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Vol.05

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4. 䝠䝳䞊䝬䞁䞉䜲䞁䝍䞊䝣䜵䜲䝇䛾タィ䝯䝑䝅䝳≧䛾⁁䜢᪋䛧䛶䛔䜛.

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4-1. 䝻䝪䝑䝖⾲᝟⾲⌧䛾〇స/እ⿦〇స䛶䛔䜛(Python, 2017).

䝻䝪䝑䝖䛾㢦䛸䜒䛔䛖䜉䛝⾲᝟⾲⌧㒊ศ䠄እ⿦〇స䠅䛿, ᅗ 6 䛻♧䛩ᵝ䛻, LED Ⅼ⁛䜢ኚ໬䛥䛫䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶, ឤ᝟䜢⾲⌧䛧䛶䛔䜛3 4.

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4-3. ⤌❧䛶䛭䛾௚, 䝏䝱䝑䝖䝻䝪䝑䝖䛻ᚲせ䛺ᘓᮦ䛿, 㐺ᐅ 3D
䝥䝸䞁䝍, 䝥䝷䝇䝏䝑䜽ᯈ, 䝣䜵䝹䝖䜢⏝䛔䛶䛚䜚, 䛣34䜜䜙䜢⤌䜏ྜ䜟䛫䛶ᵓ⠏䛥䜜䛶䛔䜛.ᅗ 9 䛻䝏䝱䝑䝖https://qiita.com/hamahamabe/items/9216df345bb908eb5199

䝻䝪䝑䝖䛾᏶ᡂᙧ䜢♧䛩.

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6. 䜎䛸䜑
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5. ၥ㢟Ⅼ-タィ䛸ᐇ⿦䛾䜼䝱䝑䝥䛛䛻ᵓ⠏䛩䜛䛛䛃, 䛸䛔䛖䛣䛸䛷䛒䜛.ດຊ䜢⥅⥆䛷䛣䛣䜎䛷, 䝏䝱䝑䝖䝻䝪䝑䝖䛾タィ䛛䜙〇స䛻⮳䜛䜎䛝䜛⎔ቃ䛻䛿;䛷䛾㐣⛬䛻䛴䛔䛶ㄝ᫂䜢⾜䛳䛯.ᮏ㡯䛷䛿, タィ

1. Ⰻ㉁䛺䝁䞁䝔䞁䝒䛸ᐇ⿦䛾䜼䝱䝑䝥䛸䛧䛶, ⤒㦂䛧䛯䛔䛟䛴䛛䛾Ⅼ䛻

2. Ⰻ㉁䛺Ꮫ⩦⎔ቃ

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3. ዴఱ䛻ດຊ䜢⥅⥆䛷䛝䜛䛛䛜ᚲせ䛷䛒䜛䠄ᒣᮏ, 2020; ᪥ᮏᕤᏛ㝔ᑓ㛛Ꮫᰯ,ேᕤ▱⬟䛾ᑟධ䛻䛴䛔䛶

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1.䛻䛴䛔䛶䛿, Raspberry Pi 䛾Ꮡᅾ䛜䛸䛶䜒኱䛝䛛䝥䝻䜾䝷䝮タィ䛻䛴䛔䛶䛿௨๓䛛䜙ᵓ᝿䜢䜑䛶䛳䛯.ᨵ䜑䛶, ᶆ‽໬ᢏ⾡, 䝰䝆䝳䞊䝹໬䛾䜒䛴䝞

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AppendixA-1. 䜰䞊䜻䝔䜽䝏䝱䛸䛔䛖⪃䛘᪉䛚䛭䜙䛟䛂䜰䞊䜻䝔䜽䝏䝱䛃䛸䛔䛖ゝⴥ䜢⪺䛔䛯᫬䛻,ከ䛟䛾ே䛜᭱ึ䛻ᛮ䛔ᾋ䛛䜉䜛ศ㔝䛿, ᘓ⠏ศ㔝䛻䛚䛡䜛ᵓ㐀≀䛰䛸ᛮ䜟䜜䜛.Paraft(2016) 䛿, ᘓ⠏ᴗ⏺䛷䛿 , ᘓタ䛩䜛⾜Ⅽ䛭䛾䜒䛾䜢, 䇿㼏㼛㼚㼟㼠㼞㼡㼏㼠㼕㼛㼚䇿䜔䇿㼎㼡㼕㼘㼐䇿䛸䛧, ᘓタ⾜Ⅽ䛰䛡䛷䛺䛟タィ䜔䝕䝄䜲䞁ᛶ䜒ྵ䜑䛯䛂ᴫᛕ䛃䜢䇿㼍㼞㼏㼔㼕㼠㼑㼏㼠㼡㼞㼑䇿䛸⛠䛧, IT ᴗ⏺䛾䛭䜜䛸䛿ព࿡䛜␗䛺䜛䛸ㄝ᫂䛧䛶䛔䜛.䜎䛯, ྜྷ⏣&㔝ᇛ(2005) 䛿,ᘓ⠏䜢ேᕤ≀䛸䛧䛯ୖ䛷, 䝰䝆䝳䝷䞊/䜲䞁䝔䜾䝷䝹ᆺ䜰䞊䜻䝔䜽䝏䝱䜢ㄝ᫂䛧, ᘓ⠏䝥䝻䝉䝇䛸సᴗഃ䛸䛾᝟ሗ䛾᧿䜚ྜ䜟䛫䛻䛴䛔䛶ศᯒ䜢ヨ䜏䛶䛔䜛. ᮏㄽᩥ䛻䛚䛡䜛䛂䜰䞊䜻䝔䜽䝏䝱䛃䛿, ୺䛻ᢏᅗ 10. 䝰䝆䝳䝷䞊ᆺ䜰䞊䜻䝔䜽䝏䝱䛸⾡⤒Ⴀ(MoT)㡿ᇦ䛻䛚䛡䜛䝁䞁䝔䜻䝇䝖䛷⏝䛔䛶䛔䜲䞁䝔䜾䝷䝹ᆺ䜰䞊䜻䝔䜽䝏䝱

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2. 䝛䝑䝖䝽䞊䜽䜸䞊䝕䜱䜸䝅䝇䝔䝮୍⯡䛻䚸䝛䝑䝖䝽䞊䜽ୖ䛻⨨䛛䜜䛯㡢ᴦ䝣䜯䜲䝹䜢Ⴔዲ䛻ྜ䜟䛫䛶ᚲせ䛺䜒䛾䛰䛡䜢➃ᮎ䛻䝎䜴䞁䝻䞊䝗䛧䛶ど⫈䛩䜛᪉ᘧ䜢䝛䝑䝖䝽䞊䜽䜸䞊䝕䜱䜸䝅䝇䝔䝮䛸䛔䛖䚹䛭䛾ᵓᡂ䛿䚸ᴦ᭤䝕䞊䝍䜢ಖᏑ䞉㓄ಙ䜢䛚䛣䛺䛖䝃䞊䝞䞊䚸ᴦ᭤䛾㑅ᢥ䞉෌⏕䜔ᴦ᭤᝟ሗ䛾⾲♧䜢䛚䛣䛺䛖䝁䞁䝖䝻䞊䝷䞊䚸ᴦ᭤䝕䞊䝍䜢ᐇ㝿䛻෌⏕䛩䜛䝥䝺䜲䝲䞊䛛䜙䛺䜚䚸䛣䜜䜙䜢஫䛔䛻䝛䝑䝖䝽䞊䜽᥋⥆䛧䛶䛔䜛䚹ᅗ 1 䛿䚸୍⯡ⓗ䛺䝛䝑䝖䝽䞊䜽䜸䞊䝕䜱䜸䛾ᵓᡂ䛷䚸᪤Ꮡ䛾䝛䝑䝖䝽䞊䜽(ᅗ䛷䛿ୖὶ䝹䞊䝍䞊)䛻ᑐ䛧䛶䛣䜜䜙䛾ᶵჾ䜢᥋⥆䛧䛶䛔䜛䚹1➹⪅䛾୍ே䜒䚸኱఑∗䛜⮬Ꮿ䛾୍ᐊ䜢୸䚻౑䛳䛶ᮏᲴ䛻䜃䛳䛧䜚䛸䝺䝁䞊䝗䜔 CD 䜢ⵔ㞟䛧䛶䛔䜛䛾䜢ぢ䛯䛣䛸䛜䛒䜛䚹䛒䜛ព࿡䚸ⵔ㞟䛸䛔䛖⾜Ⅽ䛿䚸᪥ᖖ⏕ά䛾୰䛷ᙜ䛯䜚๓䛷䛒䛳䛯䚹2グ㘓䝯䝕䜱䜰䛻ಖᏑ䛥䜜䛶䛔䜛䝕䝆䝍䝹䝕䞊䝍䜢䝟䝋䝁䞁䛺䛹䛻ྲྀ䜚㎸䜐䛣䛸䚹྾䛔ฟ䛧䛸䜒䚹

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Ulrich, K.T. (1995). The Role of Product Archi
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஝㔛✑, ᳃⏣೺୍ (2021). ኱Ꮫ⏕䛾㊃࿡䛜䝇䝖䝺䝇䛻ཬ䜌䛩ᙳ㡪, ᐃሯᒣ኱Ꮫᚰ⌮⛉Ꮫㄽ㞟,➨ 4 ྕ, pp.59-64.

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Automated construction of server environments using Ansible
CHIHIRO NAKAYAMA͊TSUBASA NIHASHI PARK BONGSOO

Abstract: We will test whether Ansible can be used to automate the construction of environments on VMware ESXi (ESXi) virtual
machines running two different Linux distributions, CentOS (Red Hat Linux) and Ubuntu (Debian Linux).

1.

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2.

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Japan Electronics College‫ף‬2022 Department of Network Security- 16 -

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Memory24GB

SSD/HDD

SSD 250GB + HHD 1TB

Ethernet

Intel Ethernet Server Adapter I350-T4V2

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CentOS Linux release 8.4.2105

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Ubuntu Servsr 20.04.3 LTS

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WindowsServer2019

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Ansible2.9.27

Python3.6.8

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3.

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3.1 ஦๓‽ഛ㸦SSH බ㛤㘽ㄆドタᐃ㸧Ansible ࢧ࣮ࣂ࠿ࡽ SSH ⤒⏤࡛ࢱ࣮ࢤࢵࢺ࡜࡞ࡿࣀ࣮ࢻ
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3.2 Ansible ࢖ࣥࢫࢺ࣮ࣝ
Ansible ࡣ㸪OS ࣃࢵࢣ࣮ࢪ࣐ࢿ࣮ࢪ࣮ࣕ㸦yum ࡸ apt㸧ࡲࡓࡣ pip ࢆ౑⏝ࡋ࡚㸪Ᏻᐃࡋࡓࣂ࣮ࢪࣙࣥࢆ࢖ࣥࢫࢺ࣮ࣝ
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3.3 Ansibleࡢ⎔ቃタᐃ

3.5 Playbook ࡢࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀

Ansibleࡢ⎔ቃࣇ࢓࢖ࣝྡࡣ㸪ansible.cfg࡛࠶ࡿ㸬ࡇࡇ࡛ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀ࡢ୺せࣇ࢓࢖ࣝࢆㄝ᫂ࡍࡿ㸬ࡣ㸪㏻ಙ᪉ἲࡸࣟࢢฟຊ➼㸪Ansibleࡢᐇ⾜ࢆグ㏙ࡍࡿ㸬タ࣭group_vars

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log_path = $HOME/.ansible/ansible.logࡋࡓ඲࡚ࡢฎ⌮ࢆࢱࢫࢡ⟶⌮ࡋ࡚࠸ࡿ㸬ࡲࡓ㸪ࣇ࢓࢖ࣝࡢ

host_key_checking = False⦅㞟࡟ࡼࡾ㸪ฎ⌮㡯┠ࡢኚ᭦ࡶྍ⬟࡛࠶ࡿ㸬

gathering = smart࣭rolesgather_subnet = allAnsible ࡢ᥎ዡࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓᡂࡢ㸦⣽ศ໬ࡍࡿࡓࡵࡢ㸧ᅗ 4ansible.cfg ࡢタᐃࠕ࣮ࣟࣝࠖࢹ࢕ࣞࢡࢺ࡛ࣜ࠶ࡿ㸬࣮ࣟࣝ࡟ᚑࡗࡓᵓᡂ࡟ࡍ
ࡿࡇ࡜࡛㸪ኚᩘࢆ⮬ື࡛ࣇ࢓࢖ࣝ࠿ࡽㄞࡳ㎸ࡴ㸪㌿㏦ࡍࡿᅗ 4 ࡛౑⏝ࡋࡓࣃ࣓࣮ࣛࢱࢆ௨ୗ࡛ㄝ᫂ࡍࡿ㸬ࣇ࢓࢖ࣝࡢ┦ᑐࣃࢫᣦᐃࡀᴦ࡟࡞ࡿ࡞࡝฼Ⅼࡀ⏕ࡲࢀࡿ㸬࣭forks࣭templatesࣔࢪ࣮ࣗࣝࡢ 1 ࡘ࡛࠶ࡿ㸬ࡇࢀࢆ౑⏝ࡍࡿࡇ࡜࡛㸪Ansible୪ิᐇ⾜ࡍࡿᩘࢆᣦᐃࡍࡿ
࣭log_path࣐ࢩࣥࡢ࣮ࣟ࢝ࣝ࡟Ꮡᅾࡍࡿࢸࣥࣉ࣮ࣞࢺࣇ࢓࢖ࣝࢆ⟶⌮ᐇ⾜⤖ᯝࡢࣟࢢࢆಖᏑࡍࡿࣃࢫࢆᣦᐃࡍࡿ

ᑐ㇟ᶵჾഃ࡬㌿㏦ࡍࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡿ㸬࣭host_key_checking

࣭Jinja2

known_hosts ࡢ key ࢆࢳ࢙ࢵࢡࡍࡿ࠿ࢆᣦᐃࡍࡿ

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࣭main.yml

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࡛࠶ࡿ(HTML ࡛࠸࠺ index.html ࡢࡼ࠺࡞ࡶࡢ)㸬main.yml

3.4 Inventory సᡂ௨እࡢࣇ࢓࢖ࣝࡣ㸪main.yml ࠿ࡽ include ࣔࢪ࣮ࣗࣝࢆ౑

Inventory ࣇ࢓࢖ࣝ࡟ࡣࢱ࣮ࢤࢵࢺ᝟ሗࢆグ㏙ࡍࡿ㸬⏝ࡋ㸪Playbook ࢆศ๭ࡋࡓ᫬࡜ྠᵝ࡟㸪ࢱࢫࢡࡢࡳࢆ┤᥋

Ansible-Playbook ࢆᐇ⾜ࡍࡿ㝿ࡢ㸪ࢱ࣮ࢤࢵࢺᣦᐃ࡟ᚲせ࡜

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3.6 Playbook సᡂ/home/ansible/var_inventory.ini

Playbook ࡟ࡣ୍㐃ࡢฎ⌮ෆᐜࢆグ㏙ࡍࡿ㸬ᮏ◊✲࡛ࡣ㸪[redhat] Ћࢢ࣮ࣝࣉྡ

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node01.ansible.esxi71.local ansible_host=192.168.1.111

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node02.ansible.esxi71.local ansible_host=192.168.1.112⏕ࡲࢀࡿࡓࡵ㸪ᮏ◊✲࡛ࡣ㸪role ࡢ௙⤌ࡳ࡟ᇶ࡙ࡁࢹ࢕ࣞ
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ubuntu01.ansible.esxi71.local ansible_host=192.168.1.113

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ubuntu02.ansible.esxi71.local ansible_host=192.168.1.114
ձ Firewall タᐃ
[control]ࣇ࢓࢖࢔࢛࣮࢘ࣝ࡜ࡣ㸪እ㒊ࢿࢵࢺ࣮࣡ࢡ࠿ࡽࡢᨷᧁࡸ

#control.ansible.esxi71.local ansible_host=192.168.1.110

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/home/ansible/roles/common

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ubuntuŊWDVNVĸ3OD\ERRN ⏝ Dir
ᅗ 5ŊPDLQ\POInventory ࣇ࢓࢖ࣝෆᐜ

ᅗ 6‫ף‬2022 Department of Network Security- 18 -

firewalld ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀࡜ㄝ᫂ղ SELinux タᐃյ ࣮ࣘࢨ⟶⌮SELinux ࡜ࡣ㸪ᙉไ࢔ࢡࢭࢫไᚚᶵ⬟ࢆᐇ⌧ࡍࡿࢭ࢟ࣗ

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SELinux ࡢ࣮ࣝࣝእࡢືసࢆ⾜࠺࡜ࣈࣟࢵࢡࡉࢀ࡚ࡋࡲ࠺㸬ᮏ◊✲࡛ࡣ᳨ドࡀ┠ⓗࡢⅭ㸪↓ຠ໬࡟ࡍࡿタᐃࢆ⾜ࡗࡓ㸬/home/ansible/roles/common
users Ћusers ⏝ Dir/home/ansible/roles/common‫ ج‬tasks ЋPlaybook ⏝ Dir

selinux ЋSELinux ⏝ Dirؒ‫ ؤ‬tasks ЋPlaybook ⏝ Dir‫ ج‬templates Ћࢸࣥࣉ࣮ࣞࢺ᱁⣡⏝ Dir‫ ؤ‬main.yml‫ ؤ‬main.yml Ћ୺ືసؒ‫ ج‬admin_sudoers.j2 ЋRedHat ⏝ࣇ࢓࢖ࣝᅗ 7 selinux ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀࡜ㄝ᫂ؒ‫ ؤ‬member_sudoers.j2 ЋDebian ⏝ࣇ࢓࢖ࣝ‫ ؤ‬vars Ћusers ኚᩘタᐃ⏝ Dir‫ ج‬debian.yml ЋDebian ⏝ኚᩘࣇ࢓࢖ࣝճ ࣃࢵࢣ࣮ࢪ⟶⌮‫ ؤ‬redhat.yml ЋRedHat ⏝ኚᩘࣇ࢓࢖ࣝ

ึᮇẁ㝵࡛ᚲせ࡜ᛮࢃࢀࡿ㛤Ⓨࢶ࣮ࣝࣃࢵࢣ࣮ࢪࡢ࢖ࣥᅗ 10ࢫࢺ࣮ࣝ㸪඲ࣃࢵࢣ࣮ࢪࢆ᭱᪂∧࡟࢔ࢵࣉࢹ࣮ࢺࡍࡿタᐃ

users ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀࡜ㄝ࡛᫂࠶ࡿ㸬/home/ansible/roles/commonն ࣜࢰࣝࣂ⟶⌮packages Ћpackages ⏝ Dirࣜࢰࣝࣂ࡜ࡣ㸪ྡ๓ゎỴࡢࡍࡿ௙⤌ࡳࡢࡇ࡜࡛࠶ࡿ㸬‫ ج‬tasks ЋPlaybook ⏝ Dir

nameserver ࡢᣦᐃ㸪DNS ↓ຠ໬ࡢタᐃࢆ⾜ࡗࡓ㸬ؒ‫ ج‬apt_update.yml ЋDebian ⣔ࡢືస

/home/ansible/roles/commonؒ‫ ج‬dnf_update.yml ЋRedHat ⣔ࡢືస

resolver Ћresolver ⏝ Dirؒ‫ ؤ‬main.yml Ћୖグ 2 㡯┠ࢆࡲ࡜ࡵࡓືస

‫ ج‬files Ћfilemodule ⏝᱁⣡ Dir‫ ؤ‬vars Ћኚᩘ⏝ Dirؒ ‫ ج‬nsswitch.conf Ћ4 ࡢタᐃࣇ࢓࢖ࣝ

‫ ج‬Debian.yml ЋDebian ⏝ኚᩘࣇ࢓࢖ࣝؒ ‫ ؤ‬resolv.conf Ћ3 ࡢタᐃࣇ࢓࢖ࣝ

‫ ؤ‬RedHat.yml ЋRedHat ⏝ኚᩘࣇ࢓࢖ࣝ

‫ ج‬tasks ЋPlaybook ⏝ Dir

ᅗ 8ؒ ‫ ؤ‬main.yml Ћ1~4 ࡢືస

packages ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀࡜ㄝ᫂‫ ؤ‬templates Ћࢸࣥࣉ࣮ࣞࢺ᱁⣡⏝ Dir‫ ؤ‬hosts.j2 Ћ2 ࡢࢸࣥࣉ࣮ࣞࢺࣇ࢓࢖ࣝմ ࣟࢣ࣮ࣝタᐃᅗ 11ࣟࢣ࣮ࣝタᐃ࡜ࡣ㸪≉ᐃࡢᆅᇦࡸゝㄒ࡛฼⏝࡛ࡁࡿࡼ࠺

resolver ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀࡜ㄝ᫂࡟ࡍࡿྛ✀タᐃࡢࡇ࡜࡛࠶ࡿ㸬ࣟࢣ࣮ࣝ㸪ࢱ࢖࣒ࢰ࣮ࣥ㸪շ NTP タᐃ࣮࣮࢟࣎ࢻ㓄ิࡢタᐃࡣ௨ୗࡢᵓ㐀࡜࡞ࡿ㸬/home/ansible/roles/common

NTP ࡜ࡣ㸪PC ࡢෆ㒊᫬้ࢆṇࡋࡃタᐃࡍࡿⅭ࡟㸪ࢿࢵlocale Ћlocale ⏝ Dirࢺ࣮࣡ࢡୖ࡛᫬้⾲ྠᮇࢆࡍࡿࣉࣟࢺࢥ࡛ࣝ࠶ࡿ㸬ྠᮇ‫ ج‬defaults Ћࢹࣇ࢛ࣝࢺ್⏝ Dir

NTP ࢧ࣮ࣂࣉ࣮ࣝࡢᣦᐃ㸪ࢧ࣮ࣅࢫࡢ⮬ື㉳ື᭷ຠ໬ࡢタؒ ‫ ؤ‬main.yml Ћࢹࣇ࢛ࣝࢺ್ locale タᐃືసᐃ࡜ࡋࡓ㸬‫ ؤ‬tasks ЋPlaybook ⏝ Dir/home/ansible/roles/common‫ ج‬timezone.yml

chronyd Ћchronyd ⏝ Dir‫ ج‬locale.yml‫ ج‬files Ћfilemodule ⏝᱁⣡ Dir‫ ج‬keymap.yml

ؒ ‫ ج‬debian.conf ЋDebian ⏝ 1 タᐃࣇ࢓࢖ࣝ‫ ؤ‬main.yml Ћୖグ 3 㡯┠ࢆࡲ࡜ࡵࡓືసؒ ‫ ؤ‬redhat.conf ЋRedHat ⏝ 2 タᐃࣇ࢓࢖ࣝ

ᅗ 9‫ ؤ‬tasks ЋPlaybook ⏝ Dir

locale ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀࡜ㄝ᫂‫ ؤ‬main.yml Ћ1㸪2 ࡢືసᅗ 12‫ף‬2022 Department of Network Security- 19 -

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2 ᅇ┠ࡢᐇ⾜᏶஢᫬ࡣ㸪change ࡢ㡯┠ࡀ 0 ࡟࡞ࡗ࡚࠸ࡿ

Web ࢧ࣮ࣂࢆ౑࠺ୖ࡛ᚲせ࡜࡞ࡿ Apache ࡢタᐃࣇ஦ࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡓ㸬ࡇࢀ࡟ࡼࡾ㸪1 ᅇ┠࡜ྠࡌ Playbook ࡢᐇ࢓࢖࡛ࣝ࠶ࡿ㸬ࢹࣇ࢛ࣝࢺ࣮࣌ࢪࡢసᡂ㸪Basic ㄆドࡢ⾜ࢆ⾜࡞ࡗࡓ஦࡟ࡼࡾ Ansible ࡢ≉ᚩ࡛࠶ࡿ෢➼ᛶࡀṇࡋ

㏣ຍ㸪࣏࣮ࢺゎᨺ㸪ࢧ࣮ࣅࢫࡢ⮬ື㉳ື᭷ຠ໬㸪ࣇ࢓ࡃᶵ⬟ࡋ㸪ఱࡶኚ᭦ࡋ࡞࠿ࡗࡓ஦ࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡿ㸬࢖ࣝᶒ㝈㸪ᡤ᭷ࢢ࣮ࣝࣉࡢタᐃ࡜ࡋࡓ㸬/home/ansible/roles/common
apache Ћapache ⏝ Dir‫ ج‬files Ћfilemodule ⏝᱁⣡ Dir‫ ؤ‬basic.conf Ћタᐃࣇ࢓࢖ࣝؒ‫ ج‬tasks ЋPlaybook ⏝ Dirؒ‫ ج‬apache2.yml ЋDebian ⏝ࡢືసؒ‫ ج‬httpd.yml ЋRedHat ⏝ࡢືసؒ‫ ؤ‬main.yml Ћୖグ 2 㡯┠ࢆࡲ࡜ࡵࡓືసᅗ 15

2 ᅇ┠ᐇ⾜᏶஢⤖ᯝ‫ ؤ‬templates Ћࢸࣥࣉ࣮ࣞࢺ᱁⣡⏝ Dir‫ ؤ‬index.j2 Ћタᐃࣇ࢓࢖ࣝ
ᅗ 13

4.2 ☜ㄆ

httpd ࢹ࢕ࣞࢡࢺࣜᵓ㐀࡜ㄝ᫂

CentOS㸦RedHat ⣔㸧࡜ Ubuntu㸦Debian ⣔㸧࡬ࡢタᐃࡀṇࡋࡃ཯ᫎࡉࢀࡓ࠿☜ㄆࢆ⾜࠺㸬4.

ホ౯

4.2.1 Firewalld ࡢ≧ែ☜ㄆ

4.1 Playbook ࡢᐇ⾜ୗᅗࡢ㏻ࡾ୧⪅࡜ࡶ Firewalld ࡀ᭷ຠ࡟࡞ࡗ࡚࠸ࡿ஦ࡀ

ansible-playbook -i [࢖࣋ࣥࢺࣜࣇ࢓࢖ࣝ] [Playbook ࣇ࢓☜ㄆ࡛ࡁࡓ㸬

࢖ࣝ]ࢥ࣐ࣥࢻ࡛ᐇ⾜ࡍࡿ஦ࡀ࡛ࡁࡿ㸬Ansible ࡢ≉ᚩ࡛࠶ࡿ෢➼ᛶࡢ᳨ドࡢࡓࡵ㸪ྠࡌ Playbook ࡢᐇ⾜ࢆ 2 ᅇ⾜࠺㸬㸯ᅇ┠ࡢᐇ⾜᏶஢᫬ࡣ㸪change ࡢᩘ㸦タᐃኚ᭦᏶஢㸧ࡀ࢝࢘ࣥࢺࡉࢀ࡚࠸ࡿࡢࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡿ㸬

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Firewalld ≧ែ㸦Ubuntu㸧

1 ᅇ┠ᐇ⾜᏶஢⤖ᯝ

4.2.2 ࢖ࣥࢫࢺ࣮ࣝࡉࢀࡓࣃࢵࢣ࣮ࢪ☜ㄆ
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5.

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6.

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https://www.katacoda.com/irixjp (ཧ↷ 2021-10-11)[5]࠙ Ansibleࠚึᚰ⪅ࡀ Syntax Error while loading YAML.did not findexpected ࡛ᔐࡗࡓሙྜ࡜ᑐฎἲ
https://hamutetublog.com/ansible-syntax-error/ (ཧ↷ 2021-10-15)ᅗ 21

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2.30 GHz

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Mariadb 10.5

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matplotlib

3.2.2

numpy

1.18.5

opencv-python

4.1.2

Pillow

7.1.2

PyYAML

5.3.1

requests

2.23.0

scipy

1.4.1

torch

1.7.0

torchvision

0.8.1

tqdm

4.41.0tensorboard

2.4.1

pandas

1.1.4

seaborn0.11.0

pyaudio0.2.11librosa

0.8.1

keras

2.7.0

keras-Preprocessing

1.1.2ࣈ࣮ࢺࢹ࢕ࢫࢡ

ᶆ‽Ọ⥆ࢹ࢕ࢫࢡ (30 GB)

matplotlib

3.5.0

࢖࣓࣮ࢪ

CentOS, Ubuntu20.04LTS

Pillow

8.4.0

pyAudio0.2.11

pycparser

2.21

pydub

0.25.1

tensorflow

2.7.0‫ף‬2022 Department of Network Security- 23 -²²

3.

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3.1

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https://style.potepan.com/articles/19318.html, (2022-1-8)[2] ³]HUL]HUL ࡢ࢚ࣥࢪࢽ࢔ᢏ⾡ࣈࣟࢢ - zabbix5.0 ࡢ┘ど㡯┠タᐃ ´KWWSVVHFXULW\-blog-it.com/197/, (2022-1-4)[3] ³=DEEL['RFXPHQWDWLRQ- 1 Zabbix ࡢᐃ⩏ -´https://www.zabbix.com/documentation/2.0/jp/manual/concepts/defi
nitions, (2022-1-4)[4] ³&:(-1021: Improper Restriction of Rendered UI Layers or)UDPHV´ https://cwe.mitre.org/data/definitions/1021.html, (20221-9)[5] ³&:(-3URWHFWLRQ0HFKDQLVP)DLOXUH´OWASP ZAP ࡢ࣏࣮ࣞࢺ(3)‫ף‬2022 Department of Network Security- 30 -

https://cwe.mitre.org/data/definitions/693.html, (2022-1-9)[6] ³&:(-352: Cross-6LWH5HTXHVW)RUJHU\ &65) ´
https://cwe.mitre.org/data/definitions/352.html, (2022-1-9)[7] ³&URVV-6LWH5HTXHVW)RUJHU\3UHYHQWLRQ´https://cheatsheetseries.owasp.org/cheatsheets/CrossSite_Request_Forgery_Prevention_Cheat_Sheet.html#synchronizertoken-pattern, (2022-1-9)[8] ³&:(-525: Use of Web Browser Cache Containing Sensitive,QIRUPDWLRQ´KWWSVFZHPLWUHRUJGDWDGHILQLWLRQVKtml, (20221-9)10‫ף‬2022 Department of Network Security- 31 -

汎用ロジック IC で実装する換字式暗号回路
日本電子専門学校 電子応用工学科
2022/02/03

井口陽太 (20EO0101)

概要

様々な情報をコンピュータで扱う現代，データ保護はますます重要視されている．データを狙う脅威は日々進化しており，それに対抗する手段もまた進化している [1] ．データ保護の手段の一つである暗号化 とその関連技
術*1 は，通信やブロックチェーン [2] など，多様な分野・技術でデータの安全性・完全性の担保に利用されており，私たちの生活の安心を支えている．
それらは従来，汎用プロセッサで処理*2 するケースが多かったが，近年ではセキュリティや処理効率の観点から専用プロセッサで処理するケースが増えている．ハードウェア実装は，今となっては HDL やツールを用いることによって簡単に設計できてしまう．しかしながら，ツールで自動生成された回路は効率的である一方，人間にとって非常に煩雑であるケースが多く，動作原理を理解するのは非常に難しい．また，ツールに頼りすぎる
ことはエンジニアとしての質の低下につながり，ツールのバグにより自動生成された回路が意図しない動作をするケースなどに遭遇した際，迅速に問題解決できないことが懸念される．
以上を踏まえ，本研究では 暗号化と論理回路の理解を目的として，古典・現代暗号の調査，また，簡素な多表
換字式暗号アルゴリズムをハードウェア実装した，．

１

まえがき

UGSDUW\

個人情報や決済情報などをコンピュータで扱うようになり，
社会はますます便利になった．今やスマートフォン 1 台で電車・バスに乗降でき，自動販売機やコンビニエンスストア・飲食店などで決済できる．近年は NFC *3 決済サービス*4 や，
バーコード（QR コード）決済サービスの普及・成長 [3][4] が著しく，決済事情が一変した人も多いだろう．
多くの人々が何気なく利用している便利なサービスだが，そのようなサービスは大前提として安心・安全に利用できるものでなければならない．利用者の個人情報は攻撃者にとって恰好の的であり，事実として，そういったデリケートな情報を取り扱う端末・サーバは日々，様々な攻撃に脅かされている．
それでも情報が漏洩せずに安寧が保たれているのは，ファイアウォールや EPP・EDR，暗号化をはじめとしたセキュリティ
技術，また，物理サーバの所在地秘匿，メンテナンス・操作す
る人間の限定，技術者による迅速な対応といった，原始的な対策・緻密なインシデント管理の賜物である．
本研究では，セキュリティ技術の中でも根本的な技術である「暗号化」と，近年のトレンドである「専用ハードウェアによる処理」に焦点を絞り，最新・応用技術を理解する足掛けとして，古典・現代暗号の調査，並びに簡素な多表換字式暗号ア
ルゴリズムのハードウェア実装に取り組んだ．

２

暗号とは

暗号とは，当事者にしか分からない法則に則り，元の情報*5
を第三者にとって一見意味がない情報に置き換えたものである [5] ．暗号の歴史は長く，紀元前より用いられている．現代
では生活の安心・安全を支える重要な技術となっており，日々，安全性の検証や新技術の研究が進められている．

*1
*2
*3
*4

*5

(DYHVGURSSLQJ

VWSDUW\QGSDUW\

Z-ILG'S+HOOR, PVWURQJ

2.<RXDUHVWURQJ

２−１

図1

住所や決済情報が流出しても困らないという人はいないだ
ろう．住所が流出すれば犯罪に巻き込まれ物理的な被害を被る恐れがあり，決済情報が流出すれば経済的な被害を被る恐れがある．そういった被害を防ぐため，私たちは安心・安全を脅かす脅威からデータを保護しなければならない．
特に，不特定多数のノードを経由して通信するインターネッ
トでは，暗号化は非常に重要である．平文で通信した場合，経由するノードで改ざん・盗聴といった攻撃を受けてしまう可能性がある．もし，それが個人情報を取り扱うサービスを提供するサーバであった場合，攻撃者はそれを狙わない理由はない．
しかし，データを狙う脅威は通信経路に限らない．通信先
サーバや私たちが普段使用しているコンピュータにも潜んでいる可能性があり，一概に通信を暗号化すればデータを保護できるとは言えない．暗号化対象のデータ及び暗号化で使用する鍵を適切に管理する，または不正なプログラムがコンピュータ上で動作していないか監視・対処するなど，根本的な対策も重要である．

Near Field Communication.
１） 我が国では NFC Type F（FeliCa）を用いたものが主流である．
２） 近年，我が国で普及し始めたクレジットカードの非接触式決済は NFC Type A/B を用いている．
また，NFC Type A/B は我が国の運転免許証やマイナンバーカードなどでも用いられている．

- 32 -

暗号の概念

何故暗号化が必要なのか

共通鍵暗号，公開鍵暗号，ハッシュ関数など．
暗号アルゴリズムをソフトウェアで実装し，CPU などのメインプロセッサでの処理する．

言葉やデジタルデータなど，通信・会話において伝達するものを指す．

"""

UGSDUW\VWSDUW\

7DPSHULQJ+HOOR, PVWURQJ

+HOOR, PZHDN

図2

2.<RXDUHZHDN

通信の改ざん6$/(

UGSDUW\(DYHVGURSSLQJ

5$1620
5(48(67QGSDUW\/($.
2.<RXDUHVWURQJVWSDUW\UGSDUW\UGSDUW\QGSDUW\UGSDUW\+HOOR, PVWURQJ

２−２

いった暗号を知る人は多いだろう．この二つを含め，旧時代で用いられた暗号は，大きな括りとして「古典暗号*6 」に分類される．対して，現在主流な AES や RSA といった暗号は「現代暗号」に分類される．暗号は原則，「アルゴリズム（方法）」と「鍵」に分離して考えることができ，その扱いによって二つを分類することができる．
一般的には「アルゴリズム*7 を公開しても信頼性が損なわれない暗号」を「現代暗号」，そうでないものを「古典暗号」と分類されており，「現代暗号」をより詳細に説明すると，「現代の数学理論に基づいて考え出され，優れた安全性・堅牢性が証明・評価されている暗号」である．先人の執筆物では，二つの中間として「近代暗号」という分類を設けているケースがある
が，本稿では「近代暗号」も「古典暗号」として取り扱う．

２−３−１

2.<RXDUHVWURQJ

図3

通信の盗聴

古典暗号は現代暗号以前に用いられた暗号である．大抵のものはアルゴリズムから鍵を特定することが容易なため，鍵と共にアルゴリズムも隠蔽しなければ安全性が担保されない．
しかし，アルゴリズムを隠蔽しても絶対に解読されない保証はなく，単純なアルゴリズムであった場合，ヒントを必要とせずに解読されてしまう可能性が高い．
例として，シーザー暗号は暗号化前の数値（文字）に対して決まった数値を加算（決まった文字分ずらす）という方法で暗号化しており，「加算」がアルゴリズム，「決まった文字」が鍵と対応している．シーザー暗号は非常に単純なアルゴリズムであるため，鍵が不明でも一文字ずつずらして試行すれば鍵を特定できてしまう．
単一換字式暗号では，一見すると解読できないように見えるが，「頻度分析」を用いて解読することができる．一つの表を用いた暗号では，暗号化前の数値と暗号化後の数値の組み合わせは一意となるため，数値の出現頻度は隠蔽されない．そのため，どの数値がどの程度の頻度で出現するか分析することによって，パターンから元のデータを特定できてしまう可能性が高い．
古典暗号の解読は人間の手作業では難しいが，処理能力が非常に高い現代のコンピュータでは高速に処理することができ，解読されてしまう可能性が極めて高いため，脆弱な暗号とされている．そのため，現代ではその処理能力を以てしても解読できない，高度な手法の暗号が利用されている．

暗号化以外での通信保護

通信経路においてデータを保護する手段は，暗号化だけではない．原始的なものとして，データを電磁的記憶媒体を用いて直接手渡すといった方法がある．伝送線を介さないこの方法は，最も安全で確実性が高い．しかし，通信網が発達した
現在においては非効率であり，また，紛失や物理的な攻撃によってデータが漏洩する恐れがある，
その他に，通信相手と専用線で結び，第三者が介入できない状態で通信するといった方法もある．しかし，もし伝送線を特定されてしまった場合，伝送線から射出される電磁ノイズなどから伝達内容を解析・特定されてしまう恐れがある．伝送線に物理的な防御を施さなかった場合には，伝送線を切断され通信の妨害，あるいは盗聴されてしまう恐れがある．
どちらの手段も不特定多数との通信には適しておらず，時間的・経済的・資源的に無駄が多い．現在のコンピュータネッ
トワークの形態と合致せず，現在となっては特殊な事情がある場面でしか用いられていない．
以上のことから，共有の伝送線上でデータを暗号化して伝達することは，とても理にかなっていることが分かる．もっとも，暗号化と前述の手段を組み合われば，セキュリティの観点からして非常に強力な対策となる．
1RGH$

&KDUDFWHUV5LJKW6KLIW

1RGH%

1RGH)

1RGH&

1RGH(

UGSDUW\
1R&RQQHFWHG

1RGH'

２−３

図4

古典暗号

専用線による通信

古典暗号と現代暗号

+

(

/

/

2

.

+

2

2

5

図5

暗号史は長く，古来より様々な手法で情報は暗号化されてきた．有名なものとして「シーザー暗号」や「エニグマ」と*6 １）

シーザー暗号

主に単純演算や表を用いた単一換字によるものが多い．
２） 発展的なものとして，複数の表を用いたものもある．
３） 近代では，機械を用いてより複雑に表を組み合わせた暗号も用いられた．
＊） 「換字」は「かえじ」と読む．慣習的には「かんじ」と読めるが，他の言葉との混同を避けるため，このように読む．
*7「アルゴリズム」本来の使われ方として，加算するだけのような単純な処理はそれに当たらないが，本稿では内容の都合上，「アルゴリズム」は「アルゴリズム（本来の使われ方）」と「方法」の両方を指すものとする．

- 33 -AES はアメリカ国立標準技術研究所が公募し，採用された
Rijndael *11 をベースとして，ブロック長 128 bit 固定，鍵長
128 bit/192 bit/256 bit から選択できる暗号である．2001 年
3 月に正式に公表されたが，現在に至るまで解読されておら5HSODFH$FFRUGLQJWR&RQYHUVLRQ7DEOH

+

(

/

/

2

1

*

;

;

$

ず，その安全性・信頼性は極めて高い．
&RPPRQ.H\&RPPRQ.H\(1&'(&(1&'(&&RQYHUVLRQ7DEOH
$

(

+

1

2

$

9

,

%

6

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:

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=

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.

0

5

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8

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;

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)

4

0

3

7

-

*

<

1

9

8

)

図6

２−３−２

単一換字式暗号

6HQGHU

２−３−２−２

図7

共通鍵暗号

公開鍵暗号

公開鍵暗号は暗号化と復号に異なる鍵を用いる暗号である．
「現代暗号」の狭義ではこちらを指すことがある．主なものとして，素因数分解を利用した RSA や，楕円曲線を利用した暗号が実用されている．
いずれも，演算が困難*12 であることを安全性の根拠として
おり，現在最高の演算性能を持つ古典コンピュータを以てしても膨大な時間を要するとされている．

現代暗号

3XEOLF.H\

現代暗号は古典暗号に対して，アルゴリズムを公開しても安全性を担保できる暗号 [6] である．現代の数学理論に基づいて考え出され，解読の難しさが証明・評価されている．何より，発表されてから今日まで，幾人もの研究者や攻撃者によって 議論・攻撃されてもなお，破られていない*8 のが非常に強力な根拠である．逆に，公開されていない暗号アルゴリズム
は客観的な評価がないため，その安全性を証明できない．一
般的には独自の暗号アルゴリズムは危険であり，利用すべきではないとされている．

'(&

２−３−２−１(1&

3RVVLEOH,PSRVVLEOH

6HQGHU,PSRVVLEOH

5HFLHYHU

3RVVLEOH(1&'(&

3ULYDWH.H\

２−３−２−３

現代暗号はさらに「共通鍵暗号*9 」と「公開鍵暗号」に分
類でき，それぞれの用途や特性は異なる．現代暗号は現代においてデータ保護の要であり，通信・ストレージの保護・デジ
タル署名など，私たちの安心の根幹を支えている．

図8

公開鍵暗号

速度検証

前述の通り，暗号化は平和な世界であれば本来必要のない処理である．そのため，暗号アルゴリズムはできるだけ高速であることが望ましい．特性が異なる AES (共通鍵暗号) とRSA (公開鍵暗号) だが，処理時間は一体どの程度差があるのか．それぞれ同じ条件で処理時間を計測した結果*13 を表 1 に示す．
結果は歴然で，AES が非常に高速である．AES は並べ替え
や XOR といった高速な演算を組み合わせて構成されるアルゴリズムであり，リソースが潤沢な現在のコンピュータであ

共通鍵暗号

共通鍵暗号は暗号化と復号に共通の鍵を用いる暗号*10 である．主なものとして，脆弱性が発見され現在では非推奨となっている DES と，DES の後継であり現在実用されている AESがある．
*8

5HFLHYHU

2013 年時点で，鍵長が 1024 bit の RSA はスーパーコンピュータを用いて 1 年未満で解読できるとされている．

「共通鍵」は「対称鍵」と言うこともある．
暗号化と復号に共通の鍵を用いる点では，古典暗号もまた「共通鍵暗号」に分類できるが，古典暗号は「古典暗号」としての分類であり，現代暗号の共通
鍵暗号とは区別する．
*11
Rijndael は鍵長・ブロック長ともに 128bit から 256bit まで 32bit 単位で指定できる．
*12
効率的に解くアルゴリズムが確立しておらず，現在知られている最も効率的なアルゴリズムを用いてもなお演算に膨大な時間を要する．つまり，現実的な時間で解くことが難しいということを「困難」としている．
*13
元のデータは 10 MiB，AES は鍵長 256 bit，RSA は鍵長 2048 bit（ハッシュ関数を SHA-1 とする OAEP パディング）で暗号化・復号に掛かる時間を計測した．
*14
RSA は非常に大きな素数の積の素因数分解が困難であることを暗号の安全性の根拠としているため，暗号単位は 1024 bit や 2048 bit（現在主流）といった非常に大きなサイズとなる．
現在主流な家庭向けコンピュータのレジスタサイズは 64 bit であるため，そのような大きなサイズのデータを処理するには分割しなければならない．
*9*10- 34 -

れば比較的高速に処理することができる．対して，RSA は暗号単位が非常に大きなサイズであるため，分割して処理*14 しなければならないうえ，累乗や剰余といった比較的重い演算をするため非常に時間が掛かる．
AES は非常に高速に処理できるため，一見すると総当たり
攻撃での解読が懸念されるが，AES-256 の鍵長は 256 bit であり，2256 の鍵が存在する．一回の処理に 20 ms 掛かるとすると全ての鍵を試すには，式 1 *15 より，およそ 7.32 × 1051
*17
京年を要する*16 ．しかし，AES では初期化ベクトル（IV）という概念が存在しており，同一の鍵でも初期化ベクトルによって処理後のデータが変化する仕様のため，全ての組み合
わせを試すには更に時間を要する．
また，RSA を総当たりで解読するには，積が 2048 bit になる二つの素数を全て試す必要があるうえ，復号一回に AES の
およそ 2894 倍の時間を要する*18 ．RSA の原理上，公開鍵の一つである二つの素数の積を素因数分解できれば解読できるのだが，現在，巨大な合成数を効率的に素因数分解できるアルゴリズムは見つかっておらず，現在最も効率が良いとされる
アルゴリズムを用いたとしても現実的な時間で解けない [7] ．

２−３−２−４

解読に膨大な時間を要するとなると，マシンの故障，宇宙線などに起因するメモリのビット反転といった，物理的原因による演算の中断・誤結果の出力といった可能性が非常に高い．
そもそも，処理を開始した人間は処理が終了するまでに死亡している可能性が高い．以上のことから，解読は事実上不可能だと考えるのが妥当である．

前節では AES と RSA の処理時間を比較し，AES が RSAと比較して非常に高速であることを確認できた．この結果より，公開鍵暗号の存在意義が疑問視されるが，公開鍵暗号は現代の通信において非常に大きな役割を担っている．公開鍵暗号は共通鍵暗号の大きな弱点である鍵配送問題を解決するために利用されている．
共通鍵暗号は暗号化と復号に同じ鍵を用いるという性質上，送信者と受信者が鍵を共有しなければならない．その場合，「送信者と受信者が現実世界で交換」あるいは「通信で交換」の二つしか方法がない．前者は前述した通り，非常に非合理的であり現代のコンピュータネットワークに適していない．また，後者は通信を秘匿するための鍵を通信経路上に平文で流すこととなり，その鍵を利用した通信の安全性が危ぶまれる．
しかし，公開鍵暗号は前述の通り暗号化と復号に用いる鍵が非対称であり，共通鍵暗号で大きな問題であった鍵配送問
題は存在しない．問題があるならば，前節で検証した通り処理に時間を要することだろう．
現代の通信では，通信開始時に共通鍵暗号の鍵を公開鍵暗号によって暗号化して配送することで．暗号処理時間の問題
も鍵配送問題を解決している．このように，共通鍵暗号と公開鍵暗号の良い点をそれぞれ生かした暗号を「ハイブリッド
暗号」と呼ぶ．
$W)LUVW([FKDQJLQJ$(6.H\

B

T years =2
P × 60 × 60 × 24 × 365(QFU\SWHGE\56$(1)

6HQGHU

#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
#10
Avg

*15
*16
*17
*18
*19
*20

AES [E]
17
18
24
18
18
19
22
19
20
19
19.4

AES [D]
20
15
17
15
16
46
17
17
47
15
22.5

Environment

:

CPU
RAM

:
:

RSA [E]
4923
4901
4929
4903
4893
4885
4878
4890
4895
4926
4902.3

5HFLHYHU(QFU\SWHGE\$(6T = Processing Years
B = Key Length (Unit: bit)
P = Processing per Minute
表 1 AES と RSA の速度比較

鍵配送問題の解決$IWHU7KDW$Q\&RPPXQLFDWLRQ

２−４

unit: ms
RSA [D]
65288
65324
65272
65211
65155
65176
65056
65289
65217
65159
65124.7

図9ハイブリッド暗号

暗号処理専用プロセッサ

現代の通信やデータ保管において暗号化はほぼ必須と言っても過言ではない．しかし，AES や RSA といった現代暗号は強力である反面，非常に複雑な処理・手順を踏む必要があり，プロセッサに掛かる負荷が高い．また，メインシステムで鍵を管理することは，セキュリティの観点から望ましくない．
そのため，近年では暗号やハッシュ処理専用のプロセッサ*19の需要が高まっている．
専用プロセッサを用いると，暗号処理でメインシステムのリソースを消費しない*20 ため，スループットが向上することが期待できる．しかし，現在主流なプロセッサは従来と比較して格段に性能が向上しているため，恩恵は微々たるものかもしれない．ただ，メインシステムと分離することはセキュ
リティの観点からして非常に望ましく，鍵を専用プロセッサ
で生成・保管すれば，メインシステムは鍵を知らずに暗号処理でき，仮にメインシステムが攻撃を受けても鍵が流出する心配がない．

Windows 11 21H2(22000.434).NET Framework 4.7.2
AMD Ryzen 9 5900HS 3.30 GHz
DDR4 16.0 GB 4266 MHz

閏年は考慮しない．
初期化ベクトルが既知の場合．
AES の初期化ベクトルのサイズはブロックサイズ（128 bit）と等しい．
計測結果より算出．実行環境や鍵長によっては短くなるか，あるいは長くなる．
GPU や TPU などのプロセッサも，メインシステムのリソース占有や演算効率を理由としてメインシステムから分離している．
専用プロセッサの処理性能が低いとボトルネックとなる．

- 35 -

0$,16<67(0&38
6WRUDJH

5$0

.H\

.H\

図 10

26

$WWDFN

３$WWDFNHU

第 2 章までの内容を踏まえ，簡易な暗号回路を設計した．
方針としては実用性・拡張性を重視し，マイコンなどから制御しやすい I/O と，脱着・変更可能な制御回路を用意した．

メインシステムで鍵を保管

３−１

&38
5$0

1RQH

1RQH

26

(1&
'(&
HWF

$WWDFN

システム概略

システムは制御側（マイコンなど）から見て，以下の I/O
で操作・状態確認できる設計とした．

0$,16<67(06WRUDJH

設計・製作

信号線名 : 入出力種別／概略$WWDFNHU

CS : 入力／回路選択
EXE : 入力／実行
DATA : 入力／入力データ
PRC : 出力／実行可否
WND : 出力／データ入力待機
OUT : 出力／出力データ

.H\
.H\

6(&352&

図 11

専用プロセッサで鍵を保管

65$00RGXOH;RUVKLIW6HHG>ELW@$GGUHVV

6HOHFWLRQ6LJQDO;RUVKLIW6HHG>ELW@$GGUHVV

65$0([SDQVLRQ;RUVKLIW6HHG>ELW@$GGUHVV

6HOHFWLRQ6LJQDO&LUFXLW>(QFU\SWHU@;RUVKLIW,QVLGH,QWHUIDFH
DQG
&LUFXLW6ZLWFKHU&LUFXLWQ>$Q\@

図 12

３−１−１

;RUVKLIW6HHG>ELW@$GGUHVV,2'DWD
DQG
&RQWURO6WDWH6LJQDO,QSXW'DWD
DQG
&RQWRO6LJQDO

2XWSXW'DWD
DQG
6WDWH6LJQDO

65$0([SDQVLRQQ

システムの回路を接続することができる．しかし，実際に実装する場
合はファンイン・ファンアウトをしっかりと考慮する必要がある．

制御モジュール

外部との入出力，接続する回路の制御を司るモジュールである．拡張性を考慮し，制御・回路選択・信号分配はそれぞれ独立させた．
本稿では回路選択モジュール・信号分配モジュールの説
明 を 省 略 す る が ，動 作 の 概 略 と し て は ，制 御 モ ジ ュ ー ルの CS に HIGH 入力した状態で EXE を HIGH 入力すると，CS DATA[0-7] がラッチされ，回路選択モジュールは
CS DATA[0-7] の状態に対応した信号を出力し，信号分配モ
ジュールは回路選択モジュールから入力された信号に応じた回路を選択する．動きとしては，デマルチプレクサそのものである．
DATA は 1 byte のデータを入力できるため，回路選択モ
ジュール・信号分配モジュールを対応させれば，理論上 256

RS-FF1 の R には，POR と発振防止を目的として遅延回路（RC 回路）を接続した．リセット条件に EXE の反転が必要な理由は，意図しない連続実行を防止するためである．
また，CMP 信号を RS-FF2 でラッチしている理由は，CMPの入力時間を定義しないためである．RS-FF2 で CMP がラッチされた時点で，接続回路に入力される EXE が LOW になり，リセット信号が正常に入力されたことを接続回路側で判定することができる．並んで，先述の RS-FF1 に接続された遅延回路によって制御モジュールがリセットされるまでに時間的猶予があるため，接続回路側は余裕をもって終了処理を行える．
- 36 -

''$7$>@

'$7$
&6
(;(
35&
&03
287








'DWD
&LUFXLW6HOHFWLRQ([HFXWLRQ
3URFHVVLQJ&RPSOHWHG
2XWSXW

4&6B'$7$>@4(;(B'$7$>@

'))

!
'))

'
'))

!
'

&6

'))

4

&6

'/DWFK

(

4
'/

35&

(;(
6

(;(

4
56))
3ULRULW\5 

4

5

4

56))

656))&03

3ULRULW\5 4556))

4

287

'

287

'))


'))

図 13

制御モジュール

３−１−２

3RZHU21

本システムでは M68AF127B を採用した．M68AF127B にはイネーブル端子が二つあり，柔軟な設計が可能である．本
システムでは，イネーブル端子の一本をチップ切り替え，もう一本を書き込み開始信号線*21 として利用する．また，共通の信号線で複数の回路からモジュールにアクセスできるよう，トライステートバッファと回路選択モジュールの信号を用いて，各回路のメモリモジュールへのアクセスを管理できる設
計とした．

1R

(;(LV+,*+"<HV/DWFK
'$7$DQG(;(DQG&6&6LV+,*+"ＳＲＡＭモジュール

1R

<HV
(

6HOHFW&LUFXLWDFFRUGLQJWR'$7$
6HQG5676LJQDOWR1HZ$FWLYH&LUFXLW&6

6HQG(;(6LJQDODQG'$7$
WR&XUUHQW$FWLYH&LUFXLW

2WKHU,2&6
7ULVWDWH%XIIHU

2WKHU,2(

2WKHU,20$)%


(

&03LV+,*+"&6

1R

2WKHU,2<HV/DWFK287387

図 14

*21

&6
7ULVWDWH%XIIHU

2WKHU,2(

2WKHU,20$)%


図 15 SRAM モジュール,I&6LV+,*+
287387LVODWFKHG[３−１−３制御モジュールのフローチャート

暗号化モジュール

暗号処理を司るモジュールである．単体では動作せず，
SRAM モジュール、Xorshift モジュール（後述）、リングカウ
ンタモジュール（説明省略）と連携して動作する．

イネーブル信号が LOW から HIGH になったときに書き込みを開始する仕様である．（ただし，二つのイネーブル端子のうち一方がでパッシブとなっている場合を除く．）- 37 -

３−１−３ー１

アルゴリズム

メモリの読み出し／書き出し・シフト演算のみで構成される非常なシンプルな設計とした．0x00-0xFF のデータをランダムに並べたものを一つの表として，並べた複数の表から暗号単位ごとに乱数生成アルゴリズムによって表を選択する．暗号化後のデータは 2 byte のアドレスのうち，上位 1 byte を
テーブル番号，下位 1 byte を対象データとして，当該アドレスに存在するデータである．

Xorshift モジュールを独立させることによって，異なる乱数生成モジュールに変更することができる．また，アドレスの下位 1 byte に DATA をそのまま入力するため，間に加工回路を接続することでより柔軟な暗号処理を可能とした．

[[))[[))[)[)))[)[)))[)[)))[))[))))

[(%,QSXW'DWD
7DEOH1XPEHU(QFU\SWHG'DWDLV'DWD6WRUHGDW7KLV$GGUHVV'HWHUPLQHE\3VHXGRUDQGRP1XPEHU*HQHUDWLRQ$OJRULWKPDQGHWF

図 16

暗号化モジュールのアルゴリズムのイメージ

567

&03

6

(;(

4

5&B:DQG;26B56756))

;26B567B&03

3ULRULW\6 

5

4

&/.

;26B&03

5&
;26
6$
($






5LQJ&RXQWHU;RUVKLIW
6HHG$GGUHVV(QFU\SWLRQ$GGUHVV

5&B&/.

;26B&/.

0(0B:

0(0B(

5&>@
5&>@
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5&>@
5&>@
5&>@
5&>@
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5&>@
5&>@
5&>@
5&>@
5&>@

6$>@B(
6$>@B/

6$>@B(
6$>@B/

6$>@B(
6$>@B/

6$>@B(
6$>@B/
0(0B$DQG($B(($B/;26B287>@B(;26B287>@B(;26B287>@B(;26B287>@B(

図 17

暗号化モジュール
- 38 -

３−１−５

疑似乱数生成モジュール

３−２

暗号化モジュールの表選択に用いる疑似乱数を生成するモジュールである．本システムでは Xorshift を採用した．Xorshift は疑似乱数生成アルゴリズムの一つであり，単純な処理で構成されているため，非常に軽量でありハードウェアで実装しやすい．
設計初期段階では，単純さと処理速度の面から，XOR 素子
を直列で接続した回路を考えていたが，コストが想定より高かったため，トライステートバッファと D フリップフロップを用いたクロック駆動回路*22 へと変更した．

表 1 と同じ環境で速度を検証*23 したところ，予想外に AES
より低速であることを確認できた．
しかし，AES と RSA は.NET Framework *24 標準ライブ
ラリを利用しており，Windows ネイティブのコードで実行されていることが考えられるため，完全に公平ではない恐れがあることは留意したい．
なお，共通鍵暗号の特性上，暗号化／復号に掛かる負荷はほぼ等しいため，暗号化速度のみの比較とする．また，本アルゴ
リズムは異なる二つのレギュレーションで計測した．表選択も含めて一つのアルゴリズムであるため，B は比較としては不適切ではあるが，B では AES より高速であることを確認できた．

' ELW< ELW

!!

図 18



Ａ．
Ｂ．

設計初期段階の Xorshift

4

表2

6
'))

%
4

#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
#10
Avg

5

' ELW< ELW

$

)
&

'

(

図 19

設計変更後の Xorshift

３−３

6WDUW

,QSXW'DWDWR$

7UDQVLWLRQ$DQG&WR+L=
7UDQVLWLRQ%DQG'WR287/DWFK;25DW'))

7UDQVLWLRQ'WR+L=
7UDQVLWLRQ(WR287

7UDQVLWLRQ)WR287

(QG

*24

XOR 素子を 64 個削減．
表 1 の AES の記録は表 1 と同様．
.NET Framework と.NET Core は異なる．

Orig A [E]
30
30
29
29
35
31
31
29
29
29
30.2

Environment

:

CPU
RAM

:
:

Orig B [E]
16
15
16
16
17
15
15
17
16
15
15.8

unit: ms
AES [E]
17
18
24
18
18
19
22
19
20
19
19.4

Windows 11 21H2(22000.434).NET Framework 4.7.2
AMD Ryzen 9 5900HS 3.30 GHz
DDR4 16.0 GB 4266 MHz

懸念点

３−３−１

メモリ消費量

３−３−２

変換表の質

本アルゴリズムはあくまで「表に則って変換する」だけのア
ルゴリズムであるため，暗号強度は表に依存する．重複した

図 20 Xorshift（設計変更後）のフローチャート*23

独自アルゴリズムと AES の暗号化速度比較

本アルゴリズムでは表が鍵となるため，メモリ消費量は表の数に比例する．RSA-2048 の鍵の長さが 256 byte（2048 bit）
であるのに対して，本アルゴリズムでは一つの表で 256 byteの領域を消費する．暗号強度を上げるために複数の表が必要であるため，本アルゴリズムでは実用にあたり多量のメモリが必要となる．

7UDQVLWLRQ$DQG&WR287*22

テーブル選択に剰余演算を使用
テーブル選択を事前に処理

本アルゴリズムは非常にシンプルで軽量である一方，消費メモリや表選択アルゴリズム，その他の要素においていくつかの問題が散見する．

7UDQVLWLRQ$OO*DWHVWR+L=/DWFK;25DW'))

速度検証- 39 -

表，変換前と変換後のデータが同じ表，変換前と変換後のデータの一致率が高い表などを用いると暗号強度は低下する．暗号強度をある程度担保するためには，表生成においてルールを設ける必要がある．

$

%

+

+

2

2

9

9

%

$

,

,

3

3

:

:

&

&

-

-

4

4

;

;

'

'

.

.

5

5

<

<

(

(

/

/

6

6

=

=

)

)

0

0

7

7

*

*

1

1

8

8

)UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI;RUVKLIW ELW >ELW@
6HHG 7ULDO 








 [  [))図 24 Xorshift32 [16-23 bit] における値の出現頻度)UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI;RUVKLIW ELW >ELW@
6HHG 7ULDO 





３−３−３

図 21



低質な変換表

疑似乱数の質 [  [))変換表の質に並んで疑似乱数生成アルゴリズムも非常に重要である．極端な偏りがあるアルゴリズムを採用した場合，表の使用頻度に影響してしまう．良い表を複数用いたとしても，使われなければ意味がない．また，特定の表の使用頻度が高
いと頻度分析によって解読されてしまう可能性が上がり，暗号強度が下がってしまう．
図 22 から図 25 は適当に与えたシード値をもとに Xorshift(32 bit) を 10000 回試行し，8 bit 毎の 0 (0x00) から 255(0xFF) の出現頻度をグラフ化したものである．同様に，図 26から図 29 は線形合同法を用いて同じ条件*25 で試行した．

図 25 Xorshift32 [24-31 bit] における値の出現頻度)UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI/&* ELW >ELW@
6HHG 7ULDO 








 [  [))

図 26

)UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI;RUVKLIW ELW >ELW@
6HHG 7ULDO 

ＬＣＧ 32 [0-7 bit] における値の出現頻度

)UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI/&* ELW >ELW@
6HHG 7ULDO 
























 [  [))

図 22 Xorshift32 [0-7 bit] における値の出現頻度

 [  [))図 27 LCG32 [8-15 bit] における値の出現頻度)UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI;RUVKLIW ELW >ELW@
6HHG 7ULDO )UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI/&* ELW >ELW@
6HHG 7ULDO 
















 [  [))

図 23 Xorshift32 [8-15 bit] における値の出現頻度*25 [  [))図 28 LCG32 [16-23 bit] における値の出現頻度

定数 A と C の値は次の通りである． A = 1664525, C = 1013904223- 40 -)UHTXHQF\RI$SSHDUDQFHRI/&* ELW >ELW@
6HHG 7ULDO 








 [  [))４

図 29 LCG32 [24-31 bit] における値の出現頻度

あとがき

本研究で実装したアルゴリズムは，古典暗号を僅かに拡張したに過ぎず実用は危険である．しかし，それ故に現代暗号と比較して非常に軽量である．だからこそ，工夫によって実用に耐えうる暗号強度を実現できるのではないかと考える．例
えば，ダミーデータをランダムに散りばめて元のデータサイズを隠蔽，前の暗号化前データを次の Xorshift のシード値に組み込むといった工夫で暗号強度を高めることができる．

量子コンピュータの研究が進む中，現代暗号も安全が脅かされるとされている [8][9][10] ．今後，更に複雑な暗号が考案・開発されることは必至であり，現在「現代暗号」と呼ばれる暗号が，「古代暗号」に分類される日も来るだろう．しかしながら，新時代のより強力な暗号技術が開発されたとしても，今までに培われた暗号技術は今後の技術発展で必要である．今後もセキュリティ及び暗号技術の動向を注視したい．

参考文献[1] 総務省 - サイバーセキュリティタスクフォース（第 27回） - 資料 27-1 『サイバー攻撃の最近の動向等について』[2] 電子情報通信学会 - 通信ソサイエティマガジン - 2020 年
夏号 No.53 『今だからこそ知りたい ブロックチェーンの基礎』[3] 消費者庁 - インターネット消費者取引連絡会（第 42 回）- 資料 1 三菱 UFJ リサーチ&コンサルティング 『キャリア決済を中心としたキャッシュレス決済の動向整理』[4] 総務省 - 商務・サービスグループ キャッシュレス推進室- 『キャッシュレスの現状及び意義』[5] 独 立 行 政 法 人 情 報 処 理 推 進 機 構 - 暗 号 技
術 Q&A - １ ．暗 号 の 鍵 と は 何 で す か ？
https://www.ipa.go.jp/security/enc/qa.html[6] 国立情報学研究所 - 市民講座 (2006) 第 3 回 『現代暗号〜ネット社会の情報を守る暗号技術とは〜』[7] 国立研究開発法人 情報通信研究機構 - NICT NEWS2013 年 3 月号 No.426 『暗号の安全性評価』[8] 日本銀行金融研究所 - 『量子暗号通信の仕組みと開発動向』[9] 日本銀行金融研究所 - 『量子コンピュータが共通鍵暗号の安全性に与える影響』[10] 日本銀行金融研究所 - 『量子コンピュータの解読に耐えうる「格子暗号」の最新動向』- 41 -

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