暗号化（エンクリプション）とは：定義・仕組み・復号と暗号学の基礎解説
暗号化の定義・仕組みから復号法、暗号学の基礎までわかりやすく解説。実例と対策で安全性を理解する入門ガイド。
暗号化により、特別な知識（パスワードなど）がないと読めないように情報を隠すことができます。これは、秘密のコードまたはサイファーで行われます。隠された情報は、暗号化されていると言われます。
復号化とは、暗号化された情報を平文に戻すことです。これが復号化された形となります。暗号化に関する学問を暗号学といいます。暗号解読は、サイファーが単純であれば、手作業で行うことができます。複雑な暗号は、コンピュータで可能な鍵を探す必要がある。復号は、コンピュータ科学と数学の分野で、暗号を破るのがどれだけ難しいかを調べるものです。
暗号化とは（基本的な仕組み）
暗号化は、読みやすい元のデータ（平文）を、第三者が意味を解読できない形式（暗号文）に変換する操作です。暗号化の目的は主に以下のとおりです。
- 機密性（Confidentiality）：許可された相手だけが内容を読めるようにする
- 認証（Authentication）：送信者が正しいことを確認する（署名など）
- 完全性（Integrity）：データが途中で改ざんされていないことを保証する
暗号化には「鍵」と呼ばれる情報が必要です。鍵を使って平文を暗号文に変換し、正しい鍵を持つ者だけが復号できます。鍵の管理は暗号の安全性を左右する非常に重要な要素です。
暗号の種類（代表例）
- 対称鍵暗号（Symmetric）：暗号化と復号に同じ鍵を使う。処理が速く、大量データの暗号化に向く。例：AES（Advanced Encryption Standard）。
- 公開鍵暗号（非対称鍵、Asymmetric）：公開鍵と秘密鍵のペアを使う。公開鍵で暗号化し、対応する秘密鍵で復号する。鍵配布の問題を解決できる。例：RSA、ECC（Elliptic Curve Cryptography）。
- ハイブリッド方式：実務では、公開鍵でセッション鍵を安全に共有し、そのセッション鍵（対称鍵）で実際のデータを暗号化する方式が一般的（例：TLS/HTTPS）。
- デジタル署名：データの発信者を証明したり、改ざん検知に使われる。公開鍵暗号の仕組みを応用。
復号と暗号解読（クリプトアナリシス）の違い
復号は、正当な鍵や手順を用いて暗号文を元の平文に戻す操作です。一方、暗号解読（クリプトアナリシス）は、鍵を知らない状態で暗号を破る試みを指します。暗号解読は数学的性質や実装上の弱点、あるいは総当り（ブルートフォース）攻撃を使って行われます。
現代の安全な暗号は、ある数学問題（例：大きな整数の素因数分解や離散対数問題）が計算上困難であることを前提にしており、これが安全性の根拠になります。ただし量子コンピュータの進展は将来のリスクとして注目されています。
利用例と実務上の注意点
- 通信の暗号化：HTTPS（TLS）によるウェブ通信の保護、メールの暗号化、メッセージアプリのエンドツーエンド暗号化など。
- データ保存の暗号化：ディスク暗号化（BitLocker、FileVaultなど）、クラウドに保存するデータの暗号化。
- 鍵管理の重要性：強い鍵をランダムに生成し、安全に保管・ローテーションする。鍵が漏れれば暗号化の意味がなくなる。
- 既存の実装を活用する：自前で暗号アルゴリズムを設計・実装するのは危険。信頼できる公開ライブラリや標準プロトコルを使う。
- ハッシュ関数との違い：ハッシュは一方向（復号不可）でデータの同一性確認に使う。暗号化は復号による読み戻しが可能。
安全性を高めるための実践的なポイント
- 十分に長くランダムな鍵を使う（鍵長はアルゴリズムと将来の脅威を考慮）。
- TLSなど最新のプロトコルと推奨設定を使用する。
- 古く弱いアルゴリズム（MD5、SHA-1、古いRSA鍵長など）は避ける。
- 定期的なセキュリティ監査とパッチ適用を行う。
- 鍵のバックアップと安全な廃棄（鍵が不要になったら確実に消去）を設計する。
まとめ
暗号化と復号は、情報の機密性や完全性を守るための基本技術です。対称鍵・公開鍵・署名など用途に応じた方式があり、それぞれ利点と制約があります。最も重要なのは、強力なアルゴリズムと適切な鍵管理、そして既存の信頼できる実装を正しく使うことです。暗号学はこれらの理論と攻撃手法を研究する学問であり、実務ではその知見を取り入れて安全性を保つ必要があります。
例
言葉の暗号化として簡単なものにROT13があります。ROT13では、アルファベットの文字が簡単なパターンで互いに入れ替わります。例えば、AはNに、BはOに、CはPに、といった具合です。各文字は13個のスペースで "回転 "します。ROT13暗号を使うと、Simple English WikipediaはFvzcyr Ratyvfu Jvxvcrqvnになる。ROT13暗号は解読が非常に簡単です。英語のアルファベットは26文字なので、ある文字を13文字ずつ2回回転させると、元の文字が得られます。つまり、ROT13暗号を2回適用すると、原文が戻ってくるというわけだ。ユリウス・カエサルは軍隊と通信する際、今日カエサル暗号と呼ばれるものを使うことがありました。この暗号は、文字の位置をずらすことで機能します。各文字を3つずつ回転させます。
ほとんどの種類の暗号は、暗号解読が困難になるように複雑化されている。テキストだけを対象としたものもあります。また、画像や音楽のようなバイナリファイルを対象としたものもあります。今日、多くの人がRSAと呼ばれる非対称暗号化方式を使用しています。どんなコンピュータ・ファイルでもRSAで暗号化することができます。AESは一般的な対称型アルゴリズムです。
ワンタイムパッド
敵は、賢い数学者と強力なコンピュータと多くの時間があれば、パスワードを知らなくてもメッセージを解読することができるかもしれないのです。ワンタイムパッドは特殊で、正しく使えば解読は不可能だ。守らなければならないルールが3つある。
- 秘密鍵（パスワード）は、秘密メッセージと同じ長さでなければなりません。メッセージが20文字であれば、鍵も少なくとも20文字でなければなりません。
- 秘密鍵はランダムであること(例：KQBWLDA...)
- 秘密鍵は一度だけ使用する必要があります。複数のメッセージを送信する場合は、それぞれに異なる鍵を使用する必要があります。
この3つのルールに従えば、秘密鍵を知らない限り、秘密のメッセージを読み取ることは不可能である。このため、冷戦時代、大使館や大規模な軍隊では、自国政府と秘密裏に通信するためにワンタイムパッドがよく使われた。ランダムな文字や数字で埋め尽くされた小さな本（「パッド」）を持っていたのだ。そのため、「ワンタイムパッド」と呼ばれるようになった。
インターネットにおける暗号化
多くのWebサイトが個人情報を保護するために暗号化を使用しているように、インターネットでは暗号化が頻繁に使用されています。インターネットでは、SSL（Secure Sockets Layer）、IPsec、SSHなど、いくつかの暗号化プロトコルが使用されている。これらは、RSA暗号方式などを使用している。保護されたWebブラウジングのためのプロトコルは、HTTPSと呼ばれます。URLの暗号化には、主にMD5アルゴリズムが使用されている。インターネット市場では、必要性に応じて様々なアルゴリズムが使用されている。
関連ページ
- FreeOTFE - ディスクの暗号化
- PGP（Pretty Good Privacy） - 電子メールの暗号化
- PuTTY - SSH暗号化
質問と回答
Q: 暗号化とは何ですか?
A: 暗号化とは、秘密のコードやサイファーを使って、パスワードのような特別な知識がなければ読み取れないように情報を隠すことです。
Q: 復号化とはどういう意味ですか?
A: 復号化とは、暗号化された情報を平文に戻すプロセスのことです。
Q: 暗号とは何ですか?
A: 暗号学とは、情報を暗号化し、どのように安全にするかを研究する学問です。
Q: 暗号は手で解析できますか?
A: 簡単な暗号であれば、暗号解読と呼ばれる手作業で解読することができます。
Q: 解読にコンピュータが必要なサイファーの種類は?
A: 複雑なサイファーは、可能性のある鍵を探すためにコンピュータを必要とします。
Q: 復号化を研究するコンピュータ・サイエンスの分野は何と呼ばれていますか?
A: 暗号解読はコンピュータ・サイエンスと数学の一分野であり、サイファーの解読がいかに難しいかを研究しています。
Q: 暗号化の目的は何ですか?
A: 暗号化の目的は、特別な知識やパスワードがなければ読めないようにして、機密情報を保護することです。
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