ストリーム暗号とは？初心者向けにわかりやすく解説する入門ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

ストリーム暗号とは？初心者向けにわかりやすく解説する入門ガイド

この文章では、ストリーム暗号の基本を中学生にも理解できるように丁寧に解説します。ストリーム暗号はデータを1ビットまたは1バイトずつ順番に処理して暗号化していく方法で、鍵ストリームと呼ばれる乱数の列と組み合わせてデータを保護します。鍵ストリームの品質が安全性の鍵となるため、正しく使うことがとても重要です。ここでは専門的な用語をできるだけ避け、やさしい言葉で仕組みを説明します。

ストリーム暗号の基本

ストリーム暗号は、データの各ビットや各バイトを順番に処理します。これを可能にするのが鍵ストリームと呼ばれる乱数の列です。鍵ストリームの安全性と、同じ鍵を繰り返し使わないことが、ストリーム暗号を正しく使ううえでの最重要ポイントです。鍵ストリームが推測されやすいと、平文を推測されてしまう危険があります。

どう動くのか

実際には、まず秘密鍵から信頼できる乱数発生器を使って鍵ストリームを作ります。次にデータの各ビットまたはバイトとこの鍵ストリームをXOR演算で組み合わせて暗号文を作ります。XORは同じ入力なら必ず同じ出力になるという性質があり、復号も同じ演算で可能です。そのため、暗号文を受け取った側はデータと鍵ストリームをもう一度XORすれば元のデータに戻ります。

実用上の注意点

ストリーム暗号の最大の魅力は高速性と低遅延です。ですが、現実の世界では鍵の配送方法や鍵ストリームの生成方法が安全でなければ意味がありません。以下の点を守ることが大切です。鍵を使い回さない、乱数生成器の品質を選ぶ、古いアルゴリズムをそのまま使わない、といった運用ルールを意識しましょう。

歴史と代表例

歴史的にはRC4がよく知られていますが、現在では脆弱性が指摘され、推奨されません。鍵ストリームの偏りや特定パターンの露出などの問題が指摘されました。最近ではAES-GCTRやChaCha系といった、より安全性の高いストリーム暗号系が使われることが多くなっています。実装時には最新の標準や推奨を確認することが重要です。

比較表

要素	ストリーム暗号	ブロック暗号
処理単位	ビットまたはバイト	ブロック単位
鍵ストリームの生成	擬似乱数の連続生成	固定長ブロックごとに処理
代表的な例	RC4（旧式）	AES など
利点	高速で低遅延	強力な標準性と広い用途
注意点	鍵の再利用は厳禁	鍵の管理と安全な実装が必要

用語の解説

ストリーム暗号とは、データを1ビットまたは1バイトずつ順番に暗号化する方法です。

鍵ストリームとは、暗号化に使う乱数の列のことです。

XORはデータと鍵ストリームを結ぶ基本的な演算です。

ストリーム暗号の同意語

ストリーム暗号: 平文をビットまたはバイト単位で逐次的に暗号化する暗号方式。鍵ストリームを生成して平文と XOR することで暗号文を作る。データをブロックに区切らず連続的に処理する点が特徴。
ストリーム型暗号: ストリーム暗号の別称として使われる表現。データを連続的に処理して暗号化するタイプを指す。
ストリーム暗号方式: ストリーム暗号を指す別の言い方。設計・実装上のカテゴリとして用いられる語。

ストリーム暗号の対義語・反対語

ブロック暗号: データを一定長のブロック単位で処理する暗号。ストリーム暗号がビット/バイトを連続的に処理するのに対し、ブロック暗号は区切って処理します。代表例: AES、DESのような方式。
公開鍵暗号: 鍵の配布・管理を公開鍵と秘密鍵の組み合わせで行う暗号。ストリーム暗号のような対称鍵方式とは異なる仕組みで、鍵配送の課題を別の形で解決します。代表例: RSA、ECC。
非対称暗号: 公開鍵暗号の別称。鍵を公開鍵と秘密鍵の組み合わせで扱う暗号で、ストリーム暗号（対称鍵暗号）とは別カテゴリです。
対称鍵暗号: 鍵を共有して暗号化・復号を行う暗号の総称。ストリーム暗号はこの一種ですが、対義語としては非対称暗号（公開鍵暗号）が自然です。
ブロックモード: ブロック暗号を実運用する際の動作モードの一つ。ストリーム暗号と対比して、データをブロック単位で処理する運用形態を指します。

ストリーム暗号の共起語

鍵: ストリーム暗号を動かすための秘密情報。暗号化と復号には同じ鍵が必要です。
鍵長: 鍵のビット長。例として128ビットや256ビットなど、耐性や計算量に影響します。
初期化ベクトル: 暗号の開始状態を決定する追加値。鍵と組み合わせて異なるキーストリームを生成します。
IV: Initial Vectorの略。暗号の初期状態を決定する値。
キーストリーム: 平文とXORして暗号文を作る、連続したビット列（秘密のビット列）です。
キーストリーム生成器: キーストリームを生成する装置・アルゴリズム。LFSRやNLFSR、PRNGなどが使われます。
乱数生成器: キーストリームを作る要素。PRNGや真の乱数などを用いています。
XOR: 排他的論理和。キーストリームと平文を結合する基本的な演算です。
LFSR: 線形帰還シフトレジスタの略。ストリーム暗号の主要なビット生成源の一つです。
NLFSR: 非線形帰還シフトレジスタ。線形より複雑なキーストリームを作る源です。
同期ストリーム暗号: 送受信でキーストリームを同期して動作するタイプのストリーム暗号です。
自己同期ストリーム暗号: 受信側が受信データから自動的に同期を取り戻すタイプのストリーム暗号です。
ChaCha20: モダンなストリーム暗号。高速で安全性が高い設計です。
ChaCha: ChaChaファミリの別称・略称。
ChaCha20-Poly1305: ChaCha20にPoly1305認証を組み合わせたAEADモード。機密性と認証を同時に提供します。
Salsa20: ChaChaの前身となるストリーム暗号の一つ。高速な設計です。
RC4: 歴史的なストリーム暗号。現在は推奨されません。
Trivium: 軽量ストリーム暗号の代表的な設計の一つ。
Geffe: 複数のLFSRを組み合わせた初期のストリーム暗号の設計。
Shrinking: Shrinking Generatorに基づくストリーム暗号の設計。
Grain: 軽量ストリーム暗号のシリーズ名。
Grain-128: Grainシリーズの128ビット状態版。軽量で高速な暗号設計です。
Grain-64: Grainシリーズの64ビット状態版。
A5/1: 旧携帯電話通信で用いられた古典的ストリーム暗号。
A5/3: A5/1の後継として提案されたストリーム暗号。
ブロック暗号: ストリーム暗号と対比される別タイプの暗号。

ストリーム暗号の関連用語

ストリーム暗号: 平文とキーストリームを XOR して暗号化・復号を行う暗号方式。キーストリームは鍵と IV から生成され、同じ鍵と IV で再利用すると機密性が著しく低下します。
キーストリーム: 平文と XOR される連続的なビット列。予測不能で再現可能であることが安全性の前提です。
キーストリーム生成器: キーストリームを作るアルゴリズムや回路。LFSR や PRNG を組み合わせて設計されることが多いです。
擬似乱数生成器 (PRNG): 決定論的に乱数風の数列を生み出す仕組み。ストリーム暗号ではキーストリームの源泉として使われます。
初期化ベクトル (IV): 鍵とは別に与える初期値。IV を変えることで同じ鍵でも異なるキーストリームを得られ、再利用を防ぎます。
自己同期型ストリーム暗号: ciphertext の一部から自動的に同期を回復できるタイプ。長い出力遅延を許容する設計が特徴です。
同期型ストリーム暗号: 常時新しいキーストリームを生成して平文と XOR するタイプ。実装が比較的単純です。
LFSR (線形フィードバックシフトレジスタ): 長い周期の乱数列生成に使われる基本部品。複数を組み合わせて強度を高めます。
RC4: 歴史的に広く使われたストリーム暗号。鍵スケジュールとキーストリーム生成のアルゴリズム (KSA/PRGA) が特徴ですが、偏りが指摘され現代では推奨されません。
ChaCha20: 現代的で安全性が高いストリーム暗号。高速で実装が容易。ChaCha20-Poly1305 という認証付きモードも広く使用されます。
Salsa20: ChaCha の前身となる高速なストリーム暗号。設計上の利点から ChaCha へ統合・置換されることが多いです。
ChaCha20-Poly1305: ChaCha20 のキーストリームと Poly1305 の認証を組み合わせた AEAD。機密性と認証性を同時に提供します。
Grain: 軽量ストリーム暗号の代表的な設計。LFSR と非線形要素の組み合わせで実現します。
Grain-128a: Grain ファミリーの高長さ・高セキュリティ性を狙った派生。軽量環境での使用を想定します。
Geffe: 複数の LFSR を組み合わせてキーストリームを作る方式の一つ。予測困難性を高める用途で用いられます。
Shrinking: LFSR の出力を条件付きで採用するキーストリーム生成法。比較的軽量な設計で使われることがあります。
Trivium: 軽量ストリーム暗号の代表例。3 つの LFSR と非線形結合を組み合わせた設計です。
AES-CTR (AES in Counter mode): 厳密にはブロック暗号モードですが、ストリーム風にキーストリームを生成して XOR する使い方が可能。実務上はストリーム暗号の代替として用いられることがあります。
キーストリーム再利用の危険性: 同じ鍵ストリームを複数のデータに使うと情報が重畳されてしまい、機密性が著しく低下します。
偏りと統計的性質: 特定のストリーム暗号には出力に偏りがあることがあり、統計的分析で脆弱性を突かれることがあります（例: RC4 の偏り）。
実務での運用注意点: 同じ鍵と IV の再利用を避ける、IV の長さと乱数性を確保する、可能なら認証を併用する（AEAD）などの運用上のポイントを守ることが重要です。