はじめの情報処理安全確保支援士試験講座⑪CTR(Counter)モードについて説明します！

今回も、過去の試験問題を解きながら、試験合格に必要な知識を深めていきます。

今回は、CTR(Counter)モードについて説明します。

是非、最後までご覧いただけると嬉しいです。

CTR(Counter)モード
まとめ

CTR(Counter)モード

ブロック暗号の暗号利用モードの一つであるCTR(Counter)モードに関する記述のうち、適切なものはどれか

ア　暗号化と復号の処理において、出力は、入力されたブロックと鍵ストリームの排他的論理和である。

イ　暗号化の処理において、平文のデータ長がブロック朝の倍数でないときにパディングが必要である。

ウ　ビット誤りがある暗号文を復号すると、ビット誤りのあるブロック全体と次のブロックの対応するビットが平文ではビット誤りになる。

エ　複数ブロックの暗号化の処理は並列に実行できないが、複数ブロックの復号の処理は並列に実行できる。
引用：情報処理技術者試験　令和5年春午前Ⅱ問7

解答

ア

CTRモードの概要

CTR（Counter）モードは、ブロック暗号（例えばAES）を用いた暗号利用モードの一つです。CTRモードは、暗号化と復号化の過程が対称で高速であり、並列処理が可能なため、多くの暗号化アプリケーションで利用されています。

ブロック暗号

ブロック暗号は、固定長のデータブロックを単位として暗号化する方式です。データを一定サイズのブロックに分割し、それぞれのブロックに暗号アルゴリズムを適用して暗号化します。代表的なブロック暗号には、AESやDESがあり、データの機密性を保つために広く使用されています。ブロック暗号は、電子データの安全な通信や保存において重要な役割を果たします。

CTRモードの仕組み

CTRモードは「カウンタモード」とも呼ばれ、暗号化と復号化のプロセスで「カウンタ（Counter）」と呼ばれる値を利用します。CTRモードは、ブロック暗号をストリーム暗号として動作させるために設計されています。

CTRモードの特徴的な点は、暗号化・復号化の処理が対称であり、どちらも同じ操作を行うことです。具体的には、以下のステップで処理されます：

初期カウンタ（nonce）とカウンタ値の設定：
- CTRモードでは、まず「初期カウンタ（nonce）」と「カウンタ（Counter）」の値を設定します。
- 初期カウンタは通常、固定のランダムな値であり、各暗号化セッションごとに異なる値を使用する必要があります。
- カウンタ値は、暗号化のたびに1ずつ増える整数値です。
カウンタ値の暗号化：
- ブロック暗号を使用して、初期カウンタとカウンタ値を連結したものを暗号化します。この暗号化された値が「鍵ストリーム」と呼ばれる擬似ランダムなデータになります。
平文とのXOR演算：
- 生成された鍵ストリームと平文（もしくは暗号文）をビット単位でXOR演算します。
- 暗号化の場合、平文と鍵ストリームをXORすることで暗号文を生成します。
- 復号化の場合、暗号文と同じ鍵ストリームをXORすることで平文を復元します。
次のカウンタ値のインクリメント：
- カウンタ値を次のブロックの処理のためにインクリメントし、再び暗号化に利用します。

CTRモードのメリット

並列処理：各ブロックの暗号化/復号が独立しているため、並列処理が可能です。
ランダムアクセス：特定のブロックの暗号化/復号を、他のブロックの処理に影響を与えることなく行えます。
パディング不要：平文の長さがブロック長の倍数でなくても、パディング処理は不要です。
エラー伝播の局所化：暗号文の一部にエラーが発生した場合、その部分の平文にのみ影響が限定されます。
暗号化と復号の処理の同一性：暗号化と復号の処理が同一であるため、実装が簡素化されます。

CTRモードのデメリット

初期カウンタの管理が重要：初期カウンタ（nonce）とカウンタの組み合わせが一意でなければならないため、これが管理できないとセキュリティ上の問題が発生します。例えば、同じnonceとカウンタの組み合わせを再利用すると、平文が漏洩するリスクが増します。
メッセージの整合性が保証されない：CTRモードは暗号化のみを提供し、メッセージの改ざんを検出するためのメカニズムがないため、別途メッセージ認証コード（MAC）などを使用してメッセージの整合性を保証する必要があります。

CTRモードの利用例

ファイル暗号化：大規模なファイルの暗号化/復号において、並列処理による高速化が期待できます。
ストリーム暗号化：ストリーム状のデータをリアルタイムに暗号化/復号する際に、CTR モードは適しています。
ネットワーク通信の暗号化：ネットワークパケットの暗号化において、CTR モードは効率的な暗号化方式として利用されます。

その他のブロック暗号の暗号利用モード

ブロック暗号の暗号利用モードには、CTRモードのほかに、以下のモードがあります。

ECB(Electronic CodeBook)
CBC(Cipher Block Chaining)
CFB(Cipher FeedBack)
OFB(Output FeedBack)

ECB(Electronic CodeBook)

ECB（Electronic Codebook）モードは、ブロック暗号の中でも最も基本的な暗号利用モードの一つです。暗号化や復号化のアルゴリズム自体はシンプルですが、セキュリティ面での問題があるため、現代の暗号化プロトコルではほとんど使用されていません。

ECBモードでは、平文のデータを固定長のブロック（通常128ビットや256ビットなど）に分割し、それぞれのブロックを独立して暗号化します。各ブロックは同じ暗号鍵を使って、個別に暗号化されます。

CBC(Cipher Block Chaining)

CBC（Cipher Block Chaining）モードは、ブロック暗号の暗号利用モードの一つで、暗号化のセキュリティを向上させるために設計されています。CBCモードは、各平文ブロックが前の暗号文ブロックと結びついて処理されるため、前のブロックの暗号化結果が次のブロックの暗号化に影響を与えるという特徴を持っています。これにより、同じ平文ブロックでも異なる暗号文ブロックが生成され、セキュリティが向上します。

CBCモードでは、暗号化処理がチェーンのように連結されているため、「暗号ブロック連鎖モード」と呼ばれます。各ブロックの暗号化処理が、その直前のブロックの暗号化結果（暗号文）に依存して行われるため、同じ平文でも異なる暗号文が生成されるようになっています。

CFB(Cipher FeedBack)

CFB（Cipher Feedback）モードは、ブロック暗号をストリーム暗号のように扱うことができる暗号利用モードの一つです。CFBモードは、連続するデータの暗号化や復号化に適しており、特にリアルタイムでデータを処理するネットワーク通信などの用途で使用されます。

CFBモードは、平文をブロック単位ではなく、小さな単位（通常はビットまたはバイト）で暗号化・復号化することができます。CFBモードでは、暗号文の一部が次の平文ブロックの暗号化に影響を与えるため、平文全体のセキュリティを向上させます。

OFB(Output FeedBack)

OFB（Output Feedback）モードは、ブロック暗号をストリーム暗号のように使用するための暗号利用モードの一つです。OFBモードは、データの連続的な暗号化や復号化が求められる用途に適しており、エラー拡散を防ぐため、通信エラーが発生しやすい環境（例: 通信回線の暗号化）に向いています。

OFBモードでは、暗号化アルゴリズムの出力を次の暗号化プロセスの入力として使用します。このため、OFBモードは「出力フィードバックモード」と呼ばれます。平文は、暗号化されたストリームとXOR演算を行うことで暗号化され、復号化は同じ手順を逆に行います。