暗号技術の基礎を学ぼう：AES, RSAとデジタル署名

初めに

現代のインターネット社会では、暗号技術があらゆる場面で活躍しています。例えば、オンラインショッピングやメッセージアプリで、データを安全にやり取りするために使われています。このページでは、対称暗号や公開鍵暗号の仕組み、デジタル署名や証明書がどのように役立つかを、初心者にもわかりやすく解説します！

暗号化とは？

暗号化は、データ（平文）を第三者に読めない形式（暗号文）に変換する技術です。暗号化されたデータは、鍵を使うことで元のデータに戻せます。これにより、情報を安全に保つことができます。

対称暗号と公開鍵暗号の仕組み

対称暗号とは？

対称暗号は、暗号化と復号に同じ鍵を使う暗号方式です。

例：秘密の日記を共有する

状況：あなたと友達が、他人に見られたくない秘密の日記をやり取りする。
鍵：暗号化と復号に使う同じパスワード「1234」を事前に共有。
流れ：
1. あなたは日記の内容を「1234」を使って暗号化して送信。
  - 平文：「今日は楽しい日だった。」
  - 暗号文：「s8F3&*@!a3」← 鍵「1234」を使って変換。
2. 友達は受け取った暗号文を、同じパスワード「1234」で復号して読む。
  - 暗号文：「s8F3&*@!a3」
  - 平文：「今日は楽しい日だった。」

対称暗号の特徴

高速で暗号化・復号ができる。
鍵を安全に共有する必要がある（鍵の管理が課題）。

代表的な対称暗号

AES（Advanced Encryption Standard）
非常に強力で効率的な暗号方式。銀行や政府機関でも使われています。

AESの仕組み（簡単に）

データを128ビットずつ分割します。
特定のアルゴリズムでデータを何度も変換します。
変換後のデータが暗号文となります。

公開鍵暗号とは？

公開鍵暗号は、暗号化と復号に異なる鍵を使う暗号方式です。

鍵の種類：

公開鍵（Public Key）：誰でも使える鍵。
秘密鍵（Private Key）：本人だけが持つ鍵。

公開鍵で暗号化したデータは、対応する秘密鍵でしか復号できません。

例：オンラインショッピングでの注文情報の送信

状況：ネットショップにクレジットカード情報を送信する。
鍵：
- 公開鍵：ネットショップが公開している暗号化用の鍵（誰でも入手可能）。
- 秘密鍵：ネットショップだけが持っている復号用の鍵。
流れ：
1. あなたがネットショップの公開鍵を使ってクレジットカード情報を暗号化。
  - 平文：「カード番号1234-5678-9012」
  - 暗号文：「&hG34*@dA」← 公開鍵を使って変換。
2. 暗号化されたデータをネットショップに送信。
3. ネットショップは自分だけが持つ秘密鍵を使って復号し、クレジットカード情報を取得。
  - 暗号文：「&hG34*@dA」
  - 平文：「カード番号1234-5678-9012」

公開鍵暗号の特徴

鍵の共有が安全（公開鍵は誰にでも渡せる）。
処理が遅い（対称暗号より複雑な計算が必要）。

代表的な公開鍵暗号

RSA（Rivest-Shamir-Adleman）
大きな素数を使うことで、高いセキュリティを実現。

RSAの仕組み（簡単に）

非常に大きな2つの素数を掛け合わせて公開鍵と秘密鍵を生成。
公開鍵で暗号化したデータは秘密鍵で復号可能。

デジタル署名とは？

デジタル署名は、データの改ざん防止と送信者の証明を目的とした技術です。

例：紙の契約書に署名する感覚。

デジタル署名の仕組み

データからハッシュ値を生成（データの指紋のようなもの）。
そのハッシュ値を送信者の秘密鍵で暗号化（署名の作成）。
受信者は送信者の公開鍵で復号し、元データと一致するか確認。

用途：

メールやファイルが改ざんされていないことを証明。
送信者が正しい人物であることを保証。

例：大学教授が成績証明書を発行する

状況：あなたが就職活動のために大学の成績証明書を提出する。
署名に使う鍵：
- 秘密鍵：教授が持つ署名用の鍵。
- 公開鍵：誰でも使える検証用の鍵（会社が使う）。
流れ：
1. 大学教授が成績証明書（データ）のハッシュ値を計算。
  - ハッシュ値：「abc123」← 成績証明書を要約したデータ。
2. 教授が自分の秘密鍵でハッシュ値を暗号化して署名を作成。
  - デジタル署名：「7Fg*&12」← ハッシュ値「abc123」を暗号化。
3. あなたが会社に証明書を提出。
4. 会社が教授の公開鍵を使って署名を復号し、元のハッシュ値と比較。
  - デジタル署名：「7Fg*&12」→ 復号後のハッシュ値：「abc123」
  - 元の成績証明書から計算したハッシュ値：「abc123」
5. 両方が一致することで、証明書が改ざんされていないことを確認。

証明書の役割

デジタル証明書とは？

デジタル証明書は、特定の公開鍵が信頼できるものであることを保証するものです。第三者機関（認証局：CA）が発行します。

証明書の仕組み

認証局（CA）が公開鍵と所有者情報を結び付けた証明書を発行。
証明書が有効であることを受信者が確認。

証明書の用途

ウェブサイトのSSL/TLS通信（HTTPS）
ブラウザが証明書を確認して、サイトが正当であることを保証。

例：公式身分証明書を使っての本人確認

状況：銀行口座を開設するため、身分証明書を提出。
証明の流れ：
1. 銀行はあなたの身分証明書（デジタル証明書）を確認。
2. 身分証明書は政府の認証局（CA）が発行したもの。
  - 証明書の内容：「この公開鍵は○○さんのものです」と記載。
3. 銀行は政府が発行した証明書を信頼しているため、あなたが本人であることを確認。

ウェブサイトでの例（HTTPS）

ブラウザがウェブサイト（例：https://example.com）にアクセス。
サイトは自分のデジタル証明書をブラウザに送信。
ブラウザは認証局（CA）がその証明書を発行していることを確認。
サイトが信頼できると判断し、安全な通信を開始。

まとめ

技術	特徴
対称暗号（AES）	暗号化と復号に同じ鍵を使う。高速だが鍵の管理が課題。
公開鍵暗号（RSA）	公開鍵と秘密鍵を使い分ける。安全だが処理が遅い。
デジタル署名	データの改ざん防止と送信者の証明。秘密鍵で署名し、公開鍵で検証する。
デジタル証明書	公開鍵が信頼できることを保証する。認証局が発行。

暗号技術は私たちのオンライン生活を支える重要な要素です。これらの仕組みを理解し、データを安全に守る方法を学びましょう！