高校情報I 暗号化と認証—共通鍵と公開鍵の役割を通信の場面で整理する｜武蔵野個別指導塾

受信者の公開鍵と秘密鍵を通信の図に対応させ、共通鍵の配送と多要素認証の役割まで区別して考えます。

よくあるのは、公開鍵と秘密鍵をセットだと覚え、相手に両方送ろうとする場面です。鍵には組があっても、渡してよいものと本人が守るものは異なります。さらに、内容を読まれにくくすることと、相手が誰かを確かめることは別の目的です。範囲表や授業ノートでこの単元を確認し、送信者と受信者を紙に書いてから鍵の向きをたどりましょう。

問題文で先に見つけるもの

定期テストでは、まず共通鍵暗号と公開鍵暗号の説明を読み、暗号化と復号に使う鍵を選ぶ型があります。共通鍵は同じ鍵を使い、公開鍵方式では対応する異なる鍵を使います。ただし、名前を暗記しただけでは、誰の公開鍵かという問いに答えられません。問題文の「誰に送るか」と「誰が読むか」に印を付けます。

次に、通信の図の空欄に鍵の名前を入れる型があります。受信者の公開鍵で暗号化した内容を、対応する受信者の秘密鍵で復号する場面なら、公開鍵の持ち主は受信者です。送信者の公開鍵を使うと向きが変わってしまいます。図の矢印と鍵の所有者を同時に確認します。

もう一つは、ログインの手順から認証要素を分類する型です。パスワードと確認用の暗証番号は、どちらも本人が知っている情報です。2種類の文字列を入れても、それだけでは異なる種類の要素を組み合わせたことにはなりません。問いが暗号化の目的なのか、本人確認の方法なのかを先に区別します。

内容を隠す鍵と本人を確かめる手がかり

暗号化は、元の内容を鍵などを使って、そのままでは読み取りにくい形に変えることです。元の内容を平文、変換後を暗号文、元に戻す操作を復号と呼びます。正しい鍵によって復号する想定でも、鍵の管理や相手の確認に問題があれば、内容を守れるとは限りません。

図1のように、共通鍵方式では送信側と受信側が同じ鍵を使います。暗号化の前に両者が鍵を共有する必要があり、その鍵を第三者に知られないように渡し、保管することが課題です。鍵を持つ人が増えると、その誰が作った暗号文かは共通鍵だけでは区別できません。

公開鍵方式では、公開鍵と、それに対応する秘密鍵の組を用います。受信者が自分の公開鍵を知らせ、送信者がその公開鍵で内容を暗号化します。受信者は対応する自分の秘密鍵で復号します。公開鍵は知らせるための鍵ですが、秘密鍵は本人が守ります。公開鍵の入手経路が正しいかも重要です。別人の公開鍵を受信者のものと思い込むと、その別人が対応する秘密鍵で内容を読めるおそれがあります。

認証は、利用者や通信相手が名乗った本人かどうかを確かめることです。利用者の認証には、知識情報、所持情報、生体情報という異なる種類の手がかりがあります。たとえばパスワードは知識情報、本人の端末を使って受け取る確認情報は所持情報を使う方法の例、指紋は生体情報です。異なる種類を組み合わせる方法を多要素認証と呼びます。認証が通ることは内容を暗号化したことと同じではありません。

暗号化と認証は両方使えますが、片方だけで他方の目的まで達成したとは言えません。暗号文を作るだけでは公開鍵が本物か確定せず、パスワードでログインできても、通信内容が暗号化されているかは別に確認する必要があります。数式や鍵の長さを計算する話には進まず、ここでは役割と方向を整理します。

基本例題：連絡を受け取る人の鍵を選ぶ

問題。アキがナオへ連絡を送ります。ナオは公開鍵と秘密鍵の組を持ち、アキはナオ本人の公開鍵を正しく入手しています。公開鍵方式でナオが内容を復号できるようにするには、アキは誰のどの鍵で暗号化し、ナオは誰のどの鍵で復号しますか。秘密鍵をアキへ送る必要があるかも答えてください。

図2のように、先に受信者の名前を置いて鍵を対応させます。矢印は連絡の進む方向であり、秘密鍵が移動することを表していません。

1. 内容を読む受信者はナオです。
2. アキが使う暗号化用の鍵は、ナオの公開鍵です。
3. 送られるものは、その公開鍵で変換した暗号文です。
4. ナオは対応するナオの秘密鍵で復号します。
5. ナオの秘密鍵をアキへ送る必要はありません。

答えは「ナオの公開鍵で暗号化し、ナオの秘密鍵で復号する。秘密鍵は送らない」です。元の場面に戻すと、送信者が持つのは公開される鍵であり、内容を読む受信者が秘密鍵を持っています。対応する組の両方を受信者に結び付けると、逆向きの鍵を選んでいないか確認できます。

もしアキがナオの公開鍵を取得できなかったら、この条件の手順を始められません。別の鍵で代用したり、秘密鍵の送付を頼んだりせず、公開鍵を正しい相手のものとして確認できるまで送信を控えます。また、暗号文が途中で壊れた場合には、復号しても期待した内容を得られない場合があります。元の文を推測して成功と扱わず、送信元に別の方法で確認することが必要です。

条件が増えたとき：鍵の配送とログイン

問題。ミオとレイは、内容を共通鍵方式でやり取りしたいと考えています。レイは公開鍵と秘密鍵を持ち、ミオはレイ本人の公開鍵を正しく入手済みです。ミオが共通鍵を作り、その鍵をレイに届ける場面を考えます。共通鍵をレイの公開鍵で暗号化して送り、レイが秘密鍵で復号した後、2人は届いた共通鍵で本文を暗号化・復号します。それぞれの段階で使う鍵を答え、公開鍵の持ち主を確認できない場合にどうするか述べてください。

まず届ける対象は本文ではなく共通鍵です。ミオは共通鍵をレイの公開鍵で暗号化し、レイはレイの秘密鍵で共通鍵を取り出します。その後の本文には、2人が共有した同じ共通鍵を使います。公開鍵方式の段階と共通鍵方式の段階を分けると、鍵の種類を途中で混ぜずに済みます。

公開鍵の持ち主を確認できない場合は、その鍵がレイのものと決めつけて共通鍵を送ることはできません。別人の鍵なら、その別人が対応する秘密鍵で共通鍵を取り出し、後の本文も読めるおそれがあります。確認できる経路で鍵を確かめるまで、送信を待ちます。逆に、鍵を正しく確認し、秘密鍵も守られ、共通鍵が両者に届いたという問題の条件なら、指定された順に本文を扱えます。

ログインの場面も分けて考えます。パスワードの入力に加え、登録済み端末で確認する仕組みを使う場合、知識と所持という異なる要素を使います。端末を持っていない、確認が時間内に完了しない、あるいは入力を誤った場合は、本人と認める手順が完了しません。確認を飛ばして成功とみなすのではなく、サービスが用意する正規の再確認手順を使います。暗号化の鍵の配送とは別の判断です。

誤答を直す：鍵を渡す相手と目的を分ける

「ナオの公開鍵で暗号化するのだから、ナオの秘密鍵もアキに渡す」という答えは誤りです。原因は、鍵が組であることと、2本を同じ人へ渡すことを混同した点にあります。図3のように、公開鍵は送信者が使い、秘密鍵は受信者が保持すると修正します。秘密鍵が他人に渡れば、その鍵で読めるはずの内容を他人にも読まれるおそれがあります。

別の誤りは「暗号化したので、送信相手が本人だと確認できた」です。暗号化は内容を読み取りにくくする操作であり、鍵の持ち主の確認を自動的に済ませたという意味ではありません。問題文に公開鍵の確認があるかを探し、なければ本人の鍵と断定しない、と書き直します。

また「パスワードと暗証番号を使うので多要素認証」とする答えも、両方が知識情報なら不適切です。文字列の数ではなく、手がかりの種類を数えます。知識情報と、本人が持つ端末を利用する所持情報を組み合わせた場合は、多要素認証の例になります。ただし、認証が成功しても、秘密鍵や端末の管理に失敗した場合まで安全が保証されるわけではありません。

答案に理由を添えるとき

記号を埋める問題でも、なぜその鍵を選んだかを短く書けると、見直しが容易です。まず「誰が読むか」を書き、その人の公開鍵で送ること、対応する秘密鍵で読むことを順に並べます。鍵の所有者を省くと、公開鍵という言葉が合っていても別人の鍵を選ぶ誤りに気づきにくくなります。

共通鍵の問題なら、同じ鍵を使うという答えに加え、共有前に鍵をどう届けるかが課題だと説明します。認証の問題なら、情報を隠す目的ではなく本人を確かめる目的だと書きます。手順が失敗した条件では、次の操作が実行できるかを確認し、問題文にない成功を勝手に補わないことが判断の基本です。

練習：場面を読み直して答える

次の4問は、指定された形で答えてから解説と照合してください。各人は対応する公開鍵と秘密鍵を持つものとし、問4後半を除いて、使う公開鍵が本人のものだと確認できている前提で答えてください。

1. ソラがユイへ公開鍵方式で知らせを送ります。暗号化に使う鍵と復号に使う鍵を、それぞれ持ち主と種類で答えてください。ユイの秘密鍵をソラに送るかも答えてください。
2. 2人が共通鍵方式で記録を交換します。同じ共通鍵を正しく共有できた場合、送信側の暗号化と受信側の復号に使う鍵の関係を答えてください。共有する前に鍵を第三者に知られた場合の問題も述べてください。
3. ログインに、パスワードと指紋を使う方法と、パスワードと別の暗証番号を使う方法があります。それぞれ使う要素の種類を答え、多要素認証に当たる方を選んでください。
4. 公開鍵で暗号化した送信が失敗したため、受信者は暗号文を受け取れませんでした。送信者は受信者が復号できたと判断できますか。また、入手した公開鍵が受信者本人のものか確認できない場合、送信前にどうするか答えてください。

答えと考え方

1. 暗号化はユイの公開鍵、復号はユイの秘密鍵です。秘密鍵をソラに送る必要はありません。受信者のユイへ鍵の組を結び付けて戻すと、ソラが公開鍵で暗号文を作り、ユイが手元の秘密鍵で読む流れになります。ソラの公開鍵を選ぶと、指定された受信者の鍵の組に対応しません。

2. 暗号化と復号には同じ共通鍵を使います。第三者に鍵を知られると、その人が暗号文を復号できるおそれがあります。送信側と受信側の両方が同じ鍵を使うという条件に答えを戻すと、鍵が届かなかった場合には受信側がその手順で復号できないことも確かめられます。鍵を共有する方法と共有後の保管を区別して考えます。

3. パスワードと指紋は知識情報と生体情報なので、多要素認証に当たります。パスワードと別の暗証番号は、どちらも知識情報なので、この組合せは多要素認証ではありません。指紋が読み取れず認証が完了しない場合は、入力済みのパスワードだけで成功したと判断せず、定められた再確認の手順を使います。

4. 判断できません。暗号文が届いていないという条件では、受信者はその暗号文を復号できません。公開鍵の持ち主も確認できないなら、別の方法で確認できるまで送信を待ちます。送信の失敗と鍵の持ち主の不明は別々の問題なので、片方を解決しただけで両方が解決したとは扱いません。

覚えておく4行

共通鍵方式は同じ鍵で暗号化と復号をします。
公開鍵方式で受信者へ送るときは、受信者の公開鍵と秘密鍵を対応させます。
暗号化は内容を読み取りにくくし、認証は本人かどうかを確かめます。
多要素認証では異なる種類の手がかりを組み合わせます。

答えのどこで迷ったかを見分ける

復号する鍵を間違えたときは、まず送信者と受信者の名前が逆になっていないか、次に鍵の種類が逆になっていないかを答案で見ます。名前は正しいのに秘密鍵を送ろうとしたなら、鍵の組と鍵の受け渡しを分けて説明できるか確かめます。認証の問題では、手がかりの個数を数えているのか、知識・所持・生体の種類を分けているのかが手掛かりです。

個別指導では、本人に矢印を描いてもらい、各鍵の持ち主と使う場所を口に出して説明してもらいます。次に公開鍵の持ち主が不明な場合や認証が失敗した場合を加え、元の答えをどう変えるかを確かめます。鍵の名前と目的を場面に戻すと、暗記した言葉が判断の道具になります。授業のノートにある別の図でも、受信者から順にたどってみましょう。