crypto/rand/rand_lcl.h

   1 /*
   2  * Copyright 1995-2018 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  *
   4  * Licensed under the Apache License 2.0 (the "License").  You may not use
   5  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
   6  * in the file LICENSE in the source distribution or at
   7  * https://www.openssl.org/source/license.html
   8  */
   9
  10 #ifndef HEADER_RAND_LCL_H
  11 # define HEADER_RAND_LCL_H
  12
  13 # include <openssl/aes.h>
  14 # include <openssl/evp.h>
  15 # include <openssl/sha.h>
  16 # include <openssl/hmac.h>
  17 # include <openssl/ec.h>
  18 # include <openssl/rand_drbg.h>
  19 # include "internal/tsan_assist.h"
  20 # include "internal/rand_int.h"
  21
  22 # include "internal/numbers.h"
  23
  24 /* How many times to read the TSC as a randomness source. */
  25 # define TSC_READ_COUNT                 4
  26
  27 /* Maximum reseed intervals */
  28 # define MAX_RESEED_INTERVAL                     (1 << 24)
  29 # define MAX_RESEED_TIME_INTERVAL                (1 << 20) /* approx. 12 days */
  30
  31 /* Default reseed intervals */
  32 # define MASTER_RESEED_INTERVAL                  (1 << 8)
  33 # define SLAVE_RESEED_INTERVAL                   (1 << 16)
  34 # define MASTER_RESEED_TIME_INTERVAL             (60*60)   /* 1 hour */
  35 # define SLAVE_RESEED_TIME_INTERVAL              (7*60)    /* 7 minutes */
  36
  37 /*
  38  * The number of bytes that constitutes an atomic lump of entropy with respect
  39  * to the FIPS 140-2 section 4.9.2 Conditional Tests.  The size is somewhat
  40  * arbitrary, the smaller the value, the less entropy is consumed on first
  41  * read but the higher the probability of the test failing by accident.
  42  *
  43  * The value is in bytes.
  44  */
  45 #define CRNGT_BUFSIZ    16
  46
  47 /*
  48  * Maximum input size for the DRBG (entropy, nonce, personalization string)
  49  *
  50  * NIST SP800 90Ar1 allows a maximum of (1 << 35) bits i.e., (1 << 32) bytes.
  51  *
  52  * We lower it to 'only' INT32_MAX bytes, which is equivalent to 2 gigabytes.
  53  */
  54 # define DRBG_MAX_LENGTH                         INT32_MAX
  55
  56 /* The default nonce */
  57 # define DRBG_DEFAULT_PERS_STRING                "OpenSSL NIST SP 800-90A DRBG"
  58
  59 /*
  60  * Maximum allocation size for RANDOM_POOL buffers
  61  *
  62  * The max_len value for the buffer provided to the rand_drbg_get_entropy()
  63  * callback is currently 2^31 bytes (2 gigabytes), if a derivation function
  64  * is used. Since this is much too large to be allocated, the rand_pool_new()
  65  * function chooses more modest values as default pool length, bounded
  66  * by RAND_POOL_MIN_LENGTH and RAND_POOL_MAX_LENGTH
  67  *
  68  * The choice of the RAND_POOL_FACTOR is large enough such that the
  69  * RAND_POOL can store a random input which has a lousy entropy rate of
  70  * 8/256 (= 0.03125) bits per byte. This input will be sent through the
  71  * derivation function which 'compresses' the low quality input into a
  72  * high quality output.
  73  *
  74  * The factor 1.5 below is the pessimistic estimate for the extra amount
  75  * of entropy required when no get_nonce() callback is defined.
  76  */
  77 # define RAND_POOL_FACTOR        256
  78 # define RAND_POOL_MAX_LENGTH    (RAND_POOL_FACTOR * \
  79                                   3 * (RAND_DRBG_STRENGTH / 16))
  80 /*
  81  *                             = (RAND_POOL_FACTOR * \
  82  *                                1.5 * (RAND_DRBG_STRENGTH / 8))
  83  */
  84
  85
  86 /* DRBG status values */
  87 typedef enum drbg_status_e {
  88     DRBG_UNINITIALISED,
  89     DRBG_READY,
  90     DRBG_ERROR
  91 } DRBG_STATUS;
  92
  93
  94 /* instantiate */
  95 typedef int (*RAND_DRBG_instantiate_fn)(RAND_DRBG *ctx,
  96                                         const unsigned char *ent,
  97                                         size_t entlen,
  98                                         const unsigned char *nonce,
  99                                         size_t noncelen,
 100                                         const unsigned char *pers,
 101                                         size_t perslen);
 102 /* reseed */
 103 typedef int (*RAND_DRBG_reseed_fn)(RAND_DRBG *ctx,
 104                                    const unsigned char *ent,
 105                                    size_t entlen,
 106                                    const unsigned char *adin,
 107                                    size_t adinlen);
 108 /* generate output */
 109 typedef int (*RAND_DRBG_generate_fn)(RAND_DRBG *ctx,
 110                                      unsigned char *out,
 111                                      size_t outlen,
 112                                      const unsigned char *adin,
 113                                      size_t adinlen);
 114 /* uninstantiate */
 115 typedef int (*RAND_DRBG_uninstantiate_fn)(RAND_DRBG *ctx);
 116
 117
 118 /*
 119  * The DRBG methods
 120  */
 121
 122 typedef struct rand_drbg_method_st {
 123     RAND_DRBG_instantiate_fn instantiate;
 124     RAND_DRBG_reseed_fn reseed;
 125     RAND_DRBG_generate_fn generate;
 126     RAND_DRBG_uninstantiate_fn uninstantiate;
 127 } RAND_DRBG_METHOD;
 128
 129 /* 888 bits from SP800-90Ar1 10.1 table 2 */
 130 #define HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN    (888/8)
 131
 132 typedef struct rand_drbg_hash_st {
 133     EVP_MD *md;
 134     EVP_MD_CTX *ctx;
 135     size_t blocklen;
 136     unsigned char V[HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN];
 137     unsigned char C[HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN];
 138     /* Temporary value storage: should always exceed max digest length */
 139     unsigned char vtmp[HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN];
 140 } RAND_DRBG_HASH;
 141
 142 typedef struct rand_drbg_hmac_st {
 143     EVP_MD *md;
 144     HMAC_CTX *ctx;
 145     size_t blocklen;
 146     unsigned char K[EVP_MAX_MD_SIZE];
 147     unsigned char V[EVP_MAX_MD_SIZE];
 148 } RAND_DRBG_HMAC;
 149
 150 /*
 151  * The state of a DRBG AES-CTR.
 152  */
 153 typedef struct rand_drbg_ctr_st {
 154     EVP_CIPHER_CTX *ctx;
 155     EVP_CIPHER_CTX *ctx_df;
 156     EVP_CIPHER *cipher;
 157     size_t keylen;
 158     unsigned char K[32];
 159     unsigned char V[16];
 160     /* Temporary block storage used by ctr_df */
 161     unsigned char bltmp[16];
 162     size_t bltmp_pos;
 163     unsigned char KX[48];
 164 } RAND_DRBG_CTR;
 165
 166
 167 /*
 168  * The 'random pool' acts as a dumb container for collecting random
 169  * input from various entropy sources. The pool has no knowledge about
 170  * whether its randomness is fed into a legacy RAND_METHOD via RAND_add()
 171  * or into a new style RAND_DRBG. It is the callers duty to 1) initialize the
 172  * random pool, 2) pass it to the polling callbacks, 3) seed the RNG, and
 173  * 4) cleanup the random pool again.
 174  *
 175  * The random pool contains no locking mechanism because its scope and
 176  * lifetime is intended to be restricted to a single stack frame.
 177  */
 178 struct rand_pool_st {
 179     unsigned char *buffer;  /* points to the beginning of the random pool */
 180     size_t len; /* current number of random bytes contained in the pool */
 181
 182     int attached;  /* true pool was attached to existing buffer */
 183     int secure;    /* 1: allocated on the secure heap, 0: otherwise */
 184
 185     size_t min_len; /* minimum number of random bytes requested */
 186     size_t max_len; /* maximum number of random bytes (allocated buffer size) */
 187     size_t entropy; /* current entropy count in bits */
 188     size_t entropy_requested; /* requested entropy count in bits */
 189 };
 190
 191 /*
 192  * The state of all types of DRBGs, even though we only have CTR mode
 193  * right now.
 194  */
 195 struct rand_drbg_st {
 196     CRYPTO_RWLOCK *lock;
 197     /* The library context this DRBG is associated with, if any */
 198     OPENSSL_CTX *libctx;
 199     RAND_DRBG *parent;
 200     int secure; /* 1: allocated on the secure heap, 0: otherwise */
 201     int type; /* the nid of the underlying algorithm */
 202     /*
 203      * Stores the value of the rand_fork_count global as of when we last
 204      * reseeded.  The DRBG reseeds automatically whenever drbg->fork_count !=
 205      * rand_fork_count.  Used to provide fork-safety and reseed this DRBG in
 206      * the child process.
 207      */
 208     int fork_count;
 209     unsigned short flags; /* various external flags */
 210
 211     /*
 212      * The random_data is used by RAND_add()/drbg_add() to attach random
 213      * data to the global drbg, such that the rand_drbg_get_entropy() callback
 214      * can pull it during instantiation and reseeding. This is necessary to
 215      * reconcile the different philosophies of the RAND and the RAND_DRBG
 216      * with respect to how randomness is added to the RNG during reseeding
 217      * (see PR #4328).
 218      */
 219     struct rand_pool_st *seed_pool;
 220
 221     /*
 222      * Auxiliary pool for additional data.
 223      */
 224     struct rand_pool_st *adin_pool;
 225
 226     /*
 227      * The following parameters are setup by the per-type "init" function.
 228      *
 229      * The supported types and their init functions are:
 230      *    (1) CTR_DRBG:  drbg_ctr_init().
 231      *    (2) HMAC_DRBG: drbg_hmac_init().
 232      *    (3) HASH_DRBG: drbg_hash_init().
 233      *
 234      * The parameters are closely related to the ones described in
 235      * section '10.2.1 CTR_DRBG' of [NIST SP 800-90Ar1], with one
 236      * crucial difference: In the NIST standard, all counts are given
 237      * in bits, whereas in OpenSSL entropy counts are given in bits
 238      * and buffer lengths are given in bytes.
 239      *
 240      * Since this difference has lead to some confusion in the past,
 241      * (see [GitHub Issue #2443], formerly [rt.openssl.org #4055])
 242      * the 'len' suffix has been added to all buffer sizes for
 243      * clarification.
 244      */
 245
 246     int strength;
 247     size_t max_request;
 248     size_t min_entropylen, max_entropylen;
 249     size_t min_noncelen, max_noncelen;
 250     size_t max_perslen, max_adinlen;
 251
 252     /*
 253      * Counts the number of generate requests since the last reseed
 254      * (Starts at 1). This value is the reseed_counter as defined in
 255      * NIST SP 800-90Ar1
 256      */
 257     unsigned int reseed_gen_counter;
 258     /*
 259      * Maximum number of generate requests until a reseed is required.
 260      * This value is ignored if it is zero.
 261      */
 262     unsigned int reseed_interval;
 263     /* Stores the time when the last reseeding occurred */
 264     time_t reseed_time;
 265     /*
 266      * Specifies the maximum time interval (in seconds) between reseeds.
 267      * This value is ignored if it is zero.
 268      */
 269     time_t reseed_time_interval;
 270     /*
 271      * Counts the number of reseeds since instantiation.
 272      * This value is ignored if it is zero.
 273      *
 274      * This counter is used only for seed propagation from the <master> DRBG
 275      * to its two children, the <public> and <private> DRBG. This feature is
 276      * very special and its sole purpose is to ensure that any randomness which
 277      * is added by RAND_add() or RAND_seed() will have an immediate effect on
 278      * the output of RAND_bytes() resp. RAND_priv_bytes().
 279      */
 280     TSAN_QUALIFIER unsigned int reseed_prop_counter;
 281     unsigned int reseed_next_counter;
 282
 283     size_t seedlen;
 284     DRBG_STATUS state;
 285
 286     /* Application data, mainly used in the KATs. */
 287     CRYPTO_EX_DATA ex_data;
 288
 289     /* Implementation specific data */
 290     union {
 291         RAND_DRBG_CTR ctr;
 292         RAND_DRBG_HASH hash;
 293         RAND_DRBG_HMAC hmac;
 294     } data;
 295
 296     /* Implementation specific methods */
 297     RAND_DRBG_METHOD *meth;
 298
 299     /* Callback functions.  See comments in rand_lib.c */
 300     RAND_DRBG_get_entropy_fn get_entropy;
 301     RAND_DRBG_cleanup_entropy_fn cleanup_entropy;
 302     RAND_DRBG_get_nonce_fn get_nonce;
 303     RAND_DRBG_cleanup_nonce_fn cleanup_nonce;
 304 };
 305
 306 /* The global RAND method, and the global buffer and DRBG instance. */
 307 extern RAND_METHOD rand_meth;
 308
 309 /*
 310  * A "generation count" of forks.  Incremented in the child process after a
 311  * fork.  Since rand_fork_count is increment-only, and only ever written to in
 312  * the child process of the fork, which is guaranteed to be single-threaded, no
 313  * locking is needed for normal (read) accesses; the rest of pthread fork
 314  * processing is assumed to introduce the necessary memory barriers.  Sibling
 315  * children of a given parent will produce duplicate values, but this is not
 316  * problematic because the reseeding process pulls input from the system CSPRNG
 317  * and/or other global sources, so the siblings will end up generating
 318  * different output streams.
 319  */
 320 extern int rand_fork_count;
 321
 322 /* DRBG helpers */
 323 int rand_drbg_restart(RAND_DRBG *drbg,
 324                       const unsigned char *buffer, size_t len, size_t entropy);
 325 size_t rand_drbg_seedlen(RAND_DRBG *drbg);
 326 /* locking api */
 327 int rand_drbg_lock(RAND_DRBG *drbg);
 328 int rand_drbg_unlock(RAND_DRBG *drbg);
 329 int rand_drbg_enable_locking(RAND_DRBG *drbg);
 330
 331
 332 /* initializes the DRBG implementation */
 333 int drbg_ctr_init(RAND_DRBG *drbg);
 334 int drbg_hash_init(RAND_DRBG *drbg);
 335 int drbg_hmac_init(RAND_DRBG *drbg);
 336
 337 /*
 338  * Entropy call back for the FIPS 140-2 section 4.9.2 Conditional Tests.
 339  * These need to be exposed for the unit tests.
 340  */
 341 int rand_crngt_get_entropy_cb(OPENSSL_CTX *ctx, RAND_POOL *pool,
 342                               unsigned char *buf, unsigned char *md,
 343                               unsigned int *md_size);
 344 extern int (*crngt_get_entropy)(OPENSSL_CTX *ctx, RAND_POOL *pool,
 345                                 unsigned char *buf, unsigned char *md,
 346                                 unsigned int *md_size);
 347
 348 #endif