PKCE

📍 このドキュメントの位置づけ

対象読者: PKCEの実装詳細を理解したい開発者

このドキュメントで学べること:

• PKCE (Proof Key for Code Exchange) の仕組み
• Code Verifier / Code Challenge の生成・検証
• plain / S256 メソッドの違い
• 認可コードフローでのPKCE検証実装
• モバイルアプリ・SPAでのPKCE適用パターン

前提知識:

• basic-08: 認可コードフローの理解
• OAuth 2.0 の基礎知識

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🏗️ PKCEとは

PKCE (Proof Key for Code Exchange) は、認可コードフローにおける認可コード盗難攻撃を防ぐセキュリティ拡張です。

なぜPKCEが必要か

通常の認可コードフローの問題点:

1. 攻撃者がリダイレクトURI を傍受
   → 認可コード (code=xxx) を盗む
2. 攻撃者がトークンエンドポイントに認可コードを送信
   → アクセストークンを取得（Publicクライアントの場合）

PKCEによる防御:

1. クライアントが code_verifier を生成（ランダム文字列）
2. code_verifier から code_challenge を計算（SHA-256ハッシュ）
3. 認可リクエストに code_challenge を含める
4. 認可コードを取得
5. トークンリクエストに code_verifier を含める
6. サーバーが code_verifier を検証
   → SHA-256(code_verifier) == code_challenge ?
7. 一致した場合のみトークン発行

攻撃者は認可コードを盗んでも、code_verifierがないためトークンを取得できません。

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📋 PKCE フロー

1. Code Verifier 生成

クライアントがランダムな文字列を生成します。

code_verifier = BASE64URL(RANDOM(32オクテット))
              = "dBjftJeZ4CVP-mB92K27uhbUJU1p1r_wW1gFWFOEjXk"

要件:

• 長さ: 43〜128文字
• 文字種: [A-Za-z0-9-._~] のみ
• ランダム性: 暗号学的に安全な乱数生成器を使用

参考実装:

public class CodeVerifier {
  String value;

  public boolean exists() {
    return Objects.nonNull(value) && !value.isEmpty();
  }

  public boolean isShorterThan43() {
    return value.length() < 43;
  }

  public boolean isLongerThan128() {
    return value.length() > 128;
  }
}

参考実装: CodeVerifier.java:21

2. Code Challenge 生成

code_verifier から code_challenge を計算します。

S256 メソッド（推奨）

code_challenge = BASE64URL(SHA256(code_verifier))

実装:

public class CodeChallengeCalculator implements MessageDigestable, Base64Codeable {

  CodeVerifier codeVerifier;

  public CodeChallenge calculateWithS256() {
    // 1. SHA-256 ハッシュ計算
    byte[] bytes = digestWithSha256(codeVerifier.value());

    // 2. Base64URL エンコード
    String encodedValue = encodeWithUrlSafe(bytes);

    return new CodeChallenge(encodedValue);
  }
}

参考実装: CodeChallengeCalculator.java:24

plain メソッド（非推奨）

code_challenge = code_verifier

実装:

public CodeChallenge calculateWithPlain() {
  return new CodeChallenge(codeVerifier.value());
}

⚠️ 注意: plain メソッドはセキュリティが低いため、S256の使用を強く推奨します。FAPI BaselineではS256が必須です。

3. 認可リクエスト

クライアントが code_challenge と code_challenge_method を認可リクエストに含めます。

GET /authorize?
  response_type=code
  &client_id=s6BhdRkqt3
  &redirect_uri=https://client.example.com/cb
  &scope=openid profile
  &state=xyz
  &code_challenge=E9Melhoa2OwvFrEMTJguCHaoeK1t8URWbuGJSstw-cM
  &code_challenge_method=S256

4. 認可コード発行

認可サーバーは、code_challenge と code_challenge_method を認可コードと紐付けて保存します。

// AuthorizationGrant に保存
AuthorizationCodeGrant grant = AuthorizationCodeGrant.builder()
    .code(authorizationCode)
    .codeChallenge(codeChallenge)
    .codeChallengeMethod(codeChallengeMethod)
    .build();

5. トークンリクエスト

クライアントが code_verifier をトークンリクエストに含めます。

POST /token
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded

grant_type=authorization_code
&code=SplxlOBeZQQYbYS6WxSbIA
&redirect_uri=https://client.example.com/cb
&client_id=s6BhdRkqt3
&code_verifier=dBjftJeZ4CVP-mB92K27uhbUJU1p1r_wW1gFWFOEjXk

6. Code Verifier 検証

認可サーバーが code_verifier を検証します。

public class AuthorizationCodeGrantPkceVerifier
    implements AuthorizationCodeGrantExtensionVerifierInterface {

  @Override
  public void verify(
      TokenRequestContext tokenRequestContext,
      AuthorizationRequest authorizationRequest,
      AuthorizationCodeGrant authorizationCodeGrant,
      ClientCredentials clientCredentials) {

    // 1. code_verifier が含まれているか確認
    throwExceptionIfNotContainsCodeVerifier(tokenRequestContext);

    // 2. code_verifier が code_challenge と一致するか確認
    throwExceptionIfUnMatchCodeVerifier(tokenRequestContext, authorizationRequest);

    // 3. code_verifier のフォーマット検証
    throwExceptionIfInvalidCodeVerifierFormat(tokenRequestContext);
  }
}

参考実装: AuthorizationCodeGrantPkceVerifier.java:29

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🔐 検証ロジック詳細

1. code_verifier 存在確認

void throwExceptionIfNotContainsCodeVerifier(TokenRequestContext tokenRequestContext) {
  if (!tokenRequestContext.hasCodeVerifier()) {
    throw new TokenBadRequestException(
        "authorization request has code_challenge, but token request does not contain code_verifier");
  }
}

エラー条件:

• 認可リクエストに code_challenge があるのに、トークンリクエストに code_verifier がない

2. code_verifier 一致確認

void throwExceptionIfUnMatchCodeVerifier(
    TokenRequestContext tokenRequestContext,
    AuthorizationRequest authorizationRequest) {

  // S256 メソッドの場合
  if (authorizationRequest.isPkceWithS256()) {
    CodeVerifier codeVerifier = tokenRequestContext.codeVerifier();
    CodeChallengeCalculator calculator = new CodeChallengeCalculator(codeVerifier);
    CodeChallenge calculatedChallenge = calculator.calculateWithS256();

    if (!calculatedChallenge.equals(authorizationRequest.codeChallenge())) {
      throw new TokenBadRequestException(
          "code_verifier of token request does not match code_challenge of authorization request");
    }
    return;
  }

  // plain メソッドの場合
  CodeChallengeCalculator calculator =
      new CodeChallengeCalculator(tokenRequestContext.codeVerifier());
  CodeChallenge calculatedChallenge = calculator.calculateWithPlain();

  if (!calculatedChallenge.equals(authorizationRequest.codeChallenge())) {
    throw new TokenBadRequestException(
        "code_verifier of token request does not match code_challenge of authorization request");
  }
}

検証フロー:

1. トークンリクエストから code_verifier 取得
2. code_challenge_method に応じて code_challenge を計算
   - S256: BASE64URL(SHA256(code_verifier))
   - plain: code_verifier
3. 計算した code_challenge と保存された code_challenge を比較
4. 一致しない場合はエラー

3. code_verifier フォーマット検証

void throwExceptionIfInvalidCodeVerifierFormat(TokenRequestContext tokenRequestContext) {
  CodeVerifier codeVerifier = tokenRequestContext.codeVerifier();

  // 長さチェック: 最低43文字
  if (codeVerifier.isShorterThan43()) {
    throw new TokenBadRequestException("code_verifier must be at least 43 characters");
  }

  // 長さチェック: 最大128文字
  if (codeVerifier.isLongerThan128()) {
    throw new TokenBadRequestException("code_verifier must be at most 128 characters");
  }

  // 文字種チェック: [A-Za-z0-9-._~] のみ
  if (!codeVerifier.value().matches("^[A-Za-z0-9\\-._~]+$")) {
    throw new TokenBadRequestException("code_verifier contains invalid characters");
  }
}

RFC 7636 要件:

• 最小長: 43文字
• 最大長: 128文字
• 文字種: [A-Za-z0-9-._~]（unreserved characters）

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📱 実装パターン

パターン1: モバイルアプリ（Native App）

特徴:

• Publicクライアント（client_secretなし）
• PKCEが必須

実装例（iOS/Swift）:

// 1. Code Verifier 生成
func generateCodeVerifier() -> String {
    var buffer = [UInt8](repeating: 0, count: 32)
    _ = SecRandomCopyBytes(kSecRandomDefault, buffer.count, &buffer)
    return Data(buffer).base64EncodedString()
        .replacingOccurrences(of: "+", with: "-")
        .replacingOccurrences(of: "/", with: "_")
        .replacingOccurrences(of: "=", with: "")
        .trimmingCharacters(in: .whitespaces)
}

// 2. Code Challenge 生成（S256）
func generateCodeChallenge(verifier: String) -> String {
    guard let data = verifier.data(using: .utf8) else { return "" }
    var buffer = [UInt8](repeating: 0, count: Int(CC_SHA256_DIGEST_LENGTH))
    data.withUnsafeBytes {
        _ = CC_SHA256($0.baseAddress, CC_LONG(data.count), &buffer)
    }
    return Data(buffer).base64EncodedString()
        .replacingOccurrences(of: "+", with: "-")
        .replacingOccurrences(of: "/", with: "_")
        .replacingOccurrences(of: "=", with: "")
}

// 3. 認可リクエスト
let codeVerifier = generateCodeVerifier()
let codeChallenge = generateCodeChallenge(verifier: codeVerifier)

let authURL = "https://idp.example.com/authorize?" +
    "response_type=code" +
    "&client_id=mobile-app" +
    "&redirect_uri=myapp://callback" +
    "&scope=openid%20profile" +
    "&code_challenge=\(codeChallenge)" +
    "&code_challenge_method=S256"

// 4. トークンリクエスト（認可コード取得後）
let tokenParams = [
    "grant_type": "authorization_code",
    "code": authorizationCode,
    "redirect_uri": "myapp://callback",
    "client_id": "mobile-app",
    "code_verifier": codeVerifier
]

パターン2: SPA（Single Page Application）

特徴:

• Publicクライアント
• PKCEが必須
• Authorization Code Flow with PKCE

実装例（JavaScript）:

// 1. Code Verifier 生成
function generateCodeVerifier() {
    const array = new Uint8Array(32);
    crypto.getRandomValues(array);
    return base64UrlEncode(array);
}

// 2. Code Challenge 生成（S256）
async function generateCodeChallenge(verifier) {
    const encoder = new TextEncoder();
    const data = encoder.encode(verifier);
    const hash = await crypto.subtle.digest('SHA-256', data);
    return base64UrlEncode(new Uint8Array(hash));
}

// Base64URL エンコード
function base64UrlEncode(buffer) {
    const base64 = btoa(String.fromCharCode(...buffer));
    return base64
        .replace(/\+/g, '-')
        .replace(/\//g, '_')
        .replace(/=/g, '');
}

// 3. 認可リクエスト
const codeVerifier = generateCodeVerifier();
sessionStorage.setItem('code_verifier', codeVerifier);

const codeChallenge = await generateCodeChallenge(codeVerifier);

const authUrl = `https://idp.example.com/authorize?` +
    `response_type=code` +
    `&client_id=spa-client` +
    `&redirect_uri=${encodeURIComponent('https://app.example.com/callback')}` +
    `&scope=openid%20profile` +
    `&code_challenge=${codeChallenge}` +
    `&code_challenge_method=S256`;

window.location.href = authUrl;

// 4. トークンリクエスト（コールバックページで）
const codeVerifier = sessionStorage.getItem('code_verifier');
const params = new URLSearchParams(window.location.search);
const code = params.get('code');

const tokenResponse = await fetch('https://idp.example.com/token', {
    method: 'POST',
    headers: { 'Content-Type': 'application/x-www-form-urlencoded' },
    body: new URLSearchParams({
        grant_type: 'authorization_code',
        code: code,
        redirect_uri: 'https://app.example.com/callback',
        client_id: 'spa-client',
        code_verifier: codeVerifier
    })
});

パターン3: Confidential Client（オプション）

特徴:

• client_secretを持つクライアント
• PKCEはオプション（推奨）
• 追加のセキュリティ層として使用

サーバー設定:

{
  "client_id": "web-app",
  "client_secret": "secret123",
  "token_endpoint_auth_method": "client_secret_basic",
  "pkce_required": true
}

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🧪 テスト実装例

PKCE検証のテスト

@Test
void testPkceVerification_S256_Success() {
  // 1. Code Verifier 生成
  String codeVerifierValue = "dBjftJeZ4CVP-mB92K27uhbUJU1p1r_wW1gFWFOEjXk";
  CodeVerifier codeVerifier = new CodeVerifier(codeVerifierValue);

  // 2. Code Challenge 計算
  CodeChallengeCalculator calculator = new CodeChallengeCalculator(codeVerifier);
  CodeChallenge codeChallenge = calculator.calculateWithS256();

  // 3. 認可リクエスト作成
  AuthorizationRequest authRequest = AuthorizationRequest.builder()
      .codeChallenge(codeChallenge)
      .codeChallengeMethod(CodeChallengeMethod.S256)
      .build();

  // 4. トークンリクエスト作成
  TokenRequestContext tokenRequest = TokenRequestContext.builder()
      .codeVerifier(codeVerifier)
      .build();

  // 5. PKCE検証
  AuthorizationCodeGrantPkceVerifier verifier = new AuthorizationCodeGrantPkceVerifier();

  // 6. 検証成功（例外が発生しない）
  assertDoesNotThrow(() ->
      verifier.verify(tokenRequest, authRequest, grant, credentials)
  );
}

@Test
void testPkceVerification_MismatchCodeVerifier_Failure() {
  // 異なる code_verifier でエラー
  CodeVerifier correctVerifier = new CodeVerifier("correct-verifier");
  CodeVerifier wrongVerifier = new CodeVerifier("wrong-verifier");

  CodeChallengeCalculator calculator = new CodeChallengeCalculator(correctVerifier);
  CodeChallenge codeChallenge = calculator.calculateWithS256();

  AuthorizationRequest authRequest = AuthorizationRequest.builder()
      .codeChallenge(codeChallenge)
      .codeChallengeMethod(CodeChallengeMethod.S256)
      .build();

  TokenRequestContext tokenRequest = TokenRequestContext.builder()
      .codeVerifier(wrongVerifier)  // 異なる verifier
      .build();

  // 検証失敗
  assertThrows(TokenBadRequestException.class, () ->
      verifier.verify(tokenRequest, authRequest, grant, credentials)
  );
}

@Test
void testCodeVerifierFormat_Invalid() {
  // 長さ不足
  CodeVerifier shortVerifier = new CodeVerifier("short");
  assertTrue(shortVerifier.isShorterThan43());

  // 長さ超過
  String longValue = "a".repeat(129);
  CodeVerifier longVerifier = new CodeVerifier(longValue);
  assertTrue(longVerifier.isLongerThan128());
}

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📋 実装チェックリスト

PKCE対応を実装する際のチェックリスト:

クライアント側

• Code Verifier 生成:

  • 暗号学的に安全な乱数生成器を使用
  • 43〜128文字の範囲
  • [A-Za-z0-9-._~] のみ使用

• Code Challenge 生成:

  • S256メソッドを使用（SHA-256ハッシュ + Base64URL）
  • plainメソッドは使用しない

• 認可リクエスト:

  • code_challenge パラメータを含める
  • code_challenge_method=S256 を指定

• Code Verifier 保存:

  • セッションストレージまたはメモリに保存
  • ローカルストレージは避ける（XSSリスク）

• トークンリクエスト:

  • code_verifier パラメータを含める
  • 保存した code_verifier を使用

サーバー側

• 認可リクエスト検証:

  • code_challenge と code_challenge_method の存在確認
  • code_challenge_method が S256 または plain

• Code Challenge 保存:

  • 認可コードと紐付けて保存
  • code_challenge_method も保存

• トークンリクエスト検証:

  • code_verifier の存在確認
  • code_verifier のフォーマット検証（長さ、文字種）
  • code_verifier から code_challenge を計算
  • 保存された code_challenge と一致するか確認

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🚨 よくある間違い

1. code_verifier の長さ不足

// ❌ 誤り: 長さが43文字未満
const codeVerifier = "short-verifier";

// ✅ 正しい: 43文字以上
const codeVerifier = generateCodeVerifier();  // 43〜128文字

2. plain メソッドの使用

❌ 誤り: plain メソッド（セキュリティが低い）
code_challenge_method=plain

✅ 正しい: S256 メソッド
code_challenge_method=S256

3. code_verifier の保存場所

// ❌ 誤り: LocalStorage（XSSリスク）
localStorage.setItem('code_verifier', codeVerifier);

// ✅ 正しい: SessionStorage（ページ遷移で消える）
sessionStorage.setItem('code_verifier', codeVerifier);

// ✅ より良い: メモリ（変数）
let codeVerifier = generateCodeVerifier();

4. Base64URL エンコードミス

// ❌ 誤り: 通常のBase64（+, /, = を含む）
const base64 = btoa(String.fromCharCode(...buffer));

// ✅ 正しい: Base64URL（-, _, パディングなし）
const base64url = btoa(String.fromCharCode(...buffer))
    .replace(/\+/g, '-')
    .replace(/\//g, '_')
    .replace(/=/g, '');

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🔗 関連ドキュメント

概念・基礎:

• basic-08: 認可コードフロー - 基本フロー
• concept-22: FAPI - FAPI BaselineでのPKCE必須化

実装詳細:

• impl-22: FAPI実装ガイド - FAPI BaselineのPKCE要件
• 03-application-plane/02-authorization-flow.md - 認可フロー

参考実装クラス:

• CodeVerifier.java
• CodeChallenge.java
• CodeChallengeMethod.java
• CodeChallengeCalculator.java
• AuthorizationCodeGrantPkceVerifier.java

RFC/仕様:

• RFC 7636 - Proof Key for Code Exchange (PKCE)
• OAuth 2.0 for Native Apps - PKCEの必須化

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最終更新: 2025-12-07 難易度: ⭐⭐ (初級〜中級)