Ein Verfahren, das jeden Buchstaben immer gleich ersetzt, verrät sich durch die Häufigkeitsanalyse. Eine polyalphabetische Verschlüsselung benutzt mehrere Alphabete im Wechsel. Das bekannteste ist das Vigenère-Verfahren. Der Schlüssel ist ein Wort. Nummeriere die Buchstaben von A = 0 bis Z = 25. Jeder Klartextbuchstabe wird um so viele Stellen verschoben, wie der passende Schlüsselbuchstabe angibt. Der Schlüssel wird wiederholt, bis er so lang ist wie der Text. Der Schlüsselbuchstabe D bedeutet Verschiebung um 3, also Cäsar mit k = 3. Vigenère ist Cäsar mit wechselndem k.

Beispiel: Klartext HALLO, Schlüssel MAUS. Die Schlüsselbuchstaben M, A, U, S, M bedeuten die Verschiebungen 12, 0, 20, 18, 12.

H hat die Nummer 7, und 7 + 12 = 19 ist T. L hat die Nummer 11, und 11 + 20 = 31 liegt über 25, also 31 − 26 = 5, das ist F. Die beiden L werden zu F und D. Eine Häufigkeitsanalyse über den ganzen Text führt deshalb ins Leere.

Vigenère galt lange als unknackbar, lässt sich aber brechen. Kennt man die Schlüssellänge L, wurden die Buchstaben 1, L + 1, 2L + 1, ... alle mit demselben Schlüsselbuchstaben verschoben, sind also Cäsar-verschlüsselt, und ebenso die Buchstaben 2, L + 2, ... Man teilt den Geheimtext in L Gruppen und knackt jede mit einer Häufigkeitsanalyse.

Die Schlüssellänge findet der Kasiski-Test: Liegt der Abstand zweier gleicher Klartextfolgen bei einem Vielfachen der Schlüssellänge, werden beide gleich verschlüsselt. Im Geheimtext sieht man eine wiederholte Folge. Die Schlüssellänge ist ein gemeinsamer Teiler der Abstände zwischen den Wiederholungen. Abstände von 15, 20 und 35 Stellen zum Beispiel haben nur den gemeinsamen Teiler 5 über 1, die Schlüssellänge ist also vermutlich 5.

Das Kerckhoffs'sche Prinzip (19. Jahrhundert) gibt der Annahme aus Klasse 7-8 einen Namen: Ein Verfahren muss auch dann sicher sein, wenn der Angreifer es vollständig kennt. Nur der Schlüssel darf geheim sein. Gründe: Ein Verfahren bleibt nicht auf Dauer geheim, und ein verratener Schlüssel ist leichter zu ersetzen als ein ganzes Verfahren.

Das One-Time-Pad ist Vigenère mit einem Schlüssel, der so lang ist wie der Text, aus zufälligen Buchstaben besteht und nur ein einziges Mal benutzt wird. Dann lässt sich der Geheimtext nachweislich nicht knacken. Beispiel: Der Geheimtext QFN ergibt mit dem Schlüssel DBT das Wort NEU und mit dem Schlüssel QUU das Wort ALT. Ohne den Schlüssel kann man nicht entscheiden, welches stimmt. Der Preis: Der Schlüssel muss so lang sein wie die Nachricht, sicher zum Empfänger kommen und darf nie wieder benutzt werden. Für das Internet ist das unpraktisch.

Bei einem symmetrischen Verfahren (Cäsar, Vigenère, One-Time-Pad und das heute übliche AES) benutzen Sender und Empfänger denselben Schlüssel. Das Problem ist der Schlüsselaustausch: Wie kommt der Schlüssel sicher zum Partner? Außerdem braucht jedes Paar einen eigenen Schlüssel, bei n Personen also $\frac{n(n-1)}{2}$ Schlüssel.

Ein asymmetrisches Verfahren arbeitet mit einem Schlüsselpaar. Der öffentliche Schlüssel darf jeder kennen. Der private Schlüssel bleibt geheim und gehört nur seinem Besitzer. Was der öffentliche Schlüssel verschlüsselt, entschlüsselt nur der private. Wie bei einem Briefkasten: Jeder kann einwerfen, nur der Besitzer kann öffnen. Will Ben Mia etwas Geheimes schicken, verschlüsselt er mit Mias öffentlichem Schlüssel. Nur Mia kann es mit ihrem privaten Schlüssel lesen. Es muss vorher kein Geheimnis ausgetauscht werden.

Möglich ist das durch Rechnungen, die in einer Richtung leicht und in der Gegenrichtung praktisch unlösbar sind. Beim Verfahren RSA ist es leicht, zwei große Primzahlen zu multiplizieren, etwa 61 · 53 = 3233. Aus einem Produkt mit Hunderten Stellen die Faktoren zu finden, ist nicht zu schaffen.

In der Praxis kombiniert man beides: Ein asymmetrisches Verfahren vereinbart einen Schlüssel, die Daten verschlüsselt man dann schnell symmetrisch.

Eine Hashfunktion macht aus beliebig langen Daten einen Wert fester Länge, den Hashwert, eine Art Fingerabdruck. Sichere Hashfunktionen wie SHA-256 haben vier Eigenschaften: Gleiche Daten ergeben immer den gleichen Hashwert. Schon eine kleine Änderung ergibt einen völlig anderen. Aus dem Hashwert lassen sich die Daten nicht zurückgewinnen. Und man findet praktisch nicht zwei verschiedene Daten mit demselben Hashwert. Man prüft damit, ob eine Datei unverändert ist, und speichert Passwörter: Ein Server legt nur den Hashwert ab und vergleicht beim Anmelden die Hashwerte.

Eine digitale Signatur belegt, dass ein Dokument vom Besitzer eines Schlüssels stammt und danach nicht verändert wurde. Mia berechnet den Hashwert ihres Dokuments und erzeugt daraus mit ihrem privaten Schlüssel die Signatur. Sie schickt beides an Ben. Ben berechnet selbst den Hashwert des erhaltenen Dokuments und prüft mit Mias öffentlichem Schlüssel, ob die Signatur dazu passt. Passt sie, stammt das Dokument von Mia und ist unverändert. Nur Mia kennt ihren privaten Schlüssel, nur sie kann so signieren. Das Dokument selbst bleibt lesbar, die Signatur macht es nicht geheim. Die Schlüssel werden anders benutzt als beim Verschlüsseln:

Offen bleibt: Woher weiß Ben, dass ein öffentlicher Schlüssel wirklich Mia gehört? Ein Angreifer kann sich zwischen beide schalten (Man-in-the-Middle). Er fängt Mias Schlüssel ab und gibt Ben seinen eigenen als „Mias Schlüssel“. Ben verschlüsselt für den Angreifer, der liest mit, verschlüsselt neu für Mia und leitet weiter. Beide merken nichts.

Dagegen hilft ein Zertifikat: eine digital signierte Bestätigung, dass ein öffentlicher Schlüssel zu einem Namen gehört, etwa zur Domain eines Shops. Signiert hat eine Zertifizierungsstelle, der Browser und Betriebssystem vertrauen. Der Browser prüft die Signatur, den Namen und die Gültigkeit und warnt, wenn etwas nicht stimmt. Der Angreifer kann kein passendes Zertifikat für den Shop vorzeigen.

HTTPS ist HTTP mit Verschlüsselung durch das Protokoll TLS. Beim Verbindungsaufbau schickt der Server sein Zertifikat, der Browser prüft es, und beide vereinbaren einen Sitzungsschlüssel für die schnelle symmetrische Verschlüsselung. Das ist Transportverschlüsselung: Die Daten sind nur auf dem Weg zwischen Browser und Server geschützt. Der Server bekommt den Klartext zu sehen.

Bei Ende-zu-Ende-Verschlüsselung haben nur die Geräte der Gesprächspartner die Schlüssel. Ein Server, der die Nachricht nur weiterleitet, sieht nur Geheimtext.