal vor. Der Schlüssel ist die ganze Tabelle. „Mono“ heißt „ein“: Es gibt nur ein Ersatz-Alphabet für den ganzen Text, derselbe Klartextbuchstabe wird immer zum selben Geheimtextbuchstaben. Die Cäsar-Verschlüsselung ist ein Sonderfall mit verschobener Tabelle. Ein Beispiel für einen Schlüssel ist die Reihenfolge der Tastatur:

Aus HALLO wird IQSSG. Wie viele Schlüssel gibt es? Für A hast du 26 Möglichkeiten, für B noch 25, für C noch 24 und so weiter. Multipliziert ergibt das etwa $4 \cdot 10^{26}$ Schlüssel. Bei Cäsar sind es nur 25.

Ein Angreifer fängt einen Geheimtext ab und will ihn lesen. Die einfachste Methode heißt Brute Force (englisch für „rohe Gewalt“): Er probiert alle möglichen Schlüssel aus und prüft, ob lesbarer Text entsteht. Der Aufwand hängt von der Zahl der Schlüssel ab. Bei Cäsar sind es nur 25, das schafft ein Mensch in Minuten. Ein Computer ist noch viel schneller.

Bei monoalphabetischer Verschlüsselung hilft Ausprobieren nicht, denn es gibt viel zu viele Schlüssel. Es gibt aber einen Schwachpunkt: Jeder Buchstabe wird immer gleich ersetzt, und in einem Text kommen Buchstaben unterschiedlich oft vor. In deutschen Texten ist E mit etwa 17 von 100 Buchstaben der häufigste, danach folgen N, I, S, R, A und T. Bei der Häufigkeitsanalyse zählst du die Buchstaben im Geheimtext. Der häufigste steht vermutlich für E. Bei Cäsar kennst du damit schon den Schlüssel. Bei einer monoalphabetischen Verschlüsselung bekommst du so die ersten Buchstaben, den Rest erschließt du aus häufigen Buchstabenpaaren wie ER, EN und CH und aus dem, was Sinn ergibt. Je länger der Text, desto zuverlässiger klappt es.