Transcript 7月14日分

情報通信システム（11）
http://www10.plala.or.jp/katofmly/chiba-u/
2015年7月14日 火曜日
午後4時10分～5時40分
NTT-IT Corp.
加藤 洋一
本日のテーマは「パケット伝送」
千葉大学 11- 2
• ここにディジタル伝送路がある。送信側から１
ビット送ると受信側で１ビット受信できる。
• この伝送路を使って、意味のあるデータを送
りたい。
– データ＝ここで、テキスト、画像、その他いろいろ
な情報で、ファイルのようなものと考える。
• どういうことを考えなければならないか？
– 大きさ、速さ、時間、距離、変換、表現形式、終わ
りと始まり、決まったパターンを使う、検証、送り
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• バイトの切れ目を見つけた。次に、データを
一塊として扱う「パケット」という概念を導入し
ます。
• パケットに必要な「決め事」は？
– 形式、型、長さ、ヘッダーを使う、その形式
• ヘッダーに入れたい情報？
– パケットの長さ、型、どこに向かうか？相手先アド
レス
パケット伝送
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• データを異なる受信先に届けたい。どのよう
に伝送システムを作れば便利で効率的か考
える。
• どういう事項について検討する？
伝送路ではエラーがある、盗聴がある
• 受信先に確実にデータを届けたい
• 盗聴させない
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インターネット（あるいはIPネットワーク）
• 本日は、インターネットの仕組みを見てみましょう
音
画像
インターネット
（パケット網）
ビデオ
テキスト
データ
Webサーバー
「TCP/IP」というパケッ
ト伝送インタフェース
Web、メール、その他なんでも。。。
Webサーバー
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プロトコルと通信レイヤー
• インターネットは、様々なプロトコルの集積で成立し
ています。
– 「プロトコル」とは通信の決め事のこと。
• 電圧とビットの対応（１Vは’1’で-1Vは’0’など）
• ビットと文字の対応（01000001は’A’という文字）
• “GET /index.html HTTP/1.1”で‘index.html’というWebページの
要求を表す、など
• 通信レイヤー（層）とは、ディジタル通信の考え方を
整理したもの
– 通信レイヤーごとに別のプロトコル、つまり「決め事」があ
ります。
– 通信レイヤーには、物理層、データリンク層、ネットワーク
層、トランスポート層、アプリケーション層などがあります。
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プロトコルと通信レイヤー
• 通信レイヤー：物理層
– 情報は、電気か、電波か、光で運ばれる
– ディジタルデータを電気か光の信号にマッピングし、伝送路を通じて送
ること。QAMなどの変調方式も物理層の一つ。
ディジタルビット列
ディジタルビット列
0100100100
光ファイバー
0100100100
同軸ケーブル
ツイストペアケーブル
2
2
1
2
-1
4
6
8
10
加入者電話線
1
2
4
6
8
10
-1
-2
-2
何らかの伝
送装置（ある
いは部品）
何らかの伝
送装置（ある
いは部品）
大気中：電波
物理層
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プロトコルと通信レイヤー
• データリンク層
– 物理層で繋がれたディジタル伝送の一区間を使って、ビット列、あるいは、
ビットのかたまり（パケット）をやり取りする
• 後述するEthernetの場合には、ハブを介することで複数の物理層にまたがった
データリンク層を構成します。
– データリンクでの機器の識別は、MACアドレスで行います。
データリンク１
0100100100
データリンク２
0100100100
0100100100
物理層１
異なる物理層へ2箇所で接続
物理層２
0100100100
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プロトコルと通信レイヤー
• ネットワーク層
– データ（パケット）を目的地まで届ける
– パケットとは、ある長さのデータのかたまり
– 目的地まで、複数のデータリンクを使う場合もある
データリンク
ルーター２
Cあてのパケットだ。
Cに送ろう。
A
C
Bからパケットが来た
‘00100100111’
ルーター１
ルーター３
Cあてのパケットだ。
ルーター2に送ろう。
‘00100100111’
B
パケットをCに送りたい
ネットワーク
D
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プロトコルと通信層
• トランスポート層
– データ伝送の確実性を保証する（しないものもある）
• ACKパケット
– 「ポート」という概念で、パケットを受け取るべきアプリケー
ションプログラムを指定する。
Webブラウザー
ネットワーク
メールリーダー
80 Webサーバープログラム
25 メールサーバープログラム
ひとつのサーバーに
Webサーバーとメール
サーバーが動いている
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プロトコルと通信レイヤー
アプリケーション層（アプリケーション毎の決め事）
Web、メール、Web会議、ストリーミングビデオ
HTTPサーバーポート
HTMLページBの返送を要求
するリクエストをディジタル
データで表現
ネットワーク
サーバーAにあ
るHTMLページ
Bを見たい
HTMLページBへの要求が
来た。ページBをハードディ
スクから読み取り、要求元
へ返信しよう。
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プロトコルと通信レイヤー
レイヤー
役目
インターネット
アプリケーション層
通信の端点となるプログラムな HTTPサーバー、
ど
メールサーバー
トランスポート層
データをあるコンピューターの
プログラムから別のコンピュー
ターのプログラムまで届ける
TCP、UDP
ネットワーク層
パケットを目的地まで運ぶ
IP
データリンク層
ひとつのネットワーク内でデー
タを伝送する
Ethernet MACレイ
ヤー、PPP
物理層
電気あるいは光の信号でビット Ethernet物理層など
やパケットを伝送する
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Ethernet（イサーネット）
• イサーネットは、物理層とデータリンク層にま
たがるディジタル伝送方式
– オフィスや家庭のLANはほとんどEthernet
– １０Base2、１０Base5、１０BaseT、１００BaseT、
１０００BaseT、１０００BaseFXなどいろいろな種
類がある
– Etherとは「エーテル」のこと。その昔、（一部の物
理学者によって）、光を伝達する媒体で、宇宙全
体を満たしていると考えられていた
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Ethernetの物理層
• Ethernetの物理層は「ベースバンド」符号化
– 10BaseT では、「マンチェスタ符号化」が使われている
いろいろなベースバンド符号化
0
NRZ（Non-Return-to-Zero）
ディジタル回路で用いられる
RZ（Return-to-Zero）
必ずゼロに戻る
NRZI（NRZ-Inversion）
1が来る度に極性反転
AMI（バイポーラ）
１の極性を交互に
マンチェスタ
LHが0、HLが1
H
L
0
1
0
1
1
0
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１０BaseTではなぜマンチェスタ符号化？
• 「そう決めたから」というのが最も確かな答え
と思われる。もちろん、下記のような理由は
あったであろう。
– マンチェスタ符号化では信号からクロックの抽出
が簡単
• ただし、信号クロックは、ビットレートの倍となる
– 回路的にも簡単に作れる
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10BaseTのデータリンク
• 送るべきディジタル信号がないときは、何も出さない（信号線は0ボルト）
• 以下のようなパケット（データの集まり、Etherパケット、あるいは、Etherフ
レーム）を単位にデータを伝送
• ビットクロックは10MHｚ（マンチェスタ符号化のため、最大クロックは
20MHzとなる）。1ビット伝送は、0.1マイクロ秒。
プリアンブル
8
ヘッダー
14 or 18
データ
46-1500
トレイラー
4
単位は「バイト」
プリアンブル：「これから信号を出しますよ」というお知らせ（82Hが７つ、83Hがひとつ）
ヘッダー：あて先アドレス（6バイト）、送信元アドレス（6バイト）、データ長（2バイト）
データ：任意のデータ。バイト単位。
トレイラー：チェックサム
トレイラーの後は、最小12バイト分の休止期間を取る（12*8*0.1=9.6マイクロ秒期間）。
アドレス（MACアドレス）：6バイト、全てのEthernet機器は異なるMACアドレスを持つ
（ことになっている）
慣習上、16進表記で以下のように表記する
00-02-00-32-FC-BA or 00:02:00:32:FC:BA
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16進表記
• 4ビット（2の４乗、即ち0から15までを表せる）を0, 1,
2, 3, 4, 5，６，７，８，９、A(10), B(11), C(12), D(13),
E(14), F(15)で表す
• １バイトは、２つの１６進表記で、A0(192)、FF(255)、
60(96)、1F(31) などのように表す。
• 先頭に’0x’をつける場合もある。0x00000001で4バ
イトの１を表している。0x1001で２バイトの４０９７を
表している（後ろにHをつけることもある。‘80H’な
ど）。
• では、0x7FFFは10進でいくつか？
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データの発生からケーブルに信号を流すまで
なにかしらのデータ
送るべきデータが発生する
データをバイト列で表す
10 4A A4 B5 00 FC …
ここから先がEthernet
プリアンブル、ヘッダー、トレイラーを付加する
プリアンブル ヘッダー
バイト列からビット列へ変換
ビット列をマンチェスタ符号へ変換
電気信号に変えてケーブルから送り出す
データ
トレイラー
101010101101001010001001001011
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１０BaseTの伝送方式
送るべき信号のないときはケーブル
には何も流れていない
（実際には接続確認信号が時々流
れている）
UTPケーブル
コンピューター
ハブ
無信号状態であることを確認！
データを送るときは、まず、ケーブル
が無信号状態であることを確認する。
UTPケーブル
コンピューター
プリアンブルから始まるデータ
を流す
UTPケーブル
コンピューター
ハブ
ハブ
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ハブ（スイッチングハブ）の動作
ハブ(16ポート)
MACアドレス 00-02-04-88-fc-10
00-02-00-4c-02-10
MACアドレス 00-02-00-4c-fc-10 へデータを送出
MACアドレス 00-02-00-4c-02-10
MACアドレス 00-02-10-4c-fc-10
ハブの各ポートとコンピューター（あるいは他の機器）とは1対1で接続され
る。
ハブは、ポート毎に、接続されている機器のMACアドレスを記憶している
（機器から送られてくるETHERパケットの送信元アドレスを覚える）。
ハブは、ETHERパケットを受け取ると、あて先アドレスを見て該当するポー
トから同じETHERパケットを送出する。
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信号の複製だけを行うハブ（ダムハブ）
ハブ(16ポート)
MACアドレス 00-02-04-88-fc-10
00-02-00-4c-02-10
MACアドレス 00-02-00-4c-fc-10 へデータを送出
MACアドレス 00-02-00-4c-02-10
MACアドレス 00-02-10-4c-fc-10
スイッチ機能を持たず、あるポートから受け取ったデータを全てのポートに送出す
るハブもある（古いタイプ）。
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)
（１）伝送路があいていることを確認して送信開始
（２）もし他のコンピューターとたまたま送信がぶつかったら、ランダム時間待つ
（３）コンピューターは、常に全パケットを監視し、自分宛のものだけを処理する
伝送路の使用効率は落ちる（一台のコンピュータが全てのネットワークを占有して
しまう）
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ハブ同士の接続／Ethernetの範囲
ハブ同士を接続することもできる。ある機器から別の機器までの
間に最大3個まで。
ポート毎に複数のMACアドレスを記憶することができる。
ひとつのEthernetの範囲は、MACアドレスによってEtherパケット
が届く範囲。これを「Etherセグメント」という。
Ethernetはデータリンク層以下（つまりデータリンク層と物理層）の
方式。Etherセグメントを越えた通信には「ネットワーク層」が必要。
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いろいろなEthernet
• 現在の主流は、100BaseTや1000BaseT（GbE）。
– ケーブルの外見やプラグなどは10BaseTと同じ。
• ケーブルの心材は少し太くなり、周波数特性の良いものを使う。
• 100BaseTでは10BaseT同様、8芯のうち4芯（1,2がペア、3,6が
ペア、4,5,7,8は未使用）を使用。
• 1000BaseTでは8芯全て使用。しかもひとつのペアを送信受信で
兼用する。
– 電気的な伝送方法は10Baseと全く異なる。
• 当然、パルスのクロックが早い。100BaseTでも1000BaseTでも
125MHz。
• 無信号時にも何かしらのパルス（信号）が流れている
– 光ファイバを物理媒体としたもの、無線LANなども使われ
るものもある（MACアドレスをもち、Etherフレームで伝送
が行われる）
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そのほかのデータリンク層および物理層
• 物理層には以下のようなものがある
– ADSL
– 電話線とモデム
• データリンク層には以下のようなものがある
– PPP
• 元々はモデムなどで利用されている方式。WAN（Wide Area
Network）に向く。ADSLやFTTHでも一部で使用されている。
– ATM
• データを５３バイトの小さなパケットで送る方式
• 生のATMレイヤーの上に、MACレイヤーを乗せる
– フレームリレー
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ネットワーク層：IP
• ネットワーク層は、IP（インターネットプロトコル）を用
いるのがほとんど。
• パケットの構造は以下のように簡単
– 必須の部分のみ説明します
IPパケット
ヘッダ部
データ部
ヘッダ部は、通常20バイト
自分のアドレス： 4バイト（32ビット）
あて先アドレス：4バイト（32ビット）
データ長：2バイト（つまり、データは最大でも65000バイトほど）
TTL：２バイト（後述）
ヘッダのチェックサム：２バイト
その他：６バイト（固定的なものやまれにしか使用されない情報）
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IPパケットは、データリンク層の「データ」
• 上位層のパケット全体が、ひとつ下位の層の
データとなる。
IPパケット
データリンク層
（Ethernetフレー
ム）
ヘッダ部
8
データ部
14 or 18
プリアンブル
ヘッダー
46-1500
データ
4
トレイラー
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IPパケットの伝わり方
あるEtherセグメント（例えばオフィス）
ルーター
サーバーAまで
パケットを送る
ルーターをひとつ経由す
るごとにTTLが１引かれる。
TTLが０になるとパケット
は破棄される。
ルーター間を結ぶ
データリンク
インターネット
ルーター間のデータリンクで、距離があ
る場合には、PPP、ATM、フレームリ
レー、光接続のEthernet、などが用いら
れる。物理層は、ISDN、フレームリレー、
光接続のEthernetなど。
データセンターのEtherセグメント
A
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IPパケットの伝わり方は、「バケツリレー」
• ルーターの基本的な動作は以下のよう
ポートA
他のルーターやハブなど（直
接、端末装置、例えばPC、を
接続することもある）
ポートB
ポートX
あるポートにIPパケットを受信
あて先IPアドレスをパケットヘッダー
から読み取る
ルーティングテーブルを探索
あて先アドレスに対応するポート
からパケットを出力
ルーティングテーブル
アドレスaaaからczzまではポートAから出力
アドレスdzzからkfzまではポートBから出力
：
「ポート」は、「インタフェース」ともいう
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IPアドレス
• IPアドレスは、４バイト（３２ビット）
– 次世代のIPであるIPV6では16バイト（128ビット）
• インターネット上の機器はユニークなアドレスを持つ
• 以下のような構造を持つ
３２ビット
ネットワークの識別
機器の識別
分け方は基本的に任意、「ネットマスク」で区分けを表す
ルーター
Etherセグメント=ネットワーク
４つのバイトに区切って、以下のように表す
IPアドレスの例： 129.60.34.230
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ひとつのネットワーク内でのIPの伝送
• IPパケットを送るには、相手先のMACアドレスを知る必要が
ある。
• ARP（Address Resolution Protocol）でMACアドレスとIPア
ドレスの変換を行う
ARPリクエスト（IPアドレスが指定されている）をブロードキャスト
指定されたIPアドレスを持っている機器は、ARP応答を返す
arp コマンド
ARP応答を受け取りARPテーブルに追加
それは私です
ハブ(16ポート)
IPアドレス 192.168.0.21
IPアドレス192.168.0.11
IPアドレス 192.168.0.12
「IPアドレスIPアドレス 192.168.0.21を
持つ機器は返事をしてください」
IPアドレス 192.168.0.22
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他のネットワークへのIPパケットの伝送
• ネットワーク内の「デフォルトゲートウェイ」へIPパケットを送
る
• 「デフォルトゲートウェイ」通常ルーターである。ルーターは、
ルーティングテーブルを参照し、IPパケットを別なルーター等
へ送る
ネットワーク＝データリンク層でデータが届く範囲
デフォルトゲートウェイ
ルーター
サーバーAまで
パケットを送る
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ルーティング
Netmask=255.255.255.0
129.60.32.0
129.60.33.0
B 129.60.33.1
A 129.60.32.1
ルーター１
C 129.60.34.1
129.60.32.10
129.60.35.10
129.60.35.0
129.60.34.2
129.60.34.0
129.60.35.1
Etherセグメント=ネットワーク
ルーターは、インタフェースごとにIPアドレスを持つ
tracert
ルーター1のルー
ティングテーブル
129.60.32.0 Aへ
129.60.33.0 Bへ
129.60.34.0 Cへ
129.60.35.0 Cへ
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トランスポート層：UDP
• パケットを他の機器のアプリケーションまで届
ける
自ポート番号
データの長さ
データ
16ビット 16ビット 16ビット 16ビット
あて先ポート番号 チェックサム
UDPヘッダー
IPパケット
ヘッダ部
データ部
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トランスポート層：TCP
• IPパケットは、通信エラーがあるとパケットが破棄される
• 通信エラーを吸収する。
– ACK、再送
ヘッダー部
データ
http://apricot.ese.yamanashi.ac.jp/~itoyo/lecture/network/network05/index05.htm#no3
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TCPとUDP
TCP
UDP
コネクションという概念が コネクションレス
ある
IPパケットが紛失しても再 IPパケットが紛失したもな
送によりデータの完全性 にもしない
を保障する仕組みがある
Web、メールなどに利用さ VoIP、ビデオ送信などに
れている
用いられる
千葉大学 11- 37
名前とIPアドレス：DNS
• インターネットでは、IPアドレスの代わりに「ド
メインネーム」という名前が使われる
• DNSというサーバーが、名前とIPアドレスの
変換をしてくれる
www.meetingplaza.com
nslookupを試す
２１０．１７２．４０．２１２
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アプリケーション層：Web
• トランスポートはTCPを使う。
• ポート番号は80。
• 電文ヘッダーは、テキスト。
要求電文フォーマット
GET/ HTTP1.1
Accept: image/gif, image/jpeg, …
Accept-Language: ja
Accept-Encoding: gzip, deflate
User-Agent: Mozilla/4.0 (Compatible; MSIE 6.0; Windows NT 5.0)
Host: www.google.co.jp
Connection: Keep-Alive
Cookie: PREF=ID=…
(改行コードが２つ)
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アプリケーション層：Web
• 結果電文
HTTP1.1 200 OK
Chache-Control: private
Content-Type:html/text
Content-Encoding: gzip
Server: gws/2.1
Content-Lenngth: 1650
Date: Mon, 04 Jul 2005 03:11:04 GMT
(改行コード2つ)
（データ。この場合には、gzipで圧縮されたテキストデータ）
Etherealで確認
http://www.ethereal.com/
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ソケットインタフェース
• ソケットインタフェースは、TCPやUDPで通信
を行うプログラムのためのライブラリ
#
# socket_recv.py
#
import socket
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.bind( ('localhost', 5012) )
while 1:
recv_data = s.recvfrom(2000)
print recv_data
if recv_data[0] == 'exit':
break
s.close()
UDPソケットを生成
UDPにポート5012
を割り当てる
ポートからデータを
読み、プリントする
‘exit’という文字列
が来たら終了
千葉大学 11- 41
データ構造のまとめ
レイヤー化されたプロトコルの層をプロトコルスタックという。以下は、Ethernetを
使ったインターネットのプロトコルスタック
HTTPなど
ヘッダ部
データ部
アプリケーション
TCPあるいはUDP
ヘッダ部
データ部
トランスポート
IPパケット
ヘッダ部
データ部
ネットワーク
Etherフレーム
8
プリアンブル
14 or 18
ヘッダー
46-1500
データ
ビット列へ変換、マンチェスタ符号化、伝送路へ
データリンク
4
トレイラー
物理層
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暗号について
• 暗号化（Encryption）の一般的方法
– 暗号をかける前の元のディジタルデータを「平文」といいます。
暗号を適用するディジタルデータ（平文）
暗号化の「鍵」
暗号化
暗号化されたディジタルデータ（暗号文）
暗号化されたディジタルデータ（暗号文）
暗号を解く「鍵」
復号
元のデータ（平文）
暗号化の鍵＝暗号を解く鍵 の場合を「共通鍵方式」といいます。
暗号化の鍵が公開されていて、暗号を解く鍵が秘密の場合を、「公開鍵方式」といいます。
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暗号化の方法
• 暗号方式にはいろいろなものがある。よく使われる
アルゴリズムの要素の一部を紹介しまします。
– 平文を数十から数百ビット程度のブロックに区切り、ブ
ロック毎に暗号化を行う。
– ビットの入れ替え、反転などを行う操作を施す（対応表を
用意する）。簡単な例では、ビットローテートがある（シフト
するビット数を決めておく）。対応表やビットシフト量は、鍵
により適宜動的に決定される
暗号化
復号
1011001100110101
0110101001101101
ビット操作対応表
0110101001101101
鍵
ビット操作逆対応表
1011001100110101
鍵
千葉大学 11- 44
暗号化の方法
– 排他的論理和
• 一般の論理和は、 0+0 =0, 0+1 =1, 1+0 =1, 1+1 =1
• ちなみに、論理積は 0×0=0, 0×1=0, 1×0=0, 1×1=1
排他的論理和（エクスクルーシブOR）
0
0
1
1
1
0
1
0
0=1
1=0
0=1
1=0
0=0
1=0
0=1
1=1
同じ値との排他的論
理和を２回繰り返すと
元に戻る
同じ値
暗号化
復号
平文
暗号文
鍵
暗号文
鍵（暗号化と同じもの）
平文
千葉大学 11- 45
暗号化の方法
– 対応表によるビット操作と排他的論理和を組み合
わせた方式（DESなどに見られる方式）
平文：６４ビット
２つの３２ビット
データに分ける
３２ビット
３２ビット
ビット操作表を
鍵で変更する
鍵
ビット操作表
３２ビットデータ
を入れ替える
３２ビット
３２ビット
この操作を何
回か繰り返す
千葉大学 11- 46
公開鍵方式
• 公開鍵方式の要素
– 公開してある鍵
• 公開鍵は、受信者ごとに異なる。
• 誰でも、公開鍵によってその受信者向けの暗号文を作
ることができる
– 公開鍵に対応する秘密鍵
• 受信者だけが知っている
• 復号に用いる
• 公開鍵方式では、暗号化のための鍵を秘密
にしておく必要がない。
– 一方、共通鍵方式では、暗号側と復号側で同じ
鍵が必要。鍵はどうやって相手に知らせるか、と
いう問題が常につきまとう。
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公開鍵方式
• RSA公開鍵暗号という方式が標準的に用い
られている。
– RSAの易しい解説は下記URLを参照のこと。
• http://www.maitou.gr.jp/rsa/rsa01.php
– RSAはSSL（Secure Socket Layer）に利用され
ている。
• Webブラウザーで、鍵がロックされているアイコンが出
ているときは、RSAが利用されている。
– RSA方式は計算量がとても多い。そこで、実際の
暗号方式は別の共通鍵方式を用い、その鍵の配
送にRSAを使っている。
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RSA方式
• 大きな数字（桁数が100以上）の数で、２つの
素数の積である数があったとき、その２つの
素数を知ることは計算量的に困難であること
に基づく。
• 2種類の使い方がある
– 暗号化の鍵を公開。復号の鍵を秘密に持つ
– 暗号化は秘密。復号の鍵を公開。
千葉大学 11- 49
公開鍵方式の運用
• 鍵が公開されていると「なりすまし」という問題がある。
– この公開鍵は本当にこの受信者のものなのか？誰かが「なりすまし
ている」とすると、自分の重要な情報を悪意のある第三者へ送ってし
まう危険がある。
• そのために、鍵を認証する「認証局」がある。
署名の確認（認証局の署名を
公開復号鍵で復号）
暗号送信者
公開鍵で暗号化
認証局
公開鍵と認証
局の署名
秘密鍵で復号
暗号受信者
www.abc.co.jp
www.abc.co.jp用の公
開鍵と秘密鍵。認証局
の署名
秘密鍵は安全に保管