動作環境

項目	内容
OS	Fedora Linux 43
OpenSSL	3.5.4 (dnf でインストール)

注意: OpenSSL 3.5.x 系の具体的なパッチバージョンおよびリリース日は、ディストリビューションのパッケージングによって異なる場合があります。openssl version コマンドで実際の環境を確認してください。

概要

ここでは、openssl コマンドを使用して以下の6種類のデジタル署名アルゴリズムについて、キーペア生成・署名・署名検証を行います。
各アルゴリズムについて、直接署名（メッセージをそのまま渡す）とダイジェスト署名（ハッシュを計算してから渡す）の両方を記載しています。

アルゴリズム	種別	標準規格	特徴
RSA PKCS#1 v1.5	従来型	PKCS#1	広く普及。決定論的署名
RSA-PSS	従来型	PKCS#1 v2.1	ランダム化署名。RSAの推奨方式
ECDSA	従来型	ANSI X9.62	楕円曲線。RSAより短い鍵長
EdDSA (Ed25519)	従来型	RFC 8032	高速・安全。決定論的署名
ML-DSA	耐量子	FIPS 204	NIST標準の格子ベース署名
SLH-DSA	耐量子	FIPS 205	NIST標準のハッシュベース署名

openssl dgst コマンドについて: OpenSSL 3.x では、openssl dgst -sign / -verify ではなく、openssl pkeyutl または openssl sign / openssl verify コマンドが推奨されています。

直接署名とダイジェスト署名の違い

方式	処理の流れ	ユースケース
直接署名	メッセージ → （内部でハッシュ） → 署名	通常の用途。シンプルで一般的
ダイジェスト署名	メッセージ → ハッシュ計算 → ダイジェスト → 署名	ハッシュを別目的でも利用する場合など

署名アルゴリズムと署名方式

アルゴリズム	直接署名	ダイジェスト署名
RSA PKCS#1 v1.5	✅	✅
RSA-PSS	✅	✅
ECDSA	✅	✅
EdDSA (Ed25519)	✅	❌ 仕様上不可（PureEdDSA の設計上、メッセージ全体が必要）
ML-DSA	✅	❌ 仕様上不可（HashML-DSA バリアントはCLI非対応）
SLH-DSA	✅	❌ 仕様上不可（HashSLH-DSA バリアントはCLI非対応）

事前準備

OpenSSLバージョン確認

$ openssl version
OpenSSL 3.5.4 30 Sep 2025 (Library: OpenSSL 3.5.4 30 Sep 2025)

ML-DSA、SLH-DSA を使用するには OpenSSL 3.5 以降が推奨です（OpenSSL 3.3 から使用できるそうです）。

作業ディレクトリとメッセージファイルの準備

mkdir -p crypto-demo
cd crypto-demo

# 署名対象のメッセージファイルを作成
echo "Hello, OpenSSL Signature Demo!" > message.txt

1. RSA PKCS#1 v1.5

RSA PKCS#1 v1.5 は最も広く使われているRSA署名方式です。
署名時にハッシュ値へ DER 形式の AlgorithmIdentifier プレフィックスを付与した後、PKCS#1 v1.5 パディング（0x00 0x01 0xFF...0xFF 0x00 || DigestInfo）を適用します。
パディングが決定論的であるため、同じメッセージ・同じ鍵に対して常に同じ署名値を生成します。

1-1. 秘密鍵の生成

openssl genpkey -algorithm RSA \
    -pkeyopt rsa_keygen_bits:4096 \
    -out rsa_pkcs_private.pem

オプション	説明
-algorithm RSA	RSAアルゴリズムを指定
-pkeyopt rsa_keygen_bits:4096	鍵長（最小推奨: 2048bit、長期利用には 3072bit 以上を推奨）
-out rsa_pkcs_private.pem	出力ファイル名

生成した秘密鍵の内容確認:

openssl pkey -in rsa_pkcs_private.pem -text -noout

1-2. 公開鍵の抽出

openssl pkey -in rsa_pkcs_private.pem -pubout -out rsa_pkcs_public.pem

1-3. 署名の生成・検証

RSA PKCS#1 v1.5 は 直接署名 と ダイジェスト署名 の両方をサポートします。

方法1: 直接署名（メッセージをそのまま渡す）

署名コマンドがメッセージのハッシュ計算と署名を一括して行います。

# 署名生成
openssl dgst -sha256 \
    -sign rsa_pkcs_private.pem \
    -out rsa_pkcs_sig_direct.bin \
    message.txt

# 署名検証
openssl dgst -sha256 \
    -verify rsa_pkcs_public.pem \
    -signature rsa_pkcs_sig_direct.bin \
    message.txt

オプション	説明
-sha256	ハッシュアルゴリズム（SHA-256）。他に -sha384, -sha512 なども指定可能
-sign	秘密鍵を指定して署名生成
-verify	公開鍵を指定して署名検証

出力（検証成功時）: Verified OK

方法2: ダイジェスト署名（事前にハッシュを計算してから署名）

メッセージのハッシュを先に計算しておき、そのダイジェスト値だけを署名します。
送信するデータが大きい場合や、ハッシュを別用途でも使いたい場合に有効です。

# (1) メッセージのダイジェスト（ハッシュ値）を計算
openssl dgst -sha256 -binary message.txt > rsa_pkcs_digest.bin

# (2) ダイジェストに対して署名を生成
openssl pkeyutl -sign \
    -inkey rsa_pkcs_private.pem \
    -pkeyopt digest:sha256 \
    -in rsa_pkcs_digest.bin \
    -out rsa_pkcs_sig_digest.bin

# (3) ダイジェストに対して署名を検証
openssl pkeyutl -verify \
    -pubin \
    -inkey rsa_pkcs_public.pem \
    -pkeyopt digest:sha256 \
    -in rsa_pkcs_digest.bin \
    -sigfile rsa_pkcs_sig_digest.bin

オプション	説明
-binary	ダイジェストをバイナリ形式で出力（hex なし）
-pkeyopt digest:sha256	入力がSHA-256ダイジェストであることを指定。① のハッシュアルゴリズムと一致させる必要がある
-pubin	-inkey で指定するファイルが公開鍵であることを示す

出力（検証成功時）: Signature Verified Successfully

署名サイズ: 512バイト（4096 bit ÷ 8）※ 両方法で同一

2. RSA-PSS

RSA-PSS（Probabilistic Signature Scheme）は、ランダムなソルトを使用するため同じメッセージでも毎回異なる署名値を生成します。
RSA PKCS#1 v1.5 より安全性の証明が強固であり、現在推奨される RSA 署名方式です。

2-1. 秘密鍵の生成

openssl genpkey -algorithm RSA-PSS \
    -pkeyopt rsa_keygen_bits:4096 \
    -pkeyopt rsa_pss_keygen_md:sha256 \
    -pkeyopt rsa_pss_keygen_mgf1_md:sha256 \
    -pkeyopt rsa_pss_keygen_saltlen:32 \
    -out rsa_pss_private.pem

オプション	説明
-algorithm RSA-PSS	RSA-PSSアルゴリズムを指定。鍵の用途を PSS に限定するメタ情報が鍵ファイルに含まれる
rsa_pss_keygen_md:sha256	使用ハッシュ関数を鍵に埋め込む（この鍵は指定外のハッシュでの署名を拒否する）
rsa_pss_keygen_mgf1_md:sha256	MGF1（マスク生成関数）に使用するハッシュ関数。通常はメインハッシュと同じにする
rsa_pss_keygen_saltlen:32	ソルト長（バイト）。SHA-256 のダイジェスト長 (32) に合わせるのが一般的

注意: -algorithm RSA-PSS で生成した鍵は RSA-PSS 専用の制約付き鍵です。プレーンな RSA 鍵（-algorithm RSA）に -sigopt rsa_padding_mode:pss を組み合わせる方法とは鍵の種類が異なります。

2-2. 公開鍵の抽出

openssl pkey -in rsa_pss_private.pem -pubout -out rsa_pss_public.pem

2-3. 署名の生成・検証

RSA-PSS も 直接署名 と ダイジェスト署名 の両方をサポートします。

方法1: 直接署名

# 署名生成
openssl dgst -sha256 \
    -sigopt rsa_padding_mode:pss \
    -sigopt rsa_pss_saltlen:32 \
    -sign rsa_pss_private.pem \
    -out rsa_pss_sig_direct.bin \
    message.txt

# 署名検証
openssl dgst -sha256 \
    -sigopt rsa_padding_mode:pss \
    -sigopt rsa_pss_saltlen:32 \
    -verify rsa_pss_public.pem \
    -signature rsa_pss_sig_direct.bin \
    message.txt

オプション	説明
-sigopt rsa_padding_mode:pss	PSS パディングを指定
-sigopt rsa_pss_saltlen:32	ソルト長（バイト）。-1 は hashlen と同じ長さ、-2 は最大ソルト長（検証時は自動検出）

出力（検証成功時）: Verified OK

方法2: ダイジェスト署名（事前にハッシュを計算してから署名）

# (1) メッセージのダイジェストを計算
openssl dgst -sha256 -binary message.txt > rsa_pss_digest.bin

# (2) ダイジェストに対して署名を生成
openssl pkeyutl -sign \
    -inkey rsa_pss_private.pem \
    -pkeyopt digest:sha256 \
    -pkeyopt rsa_padding_mode:pss \
    -pkeyopt rsa_pss_saltlen:32 \
    -in rsa_pss_digest.bin \
    -out rsa_pss_sig_digest.bin

# (3) ダイジェストに対して署名を検証
openssl pkeyutl -verify \
    -pubin \
    -inkey rsa_pss_public.pem \
    -pkeyopt digest:sha256 \
    -pkeyopt rsa_padding_mode:pss \
    -pkeyopt rsa_pss_saltlen:32 \
    -in rsa_pss_digest.bin \
    -sigfile rsa_pss_sig_digest.bin

出力（検証成功時）: Signature Verified Successfully

署名サイズ: 512バイト（4096 bit ÷ 8）※両方法で同一。ソルトはランダムだが最終的な署名長は固定

3. ECDSA

ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）は楕円曲線暗号を用いた署名方式です。
RSAより短い鍵長で同等の安全性を実現します。署名値は内部でランダムな一時鍵（ノンス）を使用するため、同じメッセージでも毎回異なる署名値を生成します。

3-1. 秘密鍵の生成

openssl genpkey -algorithm EC \
    -pkeyopt ec_paramgen_curve:P-256 \
    -out ecdsa_private.pem

オプション	説明
-algorithm EC	楕円曲線暗号を指定
ec_paramgen_curve:P-256	NIST P-256曲線（secp256r1）。他に P-384, P-521 など

主な曲線の比較:

曲線	鍵長	セキュリティ強度
P-256 (secp256r1)	256bit	128bit相当
P-384 (secp384r1)	384bit	192bit相当
P-521 (secp521r1)	521bit	260bit相当

3-2. 公開鍵の抽出

openssl pkey -in ecdsa_private.pem -pubout -out ecdsa_public.pem

3-3. 署名の生成・検証

ECDSA も 直接署名 と ダイジェスト署名 の両方をサポートします。

方法1: 直接署名

# 署名生成
openssl dgst -sha256 \
    -sign ecdsa_private.pem \
    -out ecdsa_sig_direct.bin \
    message.txt

# 署名検証
openssl dgst -sha256 \
    -verify ecdsa_public.pem \
    -signature ecdsa_sig_direct.bin \
    message.txt

出力（検証成功時）: Verified OK

署名サイズ: 約71〜72バイト（P-256 + SHA-256 の場合）
ECDSA の署名値 (r, s) は各 32バイトの整数2つを DER 形式の ASN.1 SEQUENCE に格納します。r や s の最上位ビットが 1 の場合は負数と解釈されないよう 0x00 パディングが付くため、バイト数が1バイト前後します（最小 70 バイト〜最大 72 バイト程度）。

方法2: ダイジェスト署名（事前にハッシュを計算してから署名）

# (1) メッセージのダイジェストを計算
openssl dgst -sha256 -binary message.txt > ecdsa_digest.bin

# (2) ダイジェストに対して署名を生成
openssl pkeyutl -sign \
    -inkey ecdsa_private.pem \
    -pkeyopt digest:sha256 \
    -in ecdsa_digest.bin \
    -out ecdsa_sig_digest.bin

# (3) ダイジェストに対して署名を検証
openssl pkeyutl -verify \
    -pubin \
    -inkey ecdsa_public.pem \
    -pkeyopt digest:sha256 \
    -in ecdsa_digest.bin \
    -sigfile ecdsa_sig_digest.bin

出力（検証成功時）: Signature Verified Successfully

ASN.1 構造の確認（参考）

ECDSA 署名のバイナリ構造を確認したい場合:

openssl asn1parse -in ecdsa_sig_direct.bin -inform DER

4. EdDSA (Ed25519)

EdDSA（Edwards-curve Digital Signature Algorithm）はツイステッドエドワーズ曲線 Ed25519 を使用する署名方式です。
ハッシュ関数として SHA-512 を内部に組み込んでいるため、署名時にハッシュアルゴリズムを個別に指定する必要はありません。
乱数ではなく秘密鍵とメッセージから決定論的にノンスを生成する設計のため、同じ入力に対して常に同じ署名値を生成します（サイドチャネル攻撃への耐性向上にも寄与）。

4-1. 秘密鍵の生成

openssl genpkey -algorithm Ed25519 -out eddsa_private.pem

Ed448 を使用する場合は -algorithm Ed448 を指定します（SHAKE-256 ベース。セキュリティ強度: 224bit相当）。Ed448 も同じ pkeyutl コマンドで署名・検証できます。

4-2. 公開鍵の抽出

openssl pkey -in eddsa_private.pem -pubout -out eddsa_public.pem

4-3. 署名の生成・検証

EdDSA では pkeyutl を使用します（dgst コマンドは使用不可）。

⚠️ ダイジェスト署名は仕様上サポートされていません

Ed25519（および Ed448）は PureEdDSA と呼ばれる設計であり、内部でメッセージ全体に対して2段階のハッシュ処理（SHA-512(nonce_seed || message) によるノンス生成と SHA-512(R || public_key || message) による検証値計算）を行います。外部で事前計算したハッシュ値を入力として受け付けることができません。

実際に試すと OpenSSL は次のエラーを返します:
error: invalid digest: Explicit digest not allowed with EdDSA operations
なお、RFC 8032 には事前ハッシュを利用する「Ed25519ph」（pre-hash variant）も定義されていますが、OpenSSL の CLI はこのバリアントを公開していません。

直接署名のみ（メッセージ全体を渡す）

# 署名生成
openssl pkeyutl -sign \
    -inkey eddsa_private.pem \
    -in message.txt \
    -out eddsa_sig.bin

# 署名検証
openssl pkeyutl -verify \
    -pubin \
    -inkey eddsa_public.pem \
    -in message.txt \
    -sigfile eddsa_sig.bin

署名サイズ: 64バイト (固定長)

Ed25519 の署名値は (R, S) の 2 つの 32 バイト値を連結したもので、DER エンコードなしのコンパクトな固定長フォーマットです。

出力（検証成功時）: Signature Verified Successfully

5. ML-DSA（FIPS 204）

ML-DSA (Module-Lattice-Based Digital Signature Algorithm) は NIST FIPS 204 として標準化された耐量子計算機署名方式です。
CRYSTALS-Dilithium を原型とする格子暗号 (Module-LWE / Module-SIS 問題の困難性) に基づきます。内部では SHAKE-128 / SHAKE-256 を使用します。

パラメータセットの比較

パラメータ	セキュリティレベル	公開鍵サイズ	秘密鍵サイズ	署名サイズ
ML-DSA-44	NIST Level 2	1312 バイト	2528 バイト	2420 バイト
ML-DSA-65	NIST Level 3	1952 バイト	4032 バイト	3309 バイト
ML-DSA-87	NIST Level 5	2592 バイト	4896 バイト	4627 バイト

NIST Level 2 は AES-128 相当、Level 3 は AES-192 相当、Level 5 は AES-256 相当のセキュリティ強度です。

5-1. 秘密鍵の生成

openssl genpkey -algorithm ML-DSA-65 -out mldsa_private.pem

5-2. 公開鍵の抽出

openssl pkey -in mldsa_private.pem -pubout -out mldsa_public.pem

5-3. 署名の生成・検証

⚠️ ダイジェスト署名は仕様上サポートされていません

ML-DSA（FIPS 204）は、メッセージ全体を入力として受け取り、内部で SHAKE-256 を用いたハッシュ処理を行います。外部で事前計算したダイジェストを入力として署名することはできません。

実際に試すと OpenSSL は次のエラーを返します:
error: invalid digest: Explicit digest not supported for ML-DSA operations
なお、FIPS 204 の Appendix には「HashML-DSA」バリアントも定義されていますが、OpenSSL の CLI はこのバリアントを公開していません。

直接署名のみ（メッセージ全体を渡す）

# 署名生成
openssl pkeyutl -sign \
    -inkey mldsa_private.pem \
    -in message.txt \
    -out mldsa_sig.bin

# 署名検証
openssl pkeyutl -verify \
    -pubin \
    -inkey mldsa_public.pem \
    -in message.txt \
    -sigfile mldsa_sig.bin

署名サイズ: 3309バイト（ML-DSA-65の場合）

出力（検証成功時）: Signature Verified Successfully

6. SLH-DSA（FIPS 205）

SLH-DSA (Stateless Hash-Based Digital Signature Algorithm) は NIST FIPS 205 として標準化された 耐量子計算機署名 方式です。
SPHINCS+ を原型とする、ハッシュ関数のみを組み合わせたマークルツリー構造であり、格子暗号とは異なる数学的基盤を持ちます。
長期的な安全性の根拠がシンプルである一方、署名サイズが大きいのが特徴です。

パラメータセットの比較

パラメータ	ハッシュ	種別	セキュリティ	公開鍵	秘密鍵	署名サイズ
SLH-DSA-SHA2-128s	SHA-2	small	NIST Level 1	32 バイト	64 バイト	7856 バイト
SLH-DSA-SHA2-128f	SHA-2	fast	NIST Level 1	32 バイト	64 バイト	17088 バイト
SLH-DSA-SHA2-192s	SHA-2	small	NIST Level 3	48 バイト	96 バイト	16224 バイト
SLH-DSA-SHA2-192f	SHA-2	fast	NIST Level 3	48 バイト	96 バイト	35664 バイト
SLH-DSA-SHA2-256s	SHA-2	small	NIST Level 5	64 バイト	128 バイト	29792 バイト
SLH-DSA-SHA2-256f	SHA-2	fast	NIST Level 5	64 バイト	128 バイト	49856 バイト
SLH-DSA-SHAKE-128s	SHAKE	small	NIST Level 1	32 バイト	64 バイト	7856 バイト
SLH-DSA-SHAKE-128f	SHAKE	fast	NIST Level 1	32 バイト	64 バイト	17088 バイト

s (small) は署名サイズが小さいが処理が遅く (特に署名生成が低速)、f (fast) は処理が速いが署名が大きくなります。用途に応じて選択してください。

6-1. 秘密鍵の生成

openssl genpkey -algorithm SLH-DSA-SHA2-128s -out slhdsa_private.pem

6-2. 公開鍵の抽出

openssl pkey -in slhdsa_private.pem -pubout -out slhdsa_public.pem

6-3. 署名の生成・検証

⚠️ ダイジェスト署名は仕様上サポートされていません

SLH-DSA (FIPS 205) はハッシュ関数 (SHA-2 または SHAKE) のみを用いた構造ですが、署名処理はメッセージ全体を内部で処理する設計になっており、外部で事前計算したダイジェストを署名の入力として渡すことはできません。

実際に試すと OpenSSL は次のエラーを返します:
error: command not supported (digest:sha256 parameter)
FIPS 205 には「HashSLH-DSA」バリアントも定義されていますが、OpenSSL の CLI はこのバリアントを公開していません。

直接署名のみ (メッセージ全体を渡す)

# 署名生成
openssl pkeyutl -sign \
    -inkey slhdsa_private.pem \
    -in message.txt \
    -out slhdsa_sig.bin

# 署名検証
openssl pkeyutl -verify \
    -pubin \
    -inkey slhdsa_public.pem \
    -in message.txt \
    -sigfile slhdsa_sig.bin

署名サイズ: 7856 バイト（SLH-DSA-SHA2-128s の場合）

出力（検証成功時）: Signature Verified Successfully

署名ファイルの検査

生成した署名ファイルやバイナリを確認する際に便利なコマンドを記載します。

バイナリサイズの確認

wc -c *.bin

ASN.1 構造のパース（ECDSA / RSA の署名に有効）

# ECDSA 署名の (r, s) 値を確認
openssl asn1parse -in ecdsa_sig_direct.bin -inform DER

# RSA 署名（生のバイト列。ASN.1 構造なし）
xxd rsa_pkcs_sig_direct.bin | head

ダイジェストファイルのサイズ確認

wc -c *_digest.bin
# SHA-256: 32バイト、SHA-384: 48バイト、SHA-512: 64バイト

参考情報