crypto/dsa/dsa_ossl.c

   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 #include <stdio.h>
  11 #include "internal/cryptlib.h"
  12 #include "crypto/bn.h"
  13 #include <openssl/bn.h>
  14 #include <openssl/sha.h>
  15 #include "dsa_local.h"
  16 #include <openssl/asn1.h>
  17
  18 static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa);
  19 static int dsa_sign_setup_no_digest(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
  20                                     BIGNUM **rp);
  21 static int dsa_sign_setup(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
  22                           BIGNUM **rp, const unsigned char *dgst, int dlen);
  23 static int dsa_do_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
  24                          DSA_SIG *sig, DSA *dsa);
  25 static int dsa_init(DSA *dsa);
  26 static int dsa_finish(DSA *dsa);
  27 static BIGNUM *dsa_mod_inverse_fermat(const BIGNUM *k, const BIGNUM *q,
  28                                       BN_CTX *ctx);
  29
  30 static DSA_METHOD openssl_dsa_meth = {
  31     "OpenSSL DSA method",
  32     dsa_do_sign,
  33     dsa_sign_setup_no_digest,
  34     dsa_do_verify,
  35     NULL,                       /* dsa_mod_exp, */
  36     NULL,                       /* dsa_bn_mod_exp, */
  37     dsa_init,
  38     dsa_finish,
  39     DSA_FLAG_FIPS_METHOD,
  40     NULL,
  41     NULL,
  42     NULL
  43 };
  44
  45 static const DSA_METHOD *default_DSA_method = &openssl_dsa_meth;
  46
  47 #ifndef FIPS_MODE
  48 void DSA_set_default_method(const DSA_METHOD *meth)
  49 {
  50     default_DSA_method = meth;
  51 }
  52 #endif /* FIPS_MODE */
  53
  54 const DSA_METHOD *DSA_get_default_method(void)
  55 {
  56     return default_DSA_method;
  57 }
  58
  59 const DSA_METHOD *DSA_OpenSSL(void)
  60 {
  61     return &openssl_dsa_meth;
  62 }
  63
  64 DSA_SIG *dsa_do_sign_int(OPENSSL_CTX *libctx, const unsigned char *dgst,
  65                          int dlen, DSA *dsa)
  66 {
  67     BIGNUM *kinv = NULL;
  68     BIGNUM *m, *blind, *blindm, *tmp;
  69     BN_CTX *ctx = NULL;
  70     int reason = ERR_R_BN_LIB;
  71     DSA_SIG *ret = NULL;
  72     int rv = 0;
  73
  74     if (dsa->p == NULL || dsa->q == NULL || dsa->g == NULL) {
  75         reason = DSA_R_MISSING_PARAMETERS;
  76         goto err;
  77     }
  78     if (dsa->priv_key == NULL) {
  79         reason = DSA_R_MISSING_PRIVATE_KEY;
  80         goto err;
  81     }
  82
  83     ret = DSA_SIG_new();
  84     if (ret == NULL)
  85         goto err;
  86     ret->r = BN_new();
  87     ret->s = BN_new();
  88     if (ret->r == NULL || ret->s == NULL)
  89         goto err;
  90
  91     ctx = BN_CTX_new_ex(libctx);
  92     if (ctx == NULL)
  93         goto err;
  94     m = BN_CTX_get(ctx);
  95     blind = BN_CTX_get(ctx);
  96     blindm = BN_CTX_get(ctx);
  97     tmp = BN_CTX_get(ctx);
  98     if (tmp == NULL)
  99         goto err;
 100
 101  redo:
 102     if (!dsa_sign_setup(dsa, ctx, &kinv, &ret->r, dgst, dlen))
 103         goto err;
 104
 105     if (dlen > BN_num_bytes(dsa->q))
 106         /*
 107          * if the digest length is greater than the size of q use the
 108          * BN_num_bits(dsa->q) leftmost bits of the digest, see fips 186-3,
 109          * 4.2
 110          */
 111         dlen = BN_num_bytes(dsa->q);
 112     if (BN_bin2bn(dgst, dlen, m) == NULL)
 113         goto err;
 114
 115     /*
 116      * The normal signature calculation is:
 117      *
 118      *   s := k^-1 * (m + r * priv_key) mod q
 119      *
 120      * We will blind this to protect against side channel attacks
 121      *
 122      *   s := blind^-1 * k^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod q
 123      */
 124
 125     /* Generate a blinding value */
 126     do {
 127         if (!BN_priv_rand_ex(blind, BN_num_bits(dsa->q) - 1,
 128                              BN_RAND_TOP_ANY, BN_RAND_BOTTOM_ANY, ctx))
 129             goto err;
 130     } while (BN_is_zero(blind));
 131     BN_set_flags(blind, BN_FLG_CONSTTIME);
 132     BN_set_flags(blindm, BN_FLG_CONSTTIME);
 133     BN_set_flags(tmp, BN_FLG_CONSTTIME);
 134
 135     /* tmp := blind * priv_key * r mod q */
 136     if (!BN_mod_mul(tmp, blind, dsa->priv_key, dsa->q, ctx))
 137         goto err;
 138     if (!BN_mod_mul(tmp, tmp, ret->r, dsa->q, ctx))
 139         goto err;
 140
 141     /* blindm := blind * m mod q */
 142     if (!BN_mod_mul(blindm, blind, m, dsa->q, ctx))
 143         goto err;
 144
 145     /* s : = (blind * priv_key * r) + (blind * m) mod q */
 146     if (!BN_mod_add_quick(ret->s, tmp, blindm, dsa->q))
 147         goto err;
 148
 149     /* s := s * k^-1 mod q */
 150     if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, kinv, dsa->q, ctx))
 151         goto err;
 152
 153     /* s:= s * blind^-1 mod q */
 154     if (BN_mod_inverse(blind, blind, dsa->q, ctx) == NULL)
 155         goto err;
 156     if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, blind, dsa->q, ctx))
 157         goto err;
 158
 159     /*
 160      * Redo if r or s is zero as required by FIPS 186-3: this is very
 161      * unlikely.
 162      */
 163     if (BN_is_zero(ret->r) || BN_is_zero(ret->s))
 164         goto redo;
 165
 166     rv = 1;
 167
 168  err:
 169     if (rv == 0) {
 170         DSAerr(0, reason);
 171         DSA_SIG_free(ret);
 172         ret = NULL;
 173     }
 174     BN_CTX_free(ctx);
 175     BN_clear_free(kinv);
 176     return ret;
 177 }
 178
 179 static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa)
 180 {
 181     return dsa_do_sign_int(NULL, dgst, dlen, dsa);
 182 }
 183
 184 static int dsa_sign_setup_no_digest(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in,
 185                                     BIGNUM **kinvp, BIGNUM **rp)
 186 {
 187     return dsa_sign_setup(dsa, ctx_in, kinvp, rp, NULL, 0);
 188 }
 189
 190 static int dsa_sign_setup(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in,
 191                           BIGNUM **kinvp, BIGNUM **rp,
 192                           const unsigned char *dgst, int dlen)
 193 {
 194     BN_CTX *ctx = NULL;
 195     BIGNUM *k, *kinv = NULL, *r = *rp;
 196     BIGNUM *l;
 197     int ret = 0;
 198     int q_bits, q_words;
 199
 200     if (!dsa->p || !dsa->q || !dsa->g) {
 201         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, DSA_R_MISSING_PARAMETERS);
 202         return 0;
 203     }
 204
 205     /* Reject obviously invalid parameters */
 206     if (BN_is_zero(dsa->p) || BN_is_zero(dsa->q) || BN_is_zero(dsa->g)) {
 207         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, DSA_R_INVALID_PARAMETERS);
 208         return 0;
 209     }
 210     if (dsa->priv_key == NULL) {
 211         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, DSA_R_MISSING_PRIVATE_KEY);
 212         return 0;
 213     }
 214
 215     k = BN_new();
 216     l = BN_new();
 217     if (k == NULL || l == NULL)
 218         goto err;
 219
 220     if (ctx_in == NULL) {
 221         /* if you don't pass in ctx_in you get a default libctx */
 222         if ((ctx = BN_CTX_new_ex(NULL)) == NULL)
 223             goto err;
 224     } else
 225         ctx = ctx_in;
 226
 227     /* Preallocate space */
 228     q_bits = BN_num_bits(dsa->q);
 229     q_words = bn_get_top(dsa->q);
 230     if (!bn_wexpand(k, q_words + 2)
 231         || !bn_wexpand(l, q_words + 2))
 232         goto err;
 233
 234     /* Get random k */
 235     do {
 236         if (dgst != NULL) {
 237             /*
 238              * We calculate k from SHA512(private_key + H(message) + random).
 239              * This protects the private key from a weak PRNG.
 240              */
 241             if (!BN_generate_dsa_nonce(k, dsa->q, dsa->priv_key, dgst,
 242                                        dlen, ctx))
 243                 goto err;
 244         } else if (!BN_priv_rand_range_ex(k, dsa->q, ctx))
 245             goto err;
 246     } while (BN_is_zero(k));
 247
 248     BN_set_flags(k, BN_FLG_CONSTTIME);
 249     BN_set_flags(l, BN_FLG_CONSTTIME);
 250
 251     if (dsa->flags & DSA_FLAG_CACHE_MONT_P) {
 252         if (!BN_MONT_CTX_set_locked(&dsa->method_mont_p,
 253                                     dsa->lock, dsa->p, ctx))
 254             goto err;
 255     }
 256
 257     /* Compute r = (g^k mod p) mod q */
 258
 259     /*
 260      * We do not want timing information to leak the length of k, so we
 261      * compute G^k using an equivalent scalar of fixed bit-length.
 262      *
 263      * We unconditionally perform both of these additions to prevent a
 264      * small timing information leakage.  We then choose the sum that is
 265      * one bit longer than the modulus.
 266      *
 267      * There are some concerns about the efficacy of doing this.  More
 268      * specifically refer to the discussion starting with:
 269      *     https://github.com/openssl/openssl/pull/7486#discussion_r228323705
 270      * The fix is to rework BN so these gymnastics aren't required.
 271      */
 272     if (!BN_add(l, k, dsa->q)
 273         || !BN_add(k, l, dsa->q))
 274         goto err;
 275
 276     BN_consttime_swap(BN_is_bit_set(l, q_bits), k, l, q_words + 2);
 277
 278     if ((dsa)->meth->bn_mod_exp != NULL) {
 279             if (!dsa->meth->bn_mod_exp(dsa, r, dsa->g, k, dsa->p, ctx,
 280                                        dsa->method_mont_p))
 281                 goto err;
 282     } else {
 283             if (!BN_mod_exp_mont(r, dsa->g, k, dsa->p, ctx, dsa->method_mont_p))
 284                 goto err;
 285     }
 286
 287     if (!BN_mod(r, r, dsa->q, ctx))
 288         goto err;
 289
 290     /* Compute part of 's = inv(k) (m + xr) mod q' */
 291     if ((kinv = dsa_mod_inverse_fermat(k, dsa->q, ctx)) == NULL)
 292         goto err;
 293
 294     BN_clear_free(*kinvp);
 295     *kinvp = kinv;
 296     kinv = NULL;
 297     ret = 1;
 298  err:
 299     if (!ret)
 300         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 301     if (ctx != ctx_in)
 302         BN_CTX_free(ctx);
 303     BN_clear_free(k);
 304     BN_clear_free(l);
 305     return ret;
 306 }
 307
 308 static int dsa_do_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 309                          DSA_SIG *sig, DSA *dsa)
 310 {
 311     BN_CTX *ctx;
 312     BIGNUM *u1, *u2, *t1;
 313     BN_MONT_CTX *mont = NULL;
 314     const BIGNUM *r, *s;
 315     int ret = -1, i;
 316     if (!dsa->p || !dsa->q || !dsa->g) {
 317         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_MISSING_PARAMETERS);
 318         return -1;
 319     }
 320
 321     i = BN_num_bits(dsa->q);
 322     /* fips 186-3 allows only different sizes for q */
 323     if (i != 160 && i != 224 && i != 256) {
 324         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_BAD_Q_VALUE);
 325         return -1;
 326     }
 327
 328     if (BN_num_bits(dsa->p) > OPENSSL_DSA_MAX_MODULUS_BITS) {
 329         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_MODULUS_TOO_LARGE);
 330         return -1;
 331     }
 332     u1 = BN_new();
 333     u2 = BN_new();
 334     t1 = BN_new();
 335     ctx = BN_CTX_new_ex(NULL); /* verify does not need a libctx */
 336     if (u1 == NULL || u2 == NULL || t1 == NULL || ctx == NULL)
 337         goto err;
 338
 339     DSA_SIG_get0(sig, &r, &s);
 340
 341     if (BN_is_zero(r) || BN_is_negative(r) ||
 342         BN_ucmp(r, dsa->q) >= 0) {
 343         ret = 0;
 344         goto err;
 345     }
 346     if (BN_is_zero(s) || BN_is_negative(s) ||
 347         BN_ucmp(s, dsa->q) >= 0) {
 348         ret = 0;
 349         goto err;
 350     }
 351
 352     /*
 353      * Calculate W = inv(S) mod Q save W in u2
 354      */
 355     if ((BN_mod_inverse(u2, s, dsa->q, ctx)) == NULL)
 356         goto err;
 357
 358     /* save M in u1 */
 359     if (dgst_len > (i >> 3))
 360         /*
 361          * if the digest length is greater than the size of q use the
 362          * BN_num_bits(dsa->q) leftmost bits of the digest, see fips 186-3,
 363          * 4.2
 364          */
 365         dgst_len = (i >> 3);
 366     if (BN_bin2bn(dgst, dgst_len, u1) == NULL)
 367         goto err;
 368
 369     /* u1 = M * w mod q */
 370     if (!BN_mod_mul(u1, u1, u2, dsa->q, ctx))
 371         goto err;
 372
 373     /* u2 = r * w mod q */
 374     if (!BN_mod_mul(u2, r, u2, dsa->q, ctx))
 375         goto err;
 376
 377     if (dsa->flags & DSA_FLAG_CACHE_MONT_P) {
 378         mont = BN_MONT_CTX_set_locked(&dsa->method_mont_p,
 379                                       dsa->lock, dsa->p, ctx);
 380         if (!mont)
 381             goto err;
 382     }
 383
 384     if (dsa->meth->dsa_mod_exp != NULL) {
 385         if (!dsa->meth->dsa_mod_exp(dsa, t1, dsa->g, u1, dsa->pub_key, u2,
 386                                     dsa->p, ctx, mont))
 387             goto err;
 388     } else {
 389         if (!BN_mod_exp2_mont(t1, dsa->g, u1, dsa->pub_key, u2, dsa->p, ctx,
 390                               mont))
 391             goto err;
 392     }
 393
 394     /* let u1 = u1 mod q */
 395     if (!BN_mod(u1, t1, dsa->q, ctx))
 396         goto err;
 397
 398     /*
 399      * V is now in u1.  If the signature is correct, it will be equal to R.
 400      */
 401     ret = (BN_ucmp(u1, r) == 0);
 402
 403  err:
 404     if (ret < 0)
 405         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, ERR_R_BN_LIB);
 406     BN_CTX_free(ctx);
 407     BN_free(u1);
 408     BN_free(u2);
 409     BN_free(t1);
 410     return ret;
 411 }
 412
 413 static int dsa_init(DSA *dsa)
 414 {
 415     dsa->flags |= DSA_FLAG_CACHE_MONT_P;
 416     return 1;
 417 }
 418
 419 static int dsa_finish(DSA *dsa)
 420 {
 421     BN_MONT_CTX_free(dsa->method_mont_p);
 422     return 1;
 423 }
 424
 425 /*
 426  * Compute the inverse of k modulo q.
 427  * Since q is prime, Fermat's Little Theorem applies, which reduces this to
 428  * mod-exp operation.  Both the exponent and modulus are public information
 429  * so a mod-exp that doesn't leak the base is sufficient.  A newly allocated
 430  * BIGNUM is returned which the caller must free.
 431  */
 432 static BIGNUM *dsa_mod_inverse_fermat(const BIGNUM *k, const BIGNUM *q,
 433                                       BN_CTX *ctx)
 434 {
 435     BIGNUM *res = NULL;
 436     BIGNUM *r, *e;
 437
 438     if ((r = BN_new()) == NULL)
 439         return NULL;
 440
 441     BN_CTX_start(ctx);
 442     if ((e = BN_CTX_get(ctx)) != NULL
 443             && BN_set_word(r, 2)
 444             && BN_sub(e, q, r)
 445             && BN_mod_exp_mont(r, k, e, q, ctx, NULL))
 446         res = r;
 447     else
 448         BN_free(r);
 449     BN_CTX_end(ctx);
 450     return res;
 451 }