暗号化とデジタル署名とは：セキュリティ強化のための必須知識

暗号化とデジタル署名とは

ネットワーク通信における3つの危険

現代のインターネット社会では、情報のやり取りが日常的に行われています。

しかし、これらの通信にはいくつかのリスクが伴います。ここでは、特に重要な3つの危険について説明します。

盗聴
盗聴とは、悪意のある第三者がネットワーク上を流れる通信データを不正に取得することを指します。例えば、パスワードやクレジットカード情報が漏洩する可能性があります。

改ざん
改ざんは、送信されたデータが第三者によって変更される行為です。これにより、受信者は送信者の意図とは異なる情報を受け取ることになります。

なりすまし
なりすましは、第三者が正規の送信者や受信者になりすまして通信を行う行為です。これにより、ユーザーは偽の相手と通信してしまうリスクがあります。

これらのリスクを防ぐために、暗号化やデジタル署名といった技術が重要な役割を果たします。

暗号化（盗聴を防ぐ手法）

ネットワーク通信の盗聴を防ぐために用いられるのが「暗号化」です。

暗号化は、データを特定のアルゴリズムに基づいて変換し、第三者が内容を理解できないようにする技術です。

主に「共通鍵暗号方式」と「公開鍵暗号方式」の2つの方式があります。

共通鍵暗号方式

仕組み
共通鍵暗号方式は、同じ鍵を使ってデータの暗号化と復号化を行います。
送信者と受信者が事前に共有した鍵を使い、通信内容を安全に保ちます。

暗号アルゴリズム
代表的な共通鍵暗号アルゴリズムにはAES（Advanced Encryption Standard）があります。
AESは高速かつ高いセキュリティを提供するため、多くの場面で利用されています。

メリット

• 高速で効率的な暗号化と復号化が可能。
• リアルタイム通信に適している。

デメリット

• 鍵の共有が課題。安全な方法で鍵を共有しなければならず、これが困難な場合があります。

公開鍵暗号方式

仕組み
公開鍵暗号方式では、暗号化に公開鍵を使用し、復号化には秘密鍵を使用します。
公開鍵は誰でも取得可能ですが、秘密鍵は所有者だけが持っています。

暗号アルゴリズム
RSA（Rivest-Shamir-Adleman）やECC（Elliptic Curve Cryptography）が代表的です。
これらは公開鍵と秘密鍵のペアを使い、安全な通信を可能にします。

メリット

• 鍵の共有が不要。公開鍵は自由に配布できるため、通信の前提として安全に利用できます。
• デジタル署名にも利用できる。

デメリット

• 処理が共通鍵暗号方式よりも遅い。
• 長い鍵長が必要となるため、計算リソースが多く消費される。

共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式のまとめ

項目	共通鍵暗号方式	公開鍵暗号方式
鍵の種類	同じ鍵を共有	公開鍵と秘密鍵のペア
速度	高速	低速
鍵の共有	事前に安全に共有する必要あり	公開鍵は自由に配布可能
用途	リアルタイム通信など	電子メールの暗号化、デジタル署名

ハッシュ関数（改ざんを防ぐ手法）

暗号化が盗聴を防ぐ手段である一方、データの改ざんを防ぐためには「ハッシュ関数」が利用されます。

ハッシュ関数は、データが改ざんされていないことを確認するために重要な技術です。

ハッシュ関数とは

特徴
ハッシュ関数は、任意の長さの入力データを固定長の出力（ハッシュ値）に変換する数学的な関数です。
以下がハッシュ関数の主な特徴です：

• 固定長の出力: どんな長さのデータでも、一定の長さのハッシュ値に変換されます。
• 一方向性: 元のデータからハッシュ値を生成することは容易ですが、ハッシュ値から元のデータを復元することは非常に困難です。
• 衝突耐性: 異なる入力データが同じハッシュ値を持つ確率が極めて低いことを意味します。

改ざん防止の仕組み
ハッシュ関数を使うことで、データの整合性を確認できます。
送信者がメッセージを送る際に、そのメッセージのハッシュ値も一緒に送ります。

受信者は受け取ったメッセージのハッシュ値を計算し、送信者から送られたハッシュ値と比較することで、データが改ざんされていないことを確認できます。

ハッシュ関数の種類：SHA-256

SHA-256は、現在広く使われている安全なハッシュ関数の一つです。

SHA-256の「SHA」は「Secure Hash Algorithm（セキュアハッシュアルゴリズム）」の略で、256ビットのハッシュ値を生成します。

特徴

• 強い衝突耐性: 異なるデータが同じハッシュ値になる可能性が極めて低い。
• 高速な計算: 大量のデータに対しても高速にハッシュ値を生成できる。

SHA-256は、デジタル署名やデータの整合性チェックなど、さまざまなセキュリティ用途で使用されています。

デジタル署名（改ざんとなりすましを防ぐ手法）

デジタル署名は、通信内容が改ざんされていないことを証明し、さらに通信相手が正しい送信者であることを確認するための技術です。

デジタル署名とは

デジタル署名は、電子的な署名であり、データの真正性や送信者の認証を保証します。

具体的には、次の手順で行われます：

1. ハッシュ値の生成: 送信するメッセージのハッシュ値を計算します。
2. 署名の作成: 送信者の秘密鍵を使って、このハッシュ値に署名を行います。
3. 署名の送信: メッセージと一緒にデジタル署名を送ります。

受信者は次の手順でデータの真正性を確認します：

1. メッセージのハッシュ値を計算します。
2. 送信者の公開鍵を使って署名を検証し、送られてきたハッシュ値と計算したハッシュ値を比較します。
3. 一致すれば、データが改ざんされておらず、正しい送信者から送られてきたことが確認できます。

公開鍵暗号方式とデジタル署名の違い

公開鍵暗号方式とデジタル署名は共通点がありますが、目的が異なります：

• 公開鍵暗号方式は、データの暗号化と復号化に使用され、主に盗聴防止に役立ちます。
• デジタル署名は、データの真正性と送信者の認証を保証し、改ざんやなりすましを防ぎます。

公開鍵暗号方式の「復号化」とは対照的に、デジタル署名では「署名の検証」に公開鍵が使用されます。

認証局とPKI（公開鍵基盤）

デジタル署名や公開鍵暗号方式が安全に機能するためには、公開鍵の正当性を保証する仕組みが必要です。

この役割を担うのが「認証局（CA）」と「公開鍵基盤（PKI）」です。

認証局とは

認証局（Certificate Authority: CA）は、公開鍵がその鍵の所有者に属していることを保証する機関です。

CAは、次のような手順で公開鍵の正当性を証明します：

1. 申請者の身元確認: 公開鍵の所有者が正当な人物または組織であることを確認します。
2. デジタル証明書の発行: 公開鍵と所有者の情報を組み合わせたデジタル証明書を発行します。
3. 証明書の配布と管理: デジタル証明書を配布し、期限切れや失効などの管理を行います。

デジタル証明書は、公開鍵の信頼性を保証するため、インターネット上の通信を安全に保つために不可欠です。

PKI（公開鍵基盤）

公開鍵基盤（Public Key Infrastructure: PKI）は、公開鍵暗号を利用するための総合的な枠組みです。

以下の要素で構成されています：

1. 認証局（CA）: 公開鍵の証明書を発行。
2. 登録局（RA）: ユーザーの登録と証明書の申請を管理。
3. 証明書リポジトリ: 発行されたデジタル証明書を保管し、公開する場所。
4. 証明書失効リスト（CRL）: 失効した証明書をリスト化し、無効な証明書を検出できるようにする。

PKIは、信頼できる通信を支える基盤であり、電子商取引や電子政府サービス、クラウドサービスなど、多くの場面で利用されています。

応用：デジタル署名と暗号化

デジタル署名と暗号化は、それぞれ異なる役割を持ちながらも、組み合わせることで通信のセキュリティをさらに強化できます。

この章では、これらの技術をどのように組み合わせて活用するかについて説明します。

デジタル署名と暗号化の組み合わせ

1. データの暗号化
   まず、メッセージは共通鍵暗号方式で暗号化されます。
   この共通鍵はセッションキーと呼ばれ、一時的に使用される鍵です。
2. セッションキーの暗号化
   共通鍵は、受信者の公開鍵を使って暗号化され、メッセージに添付されます。
   これにより、第三者がセッションキーを取得することができなくなります。
3. デジタル署名の追加
   メッセージのハッシュ値が送信者の秘密鍵で署名され、署名もメッセージに添付されます。
4. 受信者による復号と検証
   受信者は、自分の秘密鍵を使ってセッションキーを復号し、そのキーでメッセージを復号化します。
   その後、送信者の公開鍵を使ってデジタル署名を検証し、メッセージの真正性を確認します。

応用例

• 電子メールのセキュリティ: 暗号化により内容を秘匿し、デジタル署名により送信者の真正性を保証。
• 電子契約: 契約書の改ざんを防ぎ、署名者を確認できるため、法的な効力を持つ。
• オンラインバンキング: トランザクションの安全性を確保し、ユーザーのなりすましを防止。

デジタル署名と暗号化の組み合わせにより、機密性、整合性、認証の三つのセキュリティ要件を満たすことが可能です。

まとめ

暗号化とデジタル署名は、現代のデジタル社会において欠かせない技術です。

それぞれが異なる目的を持ちながらも、協調して働くことで通信の安全性を飛躍的に高めます。

暗号化はデータの機密性を確保し、盗聴から保護します。共通鍵暗号方式は効率的で、公開鍵暗号方式は鍵の管理が容易です。これらを組み合わせることで、通信のスピードと安全性の両立が可能です。

デジタル署名はデータの真正性と送信者の認証を保証し、改ざんやなりすましを防ぎます。認証局とPKIの役割により、公開鍵の信頼性が確保されます。

また、暗号化とデジタル署名の組み合わせにより、オンラインバンキングや電子メール、電子契約など、多くの応用分野で安全な通信を実現できます。

今後もこれらの技術は進化を続け、新たなセキュリティの課題に対応していくでしょう。
セキュリティ対策の基本を理解し、これからのデジタル社会を安全に利用するための知識を身につけることが重要です。