大量データ・大容量ファイルを暗号化する一般的な方式

大容量ファイルの暗号化では、通常、**共通鍵暗号（AESやChaCha20）と公開鍵暗号（RSAや楕円曲線暗号）**を組み合わせます。共通鍵暗号は大量データを高速に処理し、公開鍵暗号は共通鍵を安全に受け渡すために使います。この方式をハイブリッド暗号と呼びます。

1. ハイブリッド暗号の基本フロー

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ランダムなデータ鍵を生成
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データ本体をAEADで暗号化
        ↓
受信者の公開鍵でデータ鍵を暗号化
        ↓
暗号文、nonce、認証タグ、暗号化されたデータ鍵を送信
        ↓
受信者が秘密鍵でデータ鍵を復号
        ↓
データ鍵で暗号文を復号し、認証タグを検証

具体的には、次のように動きます。

1. 暗号論的に安全な乱数から、AES-GCMやChaCha20-Poly1305用のデータ鍵を生成する。
2. データ本体を共通鍵暗号で暗号化する。AEADなら、改ざん検出用の認証タグも生成される。
3. 受信者の公開鍵でデータ鍵を暗号化する。RSAを使う場合は、通常RSA-OAEPを利用する。
4. 暗号文、nonce、認証タグ、暗号化されたデータ鍵、アルゴリズム情報を一緒に保存または送信する。
5. 受信者は自分の秘密鍵でデータ鍵を復号し、その鍵でデータ本体を復号する。
6. 認証タグを検証し、検証に失敗したらデータを破棄する。

2. 共通鍵暗号と公開鍵暗号の役割

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「暗号化」は機密性を守り、「署名」は完全性と送信元を検証します。署名しただけでは内容は秘匿されません。

3. なぜファイルを分割するのか

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大容量ファイルを一度にメモリへ読み込めない場合は、一定サイズのチャンクへ分割して暗号化します。

• チャンクごとにnonceを安全に管理する。
• チャンクの順序や長さを認証対象に含める。
• 各チャンクの認証タグを検証してから復号データを利用する。
• 中断後に再開できるよう、メタデータを設計する。

これは「RSAでファイルを小さなブロックへ分けて暗号化する」という意味ではありません。通常は共通鍵暗号でチャンクを処理し、公開鍵暗号はデータ鍵に一度だけ使います。

4. エンドツーエンド暗号化

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エンドツーエンド暗号化（E2EE）では、送信側でデータを暗号化し、受信側だけが復号できるようにします。サーバーは暗号文を保存・転送できますが、復号鍵を持たない設計にします。

• クライアントがデータを暗号化する。
• データ鍵を受信者の公開鍵で保護する。
• サーバーには暗号文だけを保存する。
• 受信者が秘密鍵でデータ鍵を復号する。

実際のE2EEでは、鍵の失効、端末の追加、バックアップ、メタデータ、本人確認、リプレイ攻撃なども考慮する必要があります。

5. 既存ツールを使う

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大容量ファイルを扱うときは、実績のあるツールを使う方が安全です。

• GnuPG（GPG）：OpenPGPの仕様に基づき、共通鍵暗号と公開鍵暗号を組み合わせてファイルを暗号化できる。
• age：ファイル暗号化に特化した比較的シンプルなツール。
• TLS：ネットワーク転送中のデータを保護する。保存データの暗号化とは目的が異なる。
• クラウドのKMS：暗号鍵の生成、保管、ローテーション、アクセス制御を管理する。

6. ハードウェアとクラウド

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AES-NIなどのCPU命令は、AESの処理を高速化します。HSM（Hardware Security Module）は、秘密鍵を専用デバイス内で生成・保管し、外部へ取り出しにくくします。

クラウドストレージでは、AES-256などによる保存時暗号化が標準で提供される場合があります。しかし、クラウド事業者管理鍵と利用者管理鍵では、権限モデルや復旧手順が異なります。データの機密性要件に応じてKMSとアクセス制御を設計してください。

まとめ

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• 大容量データは、AES-GCMやChaCha20-Poly1305などのAEADで暗号化する。
• 公開鍵暗号は、データ本体ではなくデータ鍵を保護する。
• 大容量ファイルはチャンクへ分けても、公開鍵暗号で各チャンクを暗号化する必要はない。
• 暗号化とデジタル署名は目的が異なる。
• 実運用では、実績のあるツール、鍵管理、nonceの一意性、認証タグの検証を重視する。