暗号化とは何か｜仕組み・主要アルゴリズム・鍵管理と実装のベストプラクティス

2025年11月18日 最終更新日時 : 2025年11月18日 エバープレイ編集部

暗号化とは何か — 基本的な定義

暗号化（encryption）とは、平文（読み取れるデータ）を特定のアルゴリズムと鍵を用いて変換し、第三者が意味を理解できない形式（暗号文）にする技術です。暗号化の目的は主に「機密性（confidentiality）」ですが、しばしば整合性（integrity）、認証（authentication）、否認防止（non-repudiation）などのセキュリティ目標と組み合わせて利用されます。暗号の研究は情報理論や数論に基づき発展してきました（例：クロード・シャノンの基礎研究）。

暗号化が担う主要な役割

  • 機密性：許可された者のみがデータを読めるようにする。
  • 整合性：データが改ざんされていないことを確認する（ハッシュやMACなど）。
  • 認証：データの送信者や相手の正当性を確認する（デジタル署名など）。
  • 否認防止：送信者が後でその行為を否定できないようにする（署名による証跡）。

暗号方式の分類

暗号方式は大きく分けて以下の種類があります。

  • 共通鍵暗号（対称鍵暗号）：送受信者が同じ鍵を共有して使う方式。高速で大量データ向け。代表例：AES（Advanced Encryption Standard）。
  • 公開鍵暗号（非対称暗号）：公開鍵と秘密鍵のペアを使う方式。鍵配布や署名に利用。代表例：RSA、楕円曲線暗号（ECC）。
  • ハッシュ関数：可逆ではない一方向関数でデータの短い要約（ダイジェスト）を作る。整合性確認やパスワード保存に利用。代表例：SHA-2、SHA-3。
  • メッセージ認証コード（MAC）・認証付き暗号：改ざん検出・防止用。HMACやAES-GCMのような認証付き暗号（AEAD）は機密性と整合性を同時に提供する。
  • ハイブリッド暗号：公開鍵でセッション鍵を安全に交換し、共通鍵で実際のデータを暗号化する実装が主流（例えばTLS）。

代表的なアルゴリズムと標準

  • AES（FIPS 197）— 現在の共通鍵暗号の事実上の標準。ブロック長128ビット、鍵長は128/192/256ビット。
  • RSA — 公開鍵暗号の代表。大きな素数の積に基づく（参考：PKCS#1 / RFC 8017）。
  • 楕円曲線暗号（ECC）— RSAより短い鍵長で同等の安全性を実現。IoTやモバイルで重宝。
  • SHA-2 / SHA-3（FIPS 180 / 202）— 安全なハッシュ関数。
  • AES-GCM（NIST SP 800-38D）— 認証付き暗号モードで、暗号化＋整合性保証を同時に提供。

暗号化の実装上の重要ポイント（落とし穴とベストプラクティス）

  • 乱数の質：鍵やIV（初期化ベクトル）、Nonceの生成に安全な乱数（CSPRNG）を使うこと。予測可能な乱数は致命的。
  • 鍵管理：鍵の生成、配布、保管、廃棄を含むライフサイクル管理が最も重要。秘密鍵はソフトウェアのみで管理せず、可能ならHSMやTPMなどのハードウェアを利用する。
  • 適切なモード選択：単純なCBCモードはパディングオラクル攻撃等のリスクがある。認証付き暗号（GCMやChaCha20-Poly1305）を優先する。
  • アルゴリズムの更新：既知の脆弱なアルゴリズム（DES、3DES、RC4、MD5、SHA-1等）は使用を避け、標準に従って更新する。
  • プロトコル全体の設計：暗号は単独で安全性を保証しない。鍵交換、認証、証明書検証などプロトコル全体を正しく実装する必要がある（例：TLSの正しい設定）。

実際の利用例（ユースケース）

  • 通信の保護：HTTPS/TLSによりWeb通信を暗号化し、中間者攻撃や盗聴を防止。
  • 保存データの暗号化：ディスクやデータベースの暗号化（フルディスク暗号、ファイル暗号）で、物理的な盗難やメディア廃棄時の情報漏えいを防ぐ。
  • メール・メッセージの保護：PGP、S/MIMEによる暗号化・署名でプライバシーと認証を提供。
  • デジタル署名と認証：ソフトウェア配布、電子契約などで改ざん検出と送信者確認に利用。
  • 鍵交換とセッション管理：TLSやVPNでのセッション鍵生成に公開鍵暗号を利用し、その後は高速な対称鍵でデータを暗号化する。

攻撃の種類と注意点

  • ブルートフォース/鍵探索：鍵長に依存。十分な鍵長（例：AES-256、RSA 2048以上）を選ぶ。
  • 暗号解析：数学的弱点を突く手法。アルゴリズム選定では検証実績のあるものを使う。
  • サイドチャネル攻撃：電力消費やタイミング、電磁波から秘密情報が漏れる。実装面での対策が必要。
  • プロトコルの誤用：安全なアルゴリズムでも、鍵の再利用やIVの使い回し、無効な検証で破られることがある。
  • 量子コンピュータの脅威：ShorのアルゴリズムはRSAやECCを将来的に破る可能性があるため、ポスト量子暗号（PQC）への移行が進められている。

法規制と運用上の配慮

暗号化はプライバシー保護の重要な手段ですが、各国で輸出規制や法的要件が存在します。また、暗号化によって捜査・監査が困難になる点から、ログ管理や鍵管理に関する運用ポリシーを整備する必要があります。企業では内部統制やコンプライアンス（ISO/IEC 27001 等）に従った設計が求められます。

将来動向：ポスト量子暗号と新しい標準

量子コンピュータの進展に備えて、従来の公開鍵暗号に代わるポスト量子暗号（PQC）の研究と標準化が進んでいます。NISTはPQCの選定プロセスを行い、鍵交換や署名アルゴリズムの標準化を進めています。実運用では、既存プロトコル（例：TLS）との互換性やハイブリッド運用（従来×PQC）による移行戦略が取り入れられるでしょう。

実務者への具体的アドバイス

  • 最新の標準（NIST、IETF等）に基づいたアルゴリズムとパラメータを採用する。
  • 鍵管理を設計の中心に置き、秘密鍵の抽出防止にHWベースの保護（HSM/TPM）を活用する。
  • 認証付き暗号（AEAD）を優先し、古いモードやハッシュを使わない。
  • サードパーティ実装を使う場合は、信頼性の高いライブラリ（例：OpenSSL, BoringSSL, libsodium 等）を選び、定期的に更新と脆弱性対応を行う。
  • 暗号は単独で安全性を保証しないため、アクセス制御、ログ監視、バックアップ、運用手順を合わせて整える。

まとめ

暗号化は現代の情報社会における根幹技術であり、通信・保存・認証の多くの場面で必須です。しかし、アルゴリズムの選定、鍵管理、実装の注意点を怠ると安全性は大きく損なわれます。標準やベストプラクティスに従い、プロトコル全体と運用を設計することで、暗号化の恩恵を最大限に活かせます。また、量子時代の到来に備えた準備（PQCの動向把握と段階的導入）も重要です。

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