公開鍵基盤（PKI）とは？

2024年10月19日 2024年10月19日山崎講師

山崎講師

公開鍵基盤（Public Key Infrastructure、PKI）は、公開鍵暗号技術を安全に使うための仕組みです。インターネットで安全に通信するためには、暗号化やデジタル署名などを活用する必要がありますが、そのためには「誰が本当にその公開鍵を持っているのか」を信頼できる形で確認する必要があります。PKIは、その信頼を提供するための仕組みです。

公開鍵と秘密鍵の仕組み

PKIを理解するためには、まず公開鍵暗号の基本的な仕組みをおさらいしましょう。公開鍵暗号では、公開鍵と秘密鍵のペアが使われます。

公開鍵：誰でも知ってよい鍵。主にデータの暗号化やデジタル署名の検証に使われます。
秘密鍵：本人だけが持つ鍵。主にデータの復号やデジタル署名の作成に使われます。

例えば、誰かに安全なメッセージを送りたい場合、その相手の公開鍵でメッセージを暗号化します。そして、相手は自分の秘密鍵を使ってそのメッセージを復号します。

ここで問題になるのが、「その公開鍵が本当に正しい人のものかどうか、どうやって信頼するのか」ということです。たとえば、悪意のある第三者が、偽の公開鍵を送ってきたら、あなたの暗号化されたメッセージはその悪意の第三者に盗まれてしまうかもしれません。

PKIの役割

PKIは、この公開鍵が本当に正しい人のものであることを確認し、信頼できる形で公開するための仕組みです。PKIには次のような重要な要素があります。

1. デジタル証明書

公開鍵の信頼性を保証するために使われるのが、デジタル証明書です。この証明書には次のような情報が含まれています。

公開鍵
鍵の所有者の情報（名前や住所など）
証明書を発行した機関（後述する認証局）
証明書の有効期限
デジタル署名（後述）

デジタル証明書は、信頼できる第三者によって発行され、これにより、その公開鍵が本当にその所有者のものであることが確認できます。たとえば、ウェブサイトにアクセスしたとき、ブラウザがそのサイトのデジタル証明書を確認し、安全なサイトかどうかを判断しています。

2. 認証局（CA）

デジタル証明書を発行する信頼できる第三者が、認証局（Certificate Authority、CA）です。認証局は、公開鍵とその鍵の持ち主の関係を確認し、その正当性を保証します。

例えば、あなたがウェブサイトを運営していて、自分の公開鍵を利用者に安全に配布したいとします。その場合、認証局に対して公開鍵と自分の身元情報を提示し、確認を受けます。認証局がそれを確認すると、あなたの公開鍵にデジタル証明書を付与し、これによって利用者はその公開鍵が信頼できるものであると判断できます。

認証局はインターネット上で非常に重要な役割を果たしており、GoogleやAppleなどのブラウザが信頼する認証局が発行した証明書であれば、その公開鍵が正当であると認識されます。

3. 登録局（RA）

登録局（Registration Authority、RA）は、認証局の一部として機能し、証明書を発行する前に、証明書の申請者の身元確認を行います。認証局が発行する証明書が正しい情報に基づいていることを保証するために、登録局はユーザーや組織の情報を事前に確認します。

4. 鍵の失効リスト（CRL）

デジタル証明書には有効期限がありますが、期限前に証明書が無効になる場合もあります。例えば、秘密鍵が盗まれた場合や、証明書の持ち主が認証局に証明書の取り消しを依頼する場合です。これを管理するのが鍵の失効リスト（Certificate Revocation List、CRL）です。CRLには、失効した証明書の一覧が含まれており、PKIシステム全体の信頼性を保つために重要な役割を果たします。

ブラウザやその他のシステムは、このリストを参照して証明書の有効性をチェックします。

公開鍵基盤の仕組み

PKIの基本的な動作は次のような流れで行われます。

1. デジタル証明書の発行

まず、ユーザーやウェブサイトの管理者が認証局に申請して、デジタル証明書を取得します。認証局は、その公開鍵が申請者に正しく属するかを確認した後、証明書を発行します。

2. デジタル証明書の配布

次に、そのデジタル証明書をウェブサイトやメールサーバーなどで公開します。これにより、誰でもその証明書を使って公開鍵を確認することができます。

3. データの暗号化

ユーザーがそのウェブサイトにアクセスするとき、ウェブサイトのデジタル証明書を取得して、公開鍵を使ってデータを暗号化します。

4. 復号化と信頼の確認

ウェブサイトのサーバーは、秘密鍵を使ってデータを復号します。また、ユーザー側のブラウザはデジタル証明書をチェックし、その証明書が信頼できる認証局から発行されているか、さらに有効期限内かを確認します。

このように、PKIを利用することで、安全で信頼性の高い通信が可能になります。

公開鍵基盤のメリットとデメリット

メリット

高いセキュリティ
PKIを使用することで、公開鍵暗号をより安全に運用でき、信頼できる通信が可能になります。デジタル証明書によって、公開鍵が正しい相手に属していることが確認できるため、暗号化された通信を安全に行うことができます。
認証と暗号化の両方をサポート
PKIは単に暗号化するだけでなく、相手の身元を確認する「認証」も提供します。これにより、オンライン取引やウェブサイトの信頼性を確保できます。
拡張性
PKIは、さまざまな規模の組織やネットワークに対応でき、インターネット全体でも利用されている標準的な技術です。企業の社内ネットワークからグローバルなウェブサービスまで幅広く対応できます。

デメリット

運用コストが高い
PKIシステムを導入し運用するためには、認証局の構築や運用、証明書の管理などにコストがかかります。特に大規模な企業や組織では、証明書の更新や失効管理が重要な課題になります。
証明書の有効期限管理が必要
デジタル証明書には有効期限があるため、定期的に証明書を更新する必要があります。また、証明書の有効期限が切れると、ウェブサイトやサービスが正常に機能しなくなる可能性があるため、管理には注意が必要です。
認証局の信頼性への依存
PKIは認証局の信頼性に大きく依存しています。もし認証局が攻撃を受けて証明書を不正に発行してしまうと、信頼性が損なわれる可能性があります。過去にも、悪意のある証明書が発行された事件があり、認証局の管理体制の強化が求められています。

PKIの今後

PKIは、インターネットや企業内のセキュリティを支えている非常に重要な技術です。しかし、今後も進化していくセキュリティの脅威や技術の変化に対応していく必要があります。例えば、量子コンピュータの発展によって従来の公開鍵暗号方式が破られるリスクが高まっているため、量子耐性暗号をPKIに取り入れていくことが今後の重要な課題となるでしょう。

また、IoT（モノのインターネット）の普及によって、あらゆるデバイスがインターネットに接続されるようになる中、これらのデバイスを安全に管理するための証明書発行と管理の効率化が求められています。数百万、数億台のデバイスに対して、PKIが適用できるスケーラブルな仕組みが必要です。

さらに、ブロックチェーン技術とPKIの統合が研究されており、ブロックチェーンの分散型の特性を活かすことで、より信頼性の高い証明書の管理システムを構築できる可能性があります。これにより、認証局に依存しない分散型の信頼モデルが生まれるかもしれません。

今後の学習の指針

公開鍵基盤（PKI）の理解を深めるために、次に学ぶべきいくつかのトピックを提案します。

PKIと量子耐性暗号の関係
量子コンピュータの脅威に備えて、量子耐性暗号をPKIにどう組み込むか、現在進行中の技術研究について学ぶと、セキュリティの未来をより深く理解できるでしょう。
IoTとPKIの活用
IoTデバイスに対する証明書発行と管理の仕組みや、どのようにして大量のデバイスを安全に運用するかについても注目する価値があります。これにより、セキュアなネットワークの設計に役立つ知識が得られます。
PKIとブロックチェーン技術
ブロックチェーンを用いた分散型の信頼モデルの研究を進めているプロジェクトや、従来のPKIとの違いを調べると、より革新的なセキュリティソリューションを学ぶことができます。

PKIは、今後もインターネットのセキュリティを支える重要な技術であり、これからも進化していく分野です。興味を持った分野でさらに深く学んでみてください。

投稿者プロフィール

山崎講師代表取締役

セイ・コンサルティング・グループ株式会社代表取締役。
岐阜県出身。
2000年創業、2004年会社設立。
IT企業向け人材育成研修歴業界歴20年以上。
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