量子安全な鍵交換プロトコル ホワイトペーパー
BlazeQ キー交換プロトコル
本書は、英語版原文の日本語翻訳版です。技術的な詳細については、英語版をご参照ください。
はじめに
本書では、BlazeQ キー交換プロトコルの概要を説明します。BlazeQ は、公開鍵を用いた相互認証を行いながら、2者間で共有秘密鍵を確立する仕組みを提供します。本プロトコルは、ポスト量子セキュリティを確保した前方秘匿性を実現します。
BlazeQ は、非同期環境向けに設計されており、一方の当事者（「Bob」）がオフラインであっても、事前に特定の情報をサーバーに公開することで、もう一方の当事者（「Alice」）がこの情報を活用し、Bob に対して暗号化されたデータを安全に送信し、将来の通信のために共有秘密鍵を確立することができます。
記法について
本書では、以下の記法を使用します。
X || Y：バイト列XとYの連結を表します。DH(SK, PK)：楕円曲線 Diffie-Hellman (ECDH) に基づく共有秘密の生成を示します。SKは秘密鍵、PKは異なる鍵ペアの公開鍵を意味します。SIG(SK, M)：Ed25519 または Ed448 署名アルゴリズムを使用して、メッセージMに対してSK（秘密鍵）を用いて署名を行うことを表します。(CT, SS) = ML-KEM-ENC(PK)：ポスト量子鍵カプセル化機構 (PQKEM) を用いた暗号文CTと共有秘密SSの生成を示します。ML-KEM-DEC(SK, CT)：秘密鍵SKを使用し、CTから共有秘密SSを復号する操作を示します。
役割
BlazeQ プロトコルでは、以下の 3 つの主要な参加者が関与します。
- Alice：Bob に暗号化データを送信し、安全な共有鍵を確立する。
- Bob：Alice との安全な通信を確立するが、常にオンラインであるとは限らない。そのため、サーバーを介して情報を事前に公開する。
- サーバー：Bob の公開情報を保存し、Alice に提供する。また、Alice から Bob へのメッセージを一時的に保存する。
実際の実装では、サーバーの機能は複数のエンティティに分散する可能性がありますが、本プロトコルでは単一のサーバーを想定しています。
楕円曲線キー
BlazeQ では、以下の楕円曲線鍵を使用します。
IKa：Alice の楕円曲線アイデンティティ鍵。IKb：Bob の楕円曲線アイデンティティ鍵。EKa：Alice の楕円曲線エフェメラル鍵。LKb：Bob の長期楕円曲線鍵。SPKb：Bob の短期事前生成鍵。(OPKb1, OPKb2, OPKb3, …)：Bob のワンタイム事前生成鍵。
ポスト量子鍵カプセル化キー
BlazeQ では、以下のポスト量子鍵を使用します。
PQIKa：Alice のポスト量子アイデンティティ鍵。PQIKb：Bob のポスト量子アイデンティティ鍵。PQLKb：Bob のポスト量子長期鍵。PQSPKb：Bob のポスト量子短期事前生成鍵。(PQOPKb1, PQOPKb2, PQOPKb3, …)：Bob のポスト量子ワンタイム事前生成鍵。
プロトコルの流れ
BlazeQ プロトコルは、以下の 3 つのフェーズで構成されます。
- Bob の鍵の公開
- Bob は、自身の楕円曲線およびポスト量子アイデンティティ鍵、事前生成鍵のセットをサーバーに公開する。
- Alice による鍵の取得と初回メッセージの送信
- Alice は、Bob のアイデンティティ鍵と事前生成鍵バンドルをサーバーから取得し、初回メッセージを Bob に送信する。
- Bob によるメッセージの受信と処理
- Bob は Alice のメッセージを受信し、鍵交換プロセスを完了する。
セキュリティ考慮事項
BlazeQ は、量子コンピュータによる攻撃に耐えるように設計されており、次のようなセキュリティ特性を備えています。
- 認証：
- 楕円曲線署名とポスト量子署名の組み合わせにより、Alice と Bob の相互認証を保証します。
- ただし、外部要因（指紋認証や QR コードスキャンなど）による追加認証を推奨します。
- 否認防止：
- オフライン否認防止機能を備えており、第三者が通信の証拠を持つことを防ぎます。
- 前方秘匿性：
- 一時的な鍵とワンタイム鍵を使用することで、将来的に秘密鍵が漏洩しても、過去の通信の安全性が保たれます。
- 鍵の漏洩対策：
- アイデンティティ鍵や事前生成鍵が漏洩した場合の影響を最小限に抑えるため、頻繁な鍵のローテーションを推奨します。
- 量子攻撃への耐性：
- 「収集して後で解読する」攻撃に対抗するため、ポスト量子鍵カプセル化を使用。
- 量子コンピュータが攻撃を試みても、セッションキーを解読することは困難。
おわりに
本ホワイトペーパーでは、BlazeQ の概要と主要な技術特性について説明しました。より詳細な技術仕様や実装の詳細については、英語版ホワイトペーパーをご参照ください。
The BlazeQ Key Agreement Protocol
BlazeQ は、量子時代に向けたセキュアな鍵交換プロトコルを提供します。本プロトコルは、既存の楕円曲線ベースの技術とポスト量子暗号技術を組み合わせることで、耐量子セキュリティを実現します。
今後の研究により、さらなる最適化やセキュリティ強化が見込まれます。本ホワイトペーパーが、次世代の安全な通信技術に貢献できれば幸いです。
