AES（Advanced Encryption Standard）は、米国政府標準技術研究所（NIST）が2001年に定めた共通鍵暗号アルゴリズムである。
その高い安全性と処理速度から、無線LANやSSL通信、ファイル暗号化など、現代社会の様々な場面で広く利用されている。
AESの仕組み
AESは、Rijndaelと呼ばれる暗号化アルゴリズムを基盤としている。Rijndaelは、ベルギーの数学者であるVincent RijmenとJoan Daemenによって開発された。AESは、Rijndaelの128ビット、192ビット、256ビットの3つの鍵長バージョンを標準としている。
AESは、ブロック暗号と呼ばれる種類の暗号化アルゴリズムである。ブロック暗号とは、データを固定長のブロックに分割し、それぞれ個別に暗号化処理を行う方式である。AESの場合、ブロックサイズは128ビットである。
AESの暗号化処理は、置換と置換と呼ばれる2つの基本操作を繰り返すことで行われる。置換は、データの各バイトを別のバイトに置き換える操作である。置換は、Sボックスと呼ばれるテーブルを使用して行われる。Sボックスは、非線形な変換を行うために使用される。
置換の後には、置換と呼ばれる操作が行われる。置換は、データのブロック全体をシフトさせる操作である。置換は、シフト行とシフト列と呼ばれる2つの操作を組み合わせて行われる。
これらの基本操作をラウンドと呼ばれる単位で繰り返し、最終的に元のデータとは全く異なる暗号化されたデータを得る。AESの標準仕様では、128ビット鍵の場合、9ラウンド、192ビット鍵の場合、11ラウンド、256ビット鍵の場合、13ラウンドの処理を行う。
置換
置換は、AESの暗号化処理において最も重要な操作の一つである。置換は、Sボックスと呼ばれるテーブルを使用して行われる。Sボックスは、4×16の行列で構成されており、各セルには0から255までの値が入っている。
暗号化処理を行う際、まずデータの各バイトをSボックスのインデックスとして使用する。そして、Sボックスの対応するセルに格納されている値を、暗号化されたデータのバイトとして使用する。
Sボックスは、非線形な変換を行うために使用される。非線形な変換とは、入力と出力の関係が直線的ではない変換である。非線形な変換を使用することで、攻撃者が暗号の仕組みを理解することを困難にする。
シフト行とシフト列のシフト量は、ラウンド数によって異なる。ラウンド数が大きくなるにつれて、シフト量も大きくなる。
置換は、データのブロック全体をランダムに混ぜるような効果を持つ。この効果により、攻撃者が暗号化されたデータの構造を分析することを困難にする。
ラウンド
AESの暗号化処理は、ラウンドと呼ばれる単位で繰り返される。ラウンド数は、鍵長によって異なる。128ビット鍵の場合、9ラウンド、192ビット鍵の場合、11ラウンド、256ビット鍵の場合、13ラウンドの処理を行う。
各ラウンドでは、置換と置換の操作が順番に行われる。そして、最後にラウンド鍵と呼ばれる値を暗号化されたデータに排他的論理和(XOR)する。
ラウンド鍵は、鍵スケジュールと呼ばれるアルゴリズムによって生成される。鍵スケジュールは、暗号鍵を元に、各ラウンドで使用されるラウンド鍵を生成するアルゴリズムである。
ラウンド鍵を使用することで、各ラウンドの暗号化処理が互いに独立する。この効果により、攻撃者が暗号の仕組みを理解することをさらに困難にする。
AESの安全性
AESは、その高い安全性で知られている。これまで、AESを解読できる攻撃方法は発見されていない。AESの安全性は、数学的な証明と、世界中の暗号専門家による徹底的な分析によって検証されている。
数学的な証明
AESの安全性は、数学的な証明によって保証されている。具体的には、ブロック暗号の置換攻撃に対する抵抗性と置換攻撃に対する抵抗性という2つの定理によって証明されている。
ブロック暗号の置換攻撃に対する抵抗性定理は、AESが置換攻撃と呼ばれる攻撃に対して安全であることを証明している。置換攻撃は、暗号化されたデータの一部を別のデータに置き換えて、暗号を解読しようとする攻撃である。
置換攻撃に対する抵抗性定理は、AESが置換攻撃と呼ばれる攻撃に対して安全であることを証明している。置換攻撃は、暗号化アルゴリズムの内部構造を分析して、暗号を解読しようとする攻撃である。
徹底的な分析
AESは、世界中の暗号専門家によって徹底的な分析を受けている。この分析により、AESに潜在的な脆弱性がないかどうかが検証されている。
具体的には、暗号コンペティションや論文発表などの様々な方法で、AESの安全性に関する研究が行われている。
暗号コンペティションは、世界中の暗号専門家がAESを攻撃する競争である。この競争では、これまでAESを解読できる攻撃方法は発見されていない。
論文発表は、暗号専門家がAESに関する研究成果を発表する場である。これらの論文発表により、AESの安全性に関する理解が深まっている。
鍵長の大きさ
AESの安全性は、鍵長の大きさによって異なる。AESは、128ビット、192ビット、256ビットの3つの鍵長バージョンを標準としている。鍵長が長ければ長いほど、攻撃者が暗号を解読する難易度が高くなる。
具体的には、128ビット鍵の場合、2128回の計算が必要と推定されている。これは、現在のコンピュータ技術では実質的に不可能な計算量である。
192ビット鍵の場合、2192回の計算が必要と推定されている。128ビット鍵よりもさらに安全であるが、それでも実用的な計算量ではない。
256ビット鍵の場合、2256回の計算が必要と推定されている。現時点では最も安全と考えられている鍵長であるが、将来的には破られる可能性も否定できない。
AESの利用例
AESは、その高い安全性と処理速度から、様々な場面で利用されている。主な利用例は以下の通りである。
無線LAN
無線LANは、電波を使用して通信を行うため、盗聴されやすいという弱点がある。AESは、この弱点に対処するために使用される。具体的には、WPA2-AESと呼ばれる暗号化方式で使用される。WPA2-AESは、AES128ビット鍵を使用して、無線LAN通信を暗号化する。
WPA2-AESは、現在最も広く使用されている無線LAN暗号化方式である。その高い安全性と、比較的処理速度が速いことから、家庭やオフィスなど、様々な場所で利用されている。
SSL通信
SSL通信は、インターネット上の通信を暗号化して、情報漏洩を防ぐための技術である。具体的には、HTTPSと呼ばれる通信プロトコルで使用される。HTTPSは、Webサイトとクライアント間の通信を暗号化し、盗聴や改ざんを防ぐ。
近年、インターネット上での情報漏洩事件が頻発していることから、SSL通信の利用がますます重要になっている。AESは、SSL通信において最も安全性の高い暗号化アルゴリズムの一つとして、広く利用されている。
ファイル暗号化
ファイル暗号化は、機密性の高いファイルを、不正アクセスから守るための技術である。具体的には、TrueCryptやBitLockerなどの暗号化ソフトを使用して、ファイルやフォルダを暗号化する。
ファイル暗号化は、パソコンやUSBメモリなどのストレージデバイスに保存されているファイルを暗号化する。これにより、たとえデバイスが盗難や紛失に遭っても、データが漏洩する心配がない。
近年、個人情報や企業情報などの機密情報がデジタル化されていることから、ファイル暗号化の需要がますます高まっている。AESは、ファイル暗号化において最も安全性の高い暗号化アルゴリズムの一つとして、広く利用されている。
ハードディスク暗号化
ハードディスク暗号化は、パソコン全体を暗号化して、盗難や紛失時の情報漏洩を防ぐための技術である。具体的には、BitLockerなどの暗号化ソフトを使用して、ハードディスク全体を暗号化する。
ハードディスク暗号化は、パソコン本体だけでなく、内蔵されているハードディスクも暗号化する。これにより、たとえパソコンが盗難や紛失に遭っても、データが漏洩する心配がない。
近年、ノートパソコンやモバイル端末の利用が普及していることから、ハードディスク暗号化の需要がますます高まっている。AESは、ハードディスク暗号化において最も安全性の高い暗号化アルゴリズムの一つとして、広く利用されている。
その他
上記以外にも、AESは様々な場面で利用されている。例えば、音声暗号化、映像暗号化、IoT機器のセキュリティなど、幅広い分野で利用されている。
AESは、今後も進化し続ける技術である。今後も、AESの研究開発が進められ、より安全で使いやすい暗号化技術が開発されることが期待される。
AESとRSAの違い
AESとRSAは、どちらも広く利用されている暗号化アルゴリズムであるが、以下の違いがある。
| 項目 | AES | RSA |
|---|---|---|
| 鍵の種類 | 共通鍵 | 公開鍵 |
| 処理速度 | 速い | 遅い |
| 安全性 | 対称性 | 非対称性 |
| 用途 | 大量のデータ暗号化 | デジタル署名、認証 |
共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式
最も大きな違いは、鍵の使用方法である。AESは共通鍵暗号方式であり、RSAは公開鍵暗号方式である。
共通鍵暗号方式では、暗号化と復号に同じ鍵を使用する。この鍵は、通信相手双方に秘密に共有する必要がある。一方、公開鍵暗号方式では、暗号化には公開鍵と呼ばれる鍵を使用し、復号には秘密鍵と呼ばれる別の鍵を使用する。公開鍵は広く公開することができ、秘密鍵は各個人が秘密に保持する。
処理速度
AESは、RSAよりも処理速度が速い。これは、AESが共通鍵暗号方式であるため、暗号化と復号に同じ鍵を使用できるためである。一方、RSAは公開鍵暗号方式であるため、暗号化と復号に異なる鍵を使用する必要がある。そのため、RSAはAESよりも処理速度が遅くなる。
安全性
AESとRSAは、それぞれ異なる種類の安全性を持つ。AESは、対称性暗号と呼ばれる種類の暗号化アルゴリズムであり、攻撃者が暗号化されたデータの一部を別のデータに置き換えても、元のデータに戻せないという性質を持つ。一方、RSAは、非対称性暗号と呼ばれる種類の暗号化アルゴリズムであり、大規模な素因数分解を必要とするという性質を持つ。
対称性暗号は、計算機能力の向上に伴い、将来的に破られる可能性がある。一方、非対称性暗号は、大規模な素因数分解が困難であると考えられているため、より高い安全性を持つと考えられている。
用途
AESとRSAは、それぞれ異なる用途に適している。AESは、処理速度が速いため、無線LANやSSL通信など、大量のデータを暗号化する必要がある場合に適している。一方、RSAは、公開鍵暗号方式であるため、デジタル署名や認証など、鍵を共有できない場合に適している。
まとめ
AESは、現代社会の安全を守るために不可欠な暗号化技術である。その高い安全性と処理速度から、様々な場面で広く利用されている。今後は、IoT機器の増加や、クラウドサービスの普及に伴い、AESの利用はさらに拡大していくことが予想される。
AESとRSAは、それぞれ異なる特徴を持つ暗号化アルゴリズムである。用途や目的に応じて、適切なアルゴリズムを選択することが重要である。