暗号学.

暗号学は、データや通信を盗聴・改ざん・なりすましから守るアルゴリズムを設計・解析する学問分野です。現代暗号は数論・代数・確率・計算量理論を融合し、ブロック暗号、ストリーム暗号、公開鍵方式、ハッシュ関数、メッセージ認証コード、デジタル署名などの基本構成要素を提供します。

隠蔽ではなく仮定に基づく安全

基礎となる原則がケルクホフスの原理です。鍵以外のすべてが公開されても、システムは安全であり続けなければなりません。したがって安全性は形式モデルで評価され——機密性には IND-CPA、署名の偽造不可能性には EUF-CMA——整数の素因数分解(RSA)、離散対数(Diffie-Hellman、ECC)、誤り付き学習(格子方式)などの困難な数学的問題に帰着されます。NIST、ISO、IETF は十分に検証されたアルゴリズムを公開しており、独自実装の暗号は重大かつ専門家でなければ見抜けない欠陥を含むため強く避けるべきとされます。

なぜ粗悪な暗号は失敗し続けるのか

現実の攻撃の多くは、中核の数学ではなく実装を狙います。nonce の再利用、予測可能な IV、パディングオラクル(TLS に対する POODLE や Lucky-13 攻撃など)、脆弱な乱数、タイミングサイドチャネルなどです。このため実務家は認証付き暗号(AES-GCM、ChaCha20-Poly1305)と定数時間ライブラリを好みます。

ポスト量子への移行

十分に大規模な量子コンピュータが Shor のアルゴリズムを実行すれば、RSA と楕円曲線暗号は破られます。2024 年 8 月、NIST は最初のポスト量子標準を公開しました。鍵カプセル化の FIPS 203(ML-KEM、CRYSTALS-Kyber 由来)、署名の FIPS 204(ML-DSA、Dilithium 由来)および FIPS 205(SLH-DSA、SPHINCS+ 由来)です。各組織は現在、「クリプトアジリティ」と、古典+PQC のハイブリッド展開を進め、「今収集し、後で復号する」攻撃への耐性を高めています。

flowchart TD
  A[暗号学] --> B[共通鍵<br/>共有鍵]
  A --> C[公開鍵<br/>公開鍵/秘密鍵]
  A --> D[鍵なしプリミティブ]
  B --> B1[ブロック暗号<br/>AES]
  B --> B2[ストリーム暗号<br/>ChaCha20]
  B --> B3[AEAD + MAC<br/>GCM, Poly1305]
  C --> C1[鍵交換<br/>ECDH, ML-KEM]
  C --> C2[署名<br/>ECDSA, ML-DSA]
  D --> D1[ハッシュ関数<br/>SHA-2, SHA-3]
  B1 --> E[機密性]
  B3 --> F[完全性+真正性]
  C2 --> G[真正性+否認防止]