暗号化

暗号学において、暗号化（より正確には、エンコード）とは、理想的には許可された当事者だけが解読できるような方法で情報を変換するプロセスです。このプロセスは、平文と呼ばれる情報の元の表現を、暗号文と呼ばれる別の形式に変換します。その目的にもかかわらず、暗号化自体は干渉を防ぐことはできず、傍受しようとする者に対して理解可能なコンテンツを拒否します。

技術的な理由から、暗号化方式では通常、アルゴリズムによって生成された疑似ランダム暗号化キーが使用されます。キーを持っていなくてもメッセージを復号化することは可能ですが、適切に設計された暗号化方式には、かなりの計算リソースとスキルが必要です。許可された受信者は、送信者が受信者に提供したキーを使用してメッセージを簡単に復号化できますが、許可されていないユーザーにはできません。

歴史的に、暗号技術を支援するためにさまざまな形式の暗号化が使用されてきました。初期の暗号化技術は、軍事メッセージングでよく使用されていました。それ以来、新しい技術が登場し、現代のコンピューティングのあらゆる分野で一般的になっています。^{[1]現代の暗号化スキームは、}公開鍵と対称鍵の概念を使用します。^[1]現代のコンピューターは暗号を解読するのが非効率的であるため、現代の暗号化技術はセキュリティを確保します。

最も古い形式の暗号化の 1 つは、記号置換です。これは、紀元前 1900 年のエジプトに住んでいたクヌムホテプ 2 世の墓で初めて発見されました。記号置換暗号化は「非標準」であり、記号を理解するには暗号またはキーが必要です。このタイプの初期の暗号化は、古代ギリシャとローマ全体で軍事目的で使用されていました。^[2] 最も有名な軍事暗号化の開発の 1 つは、シーザー暗号です。これは、平文の文字をアルファベットに沿って一定数の位置シフトして、暗号化された文字を取得するものです。このタイプの暗号化でエンコードされたメッセージは、シーザー暗号の固定番号でデコードできます。^[3]

西暦800年頃、アラブの数学者アル＝キンディーは頻度解析という手法を開発した。これはシーザー暗号を含む暗号を体系的に解読する試みであった。^[2]この手法では、暗号化されたメッセージ内の文字の出現頻度を調べて適切なシフトを決定する。たとえば、英語のテキストで最もよく使われる文字はEであるため、暗号文に最もよく現れる文字によって表される可能性が高い。この手法は、アル＝カルカシャンディー（1355年 - 1418年）^[4]とレオン・バッティスタ・アルベルティ（1465年）によって説明された多アルファベット暗号によって無効にされた。多アルファベット暗号では、暗号化が進むにつれて置換アルファベットを変化させ、このような解析を妨害した。

1790年頃、トーマス・ジェファーソンは、軍事通信をより安全にするために、メッセージを暗号化および復号化する暗号を理論化した。今日ではホイール暗号またはジェファーソン・ディスクとして知られているこの暗号は、実際には作られなかったが、最大36文字の英語のメッセージを混ぜ合わせることができるスプールとして理論化された。混ぜ合わせたメッセージを、同一の暗号を持つ受信機に差し込むことで、メッセージを解読することができた。^[5]

ジェファーソンディスクに似た装置であるM-94は、 1917年にアメリカ陸軍のジョセフ・モーボーン少佐によって独自に開発されました。この装置は1942年までアメリカの軍事通信に使用されていました。^[6]

第二次世界大戦では、枢軸国はエニグマ暗号機と呼ばれるM-94のより高度なバージョンを使用していました。エニグマ暗号機はジェファーソンホイールやM-94とは異なり、毎日文字の組み合わせがまったく新しい組み合わせに切り替わるため、より複雑でした。毎日の組み合わせを知っていたのは枢軸国だけだったので、暗号を解読するには24時間以内に17,000を超える組み合わせを試すしかないと多くの人が考えていました。^[7]連合国は計算能力を使用して、毎日確認する必要のある合理的な組み合わせの数を厳しく制限し、エニグマ暗号機の解読につながりました。

今日、暗号化はセキュリティと商取引のためにインターネットを介した通信の転送に使用されています。 ^[1]コンピューティング能力が向上し続けるにつれて、盗聴攻撃を防ぐためにコンピューターの暗号化は常に進化しています。^[8]最初の「最新の」暗号スイートの1つであるDESは、72,057,594,037,927,936通りの可能性がある56ビットのキーを使用していましたが、1999年にEFFのブルートフォースDESクラッカーによって22時間15分をかけて解読されました。最新の暗号化標準では、 AES（256ビットモード）、TwoFish、ChaCha20-Poly1305、Serpent （最大512ビットまで構成可能）など、より強力なキーサイズが使用されることがよくあります。 AES のような 128 ビット以上のキーを使用する暗号スイートは、キーの合計数が 3.4028237e+38 通りであるため、ブルートフォース攻撃では解読できません。キーサイズが大きい暗号を解読する最も可能性の高いオプションは、固有のバイアスやバックドアなどの暗号自体の脆弱性を見つけるか、サイドチャネル攻撃を通じて物理的な副作用を利用することです。たとえば、ストリーム暗号であるRC4 は、暗号の固有のバイアスと脆弱性のために解読されました。

暗号学の文脈では、暗号化は機密性を保証するメカニズムとして機能します。^[1]データはインターネット上で閲覧可能であるため、パスワードや個人的な通信などの機密情報は潜在的な傍受者にさらされる可能性があります。^[1]メッセージの暗号化と復号化のプロセスにはキーが関係します。暗号化システムにおけるキーの2つの主なタイプは、対称キーと公開キー（非対称キーとも呼ばれます）です。^{[9] [10]}

多くの複雑な暗号アルゴリズムは、その実装において単純なモジュラー演算を使用することが多い。 ^[11]

対称鍵方式^[12]では、暗号化鍵と復号化鍵は同じです。安全な通信を実現するには、通信相手が同じ鍵を持っている必要があります。ドイツのエニグマ暗号機は、メッセージの暗号化と復号化に毎日新しい対称鍵を使用していました。従来の暗号化タイプに加えて、VPNや特定のブラウザ設定を使用してインターネット接続を暗号化することで、個人はセキュリティを強化し、Web閲覧中にプライバシーをさらに保護できます。^[13]

公開鍵暗号化方式では、暗号化鍵は誰でも使用してメッセージを暗号化できるように公開されます。ただし、メッセージを読み取ることができる復号化鍵にアクセスできるのは受信者だけです。^[14]公開鍵暗号化は、1973年に秘密文書で初めて説明されました。^[15]それ以前は、すべての暗号化方式は対称鍵（秘密鍵とも呼ばれる）でした。^{[16] : 478} DiffieとHellmanの研究は後から発表されましたが、読者の多いジャーナルに掲載され、方法論の価値が明確に説明されました。^{[17]この方法は}、Diffie-Hellman鍵交換として知られるようになりました。

RSA（リベスト・シャミール・アドルマン）は、もう一つの有名な公開鍵暗号システムです。1978年に作成され、今日でもデジタル署名を含むアプリケーションで使用されています。^[18] RSAアルゴリズムは数論を使用して2つの素数を選択し、暗号化キーと復号化キーの両方を生成します。^[19]

公開鍵暗号化アプリケーションであるPretty Good Privacy (PGP)は、1991年にPhil Zimmermannによって作成され、ソースコードとともに無料で配布されました。PGPは2010年にSymantecによって買収され、定期的に更新されています。^[20]

暗号化は、秘密通信を容易にするために軍隊や政府によって長い間使用されてきた。現在では、多くの種類の民間システム内の情報を保護するのに一般的に使用されている。たとえば、コンピュータ セキュリティ インスティテュートは、2007 年に調査対象となった企業の 71% が転送中のデータの一部に暗号化を使用し、53% がストレージ内のデータの一部に暗号化を使用したと報告している。^{[21]暗号化は、コンピュータやストレージ デバイス (} USB フラッシュ ドライブなど) に保存されている情報など、「保存中」のデータを保護するために使用できる。近年、顧客の個人記録などの機密データが、ラップトップやバックアップ ドライブの紛失や盗難によって漏洩したという報告が多数ある。保存中のファイルを暗号化しておくと、物理的なセキュリティ対策が失敗した場合に保護される。^{[22] [23] [24]} 著作権で保護された素材の不正使用や複製を防ぎ、ソフトウェアをリバース エンジニアリングから保護するデジタル著作権管理システム(コピー プロテクションも参照) は、保存中のデータに暗号化を使用するもう 1 つのやや異なる例である。^[25]

暗号化は、ネットワーク（インターネット、電子商取引など）、携帯電話、ワイヤレスマイク、ワイヤレスインターコムシステム、Bluetoothデバイス、銀行のATMなどを介して転送されるデータなど、転送中のデータを保護するのにも使用されます。近年、転送中のデータが傍受されたという報告が多数あります。^[26]また、権限のないユーザーによるネットワークトラフィックの盗聴を防ぐために、ネットワークを介して送信されるデータは暗号化する必要があります。 ^[27]

ストレージデバイスからデータを完全に削除する従来の方法では、デバイスのコンテンツ全体をゼロ、1、またはその他のパタ​​ーンで上書きする必要があり、容量とストレージメディアの種類に応じて、かなりの時間がかかることがあります。暗号化を使用すると、ほぼ瞬時に消去できます。この方法は、暗号シュレッディングと呼ばれます。この方法の実装例は、暗号化キーが専用の「消去可能なストレージ」に保管されているiOSデバイスにあります。 ^[28]キーは同じデバイスに保存されるため、権限のない人がデバイスに物理的にアクセスした場合、この設定だけでは完全なプライバシーまたはセキュリティ保護は提供されません。

21 世紀では、暗号化はデジタル データと情報システムを保護するために使用されています。長年にわたりコンピューティング能力が向上するにつれて、暗号化テクノロジはより高度で安全になりました。しかし、このテクノロジの進歩により、今日の暗号化方法の潜在的な限界も明らかになりました。

暗号鍵の長さは、暗号方式の強度を示す指標です。^[29]たとえば、オリジナルの暗号鍵DES（データ暗号化標準）は56ビットで、2^56通りの組み合わせが可能でした。今日の計算能力では、56ビットの鍵はもはや安全ではなく、ブルートフォース攻撃に対して脆弱です。^[30]

量子コンピューティングは、大量のデータを同時に処理するために量子力学の特性を利用します。量子コンピューティングは、今日のスーパーコンピューターよりも数千倍高速なコンピューティング速度を実現することがわかっています。 ^[31]このコンピューティングパワーは、今日の暗号化技術にとって課題となります。たとえば、RSA暗号化では、非常に大きな素数の乗算を使用して、公開鍵の半素数を作成します。この鍵を秘密鍵なしで復号するには、この半素数を因数分解する必要があり、これは現代のコンピューターでは非常に長い時間がかかります。スーパーコンピューターでこの鍵を因数分解するには、数週間から数か月かかります。^{[引用が必要]}ただし、量子コンピューティングでは、量子アルゴリズムを使用して、通常のコンピューターが生成するのと同じ時間でこの半素数を因数分解できます。これにより、現在の公開鍵暗号化で保護されているすべてのデータが量子コンピューティング攻撃に対して脆弱になります。^[32]楕円曲線暗号や対称鍵暗号化などの他の暗号化技術も、量子コンピューティングに対して脆弱です。^{[引用が必要]}

量子コンピューティングは将来的に暗号セキュリティに対する脅威となる可能性があるが、現状の量子コンピューティングはまだ非常に限られている。量子コンピューティングは現在市販されておらず、大量のコードを処理することはできず、コンピュータではなく計算デバイスとしてのみ存在している。^[33]さらに、量子コンピューティングの進歩は暗号化にも利用できる可能性がある。国家安全保障局（NSA）は現在、将来に向けて量子暗号後の標準を準備している。^[34]量子暗号化は、量子コンピューティングの脅威に対抗できるレベルのセキュリティを約束する。^[33]

暗号化は重要なツールですが、それだけでは機密情報のセキュリティやプライバシーをその存続期間全体にわたって確保するには不十分です。暗号化のほとんどのアプリケーションでは、保存時または転送時にのみ情報が保護されるため、機密データはクリア テキストのままになり、クラウドサービスなどによる処理中に不適切な開示を受ける可能性があります。準同型暗号化とセキュア マルチパーティ計算は、暗号化されたデータを計算するための新しい手法です。これらの手法は汎用的でチューリング完全ですが、計算コストや通信コストが高くなります。

保存データの暗号化に対応して、サイバー攻撃者は新しいタイプの攻撃を開発しました。保存データの暗号化に対する最近の脅威には、暗号攻撃、^[35] 盗まれた暗号文攻撃、^[36]暗号鍵への攻撃、^[37] インサイダー攻撃、データ破損または整合性攻撃、^[38]データ破壊攻撃、ランサムウェア攻撃などがあります。データ断片化^[39]とアクティブ防御^[40]データ保護技術は、暗号文を分散、移動、または変異させることで、識別、盗難、破損、または破壊をより困難にすることで、これらの攻撃の一部に対抗しようとします。^[41]

国家安全保障の必要性とプライバシーの権利とのバランスをとるという問題は、今日のデジタル社会で暗号化が重要になって以来、何年も議論されてきました。現代の暗号化論争^[42]は、米国政府が国家安全保障を脅かすとして暗号化を禁止しようとした1990年代頃に始まりました。この論争は2つの対立する見解に二極化しています。強力な暗号化は、犯罪者がオンラインで違法行為を隠蔽しやすくなるという問題だと考える人と、暗号化によってデジタル通信を安全に保つと主張する人です。この論争は、AppleやGoogleなどの大手テクノロジー企業が自社のデバイスに暗号化をデフォルトで設定した2014年に白熱しました。これが、政府、企業、インターネットユーザーを危険にさらす一連の論争の始まりでした。

暗号化は、それ自体でメッセージの機密性を保護することができますが、メッセージの完全性と真正性を保護するには、他の技術も必要です。たとえば、ハッシュ アルゴリズムまたはPGP 署名によって通常行われるメッセージ認証コード(MAC) またはデジタル署名の検証などです。認証された暗号化アルゴリズムは、暗号化と完全性保護の両方を提供するように設計されています。暗号化を実行するための暗号化ソフトウェアとハ​​ードウェアの標準は広く利用可能ですが、セキュリティを確保するために暗号化をうまく使用するのは難しい問題です。システムの設計または実行における 1 つのエラーにより、攻撃が成功する可能性があります。場合によっては、攻撃者は暗号化を直接解除することなく、暗号化されていない情報を取得できます。たとえば、トラフィック分析、TEMPEST、またはトロイの木馬を参照してください。^[43]

暗号文が最初に作成されるとき、通常はメッセージの作成に使用されたのと同じデバイス上で、 MACやデジタル署名などの整合性保護メカニズムを適用して、メッセージをその伝送経路全体にわたってエンドツーエンドで保護する必要があります。そうしないと、送信者と暗号化エージェントの間のどのノードでもメッセージを改ざんする可能性があります。作成時に暗号化することは、暗号化デバイス自体が正しいキーを持ち、改ざんされていない場合にのみ安全です。たとえば、エンドポイント デバイスが攻撃者が制御するルート証明書を信頼するように構成されている場合、攻撃者はメッセージの経路のどこでも中間者攻撃を実行して、暗号化されたデータを検査および改ざんできます。ネットワーク オペレーターによるTLS 傍受の一般的な慣行は、このような攻撃の制御され、組織的に認可された形式を表していますが、国は制御と検閲の形式としてこのような攻撃を採用しようとしました。^[44]

暗号化によってメッセージの内容が正しく隠され、保存中または転送中に改ざんされない場合でも、メッセージの長さはメタデータの一種であり、メッセージに関する機密情報が漏洩する可能性があります。たとえば、HTTPSに対するよく知られているCRIME攻撃とBREACH攻撃は、暗号化されたコンテンツの長さによる情報漏洩を利用したサイドチャネル攻撃でした。 ^[45]トラフィック分析は、多数のメッセージに関する情報を集約することで、トラフィックフローに関する機密実装を推測するためにメッセージの長さを使用することが多い、幅広い技術のクラスです。

メッセージを暗号化する前にペイロードにパディングを施すと、平文の実際の長さを隠蔽するのに役立つが、暗号文のサイズが大きくなり、帯域幅のオーバーヘッドが増加または増加するという代償を払うことになる。メッセージはランダムにパディングすることも決定論的にパディングすることもできるが、それぞれのアプローチには異なるトレードオフがある。メッセージを暗号化してパディングし、パディングされた均一ランダムブロブまたはPURBを形成することは、暗号文が平文の内容に関するメタデータを漏らさず、長さによる漏洩情報が漸近的に最小限であることを保証する方法である。^[46]${\displaystyle O(\log \log M)}$

• フーシェ・ゲインズ、ヘレン（1939年）『暗号解読：暗号とその解法の研究』ニューヨーク：ドーバー出版、ISBN 978-0486200972
• カーン、デイヴィッド（1967年）『暗号解読者 秘密の書き方の物語』（ISBN 0-684-83130-9） 
• Preneel、Bart (2000)、「暗号学の進歩 – EUROCRYPT 2000」、シュプリンガー ベルリン ハイデルベルク、ISBN 978-3-540-67517-4 
• シンコフ、アブラハム（1966）：初等暗号解読：数学的アプローチ、アメリカ数学協会。ISBN 0-88385-622-0 
• Tenzer, Theo (2021): SUPER SECRETO – 暗号化の第3時代: 多重、指数関数的、量子的に安全、そして何よりもシンプルで実用的なすべての人のための暗号化、Norderstedt、ISBN 978-3-755-76117-4。 
• リンデル、イェフダ、カッツ、ジョナサン（2014）、現代暗号入門、ホール/CRC、ISBN 978-1466570269
• エルモシナ、クセニア、ムシアニ、フランチェスカ（2022）、自由のための隠蔽：暗号化、安全なメッセージング、デジタル自由の実現（ローラ・デナルディスによる序文）（オープンアクセス）（PDF）、マンチェスター、英国：matteringpress.org、ISBN 978-1-912729-22-7、 2022年6月2日にオリジナル （PDF）からアーカイブ

• ウィクショナリーの暗号化の辞書定義
• ウィキメディア・コモンズの暗号化アルゴリズムに関連するメディア