公開鍵・秘密鍵（非対称暗号）の仕組みを徹底解説

対象読者：

• 暗号技術の基礎を学びたいエンジニアや学生
• セキュリティ強化を検討中のシステム設計者
• Python や Vue.js を用いた実装例に興味がある方
• データベース設計における鍵管理を理解したい開発者

要約（冒頭サマリー）

• 非対称暗号の概要：公開鍵と秘密鍵を用い、機密性と認証を同時に実現
• フロー図解：鍵生成から暗号化／復号、署名／検証までの全体フロー
• メリット・デメリット：セキュリティ優位だが、処理コストに注意
• 実装サンプル：Python（cryptography ライブラリ）、Vue.js（WebCrypto API）
• データベース設計例：鍵ペアや署名情報のテーブル定義

1. 非対称暗号の基本概念

公開鍵・秘密鍵を使った非対称暗号は、2つの鍵を組み合わせて安全な通信や認証を実現する仕組みです。
通常の対称鍵暗号（同じ鍵で暗号化・復号化）では鍵配送問題が発生しますが、非対称暗号では以下のように解決します。

1. 鍵ペアの生成
2. 暗号化・復号化
3. 電子署名

この3ステップで「機密性」と「認証」を同時に担保できる点が、非対称暗号最大の魅力です。

2. 考え方：全体フローとプロセス

非対称暗号の導入時には、まず全体の処理フローを俯瞰して理解することが大切です。以下では、主要な3つのユースケース（鍵生成／暗号化-復号／署名-検証）について、順を追って解説します。

2.1 鍵ペア生成のフロー

flowchart TD
  A[スタート] --> B[乱数生成]
  B --> C[公開鍵・秘密鍵の算出]
  C --> D[公開鍵を外部へ配布]
  C --> E[秘密鍵を安全に保管]
  D --> F[完了]
  E --> F

• 乱数生成：十分なエントロピーを持つ乱数ソースを確保
• 鍵算出：数学的に一方向性を持つ関数で公開鍵と秘密鍵を生成
• 公開鍵配布：証明書やサーバ設定で公開
• 秘密鍵保管：HSM や KMS、暗号化ストレージへ格納

2.2 データ暗号化・復号化のフロー

flowchart TD
  A[送信者が平文を用意] --> B[受信者の公開鍵で暗号化]
  B --> C[暗号文を送信]
  C --> D[秘密鍵で復号化]
  D --> E[平文を受信者が取得]

• 暗号化：RSA-OAEP のようなパディング付きアルゴリズムを使用
• 送信：TLS やアプリケーションレイヤの通信で暗号文をやり取り
• 復号化：秘密鍵のみが復号可能で、機密性を保証

2.3 電子署名・検証のフロー

flowchart TD
  A[署名者が平文を用意] --> B[秘密鍵で署名生成]
  B --> C[署名と平文を送信]
  C --> D[受信者が公開鍵で検証]
  D --> |一致| E[真正性・改ざん検知]
  D --> |不一致| F[検証失敗]

• 署名生成：PSS などの安全なパディングでハッシュ値を暗号化
• 検証：署名を公開鍵で復号し、ハッシュ値を比較
• 改ざん防止：一致すれば送信元確定、改ざんがあると失敗

3. 非対称暗号のメリット・デメリット

メリット

• 鍵配送問題の解消：公開鍵は自由に配布可能
• なりすまし防止：電子署名で送信元を保証
• スケーラビリティ：多対多の通信で鍵管理が容易

デメリット

• 処理コストの高さ：対称暗号より大きな数値演算が必要
• 鍵長の長さ：2048bit 以上が推奨され、データ量増加
• 運用の複雑性：鍵管理・更新・失効リストが必要

4. Python 実装サンプル（cryptography ライブラリ）

以下では、Python の代表的ライブラリ cryptography を使った鍵生成・暗号化・復号化・署名・検証のサンプルを示します。

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding
from cryptography.hazmat.primitives import serialization, hashes

# 1. 鍵ペア生成
private_key = rsa.generate_private_key(public_exponent=65537, key_size=2048)
public_key = private_key.public_key()

# 秘密鍵の PEM 形式出力
pem_priv = private_key.private_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PrivateFormat.TraditionalOpenSSL,
    encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
)

# 公開鍵の PEM 形式出力
pem_pub = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
)

# 2. 暗号化
message = b"こんにちは、世界！"
ciphertext = public_key.encrypt(
    message,
    padding.OAEP(mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
                 algorithm=hashes.SHA256(),
                 label=None)
)

# 3. 復号化
plaintext = private_key.decrypt(
    ciphertext,
    padding.OAEP(mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
                 algorithm=hashes.SHA256(),
                 label=None)
)
print(plaintext.decode())

# 4. 電子署名
signature = private_key.sign(
    message,
    padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
                salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),
    hashes.SHA256()
)

# 5. 署名検証
try:
    public_key.verify(
        signature,
        message,
        padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
                    salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),
        hashes.SHA256()
    )
    print("署名検証成功")
except Exception as e:
    print("署名検証失敗:", e)

5. Vue.js 実装サンプル（WebCrypto API）

ブラウザ上では標準の WebCrypto API を使い、公開鍵・秘密鍵を生成・利用できます。以下は Vue.js の一部として組み込む例です。

<template>
  <div>
    <button @click="generateKeys">鍵ペア生成</button>
    <button @click="encryptData">暗号化</button>
    <button @click="decryptData">復号化</button>
    <p>復号結果：{{ decrypted }}</p>
  </div>
</template>

<script>
export default {
  data() {
    return {
      publicKey: null,
      privateKey: null,
      ciphertext: null,
      decrypted: ''
    }
  },
  methods: {
    async generateKeys() {
      const keyPair = await window.crypto.subtle.generateKey(
        { name: "RSA-OAEP", modulusLength: 2048, publicExponent: new Uint8Array([0x01,0x00,0x01]), hash: "SHA-256" },
        true,
        ["encrypt", "decrypt"]
      );
      this.publicKey = keyPair.publicKey;
      this.privateKey = keyPair.privateKey;
      alert("鍵ペアを生成しました");
    },
    async encryptData() {
      const encoder = new TextEncoder();
      const data = encoder.encode("こんにちは、Vue.js！");
      this.ciphertext = await window.crypto.subtle.encrypt(
        { name: "RSA-OAEP" }, this.publicKey, data
      );
      alert("暗号化完了");
    },
    async decryptData() {
      const decryptedBuffer = await window.crypto.subtle.decrypt(
        { name: "RSA-OAEP" }, this.privateKey, this.ciphertext
      );
      const decoder = new TextDecoder();
      this.decrypted = decoder.decode(decryptedBuffer);
    }
  }
}
</script>

6. データベース設計サンプル（テーブル定義）

ポイント：

• 秘密鍵は必ず暗号化して保存します。
• 失効リスト（CRL）代わりに、revoked フラグと日時を管理。
• user_id にインデックスを張り、検索性能を確保。

7. 実際の運用と注意点

• 鍵管理ポリシーの徹底：HSM や KMS で秘密鍵を保護し、アプリケーションサーバには保存しない。
• 鍵更新・ローテーション：定期的に鍵をローテーションし、旧鍵は速やかに失効。
• CRL・OCSP：PKI を導入し、失効情報をリアルタイムに提供。
• パフォーマンス監視：暗号化処理が CPU 集中型のため、負荷分散やキャッシュを検討。

8. まとめ

公開鍵・秘密鍵を用いた非対称暗号は、機密性と認証を同時に実現する強力な技術です。
本記事では以下を詳しく解説しました。

1. 非対称暗号の基本概念
2. 全体フローとプロセス図解
3. メリット・デメリット
4. Python（cryptography）実装サンプル
5. Vue.js（WebCrypto API）実装サンプル
6. データベース設計サンプル
7. 運用上の注意点

これらを活用して、安全性の高い通信や電子署名機能をシステムに組み込み、より信頼できるサービスを構築してくださいね。

執筆者のひとこと：
システム全体のフローを俯瞰することで、設計段階から安心感が生まれます。ぜひここで示した図解やコードを手元で動かしながら、より深く理解を深めてみてください。応援しています♪