暗号の道具箱 — 共通鍵・公開鍵・ハッシュ・署名

4 つの道具を「何を解決するか」で並べる

第 1 章で、TLS は 3 つの保証（機密性・完全性・真正性）の組み合わせだと確認しました。この章では、それを実現する 4 つの道具を開けていきます。暗号の教科書は道具の「仕組み」から入りがちですが、この講座では一貫して「その道具がない世界では何に困るか」から入ります。

共通鍵暗号 — 速いが、鍵をどう渡すか

共通鍵暗号（AES など）は、同じ鍵で暗号化と復号を行います。非常に高速で、大量の通信本文を守るのに向いています。TLS で実際にあなたのデータを暗号化しているのは、ほぼこの共通鍵暗号です。

弱点は 1 つ — その鍵を、相手にどうやって安全に渡すか。鍵をメールで送れば盗聴され、盗聴されない経路があるならそもそも暗号は要りません。これが鍵配送問題です。さらに、通信したいペアの数だけ鍵が必要なので、人数が増えると鍵の本数は 2 乗のペースで増えます。

公開鍵暗号 — 鍵を「開ける鍵」と「閉める鍵」に分ける

公開鍵暗号は、対になる 2 つの鍵 — 公開鍵と秘密鍵 — を使います。公開鍵で暗号化したものは、対になる秘密鍵でしか復号できません。

これで鍵配送問題が変わります。各自が「南京錠」を公開しておくだけで、誰とでも秘密の通信を始められる — 事前に秘密を共有する必要がなくなりました。ただし公開鍵暗号は共通鍵暗号より桁違いに遅いため、本文を全部これで暗号化するのは現実的ではありません。

TLS の答え = ハイブリッド方式: 公開鍵の技術で「共通鍵」を安全に共有し（第 3 章の鍵合意）、本文は高速な共通鍵暗号で守る。遅い道具は最初の一瞬だけ、速い道具を本番に使う分業です。

ハッシュ — 内容の「指紋」を取る

ハッシュ関数（SHA-256 など）は、どんな長さの入力からも固定長の値（ハッシュ値）を作る一方向の関数です。次の 3 つの性質がそろって、はじめて「指紋」として使えます。

• 同じ入力 → 必ず同じ出力。照合に使える
• 1 ビットでも違う入力 → まったく違う出力。わずかな改ざんでも指紋が一致しなくなる
• 出力から入力を逆算できない。指紋から本体は復元できない

ただし、ハッシュ値をデータと一緒に送るだけでは改ざん検知になりません。途中の攻撃者が本文を書き換え、ハッシュ値も計算し直して差し替えればよいからです。そこで実際の通信では、ハッシュに鍵を混ぜ込みます。鍵を知る者にしか正しい値を作れない指紋 — これが MAC（メッセージ認証コード）で、TLS では暗号化と改ざん検知を一体で行う認証付き暗号（AEAD）という形で使われています（第 5 章で再登場します）。

デジタル署名 — 「本人が作った」ことの証明

公開鍵暗号の鍵ペアは、逆向きにも使えます。秘密鍵で署名を作り、公開鍵で検証する — 秘密鍵は本人しか持っていないので、検証に成功すれば「この内容は秘密鍵の持ち主が確かに承認したもので、その後変わっていない」と言えます。

署名は、この講座の後半を支える道具です。第 4 章の証明書は「CA がドメインの持ち主の公開鍵に署名したもの」であり、第 5 章のハンドシェイクではサーバが「秘密鍵を本当に持っていること」を署名で証明します。

この章で持ち帰ること

• 共通鍵暗号は速いが鍵配送問題を抱える。n 人の総当たりで鍵は n(n−1)/2 本
• 公開鍵暗号は鍵配送問題を解くが遅い。TLS は両者のハイブリッドで分業する
• ハッシュは一方向の指紋。鍵を混ぜた MAC / AEAD ではじめて改ざん検知になる
• 署名は秘密鍵で作り公開鍵で検証。暗号化と鍵の向きが逆

次章では、「会ったことのない相手と共通鍵を作る」を実際に手計算します。公開鍵の技術が魔法ではないことを、自分の手で確かめてください。