鍵交換

鍵交換（鍵確立とも呼ばれる）は、暗号化アルゴリズムの使用を可能にするために、2 つの当事者間で暗号化鍵を交換する暗号化手法です。

送信者と受信者が暗号化されたメッセージを交換する場合、送信するメッセージを暗号化し、受信したメッセージを復号化するための装備をそれぞれが備えていなければなりません。必要な装備の性質は、使用する暗号化手法によって異なります。コードを使用する場合、両方に同じコードブックのコピーが必要です。暗号を使用する場合、適切なキーが必要です。暗号が対称キー暗号である場合、両方に同じキーのコピーが必要です。公開/秘密キー プロパティを持つ非対称キー暗号である場合、両方に相手の公開キーが必要です。

鍵交換はインバンドまたはアウトオブバンドで行われる。^[1]

鍵交換問題は、安全な通信チャネルを確立するために必要な鍵やその他の情報を交換し、他の誰もコピーを入手できないようにする方法を説明します。歴史的には、公開鍵暗号化(非対称暗号化) が発明される前は、対称鍵暗号化は単一の鍵を使用してメッセージを暗号化および復号化していました。2 者が秘密裏に通信するには、まず秘密鍵を交換して、各当事者が送信前にメッセージを暗号化し、受信したメッセージを復号化できるようにする必要があります。このプロセスは鍵交換と呼ばれます。

対称暗号化、または単一キー暗号化の最大の問題は、信頼できる宅配便業者、外交バッグ、またはその他の安全な通信チャネルを介して秘密キーを通信する必要があることです。2 つの当事者が安全な初期キー交換を確立できない場合、最初のキー交換中にキーを取得した第三者によってメッセージが傍受され、解読されるリスクなしに、安全に通信することはできません。

公開鍵暗号化では、公開鍵と秘密鍵で構成される 2 つの鍵システムを使用します。メッセージは 1 つの鍵で暗号化され、別の鍵で復号化されます。メッセージの暗号化と復号化に公開鍵と秘密鍵のどちらを使用するかは、選択した暗号化アルゴリズムによって異なります。たとえば、RSAでは秘密鍵がメッセージの復号化に使用され、デジタル署名アルゴリズム(DSA) では秘密鍵がメッセージの認証に使用されます。公開鍵は、安全でないチャネルで送信したり、公に共有したりできますが、秘密鍵は所有者のみが使用できます。

Diffie-Hellman 鍵交換として知られる暗号化鍵は、暗号化されたメッセージの機密性にリスクをもたらさないため、公開して通信できます。一方の当事者がもう一方の当事者に鍵を交換し、もう一方の当事者はその鍵を使用してメッセージを暗号化し、暗号文を送り返します。そのメッセージを復号化できるのは、復号化鍵 (この場合は秘密鍵) のみです。対称鍵交換とは異なり、Diffie-Hellman 鍵交換中は、機密情報が漏洩するリスクはありません。

原則として、残る唯一の問題は、公開鍵が実際にその所有者のものであると確信すること (または少なくとも確信すること) です。他のユーザーの身元を「偽装」することはさまざまな方法で可能であるため、特に関係する 2 人のユーザーが一度も会ったことがなく、お互いについて何も知らない場合は、これは些細な問題でも簡単に解決できる問題でもありません。

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、ヘルマンの博士課程の学生ラルフ マークルが開発した概念に基づいて、ディフィー–ヘルマン鍵交換(D–H)と呼ばれる暗号化プロトコルを発表しました。このプロトコルにより、相手が通信チャネルを監視している場合でも、ユーザーは秘密鍵を安全に交換できます。ただし、D–H 鍵交換プロトコルだけでは、認証 (つまり、通信チャネルの反対側にいる人物または「エンティティ」の実際の ID を確認する問題) には対処できません。認証は、相手が通信チャネル内のメッセージを監視および変更できる場合(中間者攻撃または MITM 攻撃) に重要であり、論文の第 4 セクションで取り上げられています。^[2]

公開鍵インフラストラクチャ(PKI) は、ID 認証の問題の回避策として提案されてきました。最も一般的な実装では、各ユーザーはすべての関係者から信頼されている「証明機関」(CA) にデジタル証明書を申請し、他のユーザーに対して改ざん不可能な ID 認証として機能します。CA 自体が侵害されない限り、インフラストラクチャは安全です。ただし、侵害された場合は、多くの PKI が証明書を失効させて他のユーザーが信頼しないようにする方法を提供します。失効した証明書は通常、証明書失効リストに入れられ、どの証明書でも照合できます。

いくつかの国やその他の管轄区域では、これらのデジタル証明書に（多かれ少なかれ）法的効力を与えることで PKI を奨励する法律を制定したり、規制を発行したりしています（デジタル署名を参照）。多くの民間企業やいくつかの政府機関が、このような証明機関を設立しています。

しかし、CA 自体の信頼性が特定の個人に対して保証されていないため、これでは問題の解決にはなりません。これは権威による議論の誤謬の一種です。実際の信頼性を得るには、証明書が CA に属していることを個人が確認し、CA への信頼を確立する必要があります。これは通常不可能です。

権威主義的な政府がいわゆる「国家CA」の設立を提案した事例が知られています。国家CAの証明書は国民のデバイスにインストールすることが義務付けられ、インストールされて信頼されると、暗号化されたインターネットトラフィックの監視、傍受、変更、ブロックに使用できるようになります。 ^{[3] [4] [5]}

このようなことに不慣れな人にとっては、これらの取り決めは「この公開鍵はこのユーザーのものです」という電子公証人の承認と考えるのが最善です。公証人の承認と同様に、このような保証には間違いや誤解が生じる可能性があります。さらに、公証人自体が信頼できない場合もあります。さまざまな認証局によるいくつかの有名な失敗が公表されています。^{[6] [7]}

概念的な範囲のもう一方の端には、中央証明機関を完全に回避する信頼のウェブシステムがあります。各ユーザーは、他のユーザーから証明書を取得してから、その証明書を使用してユーザーと通信する責任があります。PGPとGPG ( OpenPGPインターネット標準の実装)は、まさにこのような信頼のウェブ メカニズムを採用しています。

パスワード認証鍵合意アルゴリズムは、ユーザーのパスワードの知識を利用して暗号鍵交換を実行できます。

量子鍵配布は、量子物理学の特定の特性を利用してセキュリティを確保します。量子状態の観測 (または測定) により、その状態に摂動が生じるという事実に依存しています。多くのシステムでは、これらの摂動は受信機によってノイズとして検出できるため、中間者攻撃を検出できます。量子力学の正確性と完全性に加えて、プロトコルはアリスとボブの間に認証されたチャネルがあることを前提としています。

• キー（暗号化）
• キー管理
• ディフィー・ヘルマン鍵交換
• 楕円曲線ディフィー・ヘルマン
• 前方秘匿性

• 非秘密デジタル暗号化の可能性 JH Ellis、1970 年 1 月。
• 有限体を使用した非秘密暗号化 MJ Williamson、1974 年 1 月 21 日。
• より安価な非秘密暗号化に関する考察 MJ Williamson、1976 年 8 月 10 日。
• 暗号化の新しい方向性 W. Diffie および ME Hellman、IEEE Transactions on Information Theory、vol. IT-22、1976 年 11 月、pp: 644–654。
• 暗号化装置および方法Martin E. Hellman、Bailey W. Diffie、および Ralph C. Merkle、米国特許 #4,200,770、1980 年 4 月 29 日
• 公開鍵暗号の最初の 10 年間 Whitfield Diffie、Proceedings of the IEEE、vol. 76、no. 5、1988 年 5 月、pp: 560–577 (1.9MB PDF ファイル)
• Menezes, Alfred ; van Oorschot, Paul ; Vanstone, Scott ( 1997)。 応用暗号ハンドブックフロリダ州ボカラトン: CRC Press。ISBN 0-8493-8523-7。(オンラインで入手可能) 
• シン、サイモン（1999）『暗号集：スコットランド女王メアリーから量子暗号までの秘密の進化』ニューヨーク：ダブルデイISBN 0-385-49531-5カンボジア