Enable tracing of packets that have been sent
[openssl.git] / include / internal / quic_wire_pkt.h
1 /*
2  * Copyright 2022 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_WIRE_PKT_H
11 # define OSSL_QUIC_WIRE_PKT_H
12
13 # include <openssl/ssl.h>
14 # include "internal/packet_quic.h"
15 # include "internal/quic_types.h"
16
17 # ifndef OPENSSL_NO_QUIC
18
19 #  define QUIC_VERSION_NONE   ((uint32_t)0)   /* Used for version negotiation */
20 #  define QUIC_VERSION_1      ((uint32_t)1)   /* QUIC v1 */
21
22 /* QUIC logical packet type. These do not match wire values. */
23 #  define QUIC_PKT_TYPE_INITIAL        1
24 #  define QUIC_PKT_TYPE_0RTT           2
25 #  define QUIC_PKT_TYPE_HANDSHAKE      3
26 #  define QUIC_PKT_TYPE_RETRY          4
27 #  define QUIC_PKT_TYPE_1RTT           5
28 #  define QUIC_PKT_TYPE_VERSION_NEG    6
29
30 /*
31  * Determine encryption level from packet type. Returns QUIC_ENC_LEVEL_NUM if
32  * the packet is not of a type which is encrypted.
33  */
34 static ossl_inline ossl_unused uint32_t
35 ossl_quic_pkt_type_to_enc_level(uint32_t pkt_type)
36 {
37     switch (pkt_type) {
38         case QUIC_PKT_TYPE_INITIAL:
39             return QUIC_ENC_LEVEL_INITIAL;
40         case QUIC_PKT_TYPE_HANDSHAKE:
41             return QUIC_ENC_LEVEL_HANDSHAKE;
42         case QUIC_PKT_TYPE_0RTT:
43             return QUIC_ENC_LEVEL_0RTT;
44         case QUIC_PKT_TYPE_1RTT:
45             return QUIC_ENC_LEVEL_1RTT;
46         default:
47             return QUIC_ENC_LEVEL_NUM;
48     }
49 }
50
51 static ossl_inline ossl_unused uint32_t
52 ossl_quic_enc_level_to_pkt_type(uint32_t enc_level)
53 {
54     switch (enc_level) {
55         case QUIC_ENC_LEVEL_INITIAL:
56             return QUIC_PKT_TYPE_INITIAL;
57         case QUIC_ENC_LEVEL_HANDSHAKE:
58             return QUIC_PKT_TYPE_HANDSHAKE;
59         case QUIC_ENC_LEVEL_0RTT:
60             return QUIC_PKT_TYPE_0RTT;
61         case QUIC_ENC_LEVEL_1RTT:
62             return QUIC_PKT_TYPE_1RTT;
63         default:
64             return UINT32_MAX;
65     }
66 }
67
68 /* Determine if a packet type contains an encrypted payload. */
69 static ossl_inline ossl_unused int
70 ossl_quic_pkt_type_is_encrypted(uint32_t pkt_type)
71 {
72     switch (pkt_type) {
73         case QUIC_PKT_TYPE_RETRY:
74         case QUIC_PKT_TYPE_VERSION_NEG:
75             return 0;
76         default:
77             return 1;
78     }
79 }
80
81 /* Determine if a packet type contains a PN field. */
82 static ossl_inline ossl_unused int
83 ossl_quic_pkt_type_has_pn(uint32_t pkt_type)
84 {
85     /*
86      * Currently a packet has a PN iff it is encrypted. This could change
87      * someday.
88      */
89     return ossl_quic_pkt_type_is_encrypted(pkt_type);
90 }
91
92 /*
93  * Determine if a packet type can appear with other packets in a datagram. Some
94  * packet types must be the sole packet in a datagram.
95  */
96 static ossl_inline ossl_unused int
97 ossl_quic_pkt_type_can_share_dgram(uint32_t pkt_type)
98 {
99     /*
100      * Currently only the encrypted packet types can share a datagram. This
101      * could change someday.
102      */
103     return ossl_quic_pkt_type_is_encrypted(pkt_type);
104 }
105
106 /*
107  * Determine if the packet type must come at the end of the datagram (due to the
108  * lack of a length field).
109  */
110 static ossl_inline ossl_unused int
111 ossl_quic_pkt_type_must_be_last(uint32_t pkt_type)
112 {
113     /*
114      * Any packet type which cannot share a datagram obviously must come last.
115      * 1-RTT also must come last as it lacks a length field.
116      */
117     return !ossl_quic_pkt_type_can_share_dgram(pkt_type)
118         || pkt_type == QUIC_PKT_TYPE_1RTT;
119 }
120
121 /*
122  * Smallest possible QUIC packet size as per RFC (aside from version negotiation
123  * packets).
124  */
125 #  define QUIC_MIN_VALID_PKT_LEN_CRYPTO      21
126 #  define QUIC_MIN_VALID_PKT_LEN_VERSION_NEG  7
127 #  define QUIC_MIN_VALID_PKT_LEN              QUIC_MIN_VALID_PKT_LEN_VERSION_NEG
128
129 typedef struct quic_pkt_hdr_ptrs_st QUIC_PKT_HDR_PTRS;
130
131 /*
132  * QUIC Packet Header Protection
133  * =============================
134  *
135  * Functions to apply and remove QUIC packet header protection. A header
136  * protector is initialised using ossl_quic_hdr_protector_init and must be
137  * destroyed using ossl_quic_hdr_protector_cleanup when no longer needed.
138  */
139 typedef struct quic_hdr_protector_st {
140     OSSL_LIB_CTX       *libctx;
141     const char         *propq;
142     EVP_CIPHER_CTX     *cipher_ctx;
143     EVP_CIPHER         *cipher;
144     uint32_t            cipher_id;
145 } QUIC_HDR_PROTECTOR;
146
147 #  define QUIC_HDR_PROT_CIPHER_AES_128    1
148 #  define QUIC_HDR_PROT_CIPHER_AES_256    2
149 #  define QUIC_HDR_PROT_CIPHER_CHACHA     3
150
151 /*
152  * Initialises a header protector.
153  *
154  *   cipher_id:
155  *      The header protection cipher method to use. One of
156  *      QUIC_HDR_PROT_CIPHER_*. Must be chosen based on negotiated TLS cipher
157  *      suite.
158  *
159  *   quic_hp_key:
160  *      This must be the "quic hp" key derived from a traffic secret.
161  *
162  *      The length of the quic_hp_key must correspond to that expected for the
163  *      given cipher ID.
164  *
165  * The header protector performs amortisable initialisation in this function,
166  * therefore a header protector should be used for as long as possible.
167  *
168  * Returns 1 on success and 0 on failure.
169  */
170 int ossl_quic_hdr_protector_init(QUIC_HDR_PROTECTOR *hpr,
171                                  OSSL_LIB_CTX *libctx,
172                                  const char *propq,
173                                  uint32_t cipher_id,
174                                  const unsigned char *quic_hp_key,
175                                  size_t quic_hp_key_len);
176
177 /*
178  * Destroys a header protector. This is also safe to call on a zero-initialized
179  * OSSL_QUIC_HDR_PROTECTOR structure which has not been initialized, or which
180  * has already been destroyed.
181  */
182 void ossl_quic_hdr_protector_cleanup(QUIC_HDR_PROTECTOR *hpr);
183
184 /*
185  * Removes header protection from a packet. The packet payload must currently be
186  * encrypted (i.e., you must remove header protection before decrypting packets
187  * received). The function examines the header buffer to determine which bytes
188  * of the header need to be decrypted.
189  *
190  * If this function fails, no data is modified.
191  *
192  * This is implemented as a call to ossl_quic_hdr_protector_decrypt_fields().
193  *
194  * Returns 1 on success and 0 on failure.
195  */
196 int ossl_quic_hdr_protector_decrypt(QUIC_HDR_PROTECTOR *hpr,
197                                     QUIC_PKT_HDR_PTRS *ptrs);
198
199 /*
200  * Applies header protection to a packet. The packet payload must already have
201  * been encrypted (i.e., you must apply header protection after encrypting
202  * a packet). The function examines the header buffer to determine which bytes
203  * of the header need to be encrypted.
204  *
205  * This is implemented as a call to ossl_quic_hdr_protector_encrypt_fields().
206  *
207  * Returns 1 on success and 0 on failure.
208  */
209 int ossl_quic_hdr_protector_encrypt(QUIC_HDR_PROTECTOR *hpr,
210                                     QUIC_PKT_HDR_PTRS *ptrs);
211
212 /*
213  * Removes header protection from a packet. The packet payload must currently
214  * be encrypted. This is a low-level function which assumes you have already
215  * determined which parts of the packet header need to be decrypted.
216  *
217  * sample:
218  *   The range of bytes in the packet to be used to generate the header
219  *   protection mask. It is permissible to set sample_len to the size of the
220  *   remainder of the packet; this function will only use as many bytes as
221  *   needed. If not enough sample bytes are provided, this function fails.
222  *
223  * first_byte:
224  *   The first byte of the QUIC packet header to be decrypted.
225  *
226  * pn:
227  *   Pointer to the start of the PN field. The caller is responsible
228  *   for ensuring at least four bytes follow this pointer.
229  *
230  * Returns 1 on success and 0 on failure.
231  */
232 int ossl_quic_hdr_protector_decrypt_fields(QUIC_HDR_PROTECTOR *hpr,
233                                            const unsigned char *sample,
234                                            size_t sample_len,
235                                            unsigned char *first_byte,
236                                            unsigned char *pn_bytes);
237
238 /*
239  * Works analogously to ossl_hdr_protector_decrypt_fields, but applies header
240  * protection instead of removing it.
241  */
242 int ossl_quic_hdr_protector_encrypt_fields(QUIC_HDR_PROTECTOR *hpr,
243                                            const unsigned char *sample,
244                                            size_t sample_len,
245                                            unsigned char *first_byte,
246                                            unsigned char *pn_bytes);
247
248 /*
249  * QUIC Packet Header
250  * ==================
251  *
252  * This structure provides a logical representation of a QUIC packet header.
253  *
254  * QUIC packet formats fall into the following categories:
255  *
256  *   Long Packets, which is subdivided into five possible packet types:
257  *     Version Negotiation (a special case);
258  *     Initial;
259  *     0-RTT;
260  *     Handshake; and
261  *     Retry
262  *
263  *   Short Packets, which comprises only a single packet type (1-RTT).
264  *
265  * The packet formats vary and common fields are found in some packets but
266  * not others. The below table indicates which fields are present in which
267  * kinds of packet. * indicates header protection is applied.
268  *
269  *   SLLLLL         Legend: 1=1-RTT, i=Initial, 0=0-RTT, h=Handshake
270  *   1i0hrv                 r=Retry, v=Version Negotiation
271  *   ------
272  *   1i0hrv         Header Form (0=Short, 1=Long)
273  *   1i0hr          Fixed Bit (always 1)
274  *   1              Spin Bit
275  *   1       *      Reserved Bits
276  *   1       *      Key Phase
277  *   1i0h    *      Packet Number Length
278  *    i0hr?         Long Packet Type
279  *    i0h           Type-Specific Bits
280  *    i0hr          Version (note: always 0 for Version Negotiation packets)
281  *   1i0hrv         Destination Connection ID
282  *    i0hrv         Source Connection ID
283  *   1i0h    *      Packet Number
284  *    i             Token
285  *    i0h           Length
286  *       r          Retry Token
287  *       r          Retry Integrity Tag
288  *
289  * For each field below, the conditions under which the field is valid are
290  * specified. If a field is not currently valid, it is initialized to a zero or
291  * NULL value.
292  */
293 typedef struct quic_pkt_hdr_st {
294     /* [ALL] A QUIC_PKT_TYPE_* value. Always valid. */
295     unsigned int    type        :8;
296
297     /* [S] Value of the spin bit. Valid if (type == 1RTT). */
298     unsigned int    spin_bit    :1;
299
300     /*
301      * [S] Value of the Key Phase bit in the short packet.
302      * Valid if (type == 1RTT && !partial).
303      */
304     unsigned int    key_phase   :1;
305
306     /*
307      * [1i0h] Length of packet number in bytes. This is the decoded value.
308      * Valid if ((type == 1RTT || (version && type != RETRY)) && !partial).
309      */
310     unsigned int    pn_len      :4;
311
312     /*
313      * [ALL] Set to 1 if this is a partial decode because the packet header
314      * has not yet been deprotected. pn_len, pn and key_phase are not valid if
315      * this is set.
316      */
317     unsigned int    partial     :1;
318
319     /*
320      * [ALL] Whether the fixed bit was set. Note that only Version Negotiation
321      * packets are allowed to have this unset, so this will always be 1 for all
322      * other packet types (decode will fail if it is not set). Ignored when
323      * encoding unless encoding a Version Negotiation packet.
324      */
325     unsigned int    fixed       :1;
326
327     /*
328      * The unused bits in the low 4 bits of a Retry packet header's first byte.
329      * This is used to ensure that Retry packets have the same bit-for-bit
330      * representation in their header when decoding and encoding them again.
331      * This is necessary to validate Retry packet headers.
332      */
333     unsigned int    unused      :4;
334
335     /* [L] Version field. Valid if (type != 1RTT). */
336     uint32_t        version;
337
338     /* [ALL] The destination connection ID. Always valid. */
339     QUIC_CONN_ID    dst_conn_id;
340
341     /*
342      * [L] The source connection ID.
343      * Valid if (type != 1RTT).
344      */
345     QUIC_CONN_ID    src_conn_id;
346
347     /*
348      * [1i0h] Relatively-encoded packet number in raw, encoded form. The correct
349      * decoding of this value is context-dependent. The number of bytes valid in
350      * this buffer is determined by pn_len above. If the decode was partial,
351      * this field is not valid.
352      *
353      * Valid if ((type == 1RTT || (version && type != RETRY)) && !partial).
354      */
355     unsigned char           pn[4];
356
357     /*
358      * [i] Token field in Initial packet. Points to memory inside the decoded
359      * PACKET, and therefore is valid for as long as the PACKET's buffer is
360      * valid. token_len is the length of the token in bytes.
361      *
362      * Valid if (type == INITIAL).
363      */
364     const unsigned char    *token;
365     size_t                  token_len;
366
367     /*
368      * [ALL] Payload length in bytes.
369      *
370      * Though 1-RTT, Retry and Version Negotiation packets do not contain an
371      * explicit length field, this field is always valid and is used by the
372      * packet header encoding and decoding routines to describe the payload
373      * length, regardless of whether the packet type encoded or decoded uses an
374      * explicit length indication.
375      */
376     size_t                  len;
377
378     /*
379      * Pointer to start of payload data in the packet. Points to memory inside
380      * the decoded PACKET, and therefore is valid for as long as the PACKET'S
381      * buffer is valid. The length of the buffer in bytes is in len above.
382      *
383      * For Version Negotiation packets, points to the array of supported
384      * versions.
385      *
386      * For Retry packets, points to the Retry packet payload, which comprises
387      * the Retry Token followed by a 16-byte Retry Integrity Tag.
388      *
389      * Regardless of whether a packet is a Version Negotiation packet (where the
390      * payload contains a list of supported versions), a Retry packet (where the
391      * payload contains a Retry Token and Retry Integrity Tag), or any other
392      * packet type (where the payload contains frames), the payload is not
393      * validated and the user must parse the payload bearing this in mind.
394      *
395      * If the decode was partial (partial is set), this points to the start of
396      * the packet number field, rather than the protected payload, as the length
397      * of the packet number field is unknown. The len field reflects this in
398      * this case (i.e., the len field is the number of payload bytes plus the
399      * number of bytes comprising the PN).
400      */
401     const unsigned char    *data;
402 } QUIC_PKT_HDR;
403
404 /*
405  * Extra information which can be output by the packet header decode functions
406  * for the assistance of the header protector. This avoids the header protector
407  * needing to partially re-decode the packet header.
408  */
409 struct quic_pkt_hdr_ptrs_st {
410     unsigned char    *raw_start;        /* start of packet */
411     unsigned char    *raw_sample;       /* start of sampling range */
412     size_t            raw_sample_len;   /* maximum length of sampling range */
413
414     /*
415      * Start of PN field. Guaranteed to be NULL unless at least four bytes are
416      * available via this pointer.
417      */
418     unsigned char    *raw_pn;
419 };
420
421 /*
422  * If partial is 1, reads the unprotected parts of a protected packet header
423  * from a PACKET, performing a partial decode.
424  *
425  * If partial is 0, the input is assumed to have already had header protection
426  * removed, and all header fields are decoded.
427  *
428  * If nodata is 1, the input is assumed to have no payload data in it. Otherwise
429  * payload data must be present.
430  *
431  * On success, the logical decode of the packet header is written to *hdr.
432  * hdr->partial is set or cleared according to whether a partial decode was
433  * performed. *ptrs is filled with pointers to various parts of the packet
434  * buffer.
435  *
436  * In order to decode short packets, the connection ID length being used must be
437  * known contextually, and should be passed as short_conn_id_len. If
438  * short_conn_id_len is set to an invalid value (a value greater than
439  * QUIC_MAX_CONN_ID_LEN), this function fails when trying to decode a short
440  * packet, but succeeds for long packets.
441  *
442  * Returns 1 on success and 0 on failure.
443  */
444 int ossl_quic_wire_decode_pkt_hdr(PACKET *pkt,
445                                   size_t short_conn_id_len,
446                                   int partial,
447                                   int nodata,
448                                   QUIC_PKT_HDR *hdr,
449                                   QUIC_PKT_HDR_PTRS *ptrs);
450
451 /*
452  * Encodes a packet header. The packet is written to pkt.
453  *
454  * The length of the (encrypted) packet payload should be written to hdr->len
455  * and will be placed in the serialized packet header. The payload data itself
456  * is not copied; the caller should write hdr->len bytes of encrypted payload to
457  * the WPACKET immediately after the call to this function. However,
458  * WPACKET_reserve_bytes is called for the payload size.
459  *
460  * This function does not apply header protection. You must apply header
461  * protection yourself after calling this function. *ptrs is filled with
462  * pointers which can be passed to a header protector, but this must be
463  * performed after the encrypted payload is written.
464  *
465  * The pointers in *ptrs are direct pointers into the WPACKET buffer. If more
466  * data is written to the WPACKET buffer, WPACKET buffer reallocations may
467  * occur, causing these pointers to become invalid. Therefore, you must not call
468  * any write WPACKET function between this call and the call to
469  * ossl_quic_hdr_protector_encrypt. This function calls WPACKET_reserve_bytes
470  * for the payload length, so you may assume hdr->len bytes are already free to
471  * write at the WPACKET cursor location once this function returns successfully.
472  * It is recommended that you call this function, write the encrypted payload,
473  * call ossl_quic_hdr_protector_encrypt, and then call
474  * WPACKET_allocate_bytes(hdr->len).
475  *
476  * Version Negotiation and Retry packets do not use header protection; for these
477  * header types, the fields in *ptrs are all written as zero. Version
478  * Negotiation, Retry and 1-RTT packets do not contain a Length field, but
479  * hdr->len bytes of data are still reserved in the WPACKET.
480  *
481  * If serializing a short packet and short_conn_id_len does not match the DCID
482  * specified in hdr, the function fails.
483  *
484  * Returns 1 on success and 0 on failure.
485  */
486 int ossl_quic_wire_encode_pkt_hdr(WPACKET *pkt,
487                                   size_t short_conn_id_len,
488                                   const QUIC_PKT_HDR *hdr,
489                                   QUIC_PKT_HDR_PTRS *ptrs);
490
491 /*
492  * Retrieves only the DCID from a packet header. This is intended for demuxer
493  * use. It avoids the need to parse the rest of the packet header twice.
494  *
495  * Information on packet length is not decoded, as this only needs to be used on
496  * the first packet in a datagram, therefore this takes a buffer and not a
497  * PACKET.
498  *
499  * Returns 1 on success and 0 on failure.
500  */
501 int ossl_quic_wire_get_pkt_hdr_dst_conn_id(const unsigned char *buf,
502                                            size_t buf_len,
503                                            size_t short_conn_id_len,
504                                            QUIC_CONN_ID *dst_conn_id);
505
506 /*
507  * Precisely predicts the encoded length of a packet header structure.
508  *
509  * May return 0 if the packet header is not valid, but the fact that this
510  * function returns non-zero does not guarantee that
511  * ossl_quic_wire_encode_pkt_hdr() will succeed.
512  */
513 int ossl_quic_wire_get_encoded_pkt_hdr_len(size_t short_conn_id_len,
514                                            const QUIC_PKT_HDR *hdr);
515
516 /*
517  * Packet Number Encoding
518  * ======================
519  */
520
521 /*
522  * Decode an encoded packet header QUIC PN.
523  *
524  * enc_pn is the raw encoded PN to decode. enc_pn_len is its length in bytes as
525  * indicated by packet headers. largest_pn is the largest PN successfully
526  * processed in the relevant PN space.
527  *
528  * The resulting PN is written to *res_pn.
529  *
530  * Returns 1 on success or 0 on failure.
531  */
532 int ossl_quic_wire_decode_pkt_hdr_pn(const unsigned char *enc_pn,
533                                      size_t enc_pn_len,
534                                      QUIC_PN largest_pn,
535                                      QUIC_PN *res_pn);
536
537 /*
538  * Determine how many bytes should be used to encode a PN. Returns the number of
539  * bytes (which will be in range [1, 4]).
540  */
541 int ossl_quic_wire_determine_pn_len(QUIC_PN pn, QUIC_PN largest_acked);
542
543 /*
544  * Encode a PN for a packet header using the specified number of bytes, which
545  * should have been determined by calling ossl_quic_wire_determine_pn_len. The
546  * PN encoding process is done in two parts to allow the caller to override PN
547  * encoding length if it wishes.
548  *
549  * Returns 1 on success and 0 on failure.
550  */
551 int ossl_quic_wire_encode_pkt_hdr_pn(QUIC_PN pn,
552                                      unsigned char *enc_pn,
553                                      size_t enc_pn_len);
554
555 /*
556  * Retry Integrity Tags
557  * ====================
558  */
559
560 #  define QUIC_RETRY_INTEGRITY_TAG_LEN    16
561
562 /*
563  * Validate a retry integrity tag. Returns 1 if the tag is valid.
564  *
565  * Must be called on a hdr with a type of QUIC_PKT_TYPE_RETRY with a valid data
566  * pointer.
567  *
568  * client_initial_dcid must be the original DCID used by the client in its first
569  * Initial packet, as this is used to calculate the Retry Integrity Tag.
570  *
571  * Returns 0 if the tag is invalid, if called on any other type of packet or if
572  * the body is too short.
573  */
574 int ossl_quic_validate_retry_integrity_tag(OSSL_LIB_CTX *libctx,
575                                            const char *propq,
576                                            const QUIC_PKT_HDR *hdr,
577                                            const QUIC_CONN_ID *client_initial_dcid);
578
579 /*
580  * Calculates a retry integrity tag. Returns 0 on error, for example if hdr does
581  * not have a type of QUIC_PKT_TYPE_RETRY.
582  *
583  * client_initial_dcid must be the original DCID used by the client in its first
584  * Initial packet, as this is used to calculate the Retry Integrity Tag.
585  *
586  * tag must point to a buffer of QUIC_RETRY_INTEGRITY_TAG_LEN bytes in size.
587  *
588  * Note that hdr->data must point to the Retry packet body, and hdr->len must
589  * include the space for the Retry Integrity Tag. (This means that you can
590  * easily fill in a tag in a Retry packet you are generating by calling this
591  * function and passing (hdr->data + hdr->len - QUIC_RETRY_INTEGRITY_TAG_LEN) as
592  * the tag argument.) This function fails if hdr->len is too short to contain a
593  * Retry Integrity Tag.
594  */
595 int ossl_quic_calculate_retry_integrity_tag(OSSL_LIB_CTX *libctx,
596                                             const char *propq,
597                                             const QUIC_PKT_HDR *hdr,
598                                             const QUIC_CONN_ID *client_initial_dcid,
599                                             unsigned char *tag);
600
601 # endif
602
603 #endif