IDEA暗号アルゴリズムの仕組み：8ラウンド構造とサブ鍵生成を徹底解説

IDEA（International Data Encryption Algorithm）は、64ビットの平文ブロックと128ビットの鍵を扱うブロック暗号です。DESと同様に可逆的なアルゴリズムであり、同一の手順を暗号化と復号の両方に利用できます。IDEAの安全性は、拡散（diffusion）と撹乱（confusion）という2つの要素を組み合わせることで実現されています。

基本構造：平文の分割とサブ鍵の割り当て

64ビットの平文は、16ビットずつの4つの部分ブロック（P₁〜P₄）に分割され、最初のラウンドに入力されます。全体は8つのラウンドで構成されており、鍵は128ビットです。各ラウンドでは、元の鍵から6個のサブ鍵が生成され、それぞれのサブ鍵は16ビットで構成されます。

第1ラウンドでは鍵K₁〜K₆、第2ラウンドではK₇〜K₁₂というように、サブ鍵が順次割り当てられていきます。そして最終ステップには出力変換（Output Transformation）が行われ、ここでは4個のサブ鍵（K₄₉〜K₅₂）が必要となります。

最終出力は、この出力変換ステップによって生成された結果です。ブロックC₁〜C₄を連結することで、最終的な暗号文が完成します。

ラウンド処理の詳細

IDEAには全部で8つのラウンドがあります。各ラウンドでは、6個の鍵を使用しながら、4つのデータブロックに対して一連の演算を実行します。なお、各ラウンドで登場する「加算」と「乗算」は、通常の足し算・掛け算ではなく、それぞれ以下のような特殊な演算である点に注意してください。

• 加算：2¹⁶＝65,536を法とする加算
• 乗算：2¹⁶＋1＝65,537を法とする乗算

各ラウンドにおけるサブ鍵の生成方法

• 第1ラウンド：鍵のビット位置1〜96が使用され、ビット97〜128は未使用のまま第2ラウンドへ持ち越されます。
• 第2ラウンド：まずビット97〜128が使用されます。このとき25ビットの循環左シフトが行われ、新たにビット位置26〜89が使用されます。ビット位置90〜128および1〜25は未使用となります。
• 第3ラウンド：前ラウンドの未使用ビット（90〜128と1〜25）を先に使用し、再び25ビットの循環左シフトが行われた後、ビット位置51〜82が使用されます。ビット位置83〜128および1〜50は未使用です。
• 第4ラウンド：ビット位置83〜128および1〜50が使用されます。
• 第5ラウンド：25ビットの循環左シフトが行われ、ビット位置76〜128および1〜43が使用されます。ビット位置44〜75は未使用です。
• 第6ラウンド：第5ラウンドの未使用ビットが使用され、さらに25ビットの左循環シフトが発生するため、ビット位置37〜100が未使用になります。
• 第7ラウンド：第6ラウンドの未使用ビット（37〜100）を先に使用し、その後25ビットの循環左シフトが行われ、ビット位置126〜128および1〜29が使用されます。ビット位置30〜125は未使用です。
• 第8ラウンド：第7ラウンドの未使用ビット位置30〜125が使用され、ここで全サブ鍵の生成が完了します。

出力変換（Output Transformation）

出力変換は、第8ラウンドの終了後に一度だけ実行される特別な操作です。64ビットの値は4つのサブブロック（R₁〜R₄）に分割され、ここで4個のサブ鍵が適用されます。

IDEAの復号処理

復号の手順は、暗号化プロセスと本質的に同一です。ただし、サブ鍵の生成方法と設計には一部変更が加えられており、復号用のサブ鍵は暗号化用サブ鍵の逆（加算逆元・乗算逆元）として導出される点が特徴です。この設計により、同じ回路構成を用いて暗号化と復号の両方を実現できます。