動的鍵暗号

動的鍵暗号

1. ご要望

• 時間とともに変化する動的な鍵（ダイナミックキー）を用いた暗号化・復号化方式を設計したい。
• 鍵は「時間」によって自動的に変化し、送受信双方がこの変化に適応できることが要件。

2. 提案した方式

• 主鍵（シード）を事前に共有し、現在時刻と主鍵から一時的な鍵をHMACやKDFなどで導出する。
• 例えばTOTP（Time-based One-Time Password）方式の応用が有効。
  
  • $$\text{DynamicKey} = \text{KDF}(\text{MasterKey}, \text{TimeCounter})$$
• 時間ステップ（例：1分、30秒、1秒など）を設定し、その間隔で鍵を更新。
• 時刻のズレに備え、前後数ステップの鍵も試行できる設計が望ましい。

3. 毎秒の高頻度データ交換について

• 毎秒ごとに鍵を変化させることは技術的に可能。
• 主鍵と時刻から毎秒新しい鍵を導出し、AESなどの対称暗号でデータを暗号化・復号化できる。
• 時刻同期が重要であり、多少のズレを許容するためのウィンドウ設計が必要。
• セキュリティは非常に高くなるが、実装や運用の複雑さも増すため、用途に応じてバランスを取るべき。

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日本語の参考資料

• 動的鍵暗号の基礎と応用
  動的に変化する鍵を用いた暗号化方式の理論やElGamal暗号への応用、リプレイ攻撃対策などが解説されています。
  寺西・小木曽：動的鍵暗号（J-STAGE）[2]

• 時間ベースのワンタイムパスワード（TOTP）とは
  TOTPの仕組みや利用方法、セキュリティ上の利点について分かりやすく解説しています。
  Keeper Security - TOTPとは[3]

• 動的生成鍵暗号化・認証方式について
  秘密鍵と動的生成鍵を組み合わせた独自の暗号化方式の解説です。
  動的生成鍵暗号化・認証方式について（個人サイト）[6]

• 暗号強度要件（アルゴリズム及び鍵長選択）に関する設定基準
  日本のCRYPTRECによる暗号アルゴリズムと鍵長の選択基準。動的鍵の設計にも参考になります。
  CRYPTREC公式PDF[1]

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英語の参考資料

• What Is a Time-Based One-Time Password (TOTP)? How It Works
  TOTPの仕組みやセキュリティ上の利点、HOTPとの違いについて解説しています。
  1Kosmos - What Is a Time-Based One-Time Password (TOTP)?[5]

• What is TOTP? (Time-based one-time password) - Security
  TOTPアルゴリズムの詳細、ハッシュ関数やUnix時間との関係、実装上のポイントについて説明しています。
  IONOS - What is TOTP?[9]

• Generating a Time-Based One-Time Password (TOTP) with a Shared Secret
  PythonやNode.jsでTOTPを生成する具体的な方法を解説した技術ガイド。
  Ibanera API Docs - Generating TOTP[8]

• Encrypting TOTP secrets and delivered tokens
  TOTPのシークレットやトークンを暗号化して保護する方法について説明しています。
  Ping Identity Docs - Encrypting TOTP secrets[4]

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引用:

[1] [PDF] 暗号強度要件（アルゴリズム及び鍵長選択）に 関する設定基準 https://www.cryptrec.go.jp/list/cryptrec-ls-0003-2022r1.pdf

[2] 動的鍵暗号 - J-Stage https://www.jstage.jst.go.jp/article/isciesci/65/2/65_54/_pdf/-char/ja

[3] 時間ベースのワンタイムパスワードとは（TOTP） - Keeper Security https://www.keepersecurity.com/ja_JP/resources/glossary/what-is-a-time-based-one-time-password/

[4] Encrypting TOTP secrets and delivered tokens - Ping Identity Docs https://docs.pingidentity.com/pingdirectory/latest/pingdirectory_security_guide/pd_sec_encrypt_totp_secrets.html

[5] What Is a Time-Based One-Time Password (TOTP)? How It Works https://www.1kosmos.com/security-glossary/time-based-one-time-password-totp/

[6] 動的生成鍵暗号化・認証方式について http://www.eonet.ne.jp/~nao2/secure/help/key.htm

[7] Generating Secret Key for TOTP based User Authentication https://www.eginnovations.com/documentation/Web-App-Simulation/Generating-Secret-Key-for-TOTP-based-User-Authentication.htm

[8] Generating a Time-Based One-Time Password (TOTP) with a … https://customer-api-docs.ibanera.com/getting-started/authentication-and-authorization/generating-a-time-based-one-time-password-totp-with-a-shared-secret

[9] What is TOTP? (Time-based one-time password) - Security - IONOS https://www.ionos.com/digitalguide/server/security/totp/

[10] 動的キーの使用 - AWS Payment Cryptography https://docs.aws.amazon.com/ja_jp/payment-cryptography/latest/userguide/use-cases-acquirers-dynamickeys.html

[11] 時間ベースのワンタイムパスワード (TOTP) は - Auth Wiki - Logto https://auth.wiki/ja/totp

[12] RFC 6238 - TOTP: Time-Based One-Time Password Algorithm 日本 … https://tex2e.github.io/rfc-translater/html/rfc6238.html

[13] Key Rotation Strategies for Securing Sensitive Data - Piiano https://www.piiano.com/blog/key-rotation

[14] 暗号化 - NetApp https://docs.netapp.com/ja-jp/ontap/concepts/encryption-concept.html

[15] [PDF] 安全な暗号鍵の ライフサイクルマネージメントに関する調査 鍵管理 … https://www.ipa.go.jp/archive/security/reports/crypto/gmcbt80000005w91-att/000013895.pdf

[16] 「エンドツーエンドの暗号化データをリセット」についてお聞き … https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q12295188887

[17] SSL暗号化通信の仕組み | GMOグローバルサインカレッジ - GlobalSign https://college.globalsign.com/ssl-pki-info/ssl-encryptions/

[18] time-based encryption algorithm? - Stack Overflow https://stackoverflow.com/questions/11416803/time-based-encryption-algorithm

[19] Why is it important to rotate symmetric keys? https://security.stackexchange.com/questions/260241/why-is-it-important-to-rotate-symmetric-keys

[20] Automate TOTP 2-Factor Authentication (2FA) with Playwright https://www.youtube.com/watch?v=849m2cK_Tis

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参考資料

1. 阿里云开发者社区 - 动态密码OTP算法详解
   TOTPや動的鍵生成の原理と実装例を詳しく解説。

2. AWS公式ドキュメント - 動的鍵のユースケース
   実際のシステムでの動的鍵運用例。

3. 北京郵電大学学報 - スマートグリッド通信における動的鍵暗号化方式
   通信分野での動的鍵の応用研究。

4. Google特許 - 動的鍵技術を用いた暗号化方式
   動的鍵生成と同期の仕組みについての特許文献。