キー（暗号化）

暗号化におけるキーとは、通常はファイルに保存される数字や文字の文字列である情報であり、暗号化アルゴリズムで処理すると、暗号化データをエンコードまたはデコードできます。使用される方法に基づいて、キーのサイズや種類は異なりますが、いずれの場合も、暗号化の強度は維持されるキーのセキュリティに依存します。キーのセキュリティ強度は、そのアルゴリズム、キーのサイズ、キーの生成、およびキー交換のプロセスによって異なります。

鍵は、データを平文から暗号文に暗号化するために使用されるものです。^[1]鍵と暗号化を利用する方法はいくつかあります。

対称暗号とは、暗号化と復号化の両方に同じ鍵を使用する方式を指します。^[2]

非対称暗号では、暗号化と復号化に別々の鍵が使用されます。^{[3] [4]}これらの鍵はそれぞれ公開鍵と秘密鍵と呼ばれます。^[5]

鍵はシステムの機密性と完全性を保護するため、権限のない第三者から秘密にしておくことが重要です。公開鍵暗号では秘密鍵のみを秘密にしておく必要がありますが、対称暗号では鍵の機密性を維持することが重要です。ケルクホフの原理によれば、暗号システムのセキュリティ全体が鍵の機密性に依存しています。^[6]

キーサイズは、アルゴリズムによって定義されるキーのビット数です。このサイズは、暗号化アルゴリズムのセキュリティの上限を定義します。 ^[7]キーサイズが大きいほど、ブルートフォース攻撃によってキーが侵害されるまでの時間が長くなります。キーアルゴリズムでは完全な秘密性は実現不可能であるため、現在、研究は計算セキュリティに重点を置いています。

以前は、キーの長さは最低 40 ビット必要でしたが、技術が進歩するにつれて、これらのキーはどんどん早く破られるようになりました。その対応策として、対称キーの制限が強化され、サイズが大きくなりました。

現在、2048ビットRSA ^[8]が一般的に使用されており、これは現在のシステムには十分です。しかし、現在の鍵サイズはすべて、強力な量子コンピュータですぐに解読されてしまいます。^[要出典]

「公開鍵暗号で使用される鍵には、数学的な構造があります。たとえば、RSAシステムで使用される公開鍵は、2つの素数の積です。したがって、公開鍵システムでは、同等のセキュリティレベルを実現するために、対称システムよりも長い鍵長が必要です。128ビットの対称暗号と同等のセキュリティを目指す因数分解と整数離散対数に基づくシステムでは、3072ビットの鍵長が推奨されています。」^[9]

鍵が推測されるのを防ぐには、鍵をランダムに生成し、十分なエントロピーを含める必要がある。ランダム鍵を安全に生成する方法の問題は難しく、さまざまな暗号化システムによってさまざまな方法で対処されてきた。鍵は、予測不可能で偏りのないビットのシーケンスを生成するシステムであるランダムビットジェネレータ（RBG）の出力を使用して直接生成することができる。^[10] RBGは、対称鍵または非対称鍵ペア生成用のランダム出力のいずれかを直接生成するために使用できる。あるいは、鍵合意トランザクション中に別の鍵またはパスワードから間接的に鍵を作成することもできる。^[11]

一部のオペレーティング システムには、ディスク ドライブのヘッドの動きなどの予測できない操作のタイミングからエントロピーを「収集」するためのツールが含まれています。少量のキー マテリアルを生成する場合、通常のサイコロは高品質のランダム性の優れたソースとなります。

鍵のセキュリティは、当事者間で鍵がどのように交換されるかに依存します。部外者が鍵を入手できないように、安全な通信チャネルを確立する必要があります。鍵確立スキーム（または鍵交換）は、エンティティ間で暗号化鍵を転送するために使用されます。鍵合意と鍵転送は、エンティティ間でリモートで交換されるために使用される2種類の鍵交換スキームです。鍵合意スキームでは、送信者と受信者の間で情報の暗号化と復号化に使用される秘密鍵が、間接的に送信されるように設定されます。すべての当事者は、各当事者が秘密鍵マテリアルを導出できるようにする情報（共有秘密）を交換します。鍵転送スキームでは、送信者が選択した暗号化された鍵マテリアルが受信者に転送されます。両方のスキームで、対称鍵または非対称鍵のいずれかの技術を使用できます。^[11]

ディフィー・ヘルマン鍵交換とリベスト・シャミア・アドルマン（RSA）は、最も広く使用されている2つの鍵交換アルゴリズムです。^[12] 1976年、ホイットフィールド・ディフィーとマーティン・ヘルマンは、最初の公開鍵アルゴリズムであるディフィー・ヘルマンアルゴリズムを構築しました。ディフィー・ヘルマン鍵交換プロトコルは、2者間で共有鍵を電子的に生成することにより、安全でないチャネルを介した鍵交換を可能にします。一方、RSAは、鍵生成、暗号化、復号化の3つのステップで構成される非対称鍵システムの一種です。^[12]

鍵確認は、鍵確認の受信者とプロバイダの間で、共有鍵マテリアルが正しく確立されていることを保証するものです。国立標準技術研究所は、実装を検証するために鍵確認を鍵確立スキームに統合することを推奨しています。^[11]

鍵管理は、暗号鍵の生成、確立、保管、使用、交換に関係します。鍵管理システム（KMS）には通常、鍵の確立、保管、使用の3つのステップが含まれます。鍵の生成、保管、配布、使用、破棄のセキュリティの基盤は、鍵管理プロトコルの成功に依存します。^[13]

パスワードとは、文字、数字、その他の特殊記号を含む一連の文字列を記憶したもので、本人確認に使用されます。パスワードは、個人情報や機密情報を保護したり、暗号鍵を生成したりするために、人間のユーザーやパスワード管理ソフトウェアによって生成されることが多いです。パスワードは、ユーザーが記憶できるように作成されることが多く、辞書の単語などのランダムでない情報が含まれる場合があります。^[11]一方、鍵は、パスワードを推測したり完全に置き換えたりすることが難しい暗号化アルゴリズムを実装することで、パスワード保護を強化するのに役立ちます。鍵はランダムまたは疑似ランダムデータに基づいて生成され、多くの場合、人間には判読できません。^[14]

パスワードは、エントロピーが低く、ランダム性があり、人間が読める性質があるため、暗号鍵よりも安全性が低い。しかし、ストレージデバイス内の情報の保護など、一部のアプリケーションでは、情報セキュリティのための暗号化アルゴリズムがアクセスできる唯一の秘密データである可能性がある。したがって、鍵導出関数(KDF) と呼ばれる決定論的アルゴリズムは、パスワードを使用して安全な暗号化鍵素材を生成し、パスワードの弱点を補う。生成には、ソルトの追加や鍵のストレッチなど、さまざまな方法を使用できます。^[11]