対称暗号と非対称暗号

現代の暗号化は、鍵の扱い方によって2つの系統に分かれます。

• 共通鍵暗号：同じ鍵で暗号化と復号を行います。例：AES。
• 公開鍵暗号：鍵ペアを使い、一方の鍵で暗号化し、別の鍵で復号します。例：RSA。

実際のシステムでは、両方を組み合わせます。攻撃と防御のためには、それぞれのトレードオフを理解することが重要です。

共通鍵暗号では、通信する双方が1つの秘密鍵を共有します。同じ鍵でデータをロックし、ロックを解除します。

• 利点：非常に高速で、大量のデータに適しています。
• 欠点：まず鍵を安全に共有しなければなりません。これが鍵配送問題です。

AES（Advanced Encryption Standard）は、主要な共通鍵暗号方式です。ブロック暗号であり、128ビットのブロックを処理し、鍵長は128、192、256ビットです。

AESは高速で、現代のCPUではハードウェアアクセラレーションにも対応しており、正しく使用すれば安全と考えられています。AES-256は、高い安全性が求められる場合によく使われます。

ブロック暗号で1ブロックを超えるデータを扱うには、暗号利用モードが必要です。

• ECB：安全ではありません。同一のブロックが同一の暗号文になるため、パターンが漏えいします。使用を避けてください。
• CBC：初期化ベクトル（IV）を使ってブロックを連鎖させます。ECBより優れていますが、慎重な扱いが必要です。
• GCM：暗号化と認証の両方を提供します（AEAD）。現代で推奨されるモードです。

有名な実演例として、ペンギンの画像をAESのECBモードで暗号化しても、ペンギンの輪郭が見えるというものがあります。ECBでは、同一の平文ブロックが同一の暗号文ブロックに暗号化されるため、構造が漏えいします。

そのため、セキュリティ評価ではECBの使用を検出事項として認識する必要があります。暗号方式自体は強力でも、弱点はモードにあります。

公開鍵暗号では、数学的に関連付けられた鍵ペアを使用します。

• 公開鍵：自由に共有します。誰でもこの鍵を使ってあなた宛てに暗号化できます。
• 秘密鍵：秘密に保管します。これを使って復号できるのはあなただけです。

これにより鍵配送問題が解決します。セキュリティを損なうことなく、公開鍵を公開できます。

RSAは、古典的な公開鍵アルゴリズムです。その安全性は、2つの大きな素数の積を素因数分解する難しさに基づいています。

現在は2048ビットの鍵長が一般的で、3072ビットまたは4096ビットならさらに余裕があります。RSAはAESと比べて低速なため、大量のデータを直接暗号化する用途にはほとんど使われません。

公開鍵暗号の鍵には、異なる2つの役割があります。

• 機密性：受信者の公開鍵で暗号化し、受信者の秘密鍵だけで復号します。
• 真正性（署名）：自分の秘密鍵で署名し、誰でも自分の公開鍵で検証できます。これにより、自分が作成したことを証明できます。

この2つの目的では、鍵が逆の役割で使われることに注意してください。

TLSのような実際のプロトコルでは、両方を組み合わせます。流れは次のとおりです。

• 低速な公開鍵暗号を1回使い、ランダムなセッション鍵を安全に交換します。
• そのセッション鍵を使い、高速な共通鍵暗号であるAESによって実際のデータを暗号化します。

これにより、共通鍵暗号の速度と、公開鍵暗号の鍵配送の利便性を両立できます。

Diffie-Hellmanを使うと、2者は秘密そのものを送信することなく、安全でない通信経路上で共有秘密を合意できます。これは現代のTLS鍵交換の基盤です。

楕円曲線を使う方式（ECDH、ECDSA）では、RSAと同等の安全性をはるかに短い鍵で実現できます。そのため高速で、デフォルトとして採用されることが増えています。

強力なアルゴリズムも、使い方を誤ると安全ではなくなります。次の検出事項に注意してください。

• 平文のパターンを漏えいさせるECBモード。
• CBCやGCMでのIVやnonceの再利用、または予測可能な値の使用。
• ソースコードや設定ファイルにハードコードされた鍵。
• 素因数分解できる短いRSA鍵（512ビットまたは1024ビット）。
• 平文を1バイトずつ漏えいさせるパディングオラクルの挙動。

数学的な仕組みが破られることはまれで、通常は実装に問題があります。

公開鍵と秘密鍵についての理解を応用してください。

暗号化の2つの系統を比較しました。

• 共通鍵暗号（AES）：共有鍵を1つ使うため高速ですが、鍵の配送が難しい方式です。GCMモードを使用し、ECBは決して使用しないでください。
• 公開鍵暗号（RSA、ECC）：公開鍵と秘密鍵のペアを使い、鍵配送の問題を解決しますが、低速です。
• 受信者の公開鍵で暗号化し、自分の秘密鍵で署名します。
• ハイブリッドシステムとDiffie-Hellmanは、TLSで両方の長所を組み合わせます。

次は、実際にハッシュを識別してクラックする方法を学びます。