共通鍵暗号方式とは？仕組み、代表的なアルゴリズム、メリット・デメリットを徹底解説

IT用語

インターネット上のデータ保護において、最も古くから使われ、かつ現在も現役で活躍しているのが「共通鍵暗号方式」です。前回の「公開鍵暗号方式」が「2つの異なる鍵」を使うのに対し、共通鍵暗号方式は「1つの同じ鍵」を使って暗号化と復号を行います。

非常にシンプルで高速なこの方式について、その具体的な仕組みから、現代の標準である「AES」などのアルゴリズム、そして実務で直面する「鍵配布問題」まで、詳しく解説していきます。

共通鍵暗号方式の基本コンセプト

共通鍵暗号方式は、データの送信者と受信者が「あらかじめ共有している秘密の鍵」を使って通信を行う仕組みです。

現実世界に例えるなら、「一つの南京錠に対して、同じ形の合鍵を2人で持っている状態」です。

  1. 送信者がメッセージを箱に入れ、手持ちの鍵で南京錠をかける。
  2. 南京錠がかかった箱を受信者に送る。
  3. 受信者は、自分が持っている（送信者と同じ）鍵で南京錠を開けて中身を取り出す。

このように、暗号化と復号に全く同じデータ（鍵）を使用することから「対称暗号」とも呼ばれます。

共通鍵方式の大きなメリット：圧倒的な「スピード」

共通鍵暗号方式の最大にして最強のメリットは、処理速度が非常に速いことです。

公開鍵暗号方式が巨大な素数を用いた複雑な数学演算（累乗計算など）を必要とするのに対し、共通鍵方式はデータのビット列を入れ替えたり、特定の数値を加えたりといった「比較的単純な計算」を繰り返すことで暗号化を行います。

そのため、大容量のファイルを転送したり、リアルタイムの通信（動画ストリーミングなど）を保護したりする場面では、共通鍵方式が欠かせません。この「高速性」ゆえに、「SSL/TLS」のメイン通信部分でも共通鍵方式が採用されています。

最大の弱点：鍵配布問題

共通鍵暗号方式には、運用上の致命的な弱点があります。それが「鍵配布問題」です。

「同じ鍵を使う」ということは、通信を始める前に、何らかの方法で相手に鍵を渡さなければなりません。しかし、もしその鍵を渡す過程で第三者に盗まれてしまったら、その後の暗号通信はすべて筒抜けになってしまいます。

  • インターネットを通じて鍵を送るのは危険。
  • かといって、世界中の通信相手に物理的な手渡しで鍵を届けるのは現実的ではない。

この矛盾を解決するために、「認証局（CA）」が発行する証明書などを利用した、公開鍵暗号方式との組み合わせ（ハイブリッド方式）が考案されました。

代表的なアルゴリズムの変遷

共通鍵暗号には、計算のルール（アルゴリズム）がいくつか存在します。試験や実務で目にする主要なものを整理します。

AES（Advanced Encryption Standard）

現在、世界標準として使われている最も重要なアルゴリズムです。 アメリカ政府が公募し、厳格な審査を経て採用されました。鍵の長さは128ビット、192ビット、256ビットから選ぶことができ、現在のコンピュータ性能では事実上、解読は不可能とされています。実務で「暗号化方式を何にするか」と聞かれたら、まず第一候補になるのがこのAESです。

DES / 3DES（データ暗号化標準）

かつての世界標準でしたが、計算能力の向上により、現在では短時間で解読されるリスクがあります。DESを3回繰り返す「3DES（トリプルデス）」という暫定的な対策もありましたが、現在はAESへの移行が強く推奨されています。

暗号化の仕組み：ブロック暗号とストリーム暗号

共通鍵暗号は、データの処理方法によってさらに2つのタイプに分けられます。

  1. ブロック暗号： データを一定のサイズ（例：128ビット）の「ブロック」に分割し、ブロックごとに暗号化する方式。AESはこのタイプです。非常に高い安全性を持ちます。
  2. ストリーム暗号： データを1ビットや1バイト単位で、流れるように順次暗号化していく方式。リアルタイム性が高く、通信遅延が許されない場面で有利です。

なお、データが改ざんされていないかを高速に確認するために、暗号化と併せて「ハッシュ関数」が併用されることも一般的です。

実務と試験（FE/AP）での注目ポイント

ITエンジニアが押さえておくべき実務・試験知識をまとめます。

  • 鍵の管理： 共通鍵方式では、通信相手ごとに異なる鍵を用意する必要があります。もし相手が100人いれば、100本の鍵を管理しなければなりません。これは、不特定多数とのやり取りにおいて管理コストが高くなる要因です。
  • 初期化ベクトル（IV）： 同じメッセージを同じ鍵で暗号化したときに、常に同じ暗号文にならないようにするための「使い捨ての数値」です。これにより、パターンの解析による解読を防いでいます。
  • パディング： ブロック暗号において、最後のデータが規定のブロックサイズに足りない場合に、ダミーデータを詰め込む処理のことです。

まとめ

共通鍵暗号方式は、そのスピードと効率性から、現代のセキュリティインフラの「実務部隊」として働いています。

  • 1つの同じ鍵で暗号化と復号を行う。
  • 公開鍵方式に比べて処理が圧倒的に速い。
  • 弱点である鍵配布問題は、公開鍵方式と組み合わせることで克服している。

「安全な鍵の受け渡しは公開鍵方式で、その後の大量データのやり取りは共通鍵方式で」というリレー形式（ハイブリッド方式）こそが、私たちが毎日安全にインターネットを利用できている最大の功労者なのです。

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