Diffie-Hellman Schlüsselaustausch im Informatikunterricht – eine praktische Demonstration mit 3D-Druck

In einer zunehmend digitalisierten Welt ist die sichere Übertragung von Informationen von entscheidender Bedeutung. Im Informatikunterricht ist es wichtig, Schülerinnen und Schüler nicht nur theoretisches Wissen über Kryptografie zu vermitteln, sondern ihnen auch die Möglichkeit zu geben, diese Konzepte praktisch zu erleben. Ein Unterrichtsvorhaben, das den Schlüsselaustausch nach dem Diffie-Hellman-Verfahren thematisiert, greift genau diese Idee auf.

Ziel des Unterrichtsvorhabens

Das Ziel des Unterrichtsvorhabens ist es, den Schülerinnen und Schülern in der Klasse 10 im Differenzierungsbereich die Grundlagen asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren, speziell des Diffie-Hellman-Schlüsselaustauschs, anschaulich und greifbar zu vermitteln. Das Diffie-Hellman-Verfahren wird dabei als Beispiel herangezogen, um zu zeigen, wie zwei Parteien über eine unsichere Verbindung einen gemeinsamen geheimen Schlüssel aushandeln können, ohne dass ein Dritter diesen abhören kann.

Die praktische Umsetzung

Ein Teil dieses Unterrichtsvorhabens ist die Verwendung eines selbst gedruckten 3D-Modells, das den Prozess des Schlüsselaustauschs veranschaulicht. Das abgebildete Modell besteht aus einer Kiste mit zwei Schließösen und kleinen Vorhängeschlössern. Dieses Modell dient als physische Metapher für den abstrakten kryptografischen Prozess, der im Hintergrund des Diffie-Hellman-Verfahrens abläuft.

• Das Modell: Die Kiste repräsentiert den Schlüssel, der für ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren zwischen den Kommunikationspartnern aus getauscht werden soll. Dieser befindet sich in der Box, ist also verschlüsselt.
• Die Vorhängeschlösser: Jedes Vorhängeschloss mit Schlüssel symbolisiert den privaten Schlüssel eines Teilnehmers. Beide Teilnehmer haben ein eigenes Schloss und einen Schlüssel, um das Schloss des anderen zu öffnen.
• Der Austausch: Die Schülerinnen und Schüler simulieren den Austausch über ein unsicheres Medium im Rollenspiel, indem sie das Modell abwechselnd mit ihrem Schloss sichern und den Schlüssel so vor den Zugriff schützen. Dabei wird gezeigt, dass ein außenstehender Dritter (der die Kiste überbringt) nicht in der Lage ist, an den Schlüssel in der Box zu gelangen.

Didaktischer Nutzen

Dieses Modell bietet mehrere Vorteile im Unterricht:

1. Visualisierung komplexer Konzepte: Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren sind oft schwer verständlich. Durch die Verwendung des physischen Modells wird das abstrakte Konzept des Schlüsselaustauschs greifbarer und visuell verständlich gemacht.
2. Interaktive Beteiligung der Schülerinnen und Schüler: Durch die praktische Demonstration des Modells können die Schülerinnen und Schüler aktiv am Prozess teilnehmen, was das Verständnis vertieft und die Motivation steigert.
3. Verknüpfung von Theorie und Praxis: Das Diffie-Hellman-Verfahren wird nicht nur theoretisch besprochen, sondern in einer interaktiven Weise erlebbar gemacht. Dies fördert ein besseres Verständnis der Funktionsweise von Schlüsselaustausch und Kryptografie im Allgemeinen.

Fazit

Der Einsatz eines 3D-Druckmodells zur Veranschaulichung des Diffie-Hellman-Schlüsselaustauschs im Informatikunterricht ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie komplexe, theoretische Konzepte auf kreative und anschauliche Weise vermittelt werden können. Diese Lehrmethode erleichtert den Zugang zur Kryptografie und hilft den Schülerinnen und Schülern, wichtige Sicherheitsaspekte der digitalen Kommunikation besser zu verstehen. Solche praxisnahen Demonstrationen tragen nicht nur zur Wissensvermittlung bei, sondern fördern auch das Interesse und die Begeisterung der Lernenden für die Informatik und deren reale Anwendungsmöglichkeiten.

Dateien

Die Dateien für den Druck gibt es hier. Selbst auf der eingestellten Größe funktionieren die Schlüssel und Schlösser symbolisch. Eine (nachträgliche) Farbgebung vereinfacht den Einsatz im Unterricht. Druckzeit etwa 10 Stunden mit einem EryOne-Drucker aus dem Jahre 2019.

Box: https://www.thingiverse.com/thing:3844743

Schlösser: https://www.thingiverse.com/thing:2811491