ハイブリッド暗号システム

暗号学において、ハイブリッド暗号システムとは、公開鍵暗号システムの利便性と対称鍵暗号システムの効率性を組み合わせたものです。^{[1]公開鍵暗号システムは、送信者と受信者が}共通の秘密を共有しなくても安全に通信できるという点で便利です。^[2]しかし、公開鍵暗号システムは複雑な数学的計算に依存することが多く、そのため一般に同等の対称鍵暗号システムよりもはるかに非効率的です。多くのアプリケーションでは、公開鍵暗号システムで長いメッセージを暗号化するコストが高すぎる場合があります。ハイブリッドシステムでは、両方を組み合わせて使用​​することでこの問題に対処します。^[3]

ハイブリッド暗号システムは、任意の 2 つの別個の暗号システムを使用して構築できます。

• 公開鍵暗号システムである鍵カプセル化メカニズム
• 対称鍵暗号システムであるデータカプセル化方式

ハイブリッド暗号システム自体は公開鍵システムであり、その公開鍵と秘密鍵は鍵カプセル化方式のものと同じです。^[4]

非常に長いメッセージの場合、暗号化/復号化の作業の大部分はより効率的な対称鍵方式によって行われ、非効率的な公開鍵方式は短い鍵値の暗号化/復号化にのみ使用されることに注意してください。^[3]

今日の公開鍵暗号の実用的な実装はすべてハイブリッドシステムを採用しています。例としては、TLSプロトコル^[5]やSSHプロトコル^{[6]が挙げられます。これらは鍵交換に公開鍵メカニズム（} Diffie-Hellmanなど）を使用し、データのカプセル化に対称鍵メカニズム（ AESなど）を使用します。OpenPGP ^[7]ファイル形式やPKCS#7 ^[8]ファイル形式もその例です。

ハイブリッド公開キー暗号化 (HPKE、RFC 9180 として公開) は、汎用ハイブリッド暗号化の最新標準です。HPKE は、MLSや TLS Encrypted Hello など、複数の IETF プロトコル内で使用されます。

エンベロープ暗号化は、クラウドコンピューティングにおけるハイブリッド暗号システムの使用例である。クラウドのコンテキストでは、ハイブリッド暗号システムは集中型の鍵管理も可能にする。^{[9] [10]}

ハイブリッド暗号システムでアリス宛のメッセージを暗号化するには、ボブは次の操作を行います。

1. アリスの公開鍵を取得します。
2. データ カプセル化スキーム用の新しい対称キーを生成します。
3. 生成された対称キーを使用して、データ カプセル化スキームでメッセージを暗号化します。
4. Alice の公開鍵を使用して、鍵カプセル化スキームに基づいて対称鍵を暗号化します。
5. これらの暗号文を両方ともアリスに送信します。

このハイブリッド暗号文を復号化するために、アリスは次の操作を行います。

1. 秘密鍵を使用して、キー カプセル化セグメントに含まれる対称キーを復号化します。
2. この対称鍵を使用して、データカプセル化セグメントに含まれるメッセージを復号化します。^{[11] [1]}

ハイブリッド暗号システムにおける鍵カプセル化方式とデータカプセル化方式の両方が適応型選択暗号文攻撃に対して安全であれば、ハイブリッド方式もその特性を継承する。^[4]しかし、鍵カプセル化のセキュリティ定義がわずかに弱くなっていても、適応型選択暗号文攻撃に対して安全なハイブリッド方式を構築することは可能である（ただし、データカプセル化のセキュリティはわずかに強くなければならない）。^[12]

エンベロープ暗号化とは、すべての主要なクラウドサービスプロバイダーが使用するハイブリッド暗号システムによる暗号化を指す用語であり、^{[9]クラウドコンピューティングにおける集中型}キー管理システムの一部として使用されることが多い。^[13]

エンベロープ暗号化は、ハイブリッド暗号化で使用されるキーに、データ暗号化キー (略称 DEK、データの暗号化に使用) とキー暗号化キー (略称 KEK、DEK の暗号化に使用) という名前を与えます。クラウド環境では、エンベロープ暗号化による暗号化では、ローカルで DEK を生成し、その DEK を使用してデータを暗号化し、次に、より安全なサービスに保存されている KEK で DEK をラップ (暗号化) する要求を発行します。次に、このラップされた DEK と暗号化されたメッセージが、スキームの暗号文を構成します。暗号文を復号化するには、ラップされた DEK をサービスへの呼び出しによってラップ解除 (復号) し、次に、ラップ解除された DEK を使用して暗号化されたメッセージを復号化します。^[10]ハイブリッド暗号システムの通常の利点に加えて、クラウド コンテキストで KEK に非対称暗号化を使用すると、キー管理と役割の分離が容易になりますが、速度が遅くなる可能性があります。^[13]

Google Cloud PlatformやAmazon Web Servicesなどのクラウドシステムでは、鍵管理システム（KMS）をサービスとして利用できる場合があります。^{[13] [10] [14]}場合によっては、鍵管理システムは、侵入耐性などのハードウェア機能を使用して鍵を保護するハードウェアシステムであるハードウェアセキュリティモジュールに鍵を保存します。 ^[15]これは、KEKが安全な専用ハードウェアに保存されるため、より安全になる可能性があることを意味します。^[13]エンベロープ暗号化により、集中型鍵管理システムは、より少ないスペースを占めるKEKのみを保存すればよく、KMSへの要求は、メッセージ全体を送信するよりも少ない帯域幅を使用するラップされたDEKとラップされていないDEKを送信するだけなので、集中型鍵管理が容易になります。 1つのKEKを使用して多くのDEKを暗号化できるため、KMSで使用するストレージスペースも少なくなります。 これにより、1つのアクセスポイントで集中監査とアクセス制御が可能になります。^[10]

• トランスポート層セキュリティ
• セキュアシェル
• キーカプセル化メカニズム