共通鍵暗号方式の具体例を徹底解説｜AES・ChaCha20・SSL/TLSでの利用例

共通鍵暗号方式とは？

共通鍵暗号方式とは、暗号化するときと復号するときに、同じ「共通鍵」を使用する暗号方式です。

例えば、AさんがBさんに「こんにちは」というメッセージを安全に送りたいとします。

通常の文章をそのまま送信すると、通信を盗聴された場合に内容を読まれてしまいます。

そこで、AさんとBさんがあらかじめ同じ鍵を共有しておきます。

平文
「こんにちは」
   ↓
共通鍵で暗号化
   ↓
暗号文
「X7a9...」
   ↓
共通鍵で復号
   ↓
「こんにちは」

このように、同じ鍵を使って暗号化と復号を行うのが共通鍵暗号方式です。

共通鍵暗号方式の具体例

代表的な共通鍵暗号方式には、次のようなものがあります。

現在、実用上もっとも重要な例として覚えておきたいのがAESとChaCha20です。

具体例① AES

AES（Advanced Encryption Standard）は、現在広く利用されている代表的な共通鍵暗号方式です。

AESには、主に以下の鍵長があります。

• AES-128
• AES-192
• AES-256

数字は鍵の長さをビット単位で表しています。

例えばAES-256なら、256ビットの鍵を使用します。

AESの利用例

AESは次のような用途で利用されています。

• ファイルの暗号化
• ディスク暗号化
• VPN
• Wi-Fi
• HTTPS通信
• データベースの暗号化
• クラウドサービス

つまり、共通鍵暗号方式の具体例として「AES」は非常に重要です。

具体例② ChaCha20

ChaCha20も代表的な共通鍵暗号方式です。

AESと同じように、暗号化と復号に同じ鍵を使用します。

ChaCha20は、特にソフトウェアによる暗号処理で効率が良いことが特徴です。

TLS通信ではAES系の暗号方式だけでなく、ChaCha20-Poly1305が利用されることがあります。

ChaCha20単体というより、認証機能を組み合わせた「ChaCha20-Poly1305」という形で利用されるケースが重要です。

具体例③ HTTPS通信

共通鍵暗号方式の身近な具体例がHTTPSです。

Webサイトを閲覧するとき、URLが「https」で始まっていることがあります。

https://example.com

HTTPSでは、通信内容を暗号化して第三者による盗聴や改ざんなどのリスクを低減します。

ここで重要なのが、公開鍵暗号方式と共通鍵暗号方式を組み合わせて利用するという点です。

イメージとしては、次のようになります。

Webブラウザ
   ↓
公開鍵暗号方式などを利用して
安全に鍵を共有
   ↓
共通鍵を確立
   ↓
共通鍵暗号方式
   ↓
大量のデータを高速に暗号化

共通鍵暗号方式は処理速度が速いため、大量のWeb通信を暗号化するのに適しています。

具体例④ Wi-Fi通信

Wi-Fiでも暗号技術が利用されています。

例えば、家庭やオフィスのWi-Fiで利用されるWPA2では、AESを利用した暗号化が代表的です。

スマートフォン
      ↓
   Wi-Fi通信
      ↓
  暗号化されたデータ
      ↓
Wi-Fiアクセスポイント

Wi-Fiの通信内容を第三者に簡単に読み取られないよう、暗号化が利用されています。

具体例⑤ ファイルの暗号化

共通鍵暗号方式は、ファイルを保護するときにも利用できます。

例えば、重要な顧客情報が入ったファイルを暗号化して保存するケースです。

顧客情報.xlsx
      ↓
   AESで暗号化
      ↓
暗号化ファイル

暗号化に使った鍵を適切に管理しておけば、ファイルが第三者に渡ってしまった場合でも、内容を簡単には読み取れません。

具体例⑥ VPN

VPN（Virtual Private Network）でも暗号技術が利用されます。

例えば、インターネット経由で会社のネットワークへ安全に接続するとき、通信データを暗号化します。

自宅PC
 ↓
暗号化
 ↓
インターネット
 ↓
暗号化された通信
 ↓
会社ネットワーク

VPNでは、通信を効率よく暗号化するために共通鍵暗号が利用されます。

共通鍵暗号方式のメリット

1. 処理速度が速い

共通鍵暗号方式は、公開鍵暗号方式と比較して高速に暗号化・復号できます。

そのため、次のような大量のデータを扱う用途に適しています。

• 大量のファイル
• Web通信
• 動画
• データベース
• ネットワーク通信

2. 大量データの暗号化に向いている

例えば、動画ファイルのような大容量データを暗号化する場合、処理速度の速い共通鍵暗号方式が適しています。

3. 実際のシステムで広く使われている

AESなどは、さまざまなITシステムで利用されています。

そのため、共通鍵暗号方式は暗号技術を学ぶうえで非常に重要な基礎知識です。

共通鍵暗号方式のデメリット

一方で、大きな問題があります。

それが鍵の安全な共有です。

例えば、AさんとBさんが同じ鍵を使う場合、あらかじめ鍵を共有する必要があります。

Aさん
  ↓
共通鍵
  ↓
Bさん

しかし、この鍵をインターネット上でそのまま送ってしまうと、第三者に盗まれる可能性があります。

そこで登場するのが公開鍵暗号方式です。

共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式の違い

両者の違いを簡単に比較すると、次のようになります。

実際のシステムでは、どちらか一方だけを使うのではなく、両方を組み合わせることがあります。

HTTPSではなぜ共通鍵暗号を使うの？

HTTPS通信では、最初から最後まで公開鍵暗号方式だけを使っているわけではありません。

公開鍵暗号方式は、安全に通信を開始するための鍵交換などに利用し、その後の大量のデータ通信には共通鍵暗号方式を利用する、という考え方が基本です。

① サーバーとブラウザが接続
        ↓
② 安全に暗号通信の準備
        ↓
③ 共通鍵を確立
        ↓
④ 共通鍵暗号で大量の通信を暗号化

これによって、安全性と処理速度の両方を確保しています。

Pythonで見る共通鍵暗号方式の具体例

Pythonでは、暗号ライブラリを利用して共通鍵暗号を使った暗号処理を実装できます。

例えば、代表的な暗号ライブラリの一つにcryptographyがあります。

from cryptography.fernet import Fernet

key = Fernet.generate_key()
cipher = Fernet(key)

data = b"Hello World"

encrypted = cipher.encrypt(data)

print(encrypted)

decrypted = cipher.decrypt(encrypted)

print(decrypted)

この例では、鍵を使ってデータを暗号化し、その同じ鍵を使って復号しています。

ただし、実際のシステムでは鍵の保管方法や認証、nonce/IV、暗号モードなども含めて適切に設計する必要があります。

共通鍵暗号方式の具体例まとめ

共通鍵暗号方式は、私たちが普段利用しているさまざまなITサービスで使われています。

まとめ

共通鍵暗号方式とは、暗号化と復号に同じ鍵を使用する暗号方式です。

代表的なアルゴリズムには、以下があります。

• AES
• ChaCha20

特にAESは、HTTPS、Wi-Fi、ファイル暗号化、VPNなど、さまざまな場所で利用されています。

共通鍵暗号方式の最大の特徴は、高速に大量のデータを暗号化・復号できることです。

一方で、「暗号化に使う鍵をどうやって安全に共有するか」という課題があります。そのため、実際の通信システムでは公開鍵暗号方式などと組み合わせて利用されることが一般的です。

「共通鍵暗号方式＝AESなどを使って、同じ鍵で高速にデータを暗号化・復号する仕組み」と覚えておくとよいでしょう。