SpionCamp Kryptographie als Stationenlernen - Informatik ...ddi.uni-wuppertal.de/material/spioncamp/dl/Spioncamp-vortrag.pdf · Enigma Playfair Stationen-lernen Selbst-tatiges Lernen

SpionCamp – Kryptographie als StationenlernenInformatik ohne Informatiksysteme

Dorothee Müller

Bergische Universität Wuppertal

Didaktik der InformatikDidaktik der Informatik


Spionschule – SpionCamp Die Stationen Einsatzmöglichkeiten Erprobung Literatur

Von der Spionschule zum SpionCamp

I 2004 wurde die Spionschule von K. Schäfer und S. Gabrielentwickelt

I eingesetztI bei Einladungen in SchulenI in der JuniorUniI bei den Kinderforschertagen der BUWI bei LehrerfortbildungenI bei einer Jahrestagung der deutschen Krimi-Autoren

I 2011 wurde die Spionschule im Rahmen einer Staatsexamens- undeiner Forschungsarbeit überarbeitet, aktualisiert und in SpionCampumbenannt

D. Müller, SpionCamp – Kryptographie als Stationenlernen 1/23



Überarbeitung zum SpionCamp

I Abbildungen wurden durch eigene Fotos und Grafiken ersetztI Didaktische Erläuterung wurde vorgenommenI Neue Stationen wurden hinzugefügtI Das SpionCamp wurde unter eine Creative-Commons-Lizenz gestellt




Creative Commons Lizenz

Sie dürfen:I Inhalte des SpionCamps vervielfältigen, verbreiten und öffentlich

zugänglich machenBedingungen:

I NamensnennungI Keine kommerzielle NutzungI Keine Bearbeitung

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.de


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Anleitungen, Stations-, Arbeits- und Lösungsblätter zum Download unter

http://ddi.uni-wuppertal.de/material/spioncamp.html/




Stationsaufbau

Jede Station besteht aus:I Stationsblatt – interessieren und informierenI Arbeitsblatt – erarbeitenI Lösungsblatt – ErgebnissicherungI Material – Veranschaulichung und Arbeitsgrundlage




Stationsaufbau – Stationsblatt

CaesarSubstitution (monoalphabetisch)

Die Buchstaben bleiben wo sie sind, aber nicht was sie sind.Solche Verschlüsselungen heißen Substitution. (Das Wort Substitutionist abgeleitet vom lateinischen Wort substituere = ersetzen.)

Der römische Feldherr Julius Caesar (100 bis 44 v. Chr.) verschlüsselte sei-ne geheimen Nachrichten, indem er jeden Buchstaben durch einen anderenersetzte. Dabei wurde der Buchstabe immer durch den um eine bestimmte An-zahl von Stellen im Alphabet verschobenen Buchstaben ersetzt. Diese Anzahlder Stellen heißt Caesar-Schlüssel.

Beispiel Beim Schlüssel 3 nahm Caesar immer den Buchstaben, der im Alphabet dreiStellen weiter rechts steht.Dazu schrieb er das Alphabet zweimal untereinander. Das untere Alphabetschrieb er allerdings um drei Stellen verschoben.

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V WX Y Zwirdersetztdurch

D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V WX Y Z A B C

Caesar ersetzte also in seinem Text jedes A durch ein D, jedes B durch einE usw. Beachte, dass X durch A ersetzt wird, also das Alphabet nach dem Zeinfach mit A weitergeschrieben wird.

D

0

E

1

F

2

G

3

H

4

I

5 J

6

K7

L

8

M

9

N

10

O

11

P

12

Q

13

R

14

S

15

T

16

U

17

V

18W 19

X

20

Y

21

Z

22

A

23

B

24

C

25 3

A B CD

EF

GH

IJ

KLMNOP

Q

RS

TU

VW

XY Z

1.Co

deei

nste

llen

(1-2

5)

2.inn

ereScheibe:Klartext

3.äußereScheibe: K

ryptotext -- Bergische Universität Wuppert

al

--

Damit nicht jedesmal die beiden gegeneinander verscho-benen Alphabete aufgeschrieben werden müssen, kannauch eine sogenannte Chiffrierscheibe benutzt werden.In der Abbildung ist wie im Beispiel der Schlüssel 3 ein-gestellt.Mit der Scheibe kannst du nun sowohl Texte verschlüs-seln als auch entschlüsseln. Möchtest du verschlüsseln,dann suchst du den Buchstaben auf der inneren Scheibeund schreibst den entsprechenden Buchstaben auf deräußeren Scheibe auf. Entschlüsseln geht entsprechendumgekehrt: Hier suchst du den Buchstaben außen undschreibst den entsprechenden Buchstaben auf der inne-ren Scheibe auf.

1v3 29. Mai 2012




Stationsaufbau – Arbeitsblatt

ArbeitsblattCaesar

Substitution (monoalphabetisch)

Aufgabe

1Könnt ihr die Nachricht ohne bekannten Schlüssel entschlüsseln?YHQL YLGL YLFL

Aufgabe

2Entschlüsselt mit der Chiffrierscheibe die folgenden Nachrichten. MöglicheSchlüssel sind: 2, 7, 10, 13. Einer ist jeweils der richtige Schlüssel. Das heißt,dass man bei Verschiebung um diese Zahl die Nachricht erhält.a) SPLIL RSLVWHAYH, AYLMMLU DPY BUZ ILP KLU WFYHTPKLU?b) YVRORE PNRFNE, VPU JREQR QN FRVA.

Aufgabe

3Warum ist dieses Verschlüsselungsverfahren leicht zu »knacken«?

Aufgabe

4Verschlüsselt und entschlüsselt gegenseitig den Titel eures Lieblingsbuchesmit dem Schlüsselwort LESERATTE.

Aufgabe

5Entschlüssele die folgende Nachricht. Das Schüsselwort ist SCHATZSUCHEoder MEISTERDETEKTIV.

STG HIKMJU YVTDJ KVAJTG STG CMGXEMAX

Aufgabe

6Was ist der Vorteil bei dem Schlüsselwort-Caesar-Verfahren?

Aufgabe

7Fällt dir eine Möglichkeit ein, wie du einen Text entschlüsseln kannst, ohne alleSchlüssel durchzuprobieren? Tipp: Nutze dabei eine bestimmte Eigenschafteiner Sprache (z. B. Deutsch) aus.

v2 1. Dezember 2011




Stationsaufbau – Lösungsblatt

LösungenCaesar

Substitution (monoalphabetisch)

Lösung

1VENI VIDI VICI (Lateinisch: Ich kam, ich sah, ich siegte. Dies schrieb JuliusCaesar in einem Brief an Gaius Matius, nachdem er die Truppen PharnakesII. von Pontus in nur vier Stunden besiegte.)

Lösung

2a) Schlüssel 7:

LIEBE KLEOPATRA, TREFFEN WIR UNS BEI DEN PYRAMIDEN?b) Schlüssel 13:

LIEBER CAESAR, ICH WERDE DA SEIN.

Lösung

3Man muss höchstens 25 Schlüssel durchprobieren, um die Lösung zu erhal-ten.

Lösung

4z. B. CRYPTONOMICON:SHPFJDCDBWSDC.

Die Ersetzungstabelle sieht so aus:Klartext A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V WX Y Z

Geheimtext L E S R A T U V WX Y Z B C D F G H I J K M N O P Q

Lösung

5Schlüssel ist MEISTERDETEKTIV:

DER SCHATZ LIEGT HINTER DER PARKBANK

Lösung

6Allein durch Ausprobieren von 25 Schlüsseln ist das Verfahren nicht zuknacken.

Lösung

7Häufigkeitsanalyse: In der Deutschen Sprache ist der häufigste Buchstabe das»E«. Der häufigste Buchstabe im Geheimtext könnte also dem E entsprechen.

v2 1. Dezember 2011




Stationsaufbau – Material

CaesarSubstitution (monoalphabetisch)

A

0

B

1

C

2

D

3

E

4

F

5 G

6

H7

I

8

J

9

K

10

L

11

M

12

N

13

O

14

P

15

Q

16

R

17

S

18T 19

U

20

V

21

W

22

X

23

Y

24

Z

25

S

P

I

O

N

C

A

E

S

A

R

X

A B CD

EF

GH

IJ

KLMNOP

Q

RS

TU

VW

XY Z

1.C

ode

eins

telle

n(1-

25)2.innen:Klartext

3.außen:Geheim

text

Bergische Universität Wupperta

l

1v1



Realisierte und geplante Stationen

Stationen

Schlussel-austausch-verfahren

symme-trische,

asymme-trische,hybride

Diffie-Hellman

Modulo

Stegano-graphie

Verbergenin Bildern

Verbergenin Texten

Kodierung

Morsen

Braille-schrift

Winker-alphabet

Transposition

SkytaleSchab-lonen

Pflugen

Substitution

Caesar-code

Freimau-rercode

Vigenere

EnigmaPlayfair




Symbol – Kodierung

Morsen — Braille-Schrift —Winkeralphabet




Symbol – Steganographie

Verstecken im BildD. Müller, SpionCamp – Kryptographie als Stationenlernen 12/23



Symbol – Substitution

Caesar — Freimaurer — Vigenère — Enigma — Playfair




Symbol – Transposition

Pflügen — Schablonen — Skytale




Symbol – Schlüsselaustausch

Diffie-Hellmann — Modulo



Unterrichtskontext

SpionCamp

Stationen

Schlussel-austausch-verfahren

symme-trische,

asymme-trische,hybride

Diffie-Hellman

Stegano-graphie

Verber-gen inBildern

Verber-gen inTexten

Kodierung

Morsen

Braille-schrift

Winker-alphabet

Trans-position

SkytaleSchab-lonen

Pflugen

Substi-tution

Caesar-code

Freimau-rercode

Vigenere

Enigma

Playfair

Stationen-lernen

Selbst-tatigesLernen

Selbst-orga-

nisation

Indivi-duelles

Lerntempo

HohesKommu-nikations-potential

Lernenmit vielenSinnen

Kontext

Geschichteder Kryp-tographie

Daten-schutz

E-Mail-Verschlus-selung

Sicher-heit imInternet

Geschich-te der

Informatik




Einbindung einer Station oder mehrerer Stationen

Beispiele für Einsatzmöglichkeiten einzelner StationenI Verschiedene Unterrichtsgegenstände im Informatikunterricht (z. B.

Codierung, Enigma in Geschichte der Informatik)I VertretungsstundenI Projektwochen oder -tageI Hinführung zu Programmieraufgaben (z. B. Caesar-Verschlüsselung)I Girls Day




Vorüberlegungen zur Unterrichtsreihe


Lehrer lad SpionCamp oder Einzelstationen aus Web herunter (Anleitung, Stations-und Arbeitsblatter)

Einfuhrungs- und Motivationsphase / Lehrer stellt das Projekt vor

Gemeinsame Planung der Reihe

Schuler–Expertengruppen?

Ja Nein

Einteilung in Expertengruppen

Arbeitsblatter und Herstel-lungsanweisung an jeweiligeGruppe

Schuler besorgen Herstellungs-material und erstellen die Sta-tionen mit Musterlosungen

Qualitatssicherung Stationenund Musterlosungen

Lehrer entscheidet:Arbeitsaufteilung?

Ja Nein

Schuler (und Lehrer) besor-gen Herstellungsmaterial understellen die Stationen

Qualitatssicherung Stationen

Lehrer besorgt Her-stellungsmaterialund erstellt dieStationen

Stationen aufbauen

Durchfuhrung besprechen – Verhaltensregeln festlegen – geplante Ergebnissicherungbesprechen (z.B. Arbeitsmappe)

Stationenlernen durchfuhren

Nachbesprechung und Ergebnissicherung

Differenzierung

(Stationen-Doppelzirkel nach [Humbert, 2008])

Caesar-Code

D

0

E

1

F

2

G

3

H

4

I

5 J

6

K7

L

8

M

9

N

10

O

11

P

12

Q

13

R

14

S

15

T

16

U

17

V

18W 19

X

20

Y

21

Z

22

A

23

B

24

C

25 3

A B CD

EF

GH

IJ

KLMNOP

Q

RS

TU

VW

XY Z

1.Co

deei

nste

llen

(1-2

5)

2.inn

ereScheibe:Klartext

3.äußereScheibe: K

ryptotext -- Bergische Universität Wuppert

al

--

Pflugen D E R S C H

A T Z L I E

G T U N T E

R D E N P A

L M E N X XBraille (Blindenschrift)

r rr r rrr r r r rr r rr rr r r r r rr r rrr r

Enigma

A BC

DE

F

G

H

I

JK

LMNO

PQ

R

S

T

U

V

WX

YZ

I

Schablonen

S U I D N E

E T C G H U

B R B T R E

I R L S T I

N D A E E D

E F N E L R

Vigenere

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 ZB C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z AC D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A BD E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B CE F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C DF G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D EG H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E FH I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F GI J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G HJ K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H IK L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I JL M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J KM N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K LN O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L MO P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M NP Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N OQ R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O PR S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P QS T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q RT U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R SU V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S TV W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T UW X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U VX Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V WY Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W XZ 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

1

Morsen . . ... .

Zeichenhaufigkeit

%

2

4

6

8

10

12

14

16

18

6

A

1.7

B

2.7

C

5.4

D

18

E

1.6

F

3.2

G

4.1

H

8.1

I

0.3

J

1.3

K

3.3

L

2.3

M

10.6

N

2.7

O

0.8

P

0.5

Q

7.2

R

6.9

S

5.7

T

4.6

U

0.9

V

1.5

W

0.5

X

0.5

Y

1.1

Z

Skytale

Freimaurer-Code

FREIMAURER

privater Raum: öffentlicher Raum: privater Raum:Alice Eve Bob�� Wähle a, g und p

�� Wähle b�� Berechne A = ga mod p —g, p, A

−→�� Berechne B = gb mod p�� Berechne K = Ba mod p ←− B

—�� Berechne K = Ab mod p

Diffie-Hellman-Algorithmus

Legende

Pflichtstation

Wahlstation

Schwierigkeit: schwer

Schwierigkeit: mittel

Schwierigkeit: leicht


Unterrichtseinsatz – Vorüberlegungen und Organisation

I MaterialvorbereitungI Wahl- und PflichtstationenI Vorgegebene oder freie Reihenfolge der StationenI Schwierigkeitsgrad der Stationen transparent machenI LeistungsüberprüfungI Arbeitsmappen - PortfoliosI LaufzettelI Feste VerhaltensregelnI Vorbesprechung - Zwischengespräch – NachbesprechungI ExpertengruppenI Einbindung in UnterrichtsreiheI Einsatz der LösungsblätterI Einzel-, Partner- Gruppenarbeit




Literatur

[Humbert 2008] Humbert, Ludger: Vorlesungsmaterialien zur Didaktikder Informatik – Sommersemester. September 2008. –http://ddi.uni-wuppertal.de/ddi-sommersemester-2008/– geprüft: 13. Oktober 2008


http://ddi.uni-wuppertal.de/ddi-sommersemester-2008/

Documents

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