DESとは？1970年代に制定された共通鍵暗号システムとトリプルDESの特徴と仕組みを解説

DESはData Encryption Standardの略です。

1970年代に米国商務省が制定した共通鍵暗号システムで、64ビット単位でデータを暗号化および復号します。

アルゴリズムは公開されており、多くのシステムで利用されています。

安全性を高めるため、異なる鍵で3回処理するトリプルDESも採用されています。

DESの背景と歴史

1970年代の暗号化事情

1970年代は、情報技術の発展とともに通信やデータ交換の安全性確保が重要視され始めた時代です。

暗号技術も急速に発展し、企業や政府機関において機密情報の保護が求められるようになりました。

• 当時はアナログからデジタルへの移行期であり、コンピュータを用いた大量データの処理が進んだため、効率的な暗号化アルゴリズムの開発が急務となりました。
• 暗号化手法の研究開発が活発に進められる中、共通鍵暗号方式が注目され、デジタルデータの安全な通信を実現するための基盤技術として位置付けられました。

米国商務省による制定の経緯

米国商務省は、安全な商取引や国防に対応すべく、信頼性の高い暗号技術の標準化を推進しました。

• 多数の候補アルゴリズムの中から、科学的検証と実装実績を基に「Data Encryption Standard(DES)」が選定されました。
• 公開されたアルゴリズムを採用することで、広く利用されるとともに、技術の透明性が確保され、暗号技術の発展に寄与する狙いがありました。

DESの基本原理と仕組み

ブロック暗号方式の概要

DESはブロック暗号方式を採用しており、一定のビット数ごとにデータの暗号化と復号を行います。

ブロック単位の処理により、データの一定部分ごとに均一なセキュリティを提供します。

64ビット単位でのデータ処理

DESはデータを64ビット(8バイト)ごとに分割し、それぞれのブロックに対して暗号化処理を実行します。

• 入力されたデータは固定長のブロックに区切られ、個々のブロックに同じ処理が適用されるため、計算の均一性が保たれます。
• この方式は大規模なデータを一括で処理する際の効率性と安定性を実現しています。

初期および最終置換の役割

DESのアルゴリズムには初期置換(IP)と最終置換(FP)が含まれており、データの混乱を促進する役割を果たしています。

• 初期置換により、入力ブロックのビットが再配置され、各ラウンド処理前にデータの散らばりが生じる仕組みとなっています。
• 最終置換は、すべてのラウンド処理が終わった後に逆の置換を行い、元のビット順序に戻す形で暗号化されたデータを出力します。

16ラウンドの暗号化処理

DESの暗号化は16回のラウンド処理によって行われます。

各ラウンドごとにデータへの操作が重ねられ、複雑な変換が施されることで安全性が確保されます。

• 複数回の反復処理により、元のデータから暗号文への変換がより難解となり、解読の困難性が大幅に向上します。

各ラウンドにおける関数処理

各ラウンドではDSや論理演算、置換操作が組み合わされた関数が適用されます。

• ラウンドごとに部分データに対して特定の変換関数が実行され、データは次第に混合していきます。
• この関数処理により、入力データと鍵の関係が複雑化し、単純な逆算が難しくなります。

鍵スケジュールの生成方法

DESでは、予め定められた鍵から各ラウンドで使用するサブキーを生成する「鍵スケジュール」が存在します。

• 元の鍵は固定長のビット列であり、各ラウンドの処理ごとにシフト操作や選択置換を経てサブキーが導出されます。
• この過程により、各ラウンドごとに異なる鍵が使用され、セキュリティが強化されます。

トリプルDESの特徴と仕組み

DESの安全性向上の背景

DESは設計された1970年代の技術水準に合わせて作られたため、現代の計算能力からすると安全性に課題があると評価されることがあります。

• 鍵の長さが56ビットであるため、総当たり攻撃(ブルートフォース攻撃)による破られるリスクが指摘されました。
• こうした背景から、DESの安全性を向上させるため、同じアルゴリズムを複数回用いる手法が考案されました。

トリプルDESにおける3重処理の流れ

3DESは、DESの暗号化処理を3回連続して実施することで安全性を高めた暗号方式です。

• 最初に入力データに対して暗号化処理を行い、次に復号処理を経由し、最後に再度暗号化処理が実施されます。
• この3段階の処理により、単一のDESに比べ大幅に強固なセキュリティを実現しています。

異なる鍵による暗号化と復号の実施

トリプルDESでは、各処理段階で異なる鍵が使用される場合が一般的です。

• 最初と最後の処理には同一の鍵を使用し、中間以外は別の鍵を適用する方法や、全段階で別々の鍵を利用する方式が存在します。
• 異なる鍵の利用により、鍵の推測や総当たり攻撃に対する防御力が強化され、実際の運用環境で高い安全性が確保されています。

DESのセキュリティ評価

強度評価と脆弱性の検証

DESは、その設計当初は非常に革新的な暗号方式でしたが、現在ではいくつかの脆弱性が指摘されています。

• 鍵の長さが短いため、現代の高速計算環境では総当たり攻撃が可能になるリスクが存在します。
• 暗号化処理の固定的な構造が、特定の解析手法を用いる攻撃に対して脆弱である場合があります。
• これらの要因により、DES単体での運用は推奨されず、トリプルDESや代替アルゴリズムへの移行が進められています。

現代の暗号システムとの比較分析

現代の暗号技術と比較した場合、DESは技術的な進歩の一端として評価されます。

• 新たに評価が高い暗号方式には、AES(Advanced Encryption Standard)などがあり、鍵長や処理速度、安全性の面で優れているとされます。
• それでも、DESがもたらした基本的な暗号化の考え方やブロック処理方式は、現代の暗号システムにも影響を与えており、技術史上重要な位置付けとなっています。
• 現代のシステムでは、従来のDESに比べるとより強固な暗号処理が求められるため、AESなど最新技術が採用される傾向があります。

まとめ

この記事では、1970年代の暗号化事情と米国商務省によるDES制定の経緯を解説しました。

DESが64ビット単位のデータを16ラウンドの処理で暗号化する仕組みや、初期・最終置換、鍵スケジュールの生成方法など基本原理を説明しています。

また、DESの安全性向上を目的とした3重処理方式トリプルDESの特徴と、現代の暗号システムとの比較を通じて、DESの強度と脆弱性を明らかにしています。