暗号

HMACとは？他の認証技術との違いや選び方のポイントを徹底解説！

 

「HMACとは何か？」と検索したあなたは、データの改ざんを防ぐ方法や安全な認証技術について知りたいのではないでしょうか。

HMACは、API認証やデータの整合性チェックに広く使われる重要な技術ですが、仕組みや実装方法、他の認証技術との違いが分かりにくいと感じるかもしれません。

この記事では、HMACの基本から実装方法、セキュリティの注意点、最新の研究動向までをわかりやすく解説します。

初心者でも理解しやすいように具体例を交えながら説明するので、ぜひ最後まで読んでHMACの仕組みをしっかり理解しましょう。

外資系エンジニア

この記事は以下のような人におすすめ！

  • HMAC（Hash-based Message Authentication Code）とは何か知りたい人
  • 初心者でもわかるように基礎から仕組みが知りたい
  • ハッシュ関数とどう違うのか知りたい

HMACの基本理解

1-1. HMACとは何か

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）は、データの改ざんを防ぎ、メッセージの真正性を保証するための認証コードです。

HMACは、ハッシュ関数（SHA-256やMD5など）と秘密鍵を組み合わせることで、データが送信中に変更されていないことを確認できます。

例えば、インターネット上で銀行の取引データを送信するとき、そのデータが悪意のある第三者によって改ざんされるリスクがあります。

しかし、HMACを使用することで、データが改ざんされていないことを確認し、安全な通信を実現できます。

1-1-1. HMACの基本的な仕組み

HMACの仕組みは以下のようになっています。

  1. 送信側（データを送る側）は、メッセージと秘密鍵を使ってHMAC値を計算する。
  2. メッセージとともにHMAC値を受信側に送る。
  3. 受信側（データを受け取る側）は、同じ秘密鍵を使ってHMAC値を再計算し、送られてきたHMAC値と比較する。
  4. HMAC値が一致すれば、データが改ざんされていないと判断できる。

このように、HMACは秘密鍵を共有している通信相手同士でのみ検証可能な仕組みを持つため、データの完全性を保つことができます。

また、HMACには以下のような特徴があります。

特徴説明
改ざん検出送信データが途中で変更されるとHMAC値が変わるため、改ざんを検出できる。
認証送信者と受信者が同じ秘密鍵を持つことで、送信元を確認できる。
ハッシュ関数の強度に依存HMACの安全性は、使用するハッシュ関数（SHA-256など）によって異なる。

1-2. HMACの必要性と役割

では、なぜHMACが必要なのでしょうか？それは、データの改ざんを防ぐためだけでなく、なりすましを防ぐためにも重要だからです。

例えば、オンラインショッピングで注文情報が送信される際、悪意のある攻撃者が注文内容を勝手に変更し、高額な商品を購入するように改ざんする可能性があります。

しかし、HMACを使用することで、そのような改ざんを検出し、正しい情報が送信されたことを確認できます。

1-2-1. HMACの主な役割

HMACの役割は、大きく分けて以下の2つです。

  1. データの改ざん防止
    • HMACを使用すると、データが途中で変更された場合に検出できます。
    • 例えば、クレジットカードの取引情報が送信される際、HMACを付与することで安全に取引を行うことができます。
  2. 送信者の認証
    • HMACを計算するためには秘密鍵が必要です。そのため、HMACが正しく検証された場合、データが信頼できる送信者から送られてきたことを確認できます。
    • これにより、不正なデータの受け入れを防ぐことができます。

HMACの技術的詳細

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）は、データの真正性を保証し、改ざんを防ぐための認証技術です。

しかし、具体的にどのような仕組みで動作するのかを理解することが重要です。

ここでは、HMACの構造と仕組み、そしてHMACで使用されるハッシュ関数について詳しく解説します。

2-1. HMACの構造と仕組み

HMACは、ハッシュ関数と秘密鍵を組み合わせて動作します。

これにより、通常のハッシュ関数単体よりも高いセキュリティを確保できます。

2-1-1. HMACの基本構造

HMACの計算には、次の3つの要素が関係します。

  • メッセージ（M）：HMACで認証を行う対象のデータ
  • 秘密鍵（K）：HMACの計算に使用される秘密のキー
  • ハッシュ関数（H）：SHA-256やSHA-1など、HMACの計算に使用される関数

HMACの計算は、以下のような手順で行われます。

  1. 鍵の長さを調整
    • 秘密鍵（K）の長さがハッシュ関数のブロックサイズより短い場合は、適宜パディングを行う。
    • 逆に、長い場合はハッシュ化して適切な長さにする。
  2. 鍵を加工
    • 秘密鍵（K）を「内側のパディング（ipad）」と「外側のパディング（opad）」と組み合わせる。
    • ipad = 0x36 を鍵とXOR
    • opad = 0x5C を鍵とXOR
  3. HMACの計算
    HMACの計算式は次のようになります。 HMAC(K,M)=H((K⊕opad)∣∣H((K⊕ipad)∣∣M))HMAC(K, M) = H( (K \oplus opad) || H( (K \oplus ipad) || M ) )HMAC(K,M)=H((K⊕opad)∣∣H((K⊕ipad)∣∣M)) つまり、
    1. メッセージ（M）と加工済み鍵（K ⊕ ipad）を連結し、ハッシュ化する。
    2. そのハッシュ値と加工済み鍵（K ⊕ opad）を連結し、再びハッシュ化する。
    3. 得られたハッシュ値がHMACの最終的な認証コードとなる。

この2段階のハッシュ処理により、安全性が向上し、単なるハッシュ関数と比べて強力な改ざん防止機能を持つことができます。

2-2. HMACで使用されるハッシュ関数の種類

HMACの強度は、使用するハッシュ関数に依存します。

したがって、どのハッシュ関数を選ぶかが重要なポイントになります。

2-2-1. HMACでよく使われるハッシュ関数

ハッシュ関数特徴推奨度
SHA-256256ビットの出力を持つ安全性の高い関数。HMACによく使用される。◎
SHA-512SHA-256よりも長い出力を持ち、より高いセキュリティを提供する。◎
SHA-1160ビットの出力を持つが、脆弱性が指摘されており非推奨。△
MD5高速だが脆弱性が多く、HMAC用途でも非推奨。✕

現在では、SHA-256またはSHA-512が主流となっており、特にSHA-1やMD5は衝突攻撃に対して脆弱であるため使用を避けるべきです。

2-2-2. ハッシュ関数の選択基準

ハッシュ関数を選ぶ際には、以下のポイントを考慮すると良いでしょう。

  1. 安全性
    • ハッシュ関数には、衝突耐性・第2原像耐性・原像耐性が求められる。
    • SHA-256以上の関数を使用するのが望ましい。
  2. パフォーマンス
    • SHA-512はSHA-256よりも安全だが、計算コストが高い。
    • 高速な処理が求められる場合はSHA-256が適している。
  3. 将来的な耐性
    • 量子コンピュータの発展を考慮すると、より強力なハッシュ関数を採用するのが良い。

HMACの利用方法

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）は、データの改ざんを防ぎ、通信の安全性を高めるために広く利用されています。

しかし、HMACを適切に活用するためには、その実装方法と具体的な使用例を理解することが重要です。

ここでは、HMACの実装方法と、どのような場面で使われるのかを詳しく解説します。

3-1. HMACの実装方法

HMACは、さまざまなプログラミング言語で簡単に実装できます。

ここでは、Pythonを例にHMACの基本的な実装方法を紹介します。

3-1-1. PythonでのHMACの実装

Pythonには、HMACを簡単に扱うためのhmacモジュールが標準ライブラリとして用意されています。

以下のコードは、HMAC-SHA256を使用してメッセージの認証コードを生成する方法を示しています。

import hmac
import hashlib

# 秘密鍵とメッセージ
secret_key = b'secret_key'
message = b'Hello, HMAC!'

# HMAC-SHA256の計算
hmac_digest = hmac.new(secret_key, message, hashlib.sha256).hexdigest()

print("HMAC:", hmac_digest)

このコードのポイントは以下の通りです。

  • hmac.new()関数を使用してHMACを計算する。
  • 第一引数に秘密鍵（secret_key）、第二引数にメッセージ（message）を指定する。
  • 第三引数には使用するハッシュ関数（ここではhashlib.sha256）を指定する。
  • hexdigest()を用いることで、HMACの計算結果を16進数で出力する。

3-1-2. 他のプログラミング言語でのHMAC実装

HMACは、Python以外の言語でも簡単に実装できます。

言語HMACの実装例
Pythonhmac.new(secret_key, message, hashlib.sha256).hexdigest()
JavaScriptcrypto.createHmac('sha256', secret_key).update(message).digest('hex')
JavaMac.getInstance("HmacSHA256").doFinal(message)
Gohmac.New(sha256.New, secret_key).Sum(nil)

したがって、HMACはさまざまなプラットフォームで利用できる汎用的な認証技術と言えます。

3-2. HMACの具体的な使用例

HMACは、さまざまな場面でデータの安全性を確保するために利用されています。ここでは、代表的な使用例を紹介します。

3-2-1. API認証

HMACは、APIのリクエスト認証によく使用されます。

例えば、クライアントがサーバーにデータを送信する際、HMACを用いた署名をリクエストヘッダーに付与することで、リクエストの正当性を保証できます。

API認証の流れ

  1. クライアントがリクエストデータを作成する。
  2. 秘密鍵を使用してHMACを計算し、リクエストヘッダーに含める。
  3. サーバーは、受信したリクエストのHMACを再計算し、クライアントのHMACと比較する。
  4. 一致すればリクエストを受理し、不一致なら拒否する。

この方法を採用することで、不正なリクエストを防ぎ、API通信の安全性を確保できます。

3-2-2. メッセージの改ざん防止

HMACは、電子メールやデジタルメッセージの改ざんを防ぐためにも使用されます。

例えば、メール送信時にHMACを付与し、受信側でHMACを検証することで、送信されたメールが途中で改ざんされていないかを確認できます。

3-2-3. トークンベースの認証（JWTなど）

HMACは、JWT（JSON Web Token）などの認証技術にも利用されます。

JWTは、認証情報を含むトークンをクライアントに発行し、以後のリクエストでそのトークンを用いることでユーザーを認証します。

JWTの署名にはHMAC-SHA256などが利用され、トークンの改ざんを防ぐ役割を果たします。

3-2-4. ファイルの整合性チェック

HMACは、ファイルの整合性チェックにも利用できます。

例えば、ソフトウェアのダウンロード時に、提供元がHMACを公開し、ユーザーがダウンロード後にHMACを計算して比較することで、データが改ざんされていないことを確認できます。

HMACと他の技術との比較

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）は、メッセージの改ざん検知や認証のために広く利用されています。

しかし、似たような目的を持つ技術として「デジタル署名」や「他のMAC（メッセージ認証コード）」が存在します。

ここでは、HMACとこれらの技術の違いを比較し、それぞれの特徴を詳しく解説します。

4-1. HMACとデジタル署名の違い

HMACとデジタル署名は、どちらもデータの改ざんを防ぐための技術ですが、仕組みや用途が異なります。

4-1-1. HMACとデジタル署名の基本的な違い

項目HMACデジタル署名
鍵の種類秘密鍵（対称鍵）公開鍵暗号（非対称鍵）
認証の方法送信者と受信者が同じ秘密鍵を共有する送信者が秘密鍵で署名し、受信者が公開鍵で検証する
改ざん検知HMAC値が異なると改ざんが検知できる署名が検証できなければ改ざんが検知できる
送信者の証明送信者が秘密鍵を知っていることを確認できるが、第三者には証明できない署名が公開鍵で検証できるため、第三者にも送信者を証明可能
計算コスト軽量で高速計算負荷が高い

4-1-2. HMACはどんな場面で使われるのか？

HMACは、共有された秘密鍵を使うため、主に「クローズドな環境（特定のサーバーとクライアント間）」で利用されます。

例えば、API認証やデータの整合性チェックなどが代表的な用途です。

4-1-3. デジタル署名はどんな場面で使われるのか？

一方、デジタル署名は、公開鍵を利用することで、より広範囲にわたる認証が可能です。

そのため、電子契約やソフトウェアの署名、電子証明書（SSL/TLS）など、公的な場面で使用されます。

結論：HMACとデジタル署名のどちらを選ぶべきか？

  • HMACは、高速かつ軽量で、API認証やデータ整合性のチェックに最適。
  • デジタル署名は、送信者の証明が必要な場面（電子契約、SSL証明書など）に適している。

つまり、HMACとは対称鍵を利用したメッセージ認証技術であり、デジタル署名とは公開鍵暗号を利用した送信者認証技術という違いがあります。

4-2. HMACと他のメッセージ認証コード（MAC）との比較

HMACは、メッセージ認証コード（MAC）の一種ですが、他にもいくつかのMACアルゴリズムが存在します。

ここでは、それらの違いを詳しく見ていきます。

4-2-1. HMACとCBC-MACの違い

CBC-MAC（Cipher Block Chaining Message Authentication Code）は、ブロック暗号（AESやDESなど）を用いたメッセージ認証コードの一種です。

項目HMACCBC-MAC
使用する技術ハッシュ関数（SHA-256など）ブロック暗号（AESなど）
適用範囲任意の長さのメッセージに適用可能固定長のブロック単位で処理
安全性衝突耐性のあるハッシュ関数に依存AESの安全性に依存
用途API認証、データ整合性チェック限られたプロトコル（IPSecなど）

HMACは汎用性が高く、さまざまな用途で利用できるのに対し、CBC-MACは暗号化された通信の認証向けに特化しています。

4-2-2. HMACとPoly1305の違い

Poly1305は、高速なメッセージ認証アルゴリズムであり、特にモバイル環境や低消費電力デバイスでの使用が推奨されています。

項目HMACPoly1305
計算コスト比較的低いが、Poly1305よりは遅い非常に高速
安全性ハッシュ関数の強度に依存AESなどと組み合わせて使用
用途一般的なメッセージ認証高速なネットワークプロトコル（TLS 1.3など）

Poly1305は、TLS 1.3などの最新のプロトコルで採用されており、特にパフォーマンスを重視する場面で使われます。

HMACのセキュリティ上の考慮点

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）は、メッセージの改ざんを防ぐための重要な技術ですが、適切に実装しないとセキュリティリスクが発生する可能性があります。

ここでは、HMACの安全性と脆弱性について解説し、安全に運用するためのベストプラクティスを紹介します。

5-1. HMACの安全性と脆弱性

HMACは、適切なハッシュ関数と十分な長さの秘密鍵を使用すれば、高い安全性を確保できます。

しかし、いくつかの脆弱性や攻撃のリスクがあるため、それらを理解し、対策を講じることが重要です。

5-1-1. HMACの安全性

HMACは、次の理由から安全性が高いとされています。

  1. ハッシュ関数の強度に依存
    • HMACの安全性は、使用するハッシュ関数（SHA-256、SHA-512など）の衝突耐性や強度に依存します。
    • 例えば、SHA-1は衝突攻撃により安全性が低下しているため、SHA-256以上のハッシュ関数を使用することが推奨されます。
  2. 秘密鍵が攻撃者に漏れない限り安全
    • HMACは対称鍵暗号を使用しているため、秘密鍵が漏洩しない限り、攻撃者はHMACを偽造することができません。
  3. 2段階のハッシュ処理により強固な構造を持つ
    • HMACは (K ⊕ opad) || H((K ⊕ ipad) || M) という計算方式を採用しており、単純なハッシュ関数の使用よりも安全性が向上しています。

5-1-2. HMACの脆弱性

一方で、HMACにはいくつかのリスクや攻撃手法が存在します。

  1. 鍵の漏洩リスク
    • 秘密鍵が盗まれると、攻撃者はHMACを正しく計算できるようになり、改ざん検知が機能しなくなります。
    • そのため、秘密鍵の適切な管理が不可欠です。
  2. 長さ拡張攻撃（Length Extension Attack）
    • 一部のハッシュ関数（特にMD5やSHA-1）は、長さ拡張攻撃の影響を受ける可能性があります。
    • ただし、HMACはこの攻撃の影響を受けない設計になっているため、SHA-256以上を使用すれば問題はありません。
  3. タイミング攻撃
    • HMACの検証時に「比較処理の時間差」を利用して秘密鍵を推測する攻撃（タイミング攻撃）が可能です。
    • これを防ぐためには、コンスタントタイム比較（constant-time comparison）を実装することが重要です。

5-2. 安全なHMACの実装と運用のためのベストプラクティス

HMACを安全に運用するためには、以下のベストプラクティスを守ることが重要です。

5-2-1. 強力なハッシュ関数を選択する

  • SHA-256またはSHA-512を使用する（SHA-1やMD5は避ける）
  • 将来的には、SHA-3のようなより強固なハッシュ関数の導入も検討する

5-2-2. 秘密鍵の管理を徹底する

  • 十分な長さの秘密鍵を使用する（128ビット以上が推奨）
  • 秘密鍵は環境変数や専用のキー管理システム（AWS KMS、Google Cloud KMSなど）で安全に保管する
  • 鍵のローテーション（定期的な更新）を実施し、長期間同じ鍵を使わない

5-2-3. コンスタントタイム比較を実装する

HMACの検証時にタイミング攻撃を防ぐために、コンスタントタイム比較関数を使用することが重要です。

Pythonでは、hmac.compare_digest() を使用することで、コンスタントタイム比較を簡単に実装できます。

import hmac

def verify_hmac(received_hmac, calculated_hmac):
return hmac.compare_digest(received_hmac, calculated_hmac)

5-2-4. メッセージの順序を考慮する

  • HMACはメッセージの改ざんを防ぐが、「再送攻撃（Replay Attack）」には対応できない
  • そのため、HMACを利用する際は「タイムスタンプ」や「リクエストID」などを含めて、一度処理されたリクエストを再利用できないようにする

5-2-5. HMACの検証時に適切なエラーハンドリングを行う

  • 検証エラーが発生した場合、詳細なエラーメッセージを攻撃者に漏らさない
  • 「認証失敗」とだけ表示する（「鍵が違います」「HMACのフォーマットが違います」などの具体的なメッセージを避ける）

HMACに関する最新情報

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）は、データの完全性と認証を確保するための重要な技術として広く利用されています。​

近年、この分野では新たな研究や標準化の動きが見られます。ここでは、HMACに関連する最新の研究動向やニュースを紹介します。​

6-1. HMACに関連する最新の研究動向やニュース

6-1-1. NISTによるHMACの新たな標準化動向

2024年6月、米国国立標準技術研究所（NIST）は、HMACの仕様とメッセージ認証のための推奨事項をまとめたドラフト「SP 800-224」を公開しました。

​この文書は、HMACの実装者や利用者に向けて、最新のセキュリティ要件やベストプラクティスを提供することを目的としています。​

このドラフトは、2024年9月6日まで一般からのコメントを受け付けていました。 ​

6-1-2. HMACとTEAアルゴリズムを組み合わせたCANバス認証の研究

近年、車載ネットワークのセキュリティ強化が求められています。​

その中で、HMACとTEA（Tiny Encryption Algorithm）を組み合わせたCAN（Controller Area Network）バスの認証手法に関する研究が行われています。​

この研究では、HMACとTEAを活用することで、CANバス上のデータ通信の安全性を高める方法が提案されています。 ​

6-1-3. HMACを用いたSQLインジェクション攻撃防御策の提案

ウェブアプリケーションのセキュリティにおいて、SQLインジェクション攻撃は依然として重大な脅威となっています。​

これに対し、HMACを活用した新たな防御策が提案されています。

この方法では、クエリの整合性をHMACで検証することで、攻撃を未然に防ぐことが可能とされています。

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