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New Authentication Algorithm and Single Sign-On Algorithm Based on Verifiable Encryption

木原 眞紀 Maki Kihara 東京理科大学 DOI:info:doi/10.20604/00003576

2021.06.09

概要

本学位論文は、暗号化したまま 2つの平文を照合できる新たな暗号系のクラスの提案、およびそのクラスの特性を利用した 2 つの安全かつ高速な認証アルゴリズムの構築を目的とする。

本論文は5章から構成される。

第1章では、本研究における背景および目的を示すとともに、本論文の構成を述べる。近年、計算機・スマートデバイスなどの情報機器数やネットワークサービス数の増加に伴い、認証が行われる場面数も増加している。認証とは、何かが本物もしくは真である、または誰かが主張していることを証明する手続きや行為のことを指す。しかしながら、日常生活において認証という語は、何かまたは誰かに対して認識し名付ける行為を意味する識別、許可を与える行為を意味する認可の 2語と辞書的意味が異なるにもかかわらず、混同される場面が非常に多い。本章では、実際の認証が行われる場面を細分化し、そのうち認証が該当する箇所についてのみ焦点を当て、認証の要件を特定する。認証は、個人情報を配布する登録の過程と、認証手続きを用いて個人情報を照合する過程の2つから構成される。本研究では、この要件を踏まえた上で認証アルゴリズムを構築する。

第2章では、本研究で使用する記法を説明し、暗号化したまま2つの平文を照合できる新たな暗号系のクラス、照合可能暗号の数学的定義を与える。安全でないネットワー少を介して個人情報を送信する場合、その情報を保護するために暗号化する必要がある。しかし、暗号化された個人情報同士を照合して認証を行う場合、暗号文の状態のままでは計算処理することができないため、一度復号する必要がある。照合のために復号することにより、個人情報の漏えいが危惧される。これに対し、暗号化したままある種の演算が可能店いくつかの暗号が、情報漏えいのリスクを軽減できると期待されている。照合可能暗号は、暗号文に対して演算を行うことができ、その結果がもとの平文の距離と一致する新たな暗号系のクラスである。ここでは、実際にいくつかの既存の暗号がこのクラスに属することを示す。

第3章では、第2章で提案した暗号系のクラスをもとにした認証アルゴリズムを構築する。私たちの身の回りで認証が行われている場面として、ネットワークを介した認証、小型デバイスのロック解除、ネットワークを介した小型デバイスのロック解除の 3 つが代表例として挙げられるが、これらはそれぞれセキュリティポリシーが異なる。本章では、各認証の要件を特定する。本研究で焦点を当てたネットワークを介した小型デバイスのロック解除では、安全性と使用性の両立が理想的であるが、既存の方式ではセキュリティのための追加コストが大きい。認証方式として、鍵生成・暗号化、計算の2サーバーとデータベースを用いる方法を採用した。アルゴリズムは、照合可能暗号の特性を利用しているため、比較するために復号する必要がない。さらに公開鍵共有や認証局も必要としないため、デバイスの計算負荷の軽減が見込める。実装には、One-Time Pad を用いることで、シャンン定理による情報理論的安全性を確保した。堅牢性に関する議論では、なりすましと平必攻撃について議論する。ここでは、なりすましに対し本質的に施弱であるが、平文攻撃に対し堅牢であることを確認した。速度検証では、テキスト長が8192 ビットの場合でも1ミリ秒未満という結果から、高速な認証が可能であると言える。さらに、生体情報、固有番号をはじめとするあらゆる個人情報を適用可能なことから、本提案アルゴリズムは汎用性が高いと言える。

第4章では、第3章で提案した暗号系のクラスをもとにした認証アルゴリズムを応用し、1回の認証で複数のシステムへのアクセスを可能とする認証アルゴリズムを提案する。複線のネットワークサービスを利用する際、ユーザーはサービスごとにIDおよびパスワードを作成し、認証を受ける必要がある。しかしながら、ユーザーは膨大な数のIDとパスワードの組を管理することは困難であるため、同一のIDとパスワードが何度も使用される傾向にある。さらにサービス提供者もまた、ユーザーの個人情報を管理することを望んでいない。これに対し、近年、1回のログインで複数のシステムのアクセス制御を可能とするシングルサインオンに関する研究が盛んに行われている。その一方で、GAFA などの世界的な1企業や政府によるマーケティング情報の収集や広告表示など同意のない個人情報の利用が間題視されている。本章では、まず近年のシングルサインオンに関する動向をまとめ、要件を決定する。認証方式として、第 3章で提案したアルゴリズムで採用している鍵生成、暗号化、計算の2サーバーとデータベースに加え、サービス提供および認証情報を得るサーバーを導入する。本研究では、（1）認証情報を得るサーバーに対し、ユーザーの個人情報は提供せず認証情報のみを提供、（2）鍵生成・暗号化を行うサーバーに対し、ユーザーの認証情報の取得不可を要件とした。本アルゴリズムもまた、第3章のアルゴリズム同様計算負荷の軽減を可能とする。実装には、One-Time Pad を用い安全性を確保した。速度検証では、テキスト長が 8192 ビットの場合でも1ミリ秒未満という実行速度を得た。安全性の検証として、（1）理論的な攻撃に対する堅牢性に関する議論、（2）解析ツールの1つであるProverif を用いたセキュリティ解析を行う。アルゴリズムに対し、暗号文単独攻撃、既知平文攻撃、選択平文攻撃、選択暗号文攻撃、中間者攻撃が無効であることを確認した。 Proverifを用いたセキュリティ解析では、登録と照合の両方の過程において、攻撃者が個人情報の取得が不可能であることを確認した。さらに性能比較として、鍵生成・暗号化を行うサーバーと認証情報を得るサーバーの独立性、使用される暗号、使用可能な個人情報の3つの観点から、いくつかの代表的なシングルサインオンの実装との比較を行う。アルゴリズムの独自性として、代表的な実装では、IDとパスワードのペアのみ適用可能であるのに対し、提案したアルゴリズムでは、ID・パスワードだけでなく生体情報や非接触磁気ICカードなどあらゆる個人情報が適用可能である。

第5章では、本研究の結論と将来の展望について述べる。

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