Pythonでのファイル暗号化：共通鍵暗号と公開鍵暗号を詳しく解説

現代では、デジタルチャネルを通じて、プライベートな情報や機密情報、センシティブな情報を常に共有しています。こうしたやり取りを支える基本的な要素がファイル暗号化です。暗号化アルゴリズムを使って、データを読み取れない形式に変換します。

暗号化には、共通鍵暗号と公開鍵暗号の2つの主な方式があります。共通鍵暗号は、1つの鍵を使う鍵付きボックスのようなものです。2人がその鍵を持っていれば、鍵を持つ人だけが開けられると分かっているので、ボックスを安全に受け渡せます。一方、公開鍵暗号では2つの鍵を使います。片方の鍵で施錠できても、もう片方の鍵でしか開けられないボックスを想像してください。施錠する鍵（公開鍵）は安全に共有できます。開錠する鍵（秘密鍵）がなければ、誰もボックスを開けてデータを復号できないからです。

この記事では、Pythonでの暗号化について詳しく解説します。共通鍵暗号では、Amazon Key Management Service（KMS）とPyNaCl SecretBoxを取り上げます。続いて、公開鍵暗号とPyNaClの公開鍵・秘密鍵ボックスを見ていきます。

前提条件

このチュートリアルを進めるには、次のものが必要です。

• Python（v3.7以降）がインストールされていること

• pipenvがインストールされていること。このPython用依存関係管理ツールを使うと、パッケージのバージョン間の競合を回避できます。pip install pipenvでインストールしてください。

• pipenv install aws-encryption-sdk pynacl cryptographyを実行し、必要なパッケージ（aws-encryption-sdk、PyNaCl、cryptography）をインストールすること。

• 利用可能なAWSアカウントとKMSキー（後ほどPythonプログラムを実行するときに使うため、キーIDとAWSリージョンの情報を手元に用意してください）。

• AWSコマンドラインツール（awscli）がインストールされていること。aws configureを実行し、マシン上でAWSの設定を行います。

• 次のコマンドを使って、分離された環境に新しいプロジェクトをセットアップすること。

mkdir python_encryption && cd python_encryption
pipenv shell

完成形はプロジェクトの完全なコードをご覧ください。

Pythonでの共通鍵暗号

共通鍵暗号では、データの暗号化と復号に同じ鍵を使います。シンプルで高速かつ効率的なため、大量のデータの保護に適しています。

このチュートリアルでは、Amazon KMSとPyNaCl SecretBoxを使って、Pythonで共通鍵暗号を実装します。Amazon KMSを使うと、Amazon Web Services（AWS）クラウド上で暗号化キーを作成、制御、管理できます。セキュリティがさらに強化された、クラウド上のキーリングのようなものです。SecretBoxは、暗号化を手軽に利用できるPythonライブラリです。個人用の金庫のようなものと考えてください。

Amazon KMSと暗号化SDKを使った共通鍵暗号

Amazon KMSは、暗号鍵を管理するクラウドベースのサービスです。他のAWSサービスや暗号化ソフトウェア開発キット（SDK）とシームレスに連携し、AWSが提供する堅牢なセキュリティを活用します。AWSサービスや暗号化SDKとの緊密な統合により、AWSベースのアプリケーションに最適です。

共通鍵暗号にKMSを使う大きな理由は、共有する秘密鍵を管理できることです。こうした鍵を安全に取り扱うことは、暗号化で最も難しい課題になり得ます。Amazon KMSは、エンベロープ暗号化方式を採用することで、この課題を巧みに解決します。この方式では、データとともに鍵自体も暗号化されます。そのため、主にハードウェアセキュリティモジュール内のマスターキーに依存できます。このキーには、権限のないユーザーはアクセスできません。このキーラッピングの仕組みによって暗号化のプロセスが簡素化され、鍵の管理やローテーションなどに伴う複雑さを効果的に軽減できます。

ただし、シンプルで小規模なソリューションだけが必要な場合、Amazon KMSは不要かもしれません。また、有料サービスのため、利用量が多いとコストが膨らむ可能性があります。

それでは、Amazon KMSを使ってPythonアプリケーションでファイルを暗号化してみましょう。

必要なモジュールをインポートする

Amazon KMSを使うには、まずaws-encryption-sdkをインストールしてインポートします。これは、暗号化と復号のプロセスを簡素化するPython用AWS Encryption SDKです。

main.pyというファイルを作成し、次のコードを追加します。

1import aws_encryption_sdk
2
3# Configuration
4KEY_ARNs = [
5    'arn:aws:kms:<REGION>:xxx:key/<KMS-KEY-ID>'
6]
7
8client = aws_encryption_sdk.EncryptionSDKClient()
9kms_key_provider = aws_encryption_sdk.StrictAwsKmsMasterKeyProvider(
10    key_ids=KEY_ARNs)
11

注: KMSキーのARNは、AWS KMSダッシュボードからコピーできます。

ファイルを暗号化する

暗号化にはAWS Encryption SDKを使います。このSDKはAWS KMSと緊密に連携し、シームレスな暗号化を実現します。

次のコードをmain.pyに追加します。

1def encrypt_file(file_path, encrypted_path):
2    with open(file_path, 'rb') as pt_file, open(encrypted_path, 'wb') as ct_file:
3        with client.stream(
4            mode='e',
5            source=pt_file,
6            key_provider=kms_key_provider
7        ) as encryptor:
8            for chunk in encryptor:
9                ct_file.write(chunk)

ファイルを復号する

ファイルの復号にも、AWS Encryption SDKを使います。復号プロセスでは、暗号化されたファイルを読み込み、KMSキーを使ってデータをシームレスに復号します。

次のコマンドをmain.pyに追加します。

1def decrypt_file(encrypted_path, decrypted_path):
2    with open(encrypted_path, 'rb') as ct_file, open(decrypted_path, 'wb') as pt_file:
3        with client.stream(
4            mode='d',
5            source=ct_file,
6            key_provider=kms_key_provider
7        ) as decryptor:
8            for chunk in decryptor:
9                pt_file.write(chunk)

関数を呼び出す

関数を作成したので、次はそれらを呼び出してPythonプログラムを実行します。まずmyfile.txtというファイルを作成し、適当な内容を追加してください。

次に、main.py内で次の関数を呼び出します。

1encrypt_file('myfile.txt', 'encrypted_file.txt')
2decrypt_file('encrypted_file.txt', 'decrypted_file.txt')

python main.pyを実行してスクリプトを動かすと、myfile.txtを暗号化してから復号するため、内容は変更されません。

注: 説明を簡潔にするため、コード内（キーARNの一部）にキーIDをハードコードしています。機密情報の保存には.envファイルを使用してください。

PyNaCl SecretBoxを使った共通鍵暗号

PyNaClは、ネットワークおよび暗号化ライブラリlibsodiumのPythonバインディングです。共通鍵暗号機能を提供するSecretBoxをはじめ、便利な暗号化ツールが豊富にそろっています。SecretBoxの魅力は、そのシンプルさにあります。データの暗号化と復号に使う鍵は1つだけです。

SecretBoxを使ってPythonアプリケーション内の機密ファイルを暗号化する方法を見ていきましょう。

まずnacl.txtファイルを作成し、仮のテキストを追加します。次に、sym.pyという名前で新しいPythonプログラムファイルを作成し、必要なモジュールをインポートします。

1from nacl import utils
2from nacl.secret import SecretBox
3import os

次に、秘密鍵を生成して読み込みます。generate_key関数はランダムな鍵を生成し、load_key関数はファイルパスから生成済みの鍵を読み込んで返します。

1def generate_key(secret_key_file):
2    secret_key = utils.random(SecretBox.KEY_SIZE)
3    with open(secret_key_file, 'wb') as f:
4        f.write(secret_key)
5    return secret_key
6
7def load_key(secret_key_file):
8    if not os.path.exists(secret_key_file):
9        print(f"Key file {secret_key_file} not found.")
10    with open(secret_key_file, 'rb') as f:
11        key = f.read()
12    if len(key) != SecretBox.KEY_SIZE:
13        print("Incorrect key length.")
14    return key

続いて、ファイルを暗号化します。encrypt_file関数は、機密ファイルを暗号化するためにfile_pathと鍵を必要とします。file_pathでファイルを特定し、内容を読み込んで秘密鍵を使って暗号化した後、暗号化されたテキストを拡張子.encの新しいファイルに書き込みます。

1def encrypt_file(file_path, key):
2    if not os.path.exists(file_path):
3        print(f"Key file {secret_key_file} not found.")
4    secret_box = SecretBox(key)
5    with open(file_path, 'rb') as f:
6        plaintext = f.read()
7    ciphertext = secret_box.encrypt(plaintext)
8    with open(file_path+'.enc', 'wb') as f:
9        f.write(ciphertext)

暗号化関数と同様に、復号関数も必要です。decrypt_file関数は、ファイルを復号するためにfile_pathとkeyを受け取ります。まず、暗号化された.encファイルが存在するか確認します（前の手順で生成済みです）。次に、その内容を読み込み、同じ秘密鍵を使って復号します。最後に、復号した内容を拡張子.decの新しいファイルに書き込みます。

1def decrypt_file(file_path, key):
2    if not os.path.exists(file_path+'.enc'):
3        print(f"Key file {secret_key_file} not found.")
4    secret_box = SecretBox(key)
5    with open(file_path+'.enc', 'rb') as f:
6        ciphertext = f.read()
7    plaintext = secret_box.decrypt(ciphertext)
8    with open(file_path+'.dec', 'wb') as f:
9        f.write(plaintext)

最後に、作成した関数を呼び出します。

1secret_key_file = 'secret.key'
2
3# generate key for encryption
4key = generate_key(secret_key_file)
5encrypt_file('nacl.txt', key)
6
7# load key for decryption
8key = load_key(secret_key_file)
9decrypt_file('nacl.txt', key)

ターミナルでsym.pyコマンドを実行すると、Pythonプログラムを実行できます。

注: このコードは、実際のアプリケーションや本番環境で使える状態ではありません。暗号鍵を安全に取り扱うには、鍵を定期的にローテーションするなど、追加の手順が必要です。このコードには、こうした重要なセキュリティ対策が含まれていません。

Pythonでの公開鍵暗号

共通鍵暗号では鍵を1つ使うのに対し、公開鍵暗号では暗号化用の公開鍵と復号用の秘密鍵の2つを使います。鍵付きの郵便受けのようなものです。誰でも投入口から手紙を入れられます（暗号化）が、専用の鍵を持つ人だけが開けて手紙を読めます（復号）。

公開鍵暗号は、インターネット上での安全な通信に特に適しています。友人に秘密のメッセージを送りたい場合、相手の公開鍵で暗号化すれば、相手だけが自分の秘密鍵で復号できます。また、公開鍵暗号はデジタル署名や証明書を保護します。これらは、デジタル世界における認証の基盤です。

PyNaClの公開鍵・秘密鍵ボックスを使った公開鍵暗号

では、Pythonで公開鍵暗号を行うにはどうすればよいでしょうか。PyNaClの別のツール、公開鍵・秘密鍵ボックスを見ていきましょう。

PyNaClの公開鍵・秘密鍵ボックスは、個人用の郵便受けのようなものです。公開鍵と秘密鍵の2つを使ってメッセージを暗号化・復号するためのインターフェースです。メッセージの暗号化に使う公開鍵は、誰にでも共有できます。一方、復号に使う秘密鍵は、秘密にしておく必要があります。

まず、asym_nacl.txtファイルを作成し、テスト用のテキストを追加します。暗号鍵を安全に保存し、取り出せるようにする必要があります。save_key関数はfile_pathに鍵を書き込み、load_key関数はfile_pathから鍵を取得して返します。

新しいファイルasym.pyに、次のコードを追加します。

1from nacl.public import PrivateKey, Box
2import pickle
3
4def save_key(file_path, key):
5    with open(file_path, 'wb') as f:
6        pickle.dump(key, f)
7
8def load_key(file_path):
9    with open(file_path, 'rb') as f:
10        key = pickle.load(f)
11    return key

次に、機密ファイルを暗号化・復号する関数を実装します。encrypt_file関数は公開鍵を使ってファイルを暗号化し、暗号化されたテキストを.encファイルに保存します。decrypt_file関数は秘密鍵を使ってファイルを開き（復号し）、.decファイルに保存します。

次の関数をasym.pyに追加します。

1def encrypt_file(file_path, public_key):
2    private_key = PrivateKey.generate()
3    box = Box(private_key, public_key)
4
5    with open(file_path, 'rb') as f:
6        plaintext = f.read()
7
8    ciphertext = box.encrypt(plaintext)
9
10    with open(file_path+'.enc', 'wb') as f:
11        f.write(ciphertext)
12
13    return private_key
14
15def decrypt_file(file_path, private_key, public_key):
16    box = Box(private_key, public_key)
17
18    with open(file_path+'.enc', 'rb') as f:
19        ciphertext = f.read()
20
21    plaintext = box.decrypt(ciphertext)
22
23    with open(file_path+'.dec', 'wb') as f:
24        f.write(plaintext)

いよいよ、ここまでの作業の成果を確認しましょう。2つの鍵を生成します。ファイルの施錠に使う公開鍵と、保存しておく秘密鍵です。ファイルにアクセスするときは、保存した秘密鍵と、それに対応する公開鍵を読み込み、ファイルを復号します。

最後の関数呼び出しをasym.pyファイルに追加します。

1private_key = PrivateKey.generate()
2public_key = private_key.public_key
3
4encryption_private_key = encrypt_file('asym_nacl.txt', public_key)
5save_key('private.key', encryption_private_key)
6
7encryption_private_key = load_key('private.key')
8decrypt_file('asym_nacl.txt', private_key, encryption_private_key.public_key)

ローカルのターミナルでpython asym.pyを実行して、プログラムを動かします。

注: 上記のコードは、暗号化と復号の仕組みを示すものです。ただし、実際のアプリケーションで安全に使えるものではありません。鍵ファイルが保護されていないため、第三者がアクセスできると、ファイルを開けてしまいます。

PyNaClの公開鍵・秘密鍵ボックスのメリットとデメリット

PyNaClの公開鍵・秘密鍵ボックスは、高いセキュリティを提供します。また、安全でないチャネル上でも安全に通信できるため、インターネット通信に最適です。

一方、公開鍵・秘密鍵ボックスでは、鍵の管理が難しい場合があります。秘密鍵を安全に保管し、暗号化に適切な公開鍵を使う必要があります。また、公開鍵暗号はより複雑な処理を伴うため、共通鍵暗号より遅くなることがあります。

今回の解説のまとめ

この記事では、Pythonで暗号化方式を実装するための強力なツールをいくつか紹介しました。Amazon KMSとPyNaClのSecretBoxは共通鍵暗号に適しており、PyNaClの公開鍵・秘密鍵ボックスは公開鍵暗号に優れています。

これらのツールには、安全なデータ処理に役立つさまざまなメリットがあります。Amazon KMSは優れたスケーラビリティを備え、PyNaClのSecretBoxは高いパフォーマンスと幅広い互換性を持ち、PyNaClの公開鍵・秘密鍵ボックスは非常に安全な通信を可能にします。これらを組み合わせることで、包括的な暗号化ツールキットを構成できます。

暗号化方式を選ぶ際には、データの機密性、データを送信する環境、鍵の管理方法を考慮する必要があります。完璧な暗号化方式はありませんが、ニーズに最適なものを見つけるのは難しくありません。