AES

概要

AES（Advanced Encryption Standard）とは、現代で最も広く使われている暗号化規格です。 データを第三者に読み取られないように変換する「共通鍵暗号方式」で、同じ鍵を使って暗号化・復号化します。

例えば、鍵を使ってメッセージを暗号化し、同じ鍵で復号化する仕組みです。米国政府が2001年に標準として採用し、高いセキュリティと高速な処理が特徴です。

AESは私たちの身近なところで使われています。 Wi-FiのWPA2/WPA3、HTTPS通信、APIの暗号化など、 インターネットのセキュリティを支える重要な技術です。

共通鍵暗号方式とは？

AESは共通鍵暗号方式（対称鍵暗号方式）で、暗号化と復号化に同じ鍵を使うのが特徴です。

例えるなら、同じ合鍵を持っている二人だけが開けられる金庫のようなイメージです。 送信者Aさんと受信者Bさんが同じ鍵を持っていて、Aさんが鍵でメッセージを暗号化し、 Bさんが同じ鍵で復号化します。

共通鍵暗号方式のメリット・デメリット

このデメリットを補うため、実際のHTTPS通信ではRSA（公開鍵暗号）とAESを組み合わせて使います。 RSAで共通鍵を安全に交換し、その後の通信はAESで高速に暗号化します。 この組み合わせにより、鍵配送問題を解決しながら高速な暗号化通信を実現しています。

💡 実際の通信例：あなたが今このページを見ているときも、AESが使われています。 ブラウザのアドレスバーに鍵マークが表示されていれば、AESで暗号化された安全な通信（HTTPS）が行われている証拠です。

AESの暗号化の仕組み

AESはブロック暗号と呼ばれる方式で、データを128ビット（16バイト）の ブロックに分割して暗号化します。

AESの処理ステップ

AESは複数の「ラウンド」と呼ばれる処理を繰り返します。 ラウンド数は鍵の長さによって異なります：

• AES-128：10ラウンド
• AES-192：12ラウンド
• AES-256：14ラウンド

各ラウンドでは、以下の4つの処理を実行します：

1. SubBytes（バイト置換）：各バイトを別の値に置き換える（S-Boxと呼ばれる置換表を使用）
2. ShiftRows（行シフト）：各行を左にシフトする
3. MixColumns（列混合）：各列を混合する（最終ラウンド以外）
4. AddRoundKey（ラウンド鍵の加算）：ラウンド鍵とXOR演算

これらの処理を繰り返すことで、元のデータが全く異なる暗号文に変換されます。同じ処理を逆順で実行することで、暗号文を元のデータに復号化できます。

体験してみよう：AES暗号化

💡 ポイント： 同じ鍵を使わないと復号化できません。これが「共通鍵暗号方式」の基本です。

AES-128 vs AES-192 vs AES-256：詳細比較

AESには鍵の長さによって3つのバリエーションがあります。 **鍵が長いほどセキュリティは高まりますが、処理時間も若干長くなります**。

どれを選ぶべき？

• 一般的な用途（個人、企業）：AES-128で十分
  → Wi-Fi、HTTPS、ファイル暗号化など
• 高度なセキュリティが必要：AES-256を選択
  → 金融機関、医療データ、個人情報、長期保存データ
• AES-192：ほとんど使われない（128と256の中間という中途半端な位置）

💡 重要：AES-128でも事実上解読不可能です。 セキュリティ上の弱点は鍵の長さではなく、鍵の管理ミスや実装の脆弱性であることがほとんどです。

AESの暗号化モード

AESは128ビットのブロックを暗号化しますが、実際のデータはそれより長いことがほとんどです。 複数のブロックをどう処理するかを定める「暗号化モード」が重要です。

主な暗号化モード

1. ECB（Electronic Codebook）モード ❌ 非推奨

各ブロックを独立して暗号化する最もシンプルなモード。

• ⚠️ 同じ平文ブロックは同じ暗号文になる → パターンが見えてしまう
• ⚠️ セキュリティ上の問題があるため、使用すべきではない

2. CBC（Cipher Block Chaining）モード ✅ よく使われる

前のブロックの暗号文を次のブロックの暗号化に使うモード。

• ✅ 同じ平文でも異なる暗号文になる
• ✅ セキュアで広く使われている（SSL/TLS、ファイル暗号化など）
• ⚠️ 初期化ベクトル（IV）が必要
• ⚠️ 並列処理ができない（順次処理のみ）

3. GCM（Galois/Counter Mode）⭐ 最新・最高

暗号化と認証を同時に行う最新のモード。

• ✅ 暗号化 + 改ざん検知を同時に実現
• ✅ 並列処理が可能で高速
• ✅ TLS 1.3（最新のHTTPS）で標準採用
• ✅ 現在最も推奨されるモード

4. CTR（Counter）モード

カウンタ値を暗号化して平文とXORするモード。

• ✅ 並列処理が可能
• ✅ ランダムアクセスが可能（特定のブロックだけ復号化できる）
• ⚠️ 認証機能がない（GCMの方が優れている）

💡 結論：新規開発ではAES-GCMを使いましょう。 既存システムでCBCを使っている場合も、可能な限りGCMへの移行を検討してください。

AESの実用例

AESは私たちの身近なところで、毎日のように使われています：

• Wi-Fi通信：WPA2/WPA3規格でAESを使用。自宅や職場のWi-Fiで通信が保護されています
• HTTPS通信：Webサイトとの通信を暗号化。URLが「https://」で始まるサイトで使われています
• ファイル暗号化：MacのFileVault、WindowsのBitLockerなど、ディスク全体を暗号化
• VPN通信：リモートワークでの安全な通信に必須
• メッセージングアプリ：WhatsApp、Signal、LINEなどのエンドツーエンド暗号化
• オンラインバンキング：取引情報の保護に使用
• パスワードマネージャー：1Password、LastPassなどでパスワードを安全に保存

JavaScriptでAESを実装する方法

実際にWeb開発でAESを使う場合は、crypto-jsライブラリを使うのが一般的です。npmで簡単にインストールできます。

// インストール: npm install crypto-js

const CryptoJS = require('crypto-js');

// === 暗号化 ===
function encrypt(plaintext, password) {
  // AES-256-CBCで暗号化（パスワードから鍵を生成）
  const ciphertext = CryptoJS.AES.encrypt(plaintext, password).toString();
  return ciphertext;
}

// === 復号化 ===
function decrypt(ciphertext, password) {
  const bytes = CryptoJS.AES.decrypt(ciphertext, password);
  const plaintext = bytes.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
  return plaintext;
}

// === 使用例 ===
const message = "これは秘密のメッセージです";
const password = "MySecurePassword123";

// 暗号化
const encrypted = encrypt(message, password);
console.log("暗号文:", encrypted);
// 出力例: U2FsdGVkX1+abc123def456...

// 復号化
const decrypted = decrypt(encrypted, password);
console.log("復号文:", decrypted);
// 出力: これは秘密のメッセージです

// ❌ 間違ったパスワードでは復号化できない
const wrong = decrypt(encrypted, "WrongPassword");
console.log("間違ったパスワード:", wrong);
// 出力: （空文字列またはエラー）

// ブラウザ標準のWeb Crypto APIを使用（ライブラリ不要）

async function generateKey() {
  // AES-GCM用の鍵を生成
  const key = await crypto.subtle.generateKey(
    {
      name: "AES-GCM",
      length: 256  // AES-256
    },
    true,  // 鍵のエクスポートを許可
    ["encrypt", "decrypt"]
  );
  return key;
}

async function encryptData(plaintext, key) {
  // テキストをバイト配列に変換
  const encoder = new TextEncoder();
  const data = encoder.encode(plaintext);

  // 初期化ベクトル（IV）を生成
  const iv = crypto.getRandomValues(new Uint8Array(12));

  // 暗号化
  const ciphertext = await crypto.subtle.encrypt(
    {
      name: "AES-GCM",
      iv: iv
    },
    key,
    data
  );

  return { ciphertext, iv };
}

async function decryptData(ciphertext, key, iv) {
  // 復号化
  const decrypted = await crypto.subtle.decrypt(
    {
      name: "AES-GCM",
      iv: iv
    },
    key,
    ciphertext
  );

  // バイト配列をテキストに変換
  const decoder = new TextDecoder();
  return decoder.decode(decrypted);
}

// 使用例
(async () => {
  const key = await generateKey();
  const message = "秘密のメッセージ";

  const { ciphertext, iv } = await encryptData(message, key);
  console.log("暗号化完了");

  const decrypted = await decryptData(ciphertext, key, iv);
  console.log("復号文:", decrypted);
})();

AESと他の暗号化方式の比較

AES以外にも様々な暗号化方式があります。それぞれの特徴を理解して、適切なものを選びましょう。

AESが選ばれる理由

• 速度とセキュリティのバランス：高速かつ非常に安全
• ハードウェアサポート：現代のCPUにはAES専用命令（AES-NI）が搭載され、さらに高速化
• 国際標準：米国政府が採用し、世界中で標準として使われている
• 実績：20年以上使われており、重大な脆弱性が見つかっていない

AESのセキュリティ：本当に安全？

AESは非常に高いセキュリティを持ち、現時点で現実的な時間内に解読することは不可能とされています。

総当たり攻撃は不可能

例えば、AES-256を総当たり攻撃で破ろうとした場合、 2²⁵⁶ = 約10⁷⁷通りの鍵を試す必要があります。

仮に1秒間に1兆個（10¹²）の鍵を試せるスーパーコンピュータを使っても、約10⁶³年かかります。これは宇宙の年齢（約138億年）の10⁵⁰倍以上です。

実際の脆弱性は「実装」と「運用」

AES自体は安全ですが、以下のような場合に脆弱性が生じます：

• ❌ 弱い鍵：「password」「12345678」など推測しやすい鍵
• ❌ 鍵の漏洩：ソースコードに鍵をハードコード、ログに鍵を出力
• ❌ ECBモードの使用：パターンが見えてしまう危険なモード
• ❌ IVの使い回し：初期化ベクトルは毎回ランダムに生成すべき
• ❌ サイドチャネル攻撃：処理時間や消費電力からの情報漏洩

✅ 安全に使うためのベストプラクティス

• AES-GCMモードを使う（暗号化 + 認証）
• 鍵は環境変数に保存（ソースコードに書かない）
• IV（初期化ベクトル）は毎回ランダム生成
• 実装済みのライブラリを使う（自作しない）
• AES-256を選ぶ（金融・医療など重要データ）

詳しくはMDN Web Crypto APIやNIST AES標準仕様書で確認できます。

AESとゼロデイ攻撃

AESは非常に強固な暗号化方式ですが、ゼロデイ攻撃のような脅威からシステムを守るためには、 暗号化だけでなく多層的なセキュリティ対策が必要です。

AESだけでは防げない攻撃

• マルウェア感染： 暗号化前のデータを盗まれる
• 中間者攻撃： 鍵交換時に盗聴される
• ソーシャルエンジニアリング： ユーザーを騙して鍵を入手
• ゼロデイ脆弱性： 暗号化実装のバグを突かれる

そのため、AES暗号化に加えて、定期的なセキュリティアップデート、 ファイアウォール、侵入検知システム（IDS）などを組み合わせることが重要です。