コトラ（広報チーム） 
CBCモードとは何か？
CBCモードの基本概念
CBCモード（Cipher Block Chainingモード）は、データを安全に暗号化するための手法で、共通鍵暗号用の暗号モードの一つです。このモードでは、データを一定の固定サイズのブロックに分割し、各ブロックを暗号化する際に、前のブロックの暗号結果を現在のブロックと組み合わせて暗号化を行います。これにより、同じデータが繰り返される場合でも出力結果が異なり、データパターンを隠す効果があります。
ブロック暗号モードの一部としての位置づけ
CBCモードは、ブロック暗号モードの一部として設計されており、その目的は暗号化と復号のプロセスにおいてセキュリティを強化することです。他のブロック暗号モードと同様に、AES（Advanced Encryption Standard）や3DES（Triple Data Encryption Standard）などのアルゴリズムで使用されますが、初期化ベクトル（IV）の利用によって一意な暗号化結果を生成します。このIVは、最初のブロックの暗号化でのみ使用され、それ以降は前のブロックの暗号結果が次のブロックへと引き継がれます。
他の暗号モードとの比較
CBCモードは他の暗号モード、例えばCFB（Cipher Feedback）やCTR（Counter）モードと比較した際に、いくつかの特徴的な点があります。一つの大きな違いは、CBCモードが暗号化および復号プロセスで並列処理が難しい点です。この特性は、暗号プロセスにおけるパフォーマンスの制限を引き起こす場合があります。一方で、データパターンの隠護取り組みに優れているため、多くのシステムやアプリケーションで採用されています。しかし、適切な設計や改ざんチェック機能が欠如している場合、脆弱性が生じるリスクもあります。特に、パディングオラクル攻撃のような手法がそのリスクの代表例です。
CBCモードの仕組みとその流れ
CBCモードの暗号化プロセス
CBCモード（Cipher Block Chainingモード）は、暗号化を行う際に平文を固定サイズのブロックに分割し、各ブロックを一定の手順で暗号化する仕組みを採用しています。最初に、平文ブロックと初期化ベクトル（IV）が排他的論理和（XOR）され、暗号化アルゴリズムに渡されます。次に、この暗号化結果が次の平文ブロックと再びXORされて暗号化が進みます。この連鎖的な処理により、各ブロックの暗号化結果が前のブロックに依存するため、データパターンが巧妙に隠蔽されます。ただし、この仕組みは計算を順次行うため、並列処理が困難であるという制約があります。
IV（初期化ベクトル）の役割と重要性
初期化ベクトル（IV）は、CBCモードのセキュリティにおいて重要な役割を果たします。IVは、暗号化プロセスの最初のブロックに適用される値で、同じ平文が暗号化されても出力結果が異なるように働きます。これにより、暗号化されたデータから平文の類似性を特定することが難しくなります。しかし、IVが予測可能であったり再利用されたりした場合、cbcモードの脆弱性を引き起こし、セキュリティリスクが増大する可能性があります。そのため、十分安全な乱数生成器を用いてIVを生成することが推奨されます。
復号化プロセスについて
復号化プロセスは暗号化プロセスとは逆の流れで行われます。具体的には、暗号化データブロックを復号化アルゴリズムに通して得られた結果と、前の暗号ブロックまたは初期化ベクトル（IV）をXORすることで元の平文ブロックを再構成します。この処理によって、CBCモードでは復号化が可能となります。ただし、復号化の際にデータの整合性検証がない場合、Padding Oracle Attackなどの攻撃手法により、攻撃者が暗号化されたデータを悪用するリスクがあります。そのため、改ざんチェック機能や整合性確認を併用することが必要とされています。
CBCモードの脆弱性とそのリスク
Padding Oracle Attackとは？
Padding Oracle Attackとは、CBCモードの脆弱性を利用した攻撃手法で、攻撃者が暗号化されたデータを復号化するための手がかりを得る方法です。この攻撃では、暗号化されたデータブロックに対して特定の操作や改ざんを加え、その結果として復号化プロセスが「成功」または「失敗」の通知を返す動作を悪用します。「Oracle（オラクル）」とはこうした通知を指し、その情報を基に攻撃者はデータの内容を推測することができます。
CBCモードでは、各ブロックの復号時にパディングの有効性が確認されます。この点を突くのがPadding Oracle Attackです。パディングは、データを固定サイズのブロックに調整するために付加されますが、これを適切に処理しない実装では、攻撃者が復号結果を段階的に解明する足がかりとなるため、安全性を損なうリスクがあります。
整合性チェックにおける問題点
CBCモードにおける設計上の問題として、暗号化されたデータの整合性を直接チェックしない場合、そのデータが改ざんされる危険があります。具体的には、複数のブロックに分けて処理するCBCモードでは、特定のブロックだけが攻撃者によって改ざんされても、復号プロセス全体に大きな影響を与えません。その結果、攻撃者に許可されていないコードの実行やデータ流出のリスクが高まります。
Microsoftをはじめ、多くの企業や研究者がこの脆弱性に着目しており、暗号化解除時には整合性の確認を追加することが推奨されています。これにより、改ざんや攻撃を未然に防ぐことが可能となります。
今回の脆弱性に関連する実例
具体的な実例として、2020年11月25日にNTT、兵庫県立大学、NECの研究者が発表した研究があります。この研究では、CBCモードを利用した暗号化における脆弱性が指摘されました。彼らは、改ざんチェックが不十分な場合に、攻撃者が暗号化されたバイナリファイルに任意のコードを埋め込むことが可能であることを示しました。
この脆弱性の影響として、許可されていないアプリケーションの実行や、特定のポートを介しての不正なコード実行が挙げられます。この攻撃は、暗号化ツールやOpenSSLのような普及しているソフトウェアにおいて特に問題になるとされています。改ざんされたデータが使用された場合、システム全体のセキュリティが損なわれるため、重要な警鐘として捉えられています。
互換性のために潜在的に使用される場面
CBCモードは、AESや3DESなどのブロック暗号とともに長い間使用されてきた暗号化モードであり、その互換性の高さから現在でも一部のシステムで利用されることがあります。特に、古いシステムやレガシーソフトウェア環境では、最新の暗号化モードに移行していないケースが見られるため、CBCモードが引き続き使用される可能性があります。
しかし、こうした利用は潜在的なリスクを伴います。整合性チェック機能の不足や、IV（初期化ベクトル）の適切な扱いが行われていない場合、脆弱性が顕在化する可能性が高まります。したがって、互換性を目的にCBCモードを使用する際には、セキュリティ対策を徹底して行うことが不可欠です。特に、改ざん検知機能や最新のセキュリティアップデートの適用が重要となります。
CBCモードの安全な利用方法と選択肢
安全な暗号プロトコルへの移行
CBCモードは暗号化において広く使用されてきましたが、近年、その脆弱性が指摘されています。特にパディングオラクル攻撃のような脅威に対処するためには、より安全な暗号プロトコルへの移行が推奨されています。たとえば、TLS（Transport Layer Security）の最新バージョンでは、暗号化プロセスにおいて改ざん検知機能が組み込まれているため、CBCモードの弱点を克服できます。また、セキュリティの向上のためには、整合性保護を備えた暗号モードの利用が重要です。このようなプロトコルへの移行は、長期的なシステムの安全性を確保する上で欠かせません。
GCMやCTRモードなどの代替モード
CBCモードの代わりとして、GCM（Galois/Counter Mode）やCTR（Counter Mode）などの暗号化モードが推奨されています。これらのモードは、並列処理や高速な暗号化・復号化が可能であると同時に、改ざん検知機能を持っています。特にGCMモードは、暗号化と認証を同時に実現できるため、高いセキュリティ性を誇ります。また、CTRモードはストリーム暗号としても利用できる特徴を持ち、動作の効率性が求められる状況にも適しています。これらの代替モードの選択は、システム設計における重要な考慮事項となります。
暗号化システムの設計における注意点
CBCモードを含む暗号化システムを設計する際には、脆弱性を最小限に抑えるための注意が求められます。たとえば、初期化ベクトル（IV）の生成方法を適切に設計し、乱数性を確保することは不可欠です。また、改ざん検知のための整合性チェック機能を組み込むことも重要です。さらに、パディングの適切な処理やエラーメッセージの十分な管理を行うことで、攻撃者が情報を得られる可能性を減らすことができます。このようなデザイン上の注意は、CBCモードが持つ潜在的な弱点を回避するためには欠かせません。
最新のセキュリティアップデートの適用
CBCモードを安全に利用し続ける場合、暗号ライブラリやソフトウェアの最新のセキュリティアップデートを常に適用することが重要です。多くの開発者や研究機関は、CBCモードの脆弱性を改善するためのパッチやアップデートを提供しています。そのため、脆弱性が公表された際には、それに対応するアップデートを迅速に適用することでリスクを軽減できます。また、これには最新の暗号仕様に従う習慣を持つことも含まれます。こうした継続的なアップデートの実施は、暗号化システムの安全性を保つ基本的な方法の一つです。
