世界一やさしい暗号化とハッシュ化の話
タイトル盛りすぎましたごめんなさい。
この記事は、初学者が混同しやすい暗号化とハッシュ化について、できる限り平易に説明し、基本概念や用途について理解してもらうことを目的としています。
暗号化
暗号化とは
例として、下記の文章を暗号化する方法を考えます。
I L O V E Y O U
アルファベット順に3文字ずつ進めてみましょう（Zの次はAに戻ります）。
I L O V E Y O U
↓ 3文字ずつ進める
L O R Y H B R X
これで、一見すると意味が読み取れなくなりました。
もちろん、アルファベット順に3文字ずつ戻せば、解読することができます。
L O R Y H B R X
↓ 3文字ずつ戻す
I L O V E Y O U
これが、最も原始的な 「暗号化」 です。
暗号を解読することを 「復号化」 といいます。
この例では、「アルファベット順に N 文字ずつ進める」という手順が暗号化の 「アルゴリズム」 にあたり、
「N＝3」 が 「暗号鍵」 にあたります。
暗号化の性質
暗号化の特徴は、 「アルゴリズムと鍵を知っていれば、解読（復号）できる」 という点です。
あたりまえのことのように思えるかも知れませんが、これが、後述するハッシュ化との大きな違いになってきます。
上記のような単純なアルゴリズムであれば、鍵を知らずとも解読できそうですが、
実際には、鍵なしでは復号が困難な、複雑なアルゴリズムが用いられます。
ハッシュ化
ハッシュ化とは
また例として、下記の文章を、擬似的な方法でハッシュ化してみます。
I L O V E Y O U
まず、文字を数字に置き換えます（Aを1、Bを2・・・Zを26とします）。
９ 12 15 22 5 25 15 21
次に、隣り合う2つの数字を足し合わせます。26を超えた場合は、26を引きます。
21 11 4 10
これを、最初と逆の方法で、文字に置き換えます。
U K D J
一見して意味が読み取れない文字列になった、という点では先ほどと同じです。
ただ、先程と違い、 加工した手順を知っていても、もとに戻せない ことにお気づきでしょうか。
この例では、隣り合う2つの数字を足し合わせる、という工程が入っているため、元の文章を特定することが困難になっています。
この例では、「数字に置き換え、2つずつ足し合わせて、文字に戻す」が（擬似的な）ハッシュの 「アルゴリズム」 にあたります。
ハッシュ化の性質
前述の通り、手順（アルゴリズム）がわかっていても復元できないことが大きな特徴です。
ただし、ランダムに置換する場合と異なり、元の値が同じであれば、何度変換しても同じ結果になる ことも重要な性質です。
上記の簡易アルゴリズムの場合、元の文字列が違っても、偶然同じ結果になることがありそうですが、
実際のアルゴリズムでは、元の値が違えば必ず別の値になる（同じ結果になる確率が無視できるほど低い）ようにできています。
また、上記のアルゴリズムでは再現できていませんが、
元の文字列がどんなに長くても、結果は一定の文字数になる、という性質があります。
どれだけ大きなファイル（例えば動画やPDFファイル）でさえ、ハッシュ化すれば数十文字の文字列になります。
暗号化とハッシュ化の用途
暗号化の用途
暗号化の主な用途は、盗聴（傍受）の防止です。
例えばメールを送る際、内容を暗号化して送れば、通信を傍受されたとしても、内容を知られることはありません。
メールの受け取り手は、内容を読める必要があるので、鍵さえあれば元に戻すことができる「暗号化」が用いられます。
昨今では、メールに限らずあらゆる通信が暗号化されています。
ハッシュ化の用途
パスワードの保存
アプリケーション開発に関わる人であれば、最もハッシュをよく目にするのはパスワードの保存ではないでしょうか。
「手順（アルゴリズム）がわかっていても復元できない」という性質ため、
悪意のある人間がデータベースを覗き見たり、盗み出したりしても、その情報だけではログインを成功させることができません。
一方、「元の値が同じであれば、何度変換しても同じ結果になる」という性質により、
ユーザが入力したパスワードを再度ハッシュ化して照合すれば、入力したパスワードが正しいかどうかは判定することができます。
改ざんの防止
ハッシュ化のもうひとつの重要な用途は、改ざんの防止です。
先程のメッセージをICカードに書き込む場合を考えてみましょう。
このとき、メッセージ本文とともに、ハッシュを入れておきます。
I L O V E Y O U [ハッシュ] U K D J
ICカードのデータは書き換えが容易なので、悪意のある誰かがこれを改ざんしてしまうかも知れません。
I H A T E Y O U [ハッシュ] F A K E
しかし、ハッシュの手順が不明であれば、改ざん後のメッセージに対して、正しいハッシュを作ることができません。
そのため、本文を再度ハッシュ化してみると、メッセージが改ざんされているか、いないかが判明します。
I H A T E Y O U [ハッシュ] F A K E
I H A T E Y O U
↓
９ 8 1 20 5 25 15 21
↓
17 21 4 10
↓
Q U D J (ハッシュと不一致＝改ざんされている!!)
ハッシュ化の性質上、改ざん前の文字列を復元することはできません。
しかし、改ざんしてもすぐにバレる、ということが、改ざんに対する強い抑止力になります。
署名＝ハッシュ化＋暗号化
前段で「ハッシュの手順が不明であれば、改ざん後のメッセージに対して、正しいハッシュを作ることができません」といいましたが、
実用的なハッシュ化の手順（アルゴリズム）は世の中に数えるほどしか無いため、
実際の改ざん防止としてはこれだけでは不十分な場合があります。
そこで、ハッシュ化したものをさらに暗号化して、これをメッセージ本文とともに保存したり、送信したりする方法があります。
I L O V E Y O U
↓ ハッシュ化
U K D J
↓ 暗号化（鍵 N=3）
X N G M
これを、一般的に 電子署名 といいます。
I L O V E Y O U [署名] X N G M
メッセージを受け取った側は、本文をハッシュ化しつつ署名を復号して、
一致すれば改ざんされていない、と判断することができます。
I L O V E Y O U [署名] X N G M
I L O V E Y O U
↓ ハッシュ化
U K D J
X N G M
↓ 複合
U K D J (一致！!)
あるいは、メッセージを書き込んだ本人であれば、再度署名を作ることで、
改ざんされていないかどうかを確認できます。
I L O V E Y O U [署名] X N G M
I L O V E Y O U
↓ ハッシュ化
U K D J
↓ 暗号化
X N G M (署名と一致！!)
暗号化にも復号化にも鍵が必要であるため、第三者は、本文を改ざんできたとしても、
正しい署名を作ることができません。
こんなまわりくどいことをしなくても、直接メッセージを暗号化したものを署名にすればよいのでは？
と思われるかも知れませんが、暗号化したデータのサイズは、元のデータのサイズに比例して大きくなり、
また、暗号化・復号化にかかるエネルギーも大きくなります。
ハッシュは、元のデータの大きさにかかわらず、一定の文字数（数十文字）となるため、
署名として非常に適しているのです。
例えば、電子契約の際には、契約書のPDFファイルを作成し、
甲乙両方が、自分自身の鍵を用いてPDFファイルから署名を作り、本体のPDFファイルと一緒に保管します。
PDFファイルは数MBあったとしても、署名はたかだか数十バイトです。
どちらか一方が契約書のPDFファイルを改ざんしようとしても、自分側の署名は作り直せますが、相手側の署名を正しく作り直すことができません。
そのため、電子データでありながら、改ざんできない（改ざんしてもすぐバレる）ものとなるのです。
さらに理解を深めるために
この記事はここまでですが、本記事の内容が掴めたという方には、さらに知ってほしいことがいくつかあります。
公開鍵暗号
メッセージを暗号化すれば盗聴（傍受）されない、というのはイメージしやすいと思いますが、
解読（複合）するためには鍵が必要です。
となると、次に「どうやって鍵を第三者に知られず相手に渡すのか？」ということが問題になります。
この問題を解決するのが、公開鍵暗号 と呼ばれる方式です。
少々複雑ですが、非常に重要な考え方ですので、ぜひ調べてみてください。
パスワードハッシュとソルト
パスワードをデータベース等に格納する際、単にハッシュ化するだけでは不十分で、
ソルトという概念が登場します。
なぜ不十分なのか、ソルトはそれをどう解決しているのか、こちらもぜひ調べてみてください。
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