暗号とは

暗号化のルーツは、軍関係者と政治関係者の間で機密情報を送信することにあります。メッセージを暗号化して、意図した受信者以外にはランダムなテキストに見えるようにすることができます。

現在、暗号化の元の技術は完全に破られています。それは一部の新聞のパズルのセクションでしか見られないほどです。幸い、この分野ではセキュリティが大幅に進歩しており、現在使用されているアルゴリズムは、厳密な分析と数学を利用してセキュリティを確保しています。

セキュリティが進歩するにつれて、暗号化の分野が拡大し、より広範なセキュリティ目標が含まれるようになりました。これらには、メッセージ認証、データの整合性、安全な計算などがあります。

暗号は現代社会の基盤です。これは、Secure Hypertext Transfer Protocol (HTTPS) を介した無数のインターネットアプリケーション、安全なテキストおよび音声通信、さらにはデジタル通貨の基盤です。

対称鍵暗号アルゴリズムは、平文の暗号化と暗号文の復号化の両方に同じ暗号キーを使用します。対称暗号化では、意図したすべてのメッセージ受信者が共有キーにアクセスできる必要があります。

次の図は、すべての当事者が同じキーを共有していると仮定して、暗号化と復号化が対称キーとアルゴリズムでどのように機能するかを示しています。

最初の図では、対称キーとアルゴリズムを使用して平文メッセージを暗号文に変換しています。2 番目の図では、暗号文を平文に戻すために使用する同じシークレットキーと対称アルゴリズムを示しています。                

最も一般的なブロック暗号の 1 つは、Advanced Encryption Standard (AES) です。このブロック暗号は、128、192、または 256 ビットのキーをサポートします。AES は Galois/Counter Mode (GCM) と組み合わされることが多く、AES-GCM として知られ、認証された暗号化アルゴリズムを作成します。

AES は、世界中で行われている暗号化の業界標準です。そのセキュリティは十分に理解されており、効率的なソフトウェアとハードウェアの実装を広く行えます。

RSA-OAEP のようなパブリックキーアルゴリズムは対称アルゴリズムよりも効率が悪いため、データを直接暗号化するために一般的に使用されることはありません。ただし、キー交換の手段を提供することにより、暗号化エコシステムで重要な役割を果たします。

対称暗号化を使用するには、当事者がキーを共有する必要があります。このキーは既存の暗号化されたチャネルを介して送信できますが、安全なチャネルが既にある場合は、新しいキーは必要ありません。代わりに、パブリックキー暗号を使用してキー交換の問題を解決します。

対称キーを交換するための 2 つの一般的な方法を次に示します。

• 非対称暗号化。 一方の当事者が対称キーを生成し、RSA-OAEP などのアルゴリズムを使用してそのキーを別の当事者のパブリックキーに暗号化します。受信者は、プライベートキーを使用して暗号文を復号化し、対称キーを復元できます。
• Diffie-Hellman Key Exchange – (DH)。Diffie-Hellman は、安全なチャネルがない場合に当事者が対称キーに同意できるように特別に設計された、別の種類のパブリックキー暗号化アルゴリズムです。Diffie-Hellman は、RSA 関数とは異なる数学的問題に基づいており、RSA ほど柔軟性がありません。ただし、より効率的な構造を備えているため、一部のユースケースでは推奨されます。

キー交換用のパブリックキー暗号化とバルクデータ暗号化用の対称暗号化のこの組み合わせは、ハイブリッド暗号化として知られています。

ハイブリッド暗号化は、対称暗号化の効率性を用いて信頼されていないチャネルを介して秘密情報を交換するために、パブリックキー暗号化の独自のプロパティを使用します。これにより、実用的なエンドツーエンドソリューションが実現し、データプライバシーを確保できます。

ハイブリッド暗号化は、Transport Layer Security (TLS) など、ウェブのデータ転送プロトコルで広く使用されています。HTTPS (TLS を使用したセキュアな HTTP) を使用するウェブサイトに接続すると、ブラウザは接続を保護する暗号化アルゴリズムをネゴシエートします。これらには、キー交換、対称暗号化、およびデジタル署名のアルゴリズムが含まれます。

メッセージ認証コード (MAC) は、デジタル署名の対称バージョンです。MAC では、2 者以上の当事者がキーを共有します。一方の当事者は、デジタル署名の対称バージョンである MAC タグを作成し、ドキュメントに添付します。別の当事者は、タグの作成に使用されたのと同じキーを使用して、メッセージの完全性を検証できます。

複数の当事者が MAC タグの作成に使用されるキーを共有することに注意してください。そのため、どの当事者がタグを作成したかが明確でないため、MAC を認証または否認防止に使用することはできません。

MAC は、Hash-based Message Authentication Code (HMAC) などのスタンドアロンアルゴリズムにすることができます。ただし、メッセージの整合性はほとんど常に貴重な保証であるため、AES-GCM などの対称暗号化アルゴリズムに統合されることがよくあります。

楕円曲線暗号 (ECC) は、楕円曲線の数学的理論に基づくパブリックキー暗号技術です。

ECC の最大の利点は、より小さなキーとより高速な操作で、従来の技術と同様のレベルの保護を行えることです。ECC は効率が高いため、携帯電話などの計算能力が比較的低いデバイスでの使用に適しています。

ECC は、Diffie-Hellman (ECDH) の楕円曲線バリアントを使用した効率的なキー交換、または Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) を使用したデジタル署名に使用できます。その速度と柔軟性により、ECC はインターネット上の多くのアプリケーションで広く利用されています。

過去数十年にわたって、量子コンピューティングに多額の投資が行われてきました。量子コンピュータは量子物理学を使用し、因数分解問題など、従来のコンピュータでは計算不可能な数学的問題を解くことができます。

大規模な量子コンピュータは、Rivest-Shamir-Adleman (RSA) 関数に基づく暗号システムなど、今日使用されているパブリックキー暗号システムを破ることでしょう。これらのアルゴリズムが破れると、今日使用している多くのアプリケーションやプロトコルの機密性と認証が失われることになります。

現在、小さな量子コンピュータは存在しますが、暗号アルゴリズムを破るには小さすぎます。暗号関連の量子コンピュータ (CRQC) が利用可能になるかどうか、またいつ利用可能になるかは不明です。CRQC を開発するには、重要な科学的ブレークスルーが必要です。

ポスト量子暗号 (PQC) は、現在使用しているコンピュータで実行される暗号アルゴリズムを指します。これは大規模な量子コンピュータに対して脆弱であることは知られていません。

AWS ポスト量子暗号で、耐量子暗号プロジェクトや、世界の暗号コミュニティとのワーキンググループへの AWS の研究とエンジニアリングの参加についての詳細をご覧ください。

AWS の暗号化サービスは、保管中または転送中のデータの整合性を保証できる幅広い暗号化およびストレージテクノロジーを利用しています。AWS は、暗号化操作用のツールをいくつか提供しています。

• AWS CloudHSM はハードウェアセキュリティモジュール (HSM) を提供し、ルートキーおよびデータキーを含むさまざまな暗号化キーを安全に保存できます。
• AWS Key Management Service (KMS) は、ルートキーおよびその他のデータキーを生成するためのツールを提供します。AWS KMS は、他の多くの AWS のサービスともやり取りして、サービス固有のデータを暗号化します。
• AWS Encryption SDK は、すべてのタイプのデータに対して暗号化および復号化操作を実装するためのクライアント側の暗号化ライブラリを提供します。
• Amazon DynamoDB Encryption Client は、Amazon DynamoDB などのデータベースサービスに送信する前にデータテーブルを暗号化するためのクライアント側の暗号化ライブラリを提供します。
• AWS Secrets Manager は、AWS がサポートするデータベースで使用される暗号化と暗号化されたシークレットのローテーションを提供します。

多くの AWS のサービスは、データの転送または保存中にこれらの暗号化サービスを利用しています。そのようなサービスのリストと、暗号化手法の使用方法の概要については、「AWS のその他のサービス」を参照してください。

AWS は、次のように、オープンソースの暗号化ライブラリも提供しています。

• AWS libcrypto (AWS-LC) は、AWS 暗号化チームが AWS とその顧客のために管理する汎用暗号化ライブラリを提供します。これは、Google BoringSSL プロジェクトと OpenSSL プロジェクトのコードに基づいています。AWS-LC には、TLS および一般的なアプリケーションに必要なアルゴリズムの移植可能な C 実装が含まれています。パフォーマンスが重要なアルゴリズムについては、x86 および ARM 用に最適化されたアセンブリバージョンが含まれています。
• s2n-tls は、シンプル、小型、高速で、セキュリティを優先するように設計された TLS/SSL プロトコルの実装を提供します。

Amazon サイエンスブログと AWS セキュリティブログもご覧ください。ブログでは、暗号研究の開発、ベンチマーク、およびプロトタイプ作成のために行っていることが詳述されています。暗号コンピューティング、ポスト量子暗号、検証済み暗号コードなどについて投稿しています。