セッション鍵とは｜対称鍵（TEK）の定義・仕組み・用途と安全性

セッション鍵（TEK）の定義・仕組み・用途と安全性をわかりやすく解説。対称鍵の生成・配布・運用リスクと対策まで実例で学べる入門ガイド

セッション鍵とは、1つの通信セッション内のすべてのメッセージを暗号化するために使用される単一用途の対称鍵のことである。これに密接に関連する用語として、トラフィック暗号化キーまたはTEKがあり、これはトラフィックメッセージの暗号化に使用される対称鍵を指します。一般的に TEK は頻繁に変更され、システムによっては毎日変更されることもあれば、メッセージごとに変更されることもあります。

セッション鍵は暗号システムに複雑さをもたらします。しかし、セッション鍵はいくつかの実際の問題を解決するのにも役立ち、それがセッション鍵が使われる理由でもある。セッション鍵を使用する主な理由は2つある。

• 第一に、特定の鍵で暗号化された暗号文がより多く利用できるようになればなるほど、いくつかの暗号解析攻撃が容易になります。単一の鍵で暗号化されたメッセージの数を制限することで、これらの攻撃はより困難になります。
• 第二に、そうでなければ優れた暗号化アルゴリズムの多くは、暗号化を使用する前に鍵を安全に配布する必要があります。すべての対称秘密鍵アルゴリズムは、この望ましくない性質を持っています。秘密鍵の安全な配布を必要としないアルゴリズムは他にもありますが、長いメッセージを暗号化するには時間がかかりすぎて実用的ではありません(公開鍵暗号法を参照してください)。これらの「非対称」アルゴリズムの一つを使って、暗号化された秘密鍵を別のより高速な対称鍵アルゴリズムに分配することで、全体的な性能を大幅に向上させることができます。

他の暗号鍵と同様に、セッション鍵も攻撃者が予測できないように選択しなければならない。通常の場合、これはランダムに選ばれなければならないことを意味する。セッション鍵(または任意の鍵)を適切に選択できないことは、どのような暗号システムにおいても大きな欠点である。

仕組み（生成・配布・導出）

セッション鍵は一般に次の手順で利用されます。

• 生成：セッション鍵は暗号的に安全な乱数源（CSPRNG）から生成されます。十分なエントロピーがないと鍵が推測されやすくなるため、初期化時の乱数収集は重要です。
• 配布・交換：直接共有する代わりに、公開鍵暗号や鍵共有プロトコル（例：Diffie–Hellman、ECDH）を使って安全にセッション鍵を確立することが多いです。これにより、事前に秘密鍵を安全に配布する必要がなくなります（上記のリスクについては公開鍵暗号法を参照）。
• 鍵導出：多くのプロトコルは、ハンドシェイクで共有した秘密材料から鍵導出関数（KDF）を使って複数のセッション鍵（暗号鍵・認証鍵・IVなど）を生成します。これにより、1つの原材料から目的別の鍵を安全に作り分けられます。

用途（どこで使われるか）

セッション鍵は通信の暗号化と整合性維持の中心です。具体的な用途例：

• TLS／HTTPS：ハンドシェイクで交わされた情報からセッション鍵を導出し、その鍵でアプリケーションデータを暗号化します。
• IPsec、VPN：トラフィック用のTEKを設定してトンネル内のパケットを暗号化・認証します。
• SSH：セッション鍵によりリモートシェルやファイル転送の通信を守ります。
• 無線通信（例：Wi‑Fi、モバイル）：セッションごとの鍵（TEKやPTKなど）を使って盗聴や改ざんを防ぎます。

安全性とリスク管理

セッション鍵が正しく扱われないと、暗号の安全性が損なわれます。主要な考慮点：

• 乱数品質：鍵生成に使う乱数は暗号学的に安全であること。初期化時や仮想環境での乱数不足が問題になります。
• 鍵長とアルゴリズム：現代の実装ではAES-128やAES-256など十分な鍵長を用いることが推奨されます。将来の安全性を考えると、適切な鍵長とモード（例：AEADモードのGCM/CCM）を選ぶことが重要です。
• IV／nonceの管理：多くの対称暗号モードではIVやnonceを再利用してはいけません。nonce使い回しは深刻な安全問題を生みます。AEADを使えば暗号と認証を同時に保証できますが、nonce管理は依然重要です。
• 鍵の寿命（ローテーション）：セッション鍵は短期間で廃棄・再生成することで、鍵が漏えいした場合の被害範囲を限定できます。ローテーション基準は時間、転送データ量、メッセージ数など。
• 機密保持（鍵の保管）：鍵を保存する際はメモリ／ディスクともに保護が必要です。HSMやTPMのような専用ハードウェアで鍵を保護すると安全性が向上します。
• 前方秘匿性（PFS）：鍵交換にエフェメラルな（使い捨ての）鍵を用いることで、将来における長期鍵の漏洩が過去の通信解読に結びつかないようにできます。TLSのDHE/ECDHEがその例です。

攻撃シナリオと軽減策

• 鍵推測・ブルートフォース：十分な鍵長と適切なアルゴリズムで対策。
• 鍵の再利用による暗号解析：セッション鍵やnonceを頻繁に交換・更新し、同じ鍵で大量のデータを暗号化しない。
• 乱数の劣化・予測：安全な乱数生成器を使用し、仮想環境ではエントロピーに注意する。システム起動直後に鍵を生成するのは避ける。
• 鍵取得（サイドチャネル／漏洩）：物理的攻撃、メモリダンプ、ログの誤出力に注意し、鍵は必要最小限の期間のみメモリに保持する。

実装上のベストプラクティス

• 既存の実績ある暗号ライブラリ（OpenSSL、BoringSSL、libsodiumなど）を使用し、自前の暗号実装は避ける。
• プロトコルではAEAD（例：AES-GCM、ChaCha20-Poly1305）を採用して暗号化と認証を同時に行う。
• 鍵の導出には標準的なKDF（HKDFなど）を用いる。
• キー管理ポリシー（生成、保存、ローテーション、廃棄）を明確にし、監査ログを残す。
• 前方秘匿性が必要な用途ではエフェメラル鍵を使用する。

まとめ

セッション鍵（TEK）は、通信ごとに一時的に使われる対称鍵であり、暗号解析耐性の向上、鍵配布負荷の低減、被害範囲の限定など多くの利点を提供します。一方で、乱数品質・鍵管理・IV/nonceの運用・鍵長の選択など、実装や運用上の注意点が多く存在します。既存の標準プロトコルとライブラリを用い、鍵の生成・配布・廃棄を厳格に管理することが安全な運用の基本です。

質問と回答

Q:セッションキーとは何ですか?

Q: セッションキーとトラフィック暗号化キー（TEK）の違いは何ですか?

Q:セッションキーはなぜ使われるのか?

Q:セッションキーはどのように選ぶべきですか?

Q: 間違った種類のセッションキーを選択した場合はどうなりますか?

Q: TEKは通常どれくらいの頻度で変更されるのか?

文字で検索