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保存データ向け AES 暗号化の実装

概要

AES（Advanced Encryption Standard）は、機密データやセンシティブなデータを保護するために使用される、NIST（FIPS 197）によって標準化された共通鍵ブロック暗号です。このスキルでは、保存データとしてのファイルやデータストアを暗号化するための、GCM モードによる AES-256 暗号化の実装を扱います。適切な鍵導出、IV／ノンスの管理、認証付き暗号化も含まれます。

使用する場面

• 環境において、保存データ向け AES 暗号化機能をデプロイまたは設定する場合
• コンプライアンス要件に沿ったセキュリティ制御を確立する場合
• このドメインのセキュリティアーキテクチャを構築または改善する場合
• この実装が必要となるセキュリティ評価を実施する場合

前提条件

• 暗号技術の概念とツールに関する知識
• 安全に実行できるテスト環境またはラボ環境へのアクセス
• 必要な依存関係をインストールした Python 3.8 以降
• テスト活動に対する適切な権限

目標

• ファイルの AES-256-GCM 暗号化と復号を実装する
• PBKDF2 と Argon2 を使用してパスワードから暗号鍵を導出する
• 初期化ベクトル（IV）とノンスを安全に管理する
• ディレクトリツリー全体を暗号化および復号する
• 改ざんを検出する認証付き暗号化を実装する
• ストリーミング暗号化で大きなファイルを処理する

主要な概念

AES の動作モード

モード	認証	並列処理可能	用途
GCM	あり（AEAD）	あり	ネットワークデータ、ファイル暗号化
CBC	なし	復号のみ	レガシーシステム、ディスク暗号化
CTR	なし	あり	ストリーミング暗号化
CCM	あり（AEAD）	なし	IoT、リソースに制約のある環境

鍵導出

パスワードをそのまま暗号鍵として使用しないでください。必ず次の方法で鍵を導出してください。

• PBKDF2：NIST 承認済みで広くサポートされています（2024 年時点で最低 600,000 回の反復）
• Argon2id：Password Hashing Competition の優勝方式で、メモリハードです
• scrypt：メモリハードで、Argon2 の優れた代替手段です

ノンス／IV の管理

• GCM では 96 ビット（12 バイト）のノンスが必要で、同じ鍵で絶対に再利用してはいけません
• os.urandom()（CSPRNG）を使用してノンスを生成します
• ノンスは暗号文とともに保存します（秘密情報ではありません）

ワークフロー

1. cryptography ライブラリをインストールします：pip install cryptography
2. 暗号鍵を生成または導出します
3. 暗号化処理ごとにランダムなノンスを作成します
4. 鍵とノンスを使って AES-256-GCM でデータを暗号化します
5. ノンス、暗号文、認証タグをまとめて保存します
6. 復号時は、ノンスを取り出し、タグを検証してから復号します

暗号化ファイル形式

[salt: 16 bytes][nonce: 12 bytes][ciphertext: variable][tag: 16 bytes]

セキュリティ上の考慮事項

• 改ざんを防ぐため、必ず認証付き暗号化（GCM、CCM）を使用します
• 同じ鍵でノンスを再利用しないでください（GCM では致命的な問題につながります）
• 長期的なデータ保護には、少なくとも 256 ビットの鍵を使用します
• 可能であれば、使用後に鍵をメモリから安全に消去します
• 組織のポリシーに従って、暗号鍵を定期的にローテーションします
• ディスクレベルの暗号化には、XTS モード（AES-XTS）の使用を検討します

検証基準

• AES-256-GCM 暗号化によって有効な暗号文が生成される
• 復号によって元の平文が正確に復元される
• 認証タグによって暗号文の変更がすべて検出される
• 鍵導出で十分な反復回数／パラメーターが使用されている
• 同じ鍵でノンスが再利用されない
• 大きなファイル（1 GB 超）をストリーミングで処理できる
• 暗号化ファイル形式に必要なすべてのメタデータが含まれている