IPA 暗号方式・ハッシュ — 頻出論点と過去問

頻出論点

1. この分野は何か

データを読めないように秘匿する共通鍵暗号・公開鍵暗号や、改ざんに気づくためのハッシュ関数・メッセージ認証符号（MAC）など、暗号アルゴリズムの性質と安全性の評価基準を扱います。目的に応じた鍵の使い分けや必要鍵数の計算、ブロック暗号の利用モード、量子コンピュータ時代の暗号方式までを区別できるようになります。

2. 実際の出題のされ方

共通鍵暗号と公開鍵暗号の基本的な仕組みや鍵の使い分けは、ITパスポートで問われます。両方式の特徴比較（鍵の同一性、鍵配送の難易、処理速度の速さ）、公開鍵と秘密鍵のどれを使って暗号化・復号できるかの判定、共通鍵を受信者の公開鍵で包んで送るハイブリッド暗号方式の手順、同じ入力には常に同じ出力を返し逆算ができないハッシュ関数の基本性質が出題されています。

鍵数の計算や代表的な暗号方式・評価リストは、応用情報技術者の午前と高度試験の午前Iから出題されています。具体的には、$n$人が相互に暗号通信を行う際に必要な鍵の総数の計算、ハッシュ関数の原像計算困難性（一方向性）、RSAより短い鍵長で同等の安全性を実現する楕円曲線暗号、CRYPTREC暗号リストを構成する3つのリストの定義が問われています。

暗号規格の細部や利用モード、安全性の根拠、次世代の暗号技術は、高度試験の午前IIで問われます。AESの仕様（ブロック長128ビット固定、鍵長128・192・256ビットから選択し鍵長で段数が決まること）、データ暗号化鍵を別の鍵で暗号化するエンベロープ暗号化、ブロックチェーンが直前のトランザクションデータの正当性検証と改ざん検出にハッシュ関数を用いること、CRYPTRECの役割が出題されています。ブロック暗号のCTRモードの動作、ハッシュ関数の衝突発見困難性の定義、SHA-512に基づく計算で得た512ビットを256ビットに切り詰めるSHA-512/256、共通鍵で生成するMACの検証可能範囲、鍵漏えい時も過去の暗号文が解読されない前方秘匿性（Forward Secrecy）も問われています。さらに、情報理論的安全に基づくワンタイムパッド、量子通信路で乱数列を共有する量子暗号、量子コンピュータによる攻撃に対しても従来のコンピュータ上で安全性を確保できるPQC（耐量子計算機暗号）が出題されています。

3. 学習のポイント

• 共通鍵暗号と公開鍵暗号の比較と鍵数計算: 共通鍵暗号（AESなど）は暗号化と復号に同じ鍵を使い処理が高速で、$n$人が相互通信する際の必要鍵数は $\frac{n(n-1)}{2}$ 個です（例えば $10$ 人なら $45$ 個）。公開鍵暗号（RSA、ElGamal暗号、楕円曲線暗号）は受信者の公開鍵で暗号化し受信者の秘密鍵で復号する仕組みで、1人1組（2個）の鍵を持つため必要鍵数は $2n$ 個となります。
• ハッシュ関数の3つの困難性とMAC: あるハッシュ値から元のメッセージを逆算しがたい性質を原像計算困難性（一方向性）、あるメッセージと同じハッシュ値をもつ別のメッセージを見つけがたい性質を第二原像計算困難性、同じハッシュ値となる任意の2つのメッセージの組を見つけがたい性質を衝突発見困難性と呼びます。また、MACは送受信者だけが知る共通鍵とメッセージから生成するため、受信者は完全性と真正性を確認できますが、共通鍵を持たない第三者は検証できません。
• CTRモード・前方秘匿性・量子関連暗号: CTRモードはカウンタ値から生成した鍵ストリームとブロックの排他的論理和をとるため、パディングが不要で暗号化・復号とも並列処理でき、1ビットの誤りは同じ位置の1ビットにしか影響しません。また、物理的な量子通信路で共有した乱数列を使い捨て鍵（ワンタイムパッド）にする量子暗号と、計算量的安全性に基づき従来のコンピュータ上で量子コンピュータの解読に耐えるPQCを明確に区別します。
• CRYPTREC暗号リストの3分類: 利用実績や普及見込みがあり利用を推奨する電子政府推奨暗号リスト、安全性と実装性能が確認され将来推奨リストに載る可能性がある推奨候補暗号リスト、互換性維持目的に限って継続利用を容認する運用監視暗号リストの3段階を押さえます。

4. 間違えやすいところ

• アルゴリズムの分類と根拠問題の取り違え: 楕円曲線暗号については、AESに代わる共通鍵暗号方式としたり、素因数分解問題の困難性を利用しているとしたり、総当たりによる解読が不可能なことが数学的に証明されているとしたりする誤答肢があります。素因数分解を根拠にするのはRSA暗号、総当たりでも解読できないことが証明されているのはワンタイムパッドです。楕円曲線暗号は楕円曲線上の離散対数問題の困難性に基づく公開鍵暗号で、TLSやデジタル署名にも使われます。
• MACとデジタル署名の検証者の混同: 受信者が第三者へメッセージを転送した場面で、MACを用いると第三者が送信者の真正性を確認できるとしたり、MACは公開鍵を用いて生成するとしたりするひっかけに注意します。第三者が真正性を確認できるのは公開鍵暗号を用いたデジタル署名です。
• PQC・量子暗号・CRYPTRECリストのひっかけ: PQCを、量子コンピュータで暗号化を高速化する技術や、量子コンピュータで素因数分解を行う解読技術とする選択肢は誤りです。また、CRYPTREC暗号リストの問題では、電子政府推奨暗号リストを互換性維持目的に限ったリストとしたり、運用監視暗号リストを運用監視システムでの利用を推奨するリストとしたりして説明を入れ替える誤答肢にも気をつけます。