暗号化の技術・考え方は、現代のシステム開発においては非常に重要です。インターネット通信（HTTPS）やオンラインバンキング、エンドツーエンドのメッセージアプリやデジタル署名など、多くの技術が暗号化の技術によって支えられています。
特に近年ではますます暗号化技術の重要性が増しており、システム開発に携わるエンジニアにとっては暗号化の基礎知識は理解必須です。このページではその第１歩として共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式の仕組みについて初心者向けにわかりやすくご説明します。
| 特徴 | 共通鍵暗号方式 | 公開鍵暗号方式 |
|---|---|---|
| 鍵の使用 | 同じ鍵を使用 | 異なる鍵を使用 |
| 処理速度 | 高速 | 遅い |
| 鍵の管理 | 鍵の配送と管理が難しい | 公開鍵の配布が容易 |
| 用途 | 大量データの暗号化、VPN、無線LAN | 鍵交換、電子署名、SSL/TLS |
| 代表的な暗号方式 | AES、DES、3DES | RSA、ECC、DSA |
共通鍵暗号方式とは？
まずは簡単な方から。共通鍵暗号方式は「あいことば」のようなものです。
共通鍵暗号方式は、同じ鍵を使ってデータを暗号化しその鍵を使ってデータを復号する方法です。これは友達と秘密のメッセージを交換するとき、あらかじめ合言葉を決めておくようなもので、この合言葉が共通鍵にあたります。メッセージを送るとき、送り手はこの合言葉を使ってメッセージを暗号化。受け取り手は同じ合言葉を使ってメッセージを解読します。
ポイント 共通鍵暗号方式
- 同じ鍵を使用: 暗号化と復号に同じ合言葉（＝共通鍵）を利用する。
- 高速処理: すぐに暗号化・復号できるので、大量のデータを扱うのに向いている。
- 鍵の管理が重要: 共通鍵が漏れないようにする必要がある。合言葉が第三者に知られてしまうと、メッセージが解読されてしまいます。
共通鍵暗号方式のメリット
- 高速な暗号化・復号化
- 共通鍵暗号方式は対称鍵暗号方式とも呼ばれ、非対称鍵暗号方式（公開鍵暗号方式）に比べて処理速度が速い。大容量データの暗号化に適しています。
- 実装が比較的簡単
- 暗号化と復号化に同じ鍵を使用するため、アルゴリズムの実装が比較的簡単であり、リソースが限られた環境でも利用しやすいです。
- 効率的な通信
- 一度共通鍵を共有すれば、通信相手とのデータ交換が効率的に行えます。これにより、リアルタイムの通信にも適しています。
共通鍵暗号方式は、暗号化・復号化に同じ鍵を利用するため、感覚的にイメージがしやすい＆実装も比較的簡単にできるというのが大きなメリットです。
共通鍵暗号方式のデメリット
- 鍵の管理が困難
- 共通鍵を安全に配布し、管理することが比較的難しい。特に多人数間で鍵を共有する場合、鍵の漏洩リスクが高まります。
- 鍵の配布問題
- 共通鍵を安全に送信するための方法が必要です。初期の鍵交換時に安全な通信手段が求められ、これが実現されないと鍵が盗まれるリスクがあります。
- スケーラビリティの問題
- 多くのユーザーがいる場合、それぞれのペアで異なる共通鍵を使う必要があるため、鍵の数が膨大になり管理が複雑化します。
同じ鍵をつかう（＝あいことばを使う）という性質上、その「あいことば」を広く一般的に共有してしまうとそもそもの暗号化する意味というものが薄れてしまいます。これを避けるためには、相手によって鍵（＝あいことば）を使い分ける必要があるのですが、誰とどの鍵を共有しているのか？を管理するということが難しくなってくるというのが共通鍵暗号方式のデメリットの１つ。
また、共通鍵を相手と共有する手段も考慮する必要があります。この共有手順で仮に盗聴が発生してしまうとすると、いくら相手と秘密の通信を行ったとしても意味がありません。
パスワード漏洩が発生してしまうと、途端に通信の秘匿性・データの機密性保持が崩れてしまうというのがポイントです。
公開鍵暗号方式とは？
公開鍵暗号方式（Public Key Cryptography）は、暗号化と復号化に異なる鍵を使用する暗号技術です。この方式では、2つの鍵、「公開鍵」と「秘密鍵」を用います。
ポイント 公開鍵暗号方式の仕組み
- 鍵の生成: 一対の公開鍵と秘密鍵を生成する。
- 公開鍵の配布: 公開鍵は広く公開され、誰でもアクセスできるようにしておく。
- データの暗号化: 送信者は受信者の公開鍵を使用してデータを暗号化する。
- データの復号化: 受信者は自身の秘密鍵を使用して暗号化されたデータを復号する。
公開鍵で暗号化されたデータは、対応する秘密鍵でのみ復号化することができるため、通信の機密性が保たれます。また、秘密鍵を使用してデータに署名することで、公開鍵で署名を検証し、送信者の認証も可能になります。
公開鍵と秘密鍵の関係を、南京錠とその鍵に例えてみます。
- 南京錠（公開鍵）と鍵（秘密鍵）
- 公開鍵は、誰でも使える南京錠のようなものです。
- 秘密鍵は、その南京錠を開けるための鍵で、これは持ち主だけが持っています。
- 南京錠の配布
- あなたは、特別な南京錠（公開鍵）をたくさん用意して、友達に配ります。友達は誰でもこの南京錠を使うことができます。
- データの暗号化
- 友達があなたに秘密のメッセージを送りたいとします。その友達は、メッセージを箱に入れ、南京錠（公開鍵）で箱をロックします。
- この状態では、南京錠を開ける鍵（秘密鍵）がなければ誰も箱を開けることができません。
- データの復号化:
- あなたは、自分だけが持っている鍵（秘密鍵）を使って南京錠を開け、箱の中のメッセージを取り出します。
要するに、公開鍵は誰でも使える鍵で、データを暗号化するために用いるもの。秘密鍵は持ち主だけが持つ鍵で、暗号化されたデータを復号化するために使います。
この仕組みによって、公開鍵を使って暗号化されたメッセージは、対応する秘密鍵を持つ人だけが復号化して読むことができるため、データの安全性が保たれます。
公開鍵暗号方式のメリット
- 安全な鍵交換:
- 公開鍵暗号方式では、公開鍵を広く公開しても安全なので、事前に安全なチャネルを使って鍵を共有する必要がありません。秘密鍵は自分だけが持っており、公開鍵で暗号化されたメッセージは秘密鍵でしか復号化できません。
- 非対称性の利点:
- 公開鍵と秘密鍵の組み合わせにより、一方の鍵が漏洩しても、もう一方の鍵の安全性が保たれます。特に、秘密鍵の保護が重要であり、公開鍵は広く配布できます。
- 拡張性:
- 公開鍵暗号方式は、大規模なシステムでの利用に適しています。各ユーザーが自分の公開鍵を配布するだけで、安全な通信が可能です。
公開鍵暗号方式では、復号化するための秘密鍵を誰にも共有する必要がないので非常に安全です。公開鍵が世界中に公開されたとしても、あなたしか知らない秘密鍵を外に持ち出さなければセキュリティリスクは発生しえません。
公開鍵暗号方式のデメリット
- 計算コストの高さ
- 公開鍵暗号方式は、共通鍵暗号方式に比べて計算コストが高く、処理が遅い。大規模なデータの暗号化には不向き。
- 鍵の長さ:
- 高い安全性を確保するためには、長い鍵が必要です。これにより、データの処理時間やリソース消費が増加します。
- 初期設定の複雑さ:
- 公開鍵と秘密鍵の生成、管理、配布のプロセスが複雑です。適切に管理しないと、セキュリティリスクが発生する可能性があります。
- 信頼の基盤:
- 公開鍵の信頼性を確保するために、公開鍵インフラストラクチャ（PKI）や認証局（CA）が必要です。これには追加のコストと運用の手間がかかります。
公開鍵暗号方式は、安全な鍵交換と認証を提供する強力なツールですが、計算コストの高さや複雑な鍵管理がデメリットとなります。これらのメリットとデメリットを理解し、適切なシステムに応じて公開鍵暗号方式を選択することが重要です。
デジタル署名の仕組み
実は、公開鍵暗号方式には２つの主要な用途があります。これまでの説明は以下１に該当するのですが、もう１つ重要な用途にデジタル署名があります。
- 暗号化：南京錠（公開鍵）でデータを暗号化し、秘密鍵でデータを復号化する。
- デジタル署名（認証）：秘密鍵でデータに署名し、公開鍵で署名を検証する。
１と２は南京錠と鍵の関係が逆になっている、と考えればわかりやすいです。
デジタル署名の仕組みをわかりやすく
- 秘密鍵（署名するための南京錠）と公開鍵（署名を検証するための南京錠の鍵）:
- 秘密鍵は署名するための南京錠です。送信者がこの南京錠を使ってメッセージに署名します。
- 公開鍵はその南京錠を開けるための鍵です。受信者はこの鍵を使って署名を検証します。
- 手順:
- あなたはメッセージを送るとき、自分の秘密鍵（南京錠）を使ってメッセージに署名します。この署名は、南京錠を使ってメッセージをロックするイメージ。
- 受信者はあなたの公開鍵（南京錠の鍵）を使って署名を検証します。この検証は、南京錠を開けるようなもので、メッセージがあなたから送られたものであることを確認できます。
要するに鍵を公開しておくというのがポイント。南京錠（＝秘密鍵）でロックできるのは自分だけという状態を作っておくことで、受信者は確かにあなたから送信されたものですね！ということを確認できるようになるわけです。仮に、鍵をあけることができなければ、偽の送信者から送信されているということになるので、これでセキュリティが強化されることになります。