対称鍵暗号とは？情報セキュリティにおける基本概念と4つの動作モードを解説

対称鍵暗号の基本概念

対称鍵暗号（共通鍵暗号）とは、メッセージの暗号化と復号に同一の鍵を使用する暗号方式です。このデータ符号化の手法は、過去数十年にわたって政府機関や軍事組織間の秘密通信を実現する手段として広く活用されてきました。

対称鍵暗号は、「共有鍵暗号」「秘密鍵暗号」「単一鍵暗号」「ワンキー暗号」「プライベートキー暗号」など、さまざまな名称で呼ばれることもあります。この方式では、送信者と受信者の双方が同じ鍵を共有している必要があります。そのため、このアプローチにおける最大の課題は鍵の安全な配布（鍵配送問題）だと言えます。

ストリーム暗号とブロック暗号の違い

対称鍵暗号方式は、一般的に「ストリーム暗号」と「ブロック暗号」の2種類に分類されます。

ストリーム暗号は、1ビット（バイトやコンピュータワード）単位でデータを処理し、フィードバック構造を採用することで鍵が絶えず変化する仕組みを持っています。

一方、ブロック暗号は、その名の通り一度に1ブロックのデータを暗号化し、各ブロックに同じ鍵を使用します。一般に、ブロック暗号では同じ平文ブロックは同じ鍵を使えば常に同じ暗号文ブロックへ変換されますが、ストリーム暗号では同じ平文でも異なる暗号文に変換される点が大きな特徴です。

ブロック暗号の4つの動作モード

ブロック暗号は、以下の複数のモードのいずれかで動作します。

ECBモード（Electronic Codebook：電子符号表）

最もシンプルな適用方法で、共有鍵を使用して平文ブロックを暗号化し、暗号文ブロックを作成します。同一の平文ブロックは常に同じ暗号文ブロックを生成します。かつては最も広く利用されていたモードですが、ブルートフォース攻撃（総当たり攻撃）に対して脆弱であるという重大な欠点があります。

CBCモード（Cipher Block Chaining：暗号ブロック連鎖）

暗号方式にフィードバック構造を導入したモードです。CBCでは、平文を暗号化する前に、直前の暗号文ブロックとの排他的論理和（XOR）を取ります。この仕組みにより、同一の平文ブロックが同じ暗号文になることはありません。

CFBモード（Cipher Feedback：暗号フィードバック）

ブロック暗号を自己同期型ストリーム暗号として実装するモードです。CFBモードでは、ブロックサイズより小さい単位でデータを暗号化できるため、対話型端末の入力を暗号化するなど、特定のアプリケーションで有用性を発揮します。

例えば1バイトCFBモードを使用する場合、入力された各文字はブロックと同じサイズのシフトレジスタに格納され、暗号化された上でブロックとして送信されます。受信側では、暗号文を復号した後、ブロック内の余分なビットが破棄されます。

OFBモード（Output Feedback：出力フィードバック）

概念的には同期式ストリーム暗号と同等のブロック暗号実装です。OFBは、平文および暗号文のビットストリームの両方から独立した内部フィードバック構造を使用することで、同じ平文ブロックが同じ暗号文ブロックになることを防ぎます。