C#: AES-256を使った暗号化・復号化サンプル

1 概要
2 AES-256の概要
3 暗号化・復号化サンプル
- 3.1 ストリームを使ったサンプル
- 3.2 バイト列を使ったサンプル

概要

次の実行環境を使用しています。
OS Windows 10(64ビット)
IDE Microsoft Visual Studio Community 2022(17.1.3)
言語 C#(10.0) ＋ .NET6
次のリファレンスを参考にしています。

OS	Windows 10(64ビット)
IDE	Microsoft Visual Studio Community 2022(17.1.3)
言語	C#(10.0) ＋ .NET6

AES-256の概要

AES-256(CBC)はCRYPTRECから推奨される安全な暗号化技術です。
- 電子政府における調達のために参照すべき暗号のリスト(CRYPTREC暗号リスト)
- 政府機関等のサイバーセキュリティ対策のための統一基準（令和3年度版）
暗号化に使用するキーや初期ベクトルについて
- 暗号化のキーやIV値を文字列から生成するサンプルを見かけます。サンプルとしては良いのですが、強度が低くなる（予測しやすい）のでお薦めしません。
- より安全な暗号化キーの生成をこちらで紹介しています。
  NDW*
  C#: パスワードハッシュ生成サンプル(PBKDF2)
  パスワード等から暗号化のための安全なキーやパスワードハッシュを生成できるPBKDF2のサンプルを紹介します。…
- AESクラスでキーや初期ベクトルを生成するためのメソッドが提供されているので、それらの使用をお薦めします。
- 独自にキーや初期ベクトルを作成したい場合は、暗号用乱数クラスを使用する必要があります。
- ユーザの入力内容に基づいてキーを生成する場合、Argon2idやPBKDF2などの鍵導出関数の使用をお薦めします。

リンク

暗号化・復号化サンプル

ここでは「ストリームを使ったサンプル」(CryptoStreamクラスを使用)と、「バイト列を使ったサンプル」(TransformFinalBlockを使用)のサンプルを紹介します。基本的には、少ないメモリ使用量で大きなファイルを暗号化・復号化できるストリームを使った方法をお薦めします。
RFC2828の考えに沿って、暗号化処理の入力となる平文をcleartext、暗号化処理の出力となる暗号文をciphertextと表記します。平文・暗号文はバイナリデータを意味しており、文字列（文章）の他に画像や音声などを暗号化する場合にも使用されます。
完全なソースコードはこちらで公開しています。
GitHub
example-dotnet6/lang/AesBasicExample at main · nextdoorwith/example-dotnet6
Contribute to nextdoorwith/example-dotnet6 development by cr…

ストリームを使ったサンプル

暗号化・復号化のメイン処理のサンプルです。

AES関連の操作は、AesクラスやAesクラスから取得したEncryptor/Decryptor(ICryptoTransform)等のオブジェクトで実現できます。
キーやIVは独自に生成も可能ですが、AesのGenerateKey(), GenerateIV()で簡単に生成できます。

using var aes = Aes.Create();
aes.GenerateKey();
aes.GenerateIV();
var key = aes.Key;
var iv = aes.IV;

var text = "テストデータ";
var cleartext = Encoding.UTF8.GetBytes(text);

using var output = new MemoryStream();
AesExample.Encrypt(output, cleartext, key, iv);
var ciphertext = output.ToArray();

using var input = new MemoryStream(ciphertext);
var decrypted = AesExample.Decrypt(input, key, iv);

前述のメイン処理から呼び出している暗号化・復号化処理メソッドです。
このサンプルでは、平文はバイト列(byte[]型)、暗号文はストリーム(Stream型)を想定しています。暗号化の主要処理はCryptoStreamクラスで行っています。
```
public static void Encrypt(Stream output, byte[] cleartext, byte[] key, byte[] iv)
{
    using var aes = CreateInstance();
    aes.Key = key;
    aes.IV = iv;
    using var encryptor = aes.CreateEncryptor();
    using var cryptoStream =
        new CryptoStream(output, encryptor, CryptoStreamMode.Write);
    cryptoStream.Write(cleartext, 0, cleartext.Length);
    cryptoStream.Flush();
}

public static byte[] Decrypt(Stream input, byte[] key, byte[] iv)
{
    using var aes = CreateInstance();
    aes.Key = key;
    aes.IV = iv;
    using var decryptor = aes.CreateDecryptor();
    using var cryptoStream =
        new CryptoStream(input, decryptor, CryptoStreamMode.Read);
    using var output = new MemoryStream();
    cryptoStream.CopyTo(output);
    return output.ToArray();
}

private static Aes CreateInstance()
{
    var aes = Aes.Create();
    aes.BlockSize = 128; // 既定値(AESの有効なブロックサイズは128bit固定)
    aes.KeySize = 256; // 既定値は256(128, 192, 256bitを使用可)
    aes.Mode = CipherMode.CBC; // 既定値
    aes.Padding = PaddingMode.PKCS7; // 既定値
    return aes;
}
```
- 暗号化・復号化にCryptoStreamを使用します。ストリームに対して書込みや読み込みを行うことで自動的に暗号化・復号化が行われます。
- FileStream, NetworkStream等の他のストリームクラスと併せて使用することができます。
- CSVファイル等の文字列を前提としたデータの暗号化・復号化を行う場合、CryptStreamをStreamReader/StreamWriter等で開くことで、ReadLine(), ReadToEnd(), WriteLine()等の柔軟なテキスト操作が可能になります。
- 複数のストリームをネストして開いており、処理終了時にこれらのストリームを解放する必要があります。マイクロソフト等のサンプルでは、usingステートメントをネストして使用していますが、ここではusing宣言を使用してフラットな構造にしています。（using宣言の仕様では、"The using locals will then be disposed in the reverse order in which they are declared."とあり、宣言の逆順で解放される旨が記載されています。）
- なお、ストリーム（リソース）の有効範囲を狭めて積極的に開放したい場合は、従来のusingステートメントの使用をお薦めします。

バイト列を使ったサンプル

暗号化・復号化のメイン処理のサンプルです。

キーや初期ベクトルの生成方法は、前述の「ストリームを使ったサンプル」と同様です。

using var aes = Aes.Create();
aes.GenerateKey();
aes.GenerateIV();
var key = aes.Key;
var iv = aes.IV;

var text = "テストデータ";
var cleartext = Encoding.UTF8.GetBytes(text);

var ciphertext = AesExample.Encrypt(cleartext, key, iv);
var decrypted = AesExample.Decrypt(ciphertext, key, iv);

前述のメイン処理から呼び出している暗号化・復号化処理メソッドです。
このサンプルでは、平文も暗号文もバイト列(byte[]型)を想定しています。暗号化の主要処理はEncryptor/Decryptor(ICryptoTransform)のTransformFinalBlock()メソッドで行っています。

public static byte[] Encrypt(byte[] cleartext, byte[] key, byte[] iv)
{
    using var aes = CreateInstance();
    aes.Key = key;
    aes.IV = iv;
    using var encryptor = aes.CreateEncryptor();
    return encryptor.TransformFinalBlock(cleartext, 0, cleartext.Length);
}

public static byte[] Decrypt(byte[] ciphertext, byte[] key, byte[] iv)
{
    using var aes = CreateInstance();
    aes.Key = key;
    aes.IV = iv;
    using var decryptor = aes.CreateDecryptor();
    return decryptor.TransformFinalBlock(ciphertext, 0, ciphertext.Length);
}

private static Aes CreateInstance()
{
    var aes = Aes.Create();
    aes.BlockSize = 128; // 既定値(AESの有効なブロックサイズは128bit固定)
    aes.KeySize = 256; // 既定値は256(128, 192, 256bitを使用可)
    aes.Mode = CipherMode.CBC; // 既定値
    aes.Padding = PaddingMode.PKCS7; // 既定値
    return aes;
}

AESは平文・暗号文を所定の長さのデータ（ブロック）に分けて、暗号化・復号化します。ICryptoTransformには、TransformBlock()、TransformFinalBlock()メソッドが用意されており、途中ブロックはTransformBlock()、最後のブロックはTransformFinalBlock()を使用するように思えます。しかしながら、TransformFinalBlock()だけで全てのブロックを暗号化・復号化できるようです。

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