Web Cryptography API(crypto.subtle)を使用して、耐量子鍵カプセル化メカニズム(KEM)または従来の鍵合意を使用して、信頼できないネットワーク上で共有シークレットを確立し、認証付き暗号(AEAD)を使用してブラウザで機密データを暗号化します。メッセージやアーティファクトを暗号化せずに署名して検証する方法については、WebCrypto でデータの署名と検証を行うをご覧ください。
エンドツーエンドのエンベロープ暗号化フローは、次の 2 つのフェーズに分かれています。
- 受信者の 1 回限りの設定(ステップ 1 ~ 2): 受信者は鍵ペアを生成し、今後のセッションのために
CryptoKeyPairを IndexedDB に保存します。また、公開鍵('raw-public')をエクスポートして送信者と共有します。 - メッセージごとの暗号化(ステップ 3 ~ 4): ペイロードごとに、送信者は受信者の公開鍵をインポートし、
encapsulateKey()を呼び出して新しい 1 回限りの共有鍵と暗号テキスト カプセルを生成し、新しい 12 バイトの IV でペイロードを暗号化して、{ capsule, iv, ciphertext }を受信者に送信します。
1. KEM アルゴリズムを選択して受信者の鍵ペアを生成する
両者が鍵を組み合わせる Diffie-Hellman 鍵合意(deriveKey())とは異なり、鍵カプセル化メカニズム(KEM)では、受信者の公開鍵を使用して、1 回の encapsulateKey() 呼び出しでランダムな共有シークレットと暗号テキスト カプセルの両方を生成します。受信者は、decapsulateKey() を使用して暗号テキスト カプセルから同じ共有鍵を復元します。
デフォルトでは 'MLKEM768-X25519' を使用します。これは、ポスト量子 ML-KEM(NIST FIPS 203 で標準化)と従来の 'X25519' を組み合わせたもので、どちらかのアルゴリズムが保持されている限り、共有シークレットは安全に保たれます。ポリシーでハイブリッド コンポーネントのない純粋な FIPS 203 出力が必要な場合は、スタンドアロンの 'ML-KEM-768' を選択します。ポリシーで NIST カテゴリ 5(CNSA 2.0)への準拠が必要な場合は、'ML-KEM-1024' を選択します。
| アルゴリズム名 | セキュリティ レベルとユースケース | 公開鍵('raw-public') |
プライベート シード('raw-seed') |
暗号テキストのサイズ |
|---|---|---|---|---|
'MLKEM768-X25519' |
ハイブリッド ポスト量子('ML-KEM-768')+ クラシック('X25519')。推奨されるデフォルト |
1,216 バイト | 32 バイト | 1,120 バイト |
'ML-KEM-768' |
NIST カテゴリ 3(約 192 ビットのセキュリティ)、スタンドアロンのポスト量子 KEM | 1,184 バイト | 64 バイト | 1,088 バイト |
'ML-KEM-1024' |
NIST カテゴリ 5(約 256 ビットのセキュリティ)、最高レベルのセキュリティ マージン | 1,568 バイト | 64 バイト | 1,568 バイト |
- アルゴリズム名として
'MLKEM768-X25519'、'ML-KEM-768'、'ML-KEM-1024'を渡します('X-Wing'や'X25519MLKEM768'などのエイリアス、および'ML-KEM-512'はNotSupportedErrorをスローします)。 - KEM 鍵ペアを生成するときに、
extractable: falseと['encapsulateKey', 'decapsulateKey'](または['encapsulateBits', 'decapsulateBits'])を渡します。抽出不可能なCryptoKeyオブジェクトとCryptoKeyPairオブジェクトは、秘密鍵のバイトをエクスポートすることなく、構造化クローン(objectStore.put(recipientKeyPair, 'recipient-kem-key'))を介して IndexedDB に直接セッション間で永続化できます。
const recipientKeyPair = await crypto.subtle.generateKey(
'MLKEM768-X25519',
false,
['encapsulateKey', 'decapsulateKey'],
);
2. 鍵のエクスポートとインポート
最新の WebCrypto アルゴリズム('MLKEM768-X25519'、'ML-KEM-768'、'ML-KEM-1024'、'ChaCha20-Poly1305')は、importKey() と exportKey() で以前の 'raw' 形式を拒否し、NotSupportedError を返します。常に明示的なキー形式を指定します。
'raw-public': 公開鍵のバイト数(1216、1184、または1568バイト)。KEM 公開鍵をインポートするときに['encapsulateKey'](または['encapsulateBits'])を渡します。'raw-seed': 秘密鍵のシードバイト('MLKEM768-X25519'の場合は32バイト、'ML-KEM-768'と'ML-KEM-1024'の場合は64バイト)。KEM 秘密鍵をインポートするときに['decapsulateKey'](または['decapsulateBits'])を渡します(['encapsulateKey', 'decapsulateKey']をimportKey()またはgetPublicKey()に渡すとSyntaxErrorがスローされます)。'raw'と'raw-private'の両方が KEM 秘密鍵でNotSupportedErrorをスローします。'MLKEM768-X25519'は'raw-public'、'raw-seed'、'jwk'のみをサポートします。'spki'や'pkcs8'はサポートしません。'raw-secret': 対称秘密鍵のバイト('ChaCha20-Poly1305'、'AES-GCM'と'HKDF'で受け入れられます)。
'raw-public' を使用して受信者の公開鍵をエクスポートします。これにより、公開鍵のバイトをシリアル化(new Uint8Array(recipientPublicKeyBytes).toBase64() または 16 進数で Base64 として)して、送信者と共有できます。
// Export the recipient's public key bytes
const recipientPublicKeyBytes = await crypto.subtle.exportKey(
'raw-public',
recipientKeyPair.publicKey,
);
// Import the recipient's public key on the sender (usage must be ['encapsulateKey'])
const importedPublicKey = await crypto.subtle.importKey(
'raw-public',
recipientPublicKeyBytes,
'MLKEM768-X25519',
true,
['encapsulateKey'],
);
秘密の CryptoKey のみを保持していて(extractable: false を含む場合でも)、対応する公開の CryptoKey が必要な場合は、crypto.subtle.getPublicKey() を呼び出します。
const publicKey = await crypto.subtle.getPublicKey(
recipientKeyPair.privateKey,
['encapsulateKey'],
);
3. 共有鍵をカプセル化およびカプセル化解除する
encapsulateKey() と decapsulateKey() は、sharedKeyAlgorithm で指定されたアルゴリズム('raw-secret' 形式)を使用して、32 バイト(256 ビット)の KEM 共有シークレットを CryptoKey にインポートします。'ChaCha20-Poly1305' または 'AES-GCM' を直接渡して、AEAD 暗号鍵を生成します。
// Sender encapsulates a 256-bit AEAD key and produces a ciphertext capsule
const { sharedKey: senderKey, ciphertext: encapsulatedCiphertext } =
await crypto.subtle.encapsulateKey(
'MLKEM768-X25519',
importedPublicKey,
'ChaCha20-Poly1305', // Or 'AES-GCM'
false,
['encrypt', 'decrypt'],
);
// Recipient decapsulates the ciphertext capsule to recover the identical AEAD key
const recipientKey = await crypto.subtle.decapsulateKey(
'MLKEM768-X25519',
recipientKeyPair.privateKey,
encapsulatedCiphertext,
'ChaCha20-Poly1305',
false,
['encrypt', 'decrypt'],
);
'HKDF' を使用したドメインの分離
共有鍵を特定のプロトコル コンテキスト(info と salt)にバインドする場合、または 1 つのカプセル化から複数のサブキーを導出する場合は、'HKDF' を sharedKeyAlgorithm として ['deriveKey'] の用途で渡し、crypto.subtle.deriveKey() を呼び出します。
const { sharedKey: hkdfBaseKey, ciphertext } = await crypto.subtle.encapsulateKey(
'MLKEM768-X25519',
importedPublicKey,
'HKDF',
false,
['deriveKey'],
);
const aeadKey = await crypto.subtle.deriveKey(
{
name: 'HKDF',
hash: 'SHA-256',
salt: new Uint8Array(32),
info: new TextEncoder().encode('envelope-v1'),
},
hkdfBaseKey,
{ name: 'AES-GCM', length: 256 },
false,
['encrypt', 'decrypt'],
);
4. ペイロードの暗号化と復号('ChaCha20-Poly1305' と 'AES-GCM')
暗号化オペレーションごとに、新しい暗号的にランダムな 12 バイト(96 ビット)の初期化ベクトル(iv)を使用して、AEAD アルゴリズム('ChaCha20-Poly1305' または 'AES-GCM')でペイロード データを暗号化します。(iv, key) ペアは再利用しないでください。専用の AES ハードウェア アクセラレーションがないデバイス間で一貫した定数時間パフォーマンスを実現するには 'ChaCha20-Poly1305' を選択し、既存の WebCrypto または FIPS 140 デプロイと相互運用する場合は 'AES-GCM' を選択します。
'ChaCha20-Poly1305': 固定の 256 ビット(32 バイト)鍵を使用します(generateKey('ChaCha20-Poly1305', extractable, ['encrypt', 'decrypt'])は文字列または{ name: 'ChaCha20-Poly1305' }を受け取ります。lengthプロパティはありません)。ivは正確に 12 バイトである必要があり、128 ビットの Poly1305 認証タグが暗号テキストに追加されます。'AES-GCM':generateKey()またはderiveKey()を呼び出す場合は{ name: 'AES-GCM', length: 256 }を渡し、encrypt()とdecrypt()を呼び出す場合は 12 バイトのivを渡します。additionalData(AAD): 暗号化されていないメタデータ(レコード ID、受信者 ID、プロトコル バージョンなど)をadditionalDataを介して認証タグにバインドします。これにより、暗号テキストまたはメタデータのいずれかが改ざんされると、decrypt()はOperationErrorで拒否します。
/**
* Encrypts UTF-8 text with an AEAD CryptoKey ('ChaCha20-Poly1305' or 'AES-GCM').
* @param {CryptoKey} key
* @param {string} plaintext
* @param {Uint8Array} [additionalData]
*/
export async function encryptMessage(key, plaintext, additionalData = new Uint8Array(0)) {
// Always generate a fresh 12-byte (96-bit) IV per message
const iv = crypto.getRandomValues(new Uint8Array(12));
const encoded = new TextEncoder().encode(plaintext);
const ciphertextBuffer = await crypto.subtle.encrypt(
{
name: key.algorithm.name,
iv,
additionalData,
},
key,
encoded,
);
return { iv, ciphertext: new Uint8Array(ciphertextBuffer) };
}
/**
* Decrypts and authenticates an AEAD payload. Throws OperationError if tampered.
* @param {CryptoKey} key
* @param {Uint8Array} iv
* @param {Uint8Array} ciphertext
* @param {Uint8Array} [additionalData]
*/
export async function decryptMessage(key, iv, ciphertext, additionalData = new Uint8Array(0)) {
const plaintextBuffer = await crypto.subtle.decrypt(
{
name: key.algorithm.name,
iv,
additionalData,
},
key,
ciphertext,
);
return new TextDecoder().decode(plaintextBuffer);
}
代替戦略
Baseline ターゲットが SubtleCrypto.supports()、encapsulateKey()、'ChaCha20-Poly1305' をまだサポートしていない場合は、静的 SubtleCrypto.supports() メソッドを使用してサポートを検出し、エフェメラル静的ディフィーヘルマン鍵合意('X25519' + 'HKDF' + 'AES-GCM'、または 'X25519' サポート前のブラウザをターゲットとする場合は 'P-256' を含む 'ECDH')にフォールバックします。
crypto.subtleではなくSubtleCryptoコンストラクタでSubtleCrypto.supports()を呼び出す:globalThis.SubtleCrypto?.supports?.('encapsulateKey', 'MLKEM768-X25519', 'ChaCha20-Poly1305')は、ブール値を返す同期静的メソッドです(crypto.subtle.supportsはundefined)。SubtleCrypto.supports()はオペレーション固有のパラメータを検証します。ベア アルゴリズム文字列は'encapsulateKey'、'decapsulateKey'、'generateKey'、'importKey'、'exportKey'、'getPublicKey'で機能しますが、'encrypt'または'decrypt'を直接プローブするにはiv(例:SubtleCrypto.supports('encrypt', { name: 'ChaCha20-Poly1305', iv: new Uint8Array(12) }))が必要です。- フォールバックの鍵形式(
'raw'): 最新の WebCrypto をサポートするブラウザは'X25519'と'ECDH'で'raw-public'も受け入れますが、古いブラウザをターゲットとするフォールバック パスでは'raw'を使用します。 - 従来のフォールバック(
'X25519'+'HKDF'+'AES-GCM'):SubtleCrypto.supports()が使用できない場合、またはfalseを返す場合は、送信者用にエフェメラル'X25519'鍵ペアを生成し、エフェメラル公開鍵をカプセルバイトとしてエクスポートし、deriveBits({ name: 'X25519', public: peerPublicKey }, privateKey, 256)を介して 256 ビットを導出し、それらのビットを'HKDF'('SHA-256')に渡して 256 ビットの'AES-GCM'鍵を導出します。
const KEM_PUBLIC_KEY_ALGORITHMS = {
1184: 'ML-KEM-768',
1216: 'MLKEM768-X25519',
1568: 'ML-KEM-1024',
};
export function supportsPostQuantumEnvelope() {
return (
typeof globalThis.SubtleCrypto?.supports === 'function' &&
SubtleCrypto.supports('encapsulateKey', 'MLKEM768-X25519', 'ChaCha20-Poly1305')
);
}
export async function generateRecipientKeys() {
if (supportsPostQuantumEnvelope()) {
const keyPair = await crypto.subtle.generateKey(
'MLKEM768-X25519',
false,
['encapsulateKey', 'decapsulateKey'],
);
const publicKeyBytes = new Uint8Array(
await crypto.subtle.exportKey('raw-public', keyPair.publicKey),
);
return { suite: 'MLKEM768-X25519+ChaCha20-Poly1305', keyPair, publicKeyBytes };
}
// Classical fallback: X25519 key agreement + HKDF + AES-GCM
const keyPair = await crypto.subtle.generateKey('X25519', false, ['deriveBits']);
const publicKeyBytes = new Uint8Array(
await crypto.subtle.exportKey('raw', keyPair.publicKey),
);
return { suite: 'X25519+HKDF+AES-GCM', keyPair, publicKeyBytes };
}
async function deriveFallbackAesKey(privateKey, peerPublicKey, infoBytes = new Uint8Array(0)) {
const sharedSecret = await crypto.subtle.deriveBits(
{ name: 'X25519', public: peerPublicKey },
privateKey,
256,
);
const hkdfKey = await crypto.subtle.importKey('raw', sharedSecret, 'HKDF', false, ['deriveKey']);
return crypto.subtle.deriveKey(
{
name: 'HKDF',
hash: 'SHA-256',
salt: new Uint8Array(32),
info: infoBytes,
},
hkdfKey,
{ name: 'AES-GCM', length: 256 },
false,
['encrypt', 'decrypt'],
);
}
export async function encapsulateEnvelopeKey(
recipientPublicKeyOrBytes,
infoBytes = new Uint8Array(0),
) {
const pubKey =
recipientPublicKeyOrBytes instanceof CryptoKey
? recipientPublicKeyOrBytes
: await (() => {
const bytes =
recipientPublicKeyOrBytes instanceof Uint8Array
? recipientPublicKeyOrBytes
: new Uint8Array(recipientPublicKeyOrBytes);
const kemName = KEM_PUBLIC_KEY_ALGORITHMS[bytes.byteLength];
return kemName
? crypto.subtle.importKey('raw-public', bytes, kemName, true, ['encapsulateKey'])
: crypto.subtle.importKey('raw', bytes, 'X25519', true, []);
})();
if (pubKey.algorithm.name !== 'X25519') {
const { sharedKey, ciphertext } = await crypto.subtle.encapsulateKey(
pubKey.algorithm.name,
pubKey,
'ChaCha20-Poly1305',
false,
['encrypt', 'decrypt'],
);
return { sharedKey, capsuleBytes: new Uint8Array(ciphertext) };
}
// Classical fallback: generate ephemeral X25519 key pair and send ephemeral public key as capsule
const ephemeral = await crypto.subtle.generateKey('X25519', false, ['deriveBits']);
const capsuleBytes = new Uint8Array(await crypto.subtle.exportKey('raw', ephemeral.publicKey));
const sharedKey = await deriveFallbackAesKey(ephemeral.privateKey, pubKey, infoBytes);
return { sharedKey, capsuleBytes };
}
export async function decapsulateEnvelopeKey(
recipientPrivateKey,
capsuleBytes,
infoBytes = new Uint8Array(0),
) {
if (recipientPrivateKey.algorithm.name !== 'X25519') {
return crypto.subtle.decapsulateKey(
recipientPrivateKey.algorithm.name,
recipientPrivateKey,
capsuleBytes,
'ChaCha20-Poly1305',
false,
['encrypt', 'decrypt'],
);
}
const ephemeralPubKey = await crypto.subtle.importKey('raw', capsuleBytes, 'X25519', true, []);
return deriveFallbackAesKey(recipientPrivateKey, ephemeralPubKey, infoBytes);
}