ブロック暗号

2025年10月19日

ブロック暗号

英語表記: Block Cipher

概要

ブロック暗号は、データを一定の固定長（ブロック）に区切って処理する、非常にポピュラーな共通鍵暗号方式です。この方式が持つ強固な安全性は、入力された平文のビットに対し、秘密の鍵を用いて複雑な論理演算（AND, OR, NOT, XORなど）を繰り返し適用することで、元の情報を徹底的に撹拌（かくはん）する点にあります。すなわち、この技術は、私たちが学ぶべき「論理演算」が「ソフトウェアでの応用」として「暗号とセキュリティ」の分野で最も成功した例の一つだと言えるでしょう。

詳細解説

ブロック暗号の核心は、その名の通り、データを小さな箱（ブロック）単位で取り扱い、その箱の中身を鍵に従って何重にも混ぜ合わせる（暗号化する）プロセスにあります。現代の標準的なブロック暗号であるAES（Advanced Encryption Standard）では、通常128ビット（16バイト）を一つのブロックとして処理します。データがこのブロックサイズに満たない場合は、パディング（詰め物）を行ってサイズを合わせる必要があるのも特徴的です。

論理演算による「混同」と「拡散」

ブロック暗号がなぜ安全なのかを理解するには、それが論理演算によって実現される「混同 (Confusion)」と「拡散 (Diffusion)」という二つの原理に基づいていることを知る必要があります。

混同 (Confusion): 鍵と暗号文の関係を意図的に複雑にし、相関関係を隠すことを目的とします。これは、非線形な置換操作（S-Box、Substitution Box）によって達成されますが、このS-Boxの動作そのものが、入力されたビット列に対して複雑なANDやNOTなどの論理演算を組み合わせた結果として定義されています。
拡散 (Diffusion): 平文のわずかな変化（たった1ビットの変化）が、暗号文全体に大きく、予測不能な影響を与えるようにすることを目的とします。これは、ビットの位置を入れ替える転置操作（P-Box、Permutation Box）や、鍵とデータを混ぜ合わせる操作によって行われます。ここで最も重要な役割を果たすのがXOR演算です。

XOR演算の役割

XOR（排他的論理和）演算は、ブロック暗号の心臓部と言っても過言ではありません。XORは、私たちが論理演算の基本として学ぶ通り、入力が異なるときに真（1）を出力し、同じときに偽（0）を出力します。暗号化においてXORが優れているのは、可逆性を持っているからです。

平文 $P$ と鍵 $K$ を XOR して暗号文 $C$ を得る ($P \oplus K = C$)
暗号文 $C$ と鍵 $K$ を再度 XOR することで平文 $P$ に戻せる ($C \oplus K = P$)

このシンプルな可逆性を持つXORを、鍵とデータが混ざり合うすべての「ラウンド」で利用することで、ブロック暗号は安全性を保ちつつ、正しく復号できる仕組みをソフトウェア上で実現しているのです。

ソフトウェアでの応用としての反復構造

ブロック暗号の処理は、単なる一度の論理演算ではありません。AESでは、鍵長に応じて10回から14回ものラウンドと呼ばれる反復処理を行います。各ラウンドでは、鍵の一部（ラウンド鍵）をデータブロックとXORで混ぜ合わせ、さらにS-BoxやP-Boxを通して複雑な論理操作を適用します。この反復構造こそが、論理演算をソフトウェア上で応用することで、安全性を極限まで高めるための設計上の工夫なのです。もしラウンド数が少なければ、暗号解読者は論理演算の逆をたどることで平文を推測しやすくなってしまいますが、多数のラウンドを経ることで、その痕跡を完全に消し去ることができるのです。これは、論理演算が単なる計算ではなく、セキュリティを担保するための強力なツールとして機能している証拠であり、非常に感動的な技術応用だと言えます。

具体例・活用シーン

ブロック暗号は、私たちの日常生活におけるデジタルセキュリティのほぼすべての基盤を支えています。

ハードディスク暗号化: WindowsのBitLockerやmacOSのFileVaultといったディスク暗号化機能は、OSが論理演算を駆使してデータをブロック単位で暗号化し、PCの電源が切れてもデータが盗み見られないように保護しています。
安全な通信（TLS/SSL）: インターネットでウェブサイトを閲覧する際に利用するHTTPS通信（TLSプロトコル）では、通信の途中でデータの機密性を確保するために、AESなどのブロック暗号が広く利用されています。
ファイルアーカイブ: 機密性の高いファイルを圧縮・暗号化する際（例：7-ZipやRARの暗号化機能）にも、ブロック暗号が使われます。データは必ず固定長に区切られ、鍵と論理演算によって守られます。

アナロジー：デジタルな鍵付きミキサー

ブロック暗号を理解するための比喩として、「デジタルな鍵付きミキサー」を想像してみてください。

あなたは秘密のレシピ（平文）を安全に送りたいと考えています。まず、レシピを一定の分量（ブロックサイズ）に分けます。この分量ごとに、あなたは鍵という名前の専用ハンドルを持ったミキサー（アルゴリズム）に入れます。

このミキサーの内部では、材料（ビット）が何度も何度も、特定の論理ルール（XORやS-Box）に基づいて混ぜ合わされます。たった一度混ぜただけでは元のレシピが推測できてしまいますが、このミキサーは、鍵という手順書に従って10回以上も複雑な論理操作を反復します。その結果、出てきたものは、元の形を完全に失った、誰にも推測できないペースト（暗号文）になります。

復号する際は、同じ鍵（ハンドル）を使い、ミキサーを逆回転させます。ミキサーの内部で行われた論理演算のすべては可逆的（特にXORの性質）なので、鍵さえ正しければ、完全に元のレシピ（平文）に戻すことができるのです。この「固定された箱を、鍵と論理演算で徹底的に混ぜ合わせる」というプロセスこそがブロック暗号の強みなのです。

資格試験向けチェックポイント

IT関連の資格試験（ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者）において、ブロック暗号は「暗号とセキュリティ」分野の最重要テーマの一つです。特に、論理演算の応用としての特徴を問う問題が出題されやすいです。

共通鍵暗号方式の代表例: ブロック暗号は「共通鍵暗号方式（または秘密鍵暗号方式）」の代表格であり、現在の標準はAES（Advanced Encryption Standard）であることを必ず覚えておきましょう。
ストリーム暗号との違い: ブロック暗号がデータを固定長（ブロック）で処理するのに対し、ストリーム暗号はデータをビット単位やバイト単位で逐次処理します。この処理単位の違いは、試験で頻出する論点です。
暗号利用モードの理解: 単純にブロック暗号を適用するだけでなく、ECB、CBC、CTRといった「暗号利用モード」が存在し、それぞれセキュリティ特性が異なる点（特にECBの脆弱性）を理解することが求められます。
論理演算の基礎: ブロック暗号の安全性は、XOR演算の可逆性や、複雑な論理回路（S-Box）による非線形変換に依存しているため、「論理演算」がセキュリティ技術の基礎を支えているという認識を持つことが重要です。
混同と拡散: 安全性を高めるための二大原則「混同」と「拡散」の定義と、それぞれがどのような操作（置換、転置）によって達成されるかを説明できるようにしておきましょう。