Cloudflare WorkersとWeb Crypto APIで構築する「ゼロ知識暗号化」メール基盤の実装詳細

プライバシー重視の使い捨てメールサービス「KeepTempMailer」を設計するにあたり、私たちが最初に掲げた絶対条件は**「サービスの管理者であっても、ユーザー宛てに届いた確認コードやログインリンクを一切読めないこと」**でした。

従来のメールサーバー（PostfixやDovecotなど）を用いた構成では、メールスプールディスクに平文が書き込まれる瞬間が必ず存在し、root権限を持つインフラ運用者がデータを覗き見ることが可能でした。

私たちはこの問題を解決するために、**Cloudflare Workers（Email Routing + Email Workers）**と**W3C標準 Web Crypto API**を組み合わせ、エッジサーバーの揮発性メモリ上で受信した瞬間に暗号化し、データベースには不可逆な暗号バイナリしか残さない「真のゼロ知識メールパイプライン」を構築しました。本記事では、その具体的な実装コードとアーキテクチャの裏側を完全公開します。

1. なぜメール受信基盤にCloudflare Workersを採用したのか？

メールサーバーを自前で立てる場合、24時間365日の死活監視、スパムボットからのDDoS攻撃対策、TLS証明書の更新など、膨大な運用コストがかかります。

Cloudflare Email Workersを採用した主な理由は以下の3点です。

• ステートレスな実行環境： V8アイソレート上で動作するため、メール処理が完了した瞬間にプロセスとメモリが完全に破棄され、サーバー上に平文メールの痕跡が一切残りません。
• 世界最速のエッジ暗号化： 世界300都市以上のデータセンターで受信処理が行われるため、わずか数ミリ秒で暗号化が完了します。
• 暗号APIの標準準拠： Workers環境にはブラウザと同じ crypto.subtle（Web Crypto API）が組み込まれており、クライアントサイドと完全に同一の暗号プリミティブで検証・テストが可能です。

2. ゼロ知識メール受信のアーキテクチャ全体像

メールが届いてからユーザーの手元で復号されるまでのステップは、以下のように厳密に分離されています。

1. 送信元サーバーからCloudflare Email RoutingへSMTP配送（TLS暗号化）
2. Email Workerがトリガーされ、生メールストリーム（MIME形式）を受信
3. 受信者アドレスに紐づく「ユーザーのRSA公開鍵」をCloudflare D1から取得
4. Workers内で使い捨てのAES-256-GCM共通鍵を生成し、メール本文を暗号化
5. AES共通鍵をユーザーのRSA公開鍵でカプセル化（RSA-OAEP）
6. 暗号化パッケージ（暗号化本文 + 暗号化鍵 + IV）をD1へ保存し、メモリを破棄
7. ユーザーがPWAアプリを開くと、端末内の秘密鍵でブラウザ上でのみ復号

3. Workers上のEmailハンドラ：平文ストリームの即時暗号化コード

以下は、本サービスの Workers バックエンドで実際に動作しているメール受信ハンドラのコア実装です（抜粋）。

// Cloudflare Email Worker エントリポイント
export default {
  async email(message, env, ctx) {
    const recipient = message.to;
    
    // 1. D1から受信者のRSA公開鍵（SPKI形式）を取得
    const userKeyRecord = await env.DB.prepare(
      "SELECT public_key_spki FROM email_accounts WHERE address = ?"
    ).bind(recipient).first();

    if (!userKeyRecord) {
      // 存在しないアドレス、またはキルスイッチで無効化されたアドレスは即座にドロップ
      message.setReject("Address not found or terminated.");
      return;
    }

    // 2. MIMEストリームを読み込み
    const rawEmail = await new Response(message.raw).text();

    // 3. 使い捨てのAES-256-GCM鍵（DEK）を生成
    const dek = await crypto.subtle.generateKey(
      { name: "AES-GCM", length: 256 },
      true,
      ["encrypt", "decrypt"]
    );

    // 4. メール平文をAES-GCMで暗号化
    const iv = crypto.getRandomValues(new Uint8Array(12));
    const encodedPayload = new TextEncoder().encode(rawEmail);
    const encryptedBody = await crypto.subtle.encrypt(
      { name: "AES-GCM", iv: iv },
      dek,
      encodedPayload
    );

    // 5. ユーザーのRSA公開鍵をインポートし、DEK自体を暗号化
    const rsaPublicKey = await crypto.subtle.importKey(
      "spki",
      hexToBuffer(userKeyRecord.public_key_spki),
      { name: "RSA-OAEP", hash: "SHA-256" },
      false,
      ["encrypt"]
    );

    const exportedDek = await crypto.subtle.exportKey("raw", dek);
    const encryptedDek = await crypto.subtle.encrypt(
      { name: "RSA-OAEP" },
      rsaPublicKey,
      exportedDek
    );

    // 6. 暗号化されたバイナリのみをD1へ保存（平文はここでガベージコレクション）
    await env.DB.prepare(
      "INSERT INTO encrypted_emails (id, address, encrypted_dek, iv, ciphertext, created_at) VALUES (?, ?, ?, ?, ?, ?)"
    ).bind(
      crypto.randomUUID(),
      recipient,
      bufferToHex(encryptedDek),
      bufferToHex(iv),
      bufferToHex(encryptedBody),
      Date.now()
    ).run();
  }
};

4. ハイブリッド暗号化の実装：AES-256-GCM と RSA-OAEP の連携

RSA暗号は強力ですが、計算コストが高く、暗号化できるデータサイズが鍵長（2048bitの場合は最大214バイト程度）に制限されます。メールのように数キロバイト〜数メガバイトに及ぶデータを暗号化するには、**ハイブリッド暗号方式**が必須です。

この方式を採用することで、高速な対称暗号（AES-GCM）で大容量データを瞬時に暗号化しつつ、その鍵の受け渡しには非対称暗号（RSA-OAEP）を用いることで、処理性能と安全性の両方を極限まで引き出しています。

5. Cloudflare D1 データベースへの暗号化バイナリ格納

データベースには、16進数（Hex）文字列化された encrypted_dek、iv、ciphertext のみが保存されます。

仮にCloudflareアカウントのクレデンシャルが漏洩し、D1データベースの全データが第三者にダンプされたとしても、保存されているのは「ユーザーの端末内にしかないRSA秘密鍵でしか開けない暗号文」だけです。秘密鍵は端末のIndexedDBから外部にエクスポートできない設定（extractable: false）になっているため、データ流出被害は原理的にゼロとなります。

6. まとめ：エッジコンピューティングが変えるプライバシーの未来

従来のサーバーセントリックなWebアプリケーションでは、「プライバシーを守る」という約束は、企業のセキュリティポリシーや善意に依存していました。

しかし、Cloudflare Workersのようなモダンなエッジコンピューティングと、ブラウザ標準のWeb Crypto APIを正しく組み合わせることで、**「技術的・数学的に平文を読めないシステム（ゼロ知識証明・暗号化）」**を個人開発の規模でも堅牢に実装できる時代が到来しました。

KeepTempMailerは、今後もオープンで検証可能なプライバシーアーキテクチャの普及に貢献してまいります。