共通鍵暗号（共有鍵方式）― 同じ秘密で閉じて開く

共通鍵・暗号文・nonceを分けて追い、鍵を配る難しさと認証付き暗号の役割を理解します。

共通鍵暗号：同じ秘密を持つ二人

アオイさんからボブさんへ、他人に読まれたくない資料を送ります。二人が同じ秘密の鍵Kを持っていれば、その鍵で暗号化し、対応する処理で復号できます。

これが共通鍵暗号（対称鍵暗号）です。「共有鍵方式」「秘密鍵暗号方式」と呼ばれることもあります。この教材では、公開鍵と対になる秘密鍵との混同を避けるため、共通鍵という名前を使います。NISTの用語定義

図の二つの鍵は、同じ値のコピーです。形が似ているだけの別々の鍵ではありません。

送信者は平文を暗号化してから送ります。図では「会議は10時」というカードが暗号化の箱へ入り、内容の読めない暗号文に置き換わります。

代表的な共通鍵暗号にはAESがあります。AESは128ビットのブロックを扱い、鍵長には128・192・256ビットがあります。ただし、アプリはAESという名前だけを指定すれば安全になるわけではありません。モード、nonce、改ざん検知の扱いも必要です。FIPS 197

ここで描く暗号文の文字列は説明用の記号で、実際の暗号計算の結果ではありません。

盗聴者が見られる通信路へ、暗号文を送ります。安全な方式と適切な鍵管理を前提に、暗号文だけから元の資料を読むことを難しくします。

鍵Kを平文で一緒に送ってはいけません。 箱に鍵を貼り付けると、見つけた人が箱も鍵も持ててしまいます。

一方、nonceや認証タグは通常、秘密にする必要がありません。鍵とnonceは役割が違います。図で鍵が送信者側に残り、暗号文だけが移動する点を確認してください。

ボブさんは受け取った暗号文を、あらかじめ持っている鍵Kで復号します。正しい処理に成功すれば、送る前と同じ資料が戻ります。

実務では、内容の秘匿だけでなく改ざんも検出する認証付き暗号（AEAD）を使います。AES-GCMなら、タグの検証に失敗したデータを正常な平文として受け入れません。NIST SP 800-38D

ただ暗号化することと、安全に受け入れることは別です。図では復号の出口に検証の関門を置いています。

AES-GCMでは、同じ鍵のもとでnonceを再利用すると安全性が大きく崩れます。毎回違うメッセージだから大丈夫、とは言えません。

1通目 : key = K, nonce = N1
2通目 : key = K, nonce = N2
         N1 と N2 を重複させない

これは概念図です。nonceの生成や上限管理は、選んだプロトコルと検証済みライブラリの要件に従います。自作の連番管理を複数サーバーへそのまま配ると、衝突することがあります。

「秘密の鍵」と「重複を避けるnonce」を、別々の管理対象として覚えましょう。

まだ安全な通信路がない二人が、どうやって同じ秘密の鍵を持つのでしょうか。共通鍵暗号だけでは、この最初の配布問題は解決しません。

安全な別経路で事前共有する方法もあれば、公開鍵暗号の技術を使って鍵を確立する方法もあります。後者が、ハイブリッド方式へつながります。

また、二人が同じ鍵を持つため、その鍵による認証タグだけでは、第三者に「二人のどちらが作ったか」を区別して証明できません。これは電子署名と異なる点です。JWSにおけるMACと署名

答えはいいえです。秘密の鍵を通信路へそのまま出すと、盗聴者にも解読の道具を渡してしまいます。

共通鍵暗号は、大量のデータを効率よく保護する役を担います。その強さは、鍵の秘密を守ること、正しい方式を使うこと、nonceなどの要件を守ることに支えられます。

次に公開鍵暗号を見るときは、「共通鍵を安全に使い始めるには」という問いを持って進んでください。二つの方式を組み合わせる理由が見えてきます。