QLOG: Wiring: QUIC QTX
[openssl.git] / include / internal / quic_record_tx.h
1 /*
2  * Copyright 2022-2023 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 OSSL_QUIC_RECORD_TX_H
11 # define OSSL_QUIC_RECORD_TX_H
12
13 # include <openssl/ssl.h>
14 # include "internal/quic_wire_pkt.h"
15 # include "internal/quic_types.h"
16 # include "internal/quic_predef.h"
17 # include "internal/quic_record_util.h"
18 # include "internal/qlog.h"
19
20 # ifndef OPENSSL_NO_QUIC
21
22 /*
23  * QUIC Record Layer - TX
24  * ======================
25  */
26 typedef struct ossl_qtx_iovec_st {
27     const unsigned char    *buf;
28     size_t                  buf_len;
29 } OSSL_QTX_IOVEC;
30
31 typedef struct ossl_qtx_st OSSL_QTX;
32
33 typedef int (*ossl_mutate_packet_cb)(const QUIC_PKT_HDR *hdrin,
34                                      const OSSL_QTX_IOVEC *iovecin, size_t numin,
35                                      QUIC_PKT_HDR **hdrout,
36                                      const OSSL_QTX_IOVEC **iovecout,
37                                      size_t *numout,
38                                      void *arg);
39
40 typedef void (*ossl_finish_mutate_cb)(void *arg);
41
42 typedef struct ossl_qtx_args_st {
43     OSSL_LIB_CTX   *libctx;
44     const char     *propq;
45
46     /* BIO to transmit to. */
47     BIO            *bio;
48
49     /* Maximum datagram payload length (MDPL) for TX purposes. */
50     size_t          mdpl;
51
52     /* QLOG instance to use, or NULL. */
53     QLOG           *qlog;
54 } OSSL_QTX_ARGS;
55
56 /* Instantiates a new QTX. */
57 OSSL_QTX *ossl_qtx_new(const OSSL_QTX_ARGS *args);
58
59 /* Frees the QTX. */
60 void ossl_qtx_free(OSSL_QTX *qtx);
61
62 /* Set mutator callbacks for test framework support */
63 void ossl_qtx_set_mutator(OSSL_QTX *qtx, ossl_mutate_packet_cb mutatecb,
64                           ossl_finish_mutate_cb finishmutatecb, void *mutatearg);
65
66 /* Setters for the msg_callback and the msg_callback_arg */
67 void ossl_qtx_set_msg_callback(OSSL_QTX *qtx, ossl_msg_cb msg_callback,
68                                SSL *msg_callback_ssl);
69 void ossl_qtx_set_msg_callback_arg(OSSL_QTX *qtx, void *msg_callback_arg);
70
71 /*
72  * Secret Management
73  * -----------------
74  */
75
76 /*
77  * Provides a secret to the QTX, which arises due to an encryption level change.
78  * enc_level is a QUIC_ENC_LEVEL_* value.
79  *
80  * This function can be used to initialise the INITIAL encryption level, but you
81  * should not do so directly; see the utility function
82  * ossl_qrl_provide_initial_secret() instead, which can initialise the INITIAL
83  * encryption level of a QRX and QTX simultaneously without duplicating certain
84  * key derivation steps.
85  *
86  * You must call this function for a given EL before transmitting packets at
87  * that EL using this QTX, otherwise ossl_qtx_write_pkt will fail.
88  *
89  * suite_id is a QRL_SUITE_* value which determines the AEAD function used for
90  * the QTX.
91  *
92  * The secret passed is used directly to derive the "quic key", "quic iv" and
93  * "quic hp" values.
94  *
95  * secret_len is the length of the secret buffer in bytes. The buffer must be
96  * sized correctly to the chosen suite, else the function fails.
97  *
98  * This function can only be called once for a given EL, except for the INITIAL
99  * EL, as the INITIAL EL can need to be rekeyed if connection retry occurs.
100  * Subsequent calls for non-INITIAL ELs fail. Calls made after a corresponding
101  * call to ossl_qtx_discard_enc_level for a given EL also fail, including for
102  * the INITIAL EL. The secret for a non-INITIAL EL cannot be changed after it is
103  * set because QUIC has no facility for introducing additional key material
104  * after an EL is setup. (QUIC key updates generate new keys from existing key
105  * material and do not introduce new entropy into a connection's key material.)
106  *
107  * Returns 1 on success or 0 on failure.
108  */
109 int ossl_qtx_provide_secret(OSSL_QTX              *qtx,
110                             uint32_t               enc_level,
111                             uint32_t               suite_id,
112                             EVP_MD                *md,
113                             const unsigned char   *secret,
114                             size_t                 secret_len);
115
116 /*
117  * Informs the QTX that it can now discard key material for a given EL. The QTX
118  * will no longer be able to generate packets at that EL. This function is
119  * idempotent and succeeds if the EL has already been discarded.
120  *
121  * Returns 1 on success and 0 on failure.
122  */
123 int ossl_qtx_discard_enc_level(OSSL_QTX *qtx, uint32_t enc_level);
124
125 /* Returns 1 if the given encryption level is provisioned. */
126 int ossl_qtx_is_enc_level_provisioned(OSSL_QTX *qtx, uint32_t enc_level);
127
128 /*
129  * Given the value ciphertext_len representing an encrypted packet payload
130  * length in bytes, determines how many plaintext bytes it will decrypt to.
131  * Returns 0 if the specified EL is not provisioned or ciphertext_len is too
132  * small. The result is written to *plaintext_len.
133  */
134 int ossl_qtx_calculate_plaintext_payload_len(OSSL_QTX *qtx, uint32_t enc_level,
135                                              size_t ciphertext_len,
136                                              size_t *plaintext_len);
137
138 /*
139  * Given the value plaintext_len represented a plaintext packet payload length
140  * in bytes, determines how many ciphertext bytes it will encrypt to. The value
141  * output does not include packet headers. Returns 0 if the specified EL is not
142  * provisioned. The result is written to *ciphertext_len.
143  */
144 int ossl_qtx_calculate_ciphertext_payload_len(OSSL_QTX *qtx, uint32_t enc_level,
145                                               size_t plaintext_len,
146                                               size_t *ciphertext_len);
147
148 uint32_t ossl_qrl_get_suite_cipher_tag_len(uint32_t suite_id);
149
150
151 /*
152  * Packet Transmission
153  * -------------------
154  */
155
156 struct ossl_qtx_pkt_st {
157     /* Logical packet header to be serialized. */
158     QUIC_PKT_HDR               *hdr;
159
160     /*
161      * iovecs expressing the logical packet payload buffer. Zero-length entries
162      * are permitted.
163      */
164     const OSSL_QTX_IOVEC       *iovec;
165     size_t                      num_iovec;
166
167     /* Destination address. Will be passed through to the BIO if non-NULL. */
168     const BIO_ADDR             *peer;
169
170     /*
171      * Local address (optional). Specify as non-NULL only if TX BIO
172      * has local address support enabled.
173      */
174     const BIO_ADDR             *local;
175
176     /*
177      * Logical PN. Used for encryption. This will automatically be encoded to
178      * hdr->pn, which need not be initialized.
179      */
180     QUIC_PN                     pn;
181
182     /* Packet flags. Zero or more OSSL_QTX_PKT_FLAG_* values. */
183     uint32_t                    flags;
184 };
185
186 /*
187  * More packets will be written which should be coalesced into a single
188  * datagram; do not send this packet yet. To use this, set this flag for all
189  * packets but the final packet in a datagram, then send the final packet
190  * without this flag set.
191  *
192  * This flag is not a guarantee and the QTX may transmit immediately anyway if
193  * it is not possible to fit any more packets in the current datagram.
194  *
195  * If the caller change its mind and needs to cause a packet queued with
196  * COALESCE after having passed it to this function but without writing another
197  * packet, it should call ossl_qtx_flush_pkt().
198  */
199 #define OSSL_QTX_PKT_FLAG_COALESCE       (1U << 0)
200
201 /*
202  * Writes a packet.
203  *
204  * *pkt need be valid only for the duration of the call to this function.
205  *
206  * pkt->hdr->data and pkt->hdr->len are unused. The payload buffer is specified
207  * via an array of OSSL_QTX_IOVEC structures. The API is designed to support
208  * single-copy transmission; data is copied from the iovecs as it is encrypted
209  * into an internal staging buffer for transmission.
210  *
211  * The function may modify and clobber pkt->hdr->data, pkt->hdr->len,
212  * pkt->hdr->key_phase and pkt->hdr->pn for its own internal use. No other
213  * fields of pkt or pkt->hdr will be modified.
214  *
215  * It is the callers responsibility to determine how long the PN field in the
216  * encoded packet should be by setting pkt->hdr->pn_len. This function takes
217  * care of the PN encoding. Set pkt->pn to the desired PN.
218  *
219  * Note that 1-RTT packets do not have a DCID Length field, therefore the DCID
220  * length must be understood contextually. This function assumes the caller
221  * knows what it is doing and will serialize a DCID of whatever length is given.
222  * It is the caller's responsibility to ensure it uses a consistent DCID length
223  * for communication with any given set of remote peers.
224  *
225  * The packet is queued regardless of whether it is able to be sent immediately.
226  * This enables packets to be batched and sent at once on systems which support
227  * system calls to send multiple datagrams in a single system call (see
228  * BIO_sendmmsg). To flush queued datagrams to the network, see
229  * ossl_qtx_flush_net().
230  *
231  * Returns 1 on success or 0 on failure.
232  */
233 int ossl_qtx_write_pkt(OSSL_QTX *qtx, const OSSL_QTX_PKT *pkt);
234
235 /*
236  * Finish any incomplete datagrams for transmission which were flagged for
237  * coalescing. If there is no current coalescing datagram, this is a no-op.
238  */
239 void ossl_qtx_finish_dgram(OSSL_QTX *qtx);
240
241 /*
242  * (Attempt to) flush any datagrams which are queued for transmission. Note that
243  * this does not cancel coalescing; call ossl_qtx_finish_dgram() first if that
244  * is desired. The queue is drained into the OS's sockets as much as possible.
245  * To determine if there is still data to be sent after calling this function,
246  * use ossl_qtx_get_queue_len_bytes().
247  *
248  * Returns one of the following values:
249  *
250  *   QTX_FLUSH_NET_RES_OK
251  *      Either no packets are currently queued for transmission,
252  *      or at least one packet was successfully submitted.
253  *
254  *   QTX_FLUSH_NET_RES_TRANSIENT_FAIL
255  *      The underlying network write BIO indicated a transient error
256  *      (e.g. buffers full).
257  *
258  *   QTX_FLUSH_NET_RES_PERMANENT_FAIL
259  *      Internal error (e.g. assertion or allocation error)
260  *      or the underlying network write BIO indicated a non-transient
261  *      error.
262  */
263 #define QTX_FLUSH_NET_RES_OK                1
264 #define QTX_FLUSH_NET_RES_TRANSIENT_FAIL    (-1)
265 #define QTX_FLUSH_NET_RES_PERMANENT_FAIL    (-2)
266
267 int ossl_qtx_flush_net(OSSL_QTX *qtx);
268
269 /*
270  * Diagnostic function. If there is any datagram pending transmission, pops it
271  * and writes the details of the datagram as they would have been passed to
272  * *msg. Returns 1, or 0 if there are no datagrams pending. For test use only.
273  */
274 int ossl_qtx_pop_net(OSSL_QTX *qtx, BIO_MSG *msg);
275
276 /* Returns number of datagrams which are fully-formed but not yet sent. */
277 size_t ossl_qtx_get_queue_len_datagrams(OSSL_QTX *qtx);
278
279 /*
280  * Returns number of payload bytes across all datagrams which are fully-formed
281  * but not yet sent. Does not count any incomplete coalescing datagram.
282  */
283 size_t ossl_qtx_get_queue_len_bytes(OSSL_QTX *qtx);
284
285 /*
286  * Returns number of bytes in the current coalescing datagram, or 0 if there is
287  * no current coalescing datagram. Returns 0 after a call to
288  * ossl_qtx_finish_dgram().
289  */
290 size_t ossl_qtx_get_cur_dgram_len_bytes(OSSL_QTX *qtx);
291
292 /*
293  * Returns number of queued coalesced packets which have not been put into a
294  * datagram yet. If this is non-zero, ossl_qtx_flush_pkt() needs to be called.
295  */
296 size_t ossl_qtx_get_unflushed_pkt_count(OSSL_QTX *qtx);
297
298 /*
299  * Change the BIO being used by the QTX. May be NULL if actual transmission is
300  * not currently required. Does not up-ref the BIO; the caller is responsible
301  * for ensuring the lifetime of the BIO exceeds the lifetime of the QTX.
302  */
303 void ossl_qtx_set_bio(OSSL_QTX *qtx, BIO *bio);
304
305 /* Changes the MDPL. */
306 int ossl_qtx_set_mdpl(OSSL_QTX *qtx, size_t mdpl);
307
308 /* Retrieves the current MDPL. */
309 size_t ossl_qtx_get_mdpl(OSSL_QTX *qtx);
310
311
312 /*
313  * Key Update
314  * ----------
315  *
316  * For additional discussion of key update considerations, see QRX header file.
317  */
318
319 /*
320  * Triggers a key update. The key update will be started by inverting the Key
321  * Phase bit of the next packet transmitted; no key update occurs until the next
322  * packet is transmitted. Thus, this function should generally be called
323  * immediately before queueing the next packet.
324  *
325  * There are substantial requirements imposed by RFC 9001 on under what
326  * circumstances a key update can be initiated. The caller is responsible for
327  * meeting most of these requirements. For example, this function cannot be
328  * called too soon after a previous key update has occurred. Key updates also
329  * cannot be initiated until the 1-RTT encryption level is reached.
330  *
331  * As a sanity check, this function will fail and return 0 if the non-1RTT
332  * encryption levels have not yet been dropped.
333  *
334  * The caller may decide itself to initiate a key update, but it also MUST
335  * initiate a key update where it detects that the peer has initiated a key
336  * update. The caller is responsible for initiating a TX key update by calling
337  * this function in this circumstance; thus, the caller is responsible for
338  * coupling the RX and TX QUIC record layers in this way.
339  */
340 int ossl_qtx_trigger_key_update(OSSL_QTX *qtx);
341
342
343 /*
344  * Key Expiration
345  * --------------
346  */
347
348 /*
349  * Returns the number of packets which have been encrypted for transmission with
350  * the current set of TX keys (the current "TX key epoch"). Reset to zero after
351  * a key update and incremented for each packet queued. If enc_level is not
352  * valid or relates to an EL which is not currently available, returns
353  * UINT64_MAX.
354  */
355 uint64_t ossl_qtx_get_cur_epoch_pkt_count(OSSL_QTX *qtx, uint32_t enc_level);
356
357 /*
358  * Returns the maximum number of packets which the record layer will permit to
359  * be encrypted using the current set of TX keys. If this limit is reached (that
360  * is, if the counter returned by ossl_qrx_tx_get_cur_epoch_pkt_count() reaches
361  * this value), as a safety measure, the QTX will not permit any further packets
362  * to be queued. All calls to ossl_qrx_write_pkt that try to send packets of a
363  * kind which need to be encrypted will fail. It is not possible to recover from
364  * this condition and the QTX must then be destroyed; therefore, callers should
365  * ensure they always trigger a key update well in advance of reaching this
366  * limit.
367  *
368  * The value returned by this function is based on the ciphersuite configured
369  * for the given encryption level. If keys have not been provisioned for the
370  * specified enc_level or the enc_level argument is invalid, this function
371  * returns UINT64_MAX, which is not a valid value. Note that it is not possible
372  * to perform a key update at any encryption level other than 1-RTT, therefore
373  * if this limit is reached at earlier encryption levels (which should not be
374  * possible) the connection must be terminated. Since this condition precludes
375  * the transmission of further packets, the only possible signalling of such an
376  * error condition to a peer is a Stateless Reset packet.
377  */
378 uint64_t ossl_qtx_get_max_epoch_pkt_count(OSSL_QTX *qtx, uint32_t enc_level);
379
380 /*
381  * Get the 1-RTT EL key epoch number for the QTX. This is intended for
382  * diagnostic purposes. Returns 0 if 1-RTT EL is not provisioned yet.
383  */
384 uint64_t ossl_qtx_get_key_epoch(OSSL_QTX *qtx);
385
386 # endif
387
388 #endif