V · Informationen schützen: Codierung, Verschlüsselung und Sicherheit
„Nur für dich: die verschlüsselte Botschaft“ · Orientierungsrahmen ca. 13 Ustd.
Leitfrage: Codieren kann jeder rückgängig machen, der die Vorschrift kennt – wie schützt man eine Nachricht davor, dass jeder sie lesen kann?
Worum es fachlich geht
Der fachliche Kern ist die Unterscheidung von Codierung (Zweck: Darstellbarkeit, kein Schlüssel) und Verschlüsselung (Zweck: Geheimhaltung, geheimer Schlüssel bei öffentlicher Vorschrift). Daran schließt an: Ein Verfahren ist nicht „sicher“, sondern sicher gegen einen bestimmten Angriff. Das Substitutionsverfahren wird angewendet und gebrochen – erst dadurch wird die Bewertung fachlich ehrlich. Der Rechtsteil entsteht aus derselben Frage und nicht als angehängter Block.
| Merkmal | Festlegung |
|---|---|
| Jahrgangsfenster | 7 |
| Inhaltsfelder | Information und Daten · Informatik, Mensch und Gesellschaft |
| Inhaltliche Schwerpunkte | Daten und ihre Codierung · Verschlüsselungsverfahren · Erfassung, Verarbeitung und Verwaltung von Daten · Datenschutz |
| Kompetenz-IDs | D4, D7, D8, M1, M2, M3 |
| Zeitlicher Orientierungsrahmen | könnte bei etwa 13 Ustd. liegen |
| Leistungsbewertung | ausschließlich nach dem externen Leistungskonzept |
D7 – verwenden Substitutionsverfahren als Möglichkeit der Verschlüsselung. D8 – vergleichen verschiedene Verschlüsselungsverfahren unter Berücksichtigung ausgewählter Sicherheitsaspekte. M1 – erläutern anhand von Fallbeispielen das Recht auf informationelle Selbstbestimmung. M2 – benennen rechtliche Rahmenbedingungen für den Schutz personenbezogener Daten. (D4, M3 siehe UV III und IV.)
Der Mithörer wird ausgesperrt
Der Aufbau bleibt derselbe wie im vorigen Unterrichtsvorhaben – die Veränderung passiert im Programm. Genau das ist der Punkt: Sicherheit ist hier keine Hardwarefrage. Dasselbe dritte Gerät empfängt weiterhin alles und kann trotzdem nichts mehr lesen.
3D-Modell wird geladen, sobald es sichtbar wird.
Ziehen dreht das Modell, das Mausrad zoomt. Ein Klick auf einen Bauteilnamen blendet ihn aus oder wieder ein. Blau markiert sind die Bauteile, mit denen in dieser Reihe gearbeitet wird.
Was praktisch geschieht
Von Hand verschlüsseln
Zuerst ohne Gerät: Eine Nachricht wird mit einem Substitutionsverfahren ver- und wieder entschlüsselt, mit Protokoll aus Klartext, Schlüssel und Geheimtext.
Verfahren ins Programm übertragen
Dasselbe Verfahren wird im Programm nachgebaut und über Funk gesendet. Der Unterschied zwischen „Verfahren verstanden“ und „Verfahren korrekt umgesetzt“ wird an eigenen Fehlern erfahrbar.
Mithören – jetzt vergeblich
Das dritte Gerät empfängt unverändert weiter und zeigt Geheimtext. Entscheidend: Der Schlüssel liegt <strong>nur bei Sender und Empfänger, und zwar auf Papier</strong> – im Programm des Mithörers steht er nicht. Sonst wäre der Schutz vorgeführt statt wirksam.
Den Geheimtext brechen lassen
Eine andere Gruppe erhält gesammelte Geheimtexte und greift sie über Buchstabenhäufigkeiten an. Damit das gelingen kann, muss vorher genug Material entstanden sein – an einer Nachricht aus fünf Wörtern scheitert jede Häufigkeitsanalyse. Erst dieser Schritt macht das Urteil über die Sicherheit des Verfahrens fachlich ehrlich.
Den Schlüsseltausch offenlassen
Wie bekommt das Partnergerät den Schlüssel, ohne dass der Mithörer ihn erfährt? Diese Frage wird bewusst nicht beantwortet, sondern an Jahrgang 9 übergeben.
Der Lernweg
| Schritt | Was geschieht | Lernhandlung | Lernprodukt |
|---|---|---|---|
| L1 | Das Problem ist schon da | Rückgriff auf UV IV: Ein drittes Gerät hat mitgelesen. Die Frage entsteht aus der eigenen Erfahrung, nicht aus einer Erzählung. | Problembeschreibung mit Bezug auf das eigene Protokoll |
| L2 | Abgrenzung | Die Codierung aus UV III schützt nicht — jeder mit der Vorschrift liest mit. Codierung und Verschlüsselung werden getrennt. | begründete Gegenüberstellung |
| L3 | Von Hand verschlüsseln | Zuerst ohne Gerät: Nachricht mit Substitutionsverfahren ver- und entschlüsseln (D7). | Verschlüsselungsprotokoll |
| L4 | Ins Programm übertragen | Dasselbe Verfahren wird im Programm nachgebaut und über Funk gesendet. Vorhersage vor dem Test. | lauffähige Übertragung + Vorhersagekarte |
| L5 | Mithören — jetzt vergeblich | Das dritte Gerät empfängt weiterhin, kann aber nichts lesen. Der Schutz wird unmittelbar erfahrbar. | Beobachtungsprotokoll |
| L6 | Schlüsseltausch | Wie bekommt das Partnergerät den Schlüssel, ohne dass der Mithörer ihn erfährt? Das offene Problem wird benannt — und an UV XII übergeben. | Problembeschreibung |
| L7 | Brechen | Ein fremder Geheimtext wird über Buchstabenhäufigkeiten angegriffen. Die eigene Nachricht ist nicht so sicher wie gedacht. | Angriffsprotokoll |
| L8 | Vergleichen und urteilen | Verfahren werden gegen denselben Angriff verglichen; Schutzbedarf wird begründet (D8). | Vergleichstabelle mit Sicherheitsurteil |
| L9 | Recht | Vom eigenen Fall zu Fallbeispielen: informationelle Selbstbestimmung, rechtlicher Datenschutz (M1, M2, M3). | begründete Stellungnahme |
Was dieser Weg zusätzlich leistet
- Implementieren statt nur anwenden: Das Verfahren wird selbst programmiert. Der Unterschied zwischen „Verfahren verstanden" und „Verfahren korrekt umgesetzt" wird an eigenen Fehlern erfahrbar.
- Schutz wird erlebt, nicht behauptet: Derselbe Mithörer, dieselbe Verbindung, ein anderes Ergebnis.
- Schlüsseltauschproblem als offene Frage — der stärkste vorbereitende Anschluss an das Public-Key-Prinzip in UV XII.
Möglicher Stundentakt
Wochenrhythmus: eine Doppelstunde (DS, 2 Ustd.) und eine Einzelstunde (ES, 1 Ustd.). Die Taktung ist ein Vorschlag; Dauer, Reihenfolge und Sozialform bleiben Entscheidung der Lehrkraft.
| Std. | Format | Überschrift der Stunde | Kern | Sichtbares Lernprodukt |
|---|---|---|---|---|
| 1–2 | DS | „Der Mithörer aus der letzten Reihe" | Rückgriff auf UV IV: Ein drittes Gerät hat mitgelesen. Die Codierung aus UV III schützt nicht — jeder mit der Vorschrift liest mit. [L1][L2] | Problembeschreibung + begründete Gegenüberstellung |
| 3 | ES | „Klartext, Schlüssel, Geheimtext" | Fachsprache sichern; die Vorschrift ist öffentlich, der Schlüssel ist geheim. Wortbank. | Wortbank + drei eingeordnete Beispiele |
| 4–5 | DS | „Von Hand verschlüsseln" | Substitutionsverfahren ohne Gerät anwenden; Protokoll mit Klartext, Schlüssel und Geheimtext. [L3] | Verschlüsselungsprotokoll |
| 6 | ES | „Entschlüsseln und prüfen" | Gegenrichtung; typische Fehler im eigenen Protokoll finden und erklären. | entschlüsselte Nachricht + Fehlernotiz |
| 7–8 | DS | „Das Programm verschlüsselt" | Dasselbe Verfahren im Programm nachbauen und über Funk senden; Wirkung vorher vorhersagen. [L4] | lauffähige Übertragung + Vorhersagekarte |
| 9 | ES | „Jetzt liest keiner mehr mit" | Das dritte Gerät empfängt weiterhin, kann aber nichts lesen. Schlüsseltauschproblem benennen und an UV XII übergeben. [L5][L6] | Beobachtungsprotokoll + offene Frage |
| 10–11 | DS | „Der Angriff" | Häufigkeitsanalyse an einem fremden Geheimtext. Die eigene Nachricht ist nicht so sicher wie gedacht. [L7] | Angriffsprotokoll mit Begründung |
| 12 | ES | „Sicher — wogegen?" | Verfahren gegen denselben Angriff vergleichen; Sicherheit ist immer Sicherheit gegen etwas. [L8] | Vergleichstabelle mit Sicherheitsurteil |
| 13 | ES | „Wer darf über meine Daten bestimmen?" | Vom eigenen Fall zu informationeller Selbstbestimmung und rechtlichem Datenschutz. [L9] | begründete Stellungnahme |
Mögliche Vertiefungsstunden
Module außerhalb des Kerns. Sie können entfallen, ohne den Kompetenznachweis zu berühren.
| Modul | Umfang | Inhalt | Strang |
|---|---|---|---|
| „Variabler Schlüssel" | 2–3 Ustd. | Schlüssel wechselt statt fest zu bleiben; Sicherheitsgewinn gegen Aufwand abwägen. | E2 |
| „Öffentlich bekannt und trotzdem sicher?" | 2 Ustd. | Kerckhoffs' Prinzip altersgerecht: Warum ein geheim gehaltenes Verfahren nicht sicherer ist. Vorgriff auf UV XII. | E3 |
| „Gehäuse und Montage" | 3–4 Ustd. | Fächerverbindender Technik-Anteil: Gehäuse drucken, entgraten, montieren, beschriften. | – |
| „Die Ausstellung" | 2–3 Ustd. | Ausstellungstafel gestalten, Gerät erklären, Fachsprache mündlich anwenden. Bewertet würden Erklärung und Begründung, nie Optik oder Funktionsfähigkeit. | Strang G |
Diagnose und Differenzierung
Erwartbare Fehlvorstellungen
- Codierung wird für Verschlüsselung gehalten.
- Das Verfahren wird für geheim gehalten statt der Schlüssel.
- „Verschlüsselt" wird mit „sicher" gleichgesetzt, ohne Angreifer mitzudenken.
- Der Schlüsseltausch wird für ein Nebenproblem gehalten.
Diagnosezeichen und passende Hilfe
| Diagnosezeichen | Hilfe | Erneute Prüfung |
|---|---|---|
| Codierung und Verschlüsselung werden vermischt | H1 Wortbank mit Klartext, Schlüssel, Geheimtext, Vorschrift · H3 beides laut denkend nebeneinander durchführen | ein drittes Beispiel selbst einordnen |
| Das Verfahren wird für das Geheimnis gehalten | H2 Frage trennen: „Was darf öffentlich sein?" / „Was muss geheim bleiben?" | ein zweites Verfahren einordnen |
| Sicherheitsurteil ohne Angreifer | H1 Satzstarter „Sicher gegen …, aber nicht gegen …" | ein zweites Verfahren beurteilen |
| Stellungnahme bleibt allgemein | H2 Fall, betroffene Person, Folge und Handlungsoption trennen | einen zweiten Fall begründen |
Herausforderung nach oben
- E1 ein anderes Substitutionsverfahren übertragen und den Unterschied begründen.
- E2 einen variablen statt festen Schlüssel verwenden und den Sicherheitsgewinn gegen den Aufwand abwägen.
- E3 begründen, ob ein Verfahren mit öffentlich bekanntem Ablauf sicherer oder unsicherer wäre als ein geheim gehaltenes — Vorgriff auf UV XII.
Nachweis der Kompetenzen
| Kompetenz | Wie sie in dieser Reihe nachgewiesen wird |
|---|---|
| D4 | Codierung aus III als Nichtschutz erkannt (L2) |
| D7 | Substitution von Hand und im Programm (L3, L4) |
| D8 | Verfahrensvergleich gegen denselben Angriff (L7, L8) |
| M1 | ausgehend vom eigenen Fall (L9) |
| M2 | rechtliche Rahmenbedingungen benannt (L9) |
| M3 | Datenmissbrauch an Beispielen (L9) |
Wenn die Technik ausfällt
Zu jedem praktischen Schritt gibt es einen vollständigen Weg ohne Gerät. Er ist sofort einsetzbar und trägt dasselbe Fachprodukt:
- Papieralphabet und Chiffrierscheibe
- Nachrichtenkarten für Sender, Empfänger und Mithörer
- Häufigkeitstabelle für den Angriff
- Fallvignetten für den Rechtsteil.
Der Kern — anwenden, brechen, vergleichen, beurteilen — ist vollständig papierfähig. Die Funkstrecke liefert Anlass und Erfahrung, nicht den Nachweis.
Anschluss an andere Unterrichtsvorhaben
- Aktivieren: Codierung aus III; Mithörproblem und Datenweg aus IV.
- Neu einführen: Klartext, Geheimtext, Schlüssel, Substitution, Häufigkeitsangriff, Schutzbedarf, informationelle Selbstbestimmung.
- Übergeben: Schlüsseltauschproblem und Angreifermodell an XII; Schutzbedarf an VIII und XVI; Rechtsbegriffe an VIII und XIII.
Abschluss des Jahrgangs
Mit diesem Unterrichtsvorhaben ist das Bauvorhaben abgeschlossen: Gehäuse, Dokumentation und eine Ausstellung in der Schule bilden den Jahresabschluss. Bewertet werden Modell, Test und Begründung – nie die Optik oder die Funktionsfähigkeit des ausgestellten Geräts.