セキュリティ対策の基本＃4 【デジタル署名とPKI】（覚え書き）

インターネットでの電子取引や電子申請が普及する今、デジタルな世界を安全に保つための「電子署名」と「PKI（公開鍵基盤）」は大活躍。
この仕組みを使えば、誰が文書に責任を持っているのか確認でき、内容が改ざんされていないか検証できるんです。では、さっそくその仕組みと役割を見ていきましょう！

なぜ電子署名とPKIが必要なの？
電子署名ってどういう仕組み？
ハッシュ関数の不思議な世界
1. Pythonでハッシュ関数を体験！
電子署名の実際の動き
1. Pythonで電子署名を実装してみよう！
PKI（公開鍵基盤）とは？
電子認証局の相互認証モデル
まとめ

なぜ電子署名とPKIが必要なの？

・改ざん防止・なりすまし防止
インターネット上の取引や申請で大切なのは「内容が変えられていない」「本物の送信者から送られてきた」という保証です。

・否認防止
一度送信した証拠として、後から「送っていない」と否定できないようにします。

・PKIの役割
公開鍵暗号方式により、各ユーザの公開鍵が本物であることを第三者機関（認証局）が証明。これにより信頼性が確立されます。

電子署名ってどういう仕組み？

電子署名は、手書きのサインのデジタル版と考えるとイメージしやすいです。
ポイントは２つ！

ハッシュ関数で文書から短い固定長の「ハッシュ値」を作成
そのハッシュ値を送信者の秘密鍵で暗号化（＝署名）

こうすることで、受信者は送信者の公開鍵を使って署名を検証し、「本当に送ったのはあの人か」「途中で改ざんされていないか」をチェックできます。

ハッシュ関数の不思議な世界

ハッシュ関数は、どんな長さのデータからも一定サイズの値を作り出す魔法のような関数。
特徴：

一方向性：出力から元の入力を復元するのはほぼ不可能！
衝突耐性：異なるデータが同じハッシュ値になりにくい

Pythonでハッシュ関数を体験！

以下のコードは、Pythonの標準ライブラリを使って文字列のSHA-1ハッシュ値を計算する例です。

import hashlib

# ハッシュ化するメッセージ
message = b"Hello, Digital Signature!"

# SHA-1ハッシュ値を計算
sha1_hash = hashlib.sha1(message).hexdigest()

print("SHA-1 hash:", sha1_hash)

このコードを実行すると、メッセージのハッシュ値が出力されます。もしデータが改ざんされていれば、計算されるハッシュ値も変わってしまうので、整合性確認に役立ちます！

電子署名の実際の動き

電子署名は「ハッシュ値を秘密鍵で暗号化」することで作られます。
例えば、A社が発注書に署名する場合、次のような流れです。

発注書の内容からハッシュ値を計算
A社の秘密鍵でそのハッシュ値を暗号化（＝電子署名の作成）
受信者はA社の公開鍵で署名を復号し、ハッシュ値を再計算して照合

Pythonで電子署名を実装してみよう！

次のコードは、RSAを使って電子署名を生成し、検証する例です。（※このコードを実行するにはcryptographyライブラリが必要です。）

from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding, rsa

# RSA鍵ペアの生成（秘密鍵と公開鍵）
private_key = rsa.generate_private_key(public_exponent=65537, key_size=2048)
public_key = private_key.public_key()

message = b"Important message for digital signature!"

# 電子署名の生成：秘密鍵でメッセージに署名
signature = private_key.sign(
    message,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)

print("Signature:", signature)

# 署名の検証：公開鍵で署名を確認
public_key.verify(
    signature,
    message,
    padding.PSS(
        mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),
        salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH
    ),
    hashes.SHA256()
)
print("Signature verified!")

このコードは、まずRSA鍵ペアを生成し、メッセージに対して電子署名を作成。その後、公開鍵を使って署名の正当性を確認する流れを示しています。これにより、送信者が実際にメッセージを送信し、改ざんがないことが証明されます！