ハンズオン楕円曲線暗号学(ECC)実装



楕円曲線暗号（ECC）は、非常に強力でありながら効率的な公開鍵暗号方式で、今日のインターネットセキュリティの基盤となっています。ブロックチェーンのような分散型技術でも頻繁に使用されています。今回はECCの基礎を学び、PythonとJavaでの実装について掘り下げていきます。

## 1. 楕円曲線暗号の概要

楕円曲線暗号は、その名の通り、楕円曲線という数学的な概念を基にした暗号化方式です。楕円曲線とは一体何なのでしょうか？一言で言えば、次のような形の方程式で表される曲線のことを指します：

    y^2 = x^3 + ax + b

これだけ見てもイメージが湧きにくいかもしれません。でも心配いりません、実はこの楕円曲線の特性が、暗号学において非常に強力なツールとなるのです。

楕円曲線暗号は、公開鍵と秘密鍵という2つの鍵を使います。秘密鍵はランダムな整数で、公開鍵は楕円曲線上の点です。公開鍵は秘密鍵と楕円曲線上の特定の点（生成元と呼ばれる）を"掛け合わせる"ことで生成します。

ここで、一つ注意点があります。「掛け合わせる」と言っても、これは普通の掛け算ではありません。楕円曲線上の点と整数を掛けるということは、その点をその整数回だけ足し合わせる、という意味になります。

では、この公開鍵と秘密鍵がどのようにして楕円曲線暗号の安全性を保証しているのでしょうか？それは、公開鍵から秘密鍵を計算しようとすると、極めて難しい数学的な問題、いわゆる「離散対数問題」を解かなければならないからです。公開鍵から秘密鍵を導き出すことは、具体的には特定の点を何回足し合わせたのかを求める問題となりますが、これが非常に困難であるため、ECCはその安全性を保証しています。

## 2. 楕円曲線暗号とブロックチェーン

楕円曲線暗号学(ECC)とブロックチェーンは、その効率性と安全性からよく組み合わせて利用されます。特に、BitcoinやEthereumなどの主要な仮想通貨は、トランザクションの署名と検証のためにECCを使用しています。

Bitcoinの場合、ECCはアドレス生成とトランザクション署名の両方に使用されています。例えば、AliceがBobにBitcoinを送る場合、Aliceは彼女の秘密鍵を使ってトランザクションを署名し、その署名を公開鍵（実際には公開鍵から派生したアドレス）と一緒にネットワークに放送します。Bobや他のネットワークの参加者は、Aliceの公開鍵を使って署名を検証し、そのトランザクションがAliceによって正当に署名されたことを確認します。

このように、ブロックチェーンとECCの組み合わせは、ブロックチェーンの基本的な安全性と認証メカニズムを提供します。

## 3. PythonとJavaでの楕円曲線暗号の実装

さて、ここからは実際のコードを見ていきましょう。楕円曲線暗号の基本的な操作をPythonとJavaで実装する方法を見ていきます。初めに、Pythonでの実装方法について見ていきましょう。

### Pythonによる実装例1: 秘密鍵と公開鍵の生成

Pythonには`ecdsa`というライブラリがあり、これを使うと楕円曲線暗号の処理を簡単に行うことができます。まずは秘密鍵と公開鍵の生成から始めましょう。

```python
import os
from ecdsa import SigningKey, SECP256k1

# 秘密鍵の生成
private_key = SigningKey.generate(curve=SECP256k1)

# 公開鍵の生成
public_key = private_key.get_verifying_key()

print('Private Key:', private_key.to_string().hex())
print('Public Key:', public_key.to_string().hex())
```

このコードでは、まず`SECP256k1`という楕円曲線を用いて秘密鍵を生成します。そして、その秘密

鍵から公開鍵を生成します。ここで生成される鍵はBitcoinでも利用されるものと同じです。

続くJavaによる実装については次のセクションで詳しく見ていきましょう。

### Javaによる実装例1: 秘密鍵と公開鍵の生成

Javaでは、楕円曲線暗号の操作を行うための`java.security`パッケージを利用します。以下に、秘密鍵と公開鍵の生成を示します。

```java
import java.security.*;
import java.security.spec.*;
import java.util.Base64;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
        ECGenParameterSpec ecGenParameterSpec = new ECGenParameterSpec("secp256k1");
        keyPairGenerator.initialize(ecGenParameterSpec, new SecureRandom());

        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();

        System.out.println("Private Key: " + Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));
        System.out.println("Public Key: " + Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));
    }
}
```
このJavaコードでは、まず`KeyPairGenerator`を使って鍵ペア生成器を初期化し、次に`ECGenParameterSpec`を使って楕円曲線のパラメータ（ここでは`secp256k1`）を指定します。そして、生成器を使って鍵ペアを生成し、秘密鍵と公開鍵を取得します。

以上が秘密鍵と公開鍵の生成方法になります。これらの鍵はメッセージの署名と検証に使用します。次の実装例では、PythonとJavaで署名と検証の方法を見ていきましょう。

### Pythonによる実装例2: メッセージの署名と検証

Pythonの`ecdsa`ライブラリを使用して、メッセージの署名と検証を行う方法を見ていきましょう。

```python
from ecdsa import SigningKey, VerifyingKey, SECP256k1

# 秘密鍵と公開鍵の生成
private_key = SigningKey.generate(curve=SECP256k1)
public_key = private_key.get_verifying_key()

# メッセージの作成
message = b"Hello, ECC!"

# 署名の作成
signature = private_key.sign(message)

# 署名の検証
is_valid = public_key.verify(signature, message)

print("Signature:", signature.hex())
print("Valid:", is_valid)
```

このコードでは、まず秘密鍵と公開鍵を生成し、署名したいメッセージを作成します（ここでは`b"Hello, ECC!"`）。次に、`sign()`メソッドを使ってメッセージに対する署名を生成します。そして、`verify()`メソッドを使って公開鍵で署名を検証します。

最後に、署名と検証の結果を出力します。もし結果が`True`であれば、署名は有効であり、メッセージは改ざんされていないことを意味します。

次に、Javaでの署名と検証の方法を見ていきましょう。

### Javaによる実装例2: メッセージの署名と検証

Javaでは、`java.security`パッケージを使用してメッセージの署名と検証を行います。以下に、Javaでの実装例を示します。

```java
import java.security.*;
import java.security.spec.*;
import java.util.Base64;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
        ECGenParameterSpec ecGenParameterSpec = new ECGenParameterSpec("secp256k1");
        keyPairGenerator.initialize(ecGenParameterSpec, new SecureRandom());

        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
        PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();

        // メッセージの作成
        byte[] message = "Hello, ECC!".getBytes();

        // 署名の生成
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(message);
        byte[] signBytes = signature.sign();

        // 署名の検証
        Signature verifySignature = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
        verifySignature.initVerify(publicKey);
        verifySignature.update(message);
        boolean isValid = verifySignature.verify(signBytes);

        System.out.println("Signature: " + Base64.getEncoder().encodeToString(signBytes));
        System.out.println("Valid: " + isValid);
    }
}
```

このJavaコードでは、まず鍵ペアを生成し、次にメッセージを作成します（ここでは`"Hello, ECC!"`をバイト配列に変換しています）。そして、`Signature`クラスを使って署名と検証を行います。

まず、署名の生成には`initSign()`メソッドで秘密鍵を初期化し、`update()`メソッドでメッセージを追加してから署名を生成します。次に、検証のために公開鍵を使って`initVerify()`メソッドで初期化し、同じく`update()`メソッドでメッセージを追加してから署名を検証します。

最後に、署名と検証の結果を出力します。もし結果が`true`であれば、署名は有効であり、メッセージは改ざんされていないことを意味します。

## 参考文献

- Jean-Philippe Aumasson. (2017). Serious Cryptography: A Practical Introduction to Modern Encryption. [Amazon リンク](https://www.amazon.co.jp/-/en/Jean-Philippe-Aumasson-ebook/dp/B0722MTGQV/ref=rvi_sccl_22/358-0548967-8724846?pd_rd_w=ySWBg&content-id=amzn1.sym.a4dc92d7-7100-437e-b3e3-2349e8298523&pf_rd_p=a4dc92d7-7100-437e-b3e3-2349e8298523&pf_rd_r=A67VN8HV40HD1PB1S1W2&pd_rd_wg=XhfmP&pd_rd_r=7768e7cd-f5db-4fb0-b5f4-2f017d471414&pd_rd_i=B0722MTGQV&psc=1)

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