現代暗号学の基礎と実践ガイド：機密性・完全性・認証・量子時代への備え

2025年11月22日 最終更新日時 : 2025年11月22日 エバープレイ編集部

はじめに — 暗号学とは何か

暗号学（cryptography）は、情報の機密性、完全性、認証性、否認防止などを数学的に実現・保障する学問と技術の総称です。単に「メッセージを秘匿する」だけではなく、安全な通信路で相手の正当性を確認したり、改ざんを検知したりするための基礎技術を提供します。現代のインターネット、電子商取引、モバイル決済、クラウドサービス、ブロックチェーン等、ほとんどすべてのデジタルシステムで暗号学が不可欠になっています。

暗号学の主要な目的

  • 機密性（Confidentiality）：情報を許可された者だけが読めるようにする。
  • 完全性（Integrity）：情報が改ざんされていないことを保証する。
  • 認証（Authentication）：通信相手やデータの出所が正しいことを確認する。
  • 否認防止（Non-repudiation）：送信者が後で送信を否定できないようにする（主にデジタル署名による）。

歴史的背景（簡潔に）

暗号の歴史は古代まで遡り、軍事・外交目的で使われてきました。近代的な暗号学は20世紀中盤の情報理論と計算理論の発展を経て数学的基盤を持つようになり、第二次世界大戦中の暗号解読活動（例：エニグマ解読）がその重要性を示しました。1970年代以降、公開鍵暗号（公開鍵・秘密鍵の概念）や標準化が進み、インターネット普及とともに実用化が急速に広まりました。

基本的な分類と主要な技術要素

暗号方式は用途や数学的性質によって分類されます。代表的な要素は以下の通りです。

共通鍵暗号（対称鍵暗号）

同じ鍵で暗号化と復号を行う方式。高速であるためデータの機密化に広く使われます。代表例はAES（Advanced Encryption Standard）で、ブロック暗号として標準化（NIST FIPS 197）されており、AES-GCMなどのAEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）モードが現在の推奨です。

公開鍵暗号（非対称鍵暗号）

公開鍵と秘密鍵のペアを使い、公開鍵は広く配布、秘密鍵は保持する。RSAや楕円曲線暗号（ECC: Elliptic Curve Cryptography）が代表で、鍵配送・デジタル署名・鍵交換（例：Diffie–Hellman、ECDH）などに使われます。公開鍵暗号は計算負荷が高いので、実運用ではセッション鍵を共通鍵暗号で保護するハイブリッド方式が一般的です。

ハッシュ関数とメッセージ認証

ハッシュ関数は任意長データを固定長に写像する一方向関数で、整合性検査やパスワード保存、デジタル署名の前処理に使われます。SHA-2、SHA-3が代表。HMACはハッシュ関数と共通鍵を組み合わせたメッセージ認証コードで、データの完全性と認証を提供します。

デジタル署名

データの送信者が持つ秘密鍵で署名を行い、公開鍵で検証することで、真正性と否認防止を実現します。RSA署名、ECDSA、最近は格子ベース署名などのポスト量子署名が注目されています。

代表的なアルゴリズムと標準

  • AES（共通鍵ブロック暗号） — NISTが標準化（FIPS 197）。
  • RSA（公開鍵暗号） — 素因数分解の難しさに基づく。
  • ECC（楕円曲線暗号） — 楕円曲線離散対数問題に基づき、短い鍵で高い安全性。
  • SHA-2 / SHA-3（ハッシュ関数） — データ整合性の根幹。
  • HMAC, AES-GCM, ChaCha20-Poly1305（認証付き暗号） — 安全な暗号化と整合性を同時に提供。
  • TLS（Transport Layer Security） — インターネット通信の暗号化標準（最新は TLS 1.3, RFC 8446）。

プロトコルと実世界の応用

TLS/SSL、SSH、IPsec、S/MIME、OpenPGPなどは暗号技術を組み合わせて安全な通信や電子メール、リモートログイン、VPNを実現します。ブロックチェーン技術では公開鍵暗号とハッシュ関数、合意形成アルゴリズムが組み合わさって分散台帳の不変性と所有証明（トランザクション署名）を提供します。

攻撃手法と脅威モデル

暗号アルゴリズム自体の強度だけでなく、実装や運用の脆弱性が実際の侵害を引き起こします。主な脅威は：

  • 数学的攻撃：素因数分解、離散対数問題へのアルゴリズム的攻撃。
  • 暗号文選択攻撃（Chosen-Ciphertext/Chosen-Plaintext）：攻撃者が特定の入力を選べる状況での分析。
  • サイドチャネル攻撃：実装の時間、消費電力、電磁波などから秘密情報を抽出。
  • プロトコル攻撃（中間者攻撃等）：不適切な認証や鍵管理による攻撃。
  • 量子コンピューティング：ShorのアルゴリズムはRSA/ECCを破る可能性があり、将来の脅威。

量子時代とポスト量子暗号

量子計算が実用化されれば、現在安全とされるRSAやECCは脆弱になります。対策としてNISTはポスト量子暗号（PQC）の標準化を進め、2022年にいくつかの暗号（例：CRYSTALS-Kyber：鍵封入、CRYSTALS-Dilithium：署名）を選定しました。対称鍵についてはGroverのアルゴリズムにより攻撃コストが二乗根的に改善されるため、鍵長を増やす（例：AES-256）ことで対抗します。

キー管理と運用上の注意点

暗号の強度を実際に確保するためには鍵管理が最重要です。安全な鍵生成、保管（HSMの利用）、適切なライフサイクル（回転、破棄）、アクセス制御、監査ログなどが必要です。ソフトウェア実装では定数時間アルゴリズム、暗号ライブラリ（OpenSSL、BoringSSL、libsodium等）の利用、脆弱な乱数源の排除が必須です。

実装のベストプラクティス

  • 公開された標準（RFC, NIST, ISO）に従う。
  • 検証済みの暗号ライブラリを使い、自作暗号は避ける。
  • 認証付き暗号（AEAD）を採用し、暗号化と整合性検査を同時に行う。
  • 最新のプロトコル（例：TLS 1.3）を使用する。
  • 脆弱性情報や勧告（CVE、NIST）を監視し、速やかにアップデートする。

法律・倫理・政策的側面

暗号技術は国家安全保障、プライバシー保護、犯罪捜査といった複数の利益が交錯する分野です。データ保護法（ヨーロッパのGDPR、日本の個人情報保護法など）は暗号による保護を奨励する一方で、諸国の輸出規制や捜査上のアクセス要求（いわゆる「キーエスクロー」議論）なども存在します。エンジニアは法令順守と倫理的配慮を両立させる必要があります。

まとめ

暗号学は単なる技術的手段ではなく、情報社会の信頼の基盤です。数学的なアルゴリズム、プロトコル、実装、運用、法制度の各層が相互に作用して初めて有効に機能します。近年は量子コンピュータの到来、IoTの普及、クラウド移行などにより新たな課題が生まれており、継続的な研究・標準化・ベストプラクティスの適用が求められます。暗号を理解し適切に運用することは、ITエンジニアにとっての必須スキルです。

参考文献

カテゴリー
IT
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