3ed1d1b15823e9ac375473bf27ea4a9ceed7332d
[openssl.git] / crypto / jpake / jpake.c
1 #include "jpake.h"
2
3 #include <openssl/crypto.h>
4 #include <openssl/sha.h>
5 #include <openssl/err.h>
6 #include <memory.h>
7 #include <assert.h>
8
9 /*
10  * In the definition, (xa, xb, xc, xd) are Alice's (x1, x2, x3, x4) or
11  * Bob's (x3, x4, x1, x2). If you see what I mean.
12  */
13
14 typedef struct
15     {
16     char *name;   // Must be unique
17     char *peer_name;
18     BIGNUM *p;
19     BIGNUM *g;
20     BIGNUM *q;
21     BIGNUM *gxc;  // Alice's g^{x3} or Bob's g^{x1}
22     BIGNUM *gxd;  // Alice's g^{x4} or Bob's g^{x2}
23     } JPAKE_CTX_PUBLIC;
24
25 struct JPAKE_CTX
26     {
27     JPAKE_CTX_PUBLIC p;
28     BIGNUM *secret;    // The shared secret
29     BN_CTX *ctx;
30     BIGNUM *xa;        // Alice's x1 or Bob's x3
31     BIGNUM *xb;        // Alice's x2 or Bob's x4
32     BIGNUM *key;       // The calculated (shared) key
33     };
34
35 static void JPAKE_ZKP_init(JPAKE_ZKP *zkp)
36     {
37     zkp->gr = BN_new();
38     zkp->b = BN_new();
39     }
40
41 static void JPAKE_ZKP_release(JPAKE_ZKP *zkp)
42     {
43     BN_free(zkp->b);
44     BN_free(zkp->gr);
45     }
46
47 // Two birds with one stone - make the global name as expected
48 #define JPAKE_STEP_PART_init    JPAKE_STEP2_init
49 #define JPAKE_STEP_PART_release JPAKE_STEP2_release
50
51 void JPAKE_STEP_PART_init(JPAKE_STEP_PART *p)
52     {
53     p->gx = BN_new();
54     JPAKE_ZKP_init(&p->zkpx);
55     }
56
57 void JPAKE_STEP_PART_release(JPAKE_STEP_PART *p)
58     {
59     JPAKE_ZKP_release(&p->zkpx);
60     BN_free(p->gx);
61     }
62
63 void JPAKE_STEP1_init(JPAKE_STEP1 *s1)
64     {
65     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p1);
66     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p2);
67     }
68
69 void JPAKE_STEP1_release(JPAKE_STEP1 *s1)
70     {
71     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p2);
72     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p1);
73     }
74
75 static void JPAKE_CTX_init(JPAKE_CTX *ctx, const char *name,
76                            const char *peer_name, const BIGNUM *p,
77                            const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
78                            const BIGNUM *secret)
79     {
80     ctx->p.name = OPENSSL_strdup(name);
81     ctx->p.peer_name = OPENSSL_strdup(peer_name);
82     ctx->p.p = BN_dup(p);
83     ctx->p.g = BN_dup(g);
84     ctx->p.q = BN_dup(q);
85     ctx->secret = BN_dup(secret);
86
87     ctx->p.gxc = BN_new();
88     ctx->p.gxd = BN_new();
89
90     ctx->xa = BN_new();
91     ctx->xb = BN_new();
92     ctx->key = BN_new();
93     ctx->ctx = BN_CTX_new();
94     }
95     
96 static void JPAKE_CTX_release(JPAKE_CTX *ctx)
97     {
98     BN_CTX_free(ctx->ctx);
99     BN_clear_free(ctx->key);
100     BN_clear_free(ctx->xb);
101     BN_clear_free(ctx->xa);
102
103     BN_free(ctx->p.gxd);
104     BN_free(ctx->p.gxc);
105
106     BN_clear_free(ctx->secret);
107     BN_free(ctx->p.q);
108     BN_free(ctx->p.g);
109     BN_free(ctx->p.p);
110     OPENSSL_free(ctx->p.peer_name);
111     OPENSSL_free(ctx->p.name);
112
113     memset(ctx, '\0', sizeof *ctx);
114     }
115     
116 JPAKE_CTX *JPAKE_CTX_new(const char *name, const char *peer_name,
117                          const BIGNUM *p, const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
118                          const BIGNUM *secret)
119     {
120     JPAKE_CTX *ctx = OPENSSL_malloc(sizeof *ctx);
121
122     JPAKE_CTX_init(ctx, name, peer_name, p, g, q, secret);
123
124     return ctx;
125     }
126
127 void JPAKE_CTX_free(JPAKE_CTX *ctx)
128     {
129     JPAKE_CTX_release(ctx);
130     OPENSSL_free(ctx);
131     }
132
133 static void hashlength(SHA_CTX *sha, size_t l)
134     {
135     unsigned char b[2];
136
137     assert(l <= 0xffff);
138     b[0] = l >> 8;
139     b[1] = l&0xff;
140     SHA1_Update(sha, b, 2);
141     }
142
143 static void hashstring(SHA_CTX *sha, const char *string)
144     {
145     size_t l = strlen(string);
146
147     hashlength(sha, l);
148     SHA1_Update(sha, string, l);
149     }
150
151 static void hashbn(SHA_CTX *sha, const BIGNUM *bn)
152     {
153     size_t l = BN_num_bytes(bn);
154     unsigned char *bin = alloca(l);
155
156     hashlength(sha, l);
157     BN_bn2bin(bn, bin);
158     SHA1_Update(sha, bin, l);
159     }
160
161 // h=hash(g, g^r, g^x, name)
162 static void zkp_hash(BIGNUM *h, const BIGNUM *zkpg, const JPAKE_STEP_PART *p,
163                      const char *proof_name)
164     {
165     unsigned char md[SHA_DIGEST_LENGTH];
166     SHA_CTX sha;
167
168     // XXX: hash should not allow moving of the boundaries - Java code
169     // is flawed in this respect. Length encoding seems simplest.
170     SHA1_Init(&sha);
171     hashbn(&sha, zkpg);
172     assert(!BN_is_zero(p->zkpx.gr));
173     hashbn(&sha, p->zkpx.gr);
174     hashbn(&sha, p->gx);
175     hashstring(&sha, proof_name);
176     SHA1_Final(md, &sha);
177     BN_bin2bn(md, SHA_DIGEST_LENGTH, h);
178     }
179
180 // Prove knowledge of x
181 // Note that p->gx has already been calculated
182 static void generate_zkp(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
183                          const BIGNUM *zkpg, JPAKE_CTX *ctx)
184     {
185     BIGNUM *r = BN_new();
186     BIGNUM *h = BN_new();
187     BIGNUM *t = BN_new();
188
189     // r in [0,q)
190     // XXX: Java chooses r in [0, 2^160) - i.e. distribution not uniform
191     BN_rand_range(r, ctx->p.q);
192     // g^r
193     BN_mod_exp(p->zkpx.gr, zkpg, r, ctx->p.p, ctx->ctx);
194
195     // h=hash...
196     zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.name);
197
198     // b = r - x*h
199     BN_mod_mul(t, x, h, ctx->p.q, ctx->ctx);
200     BN_mod_sub(p->zkpx.b, r, t, ctx->p.q, ctx->ctx);
201
202     // cleanup
203     BN_free(t);
204     BN_free(h);
205     BN_free(r);
206     }
207
208 static int verify_zkp(const JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *zkpg,
209                       JPAKE_CTX *ctx)
210     {
211     BIGNUM *h = BN_new();
212     BIGNUM *t1 = BN_new();
213     BIGNUM *t2 = BN_new();
214     BIGNUM *t3 = BN_new();
215     int ret = 0;
216
217     zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.peer_name);
218
219     // t1 = g^b
220     BN_mod_exp(t1, zkpg, p->zkpx.b, ctx->p.p, ctx->ctx);
221     // t2 = (g^x)^h = g^{hx}
222     BN_mod_exp(t2, p->gx, h, ctx->p.p, ctx->ctx);
223     // t3 = t1 * t2 = g^{hx} * g^b = g^{hx+b} = g^r (allegedly)
224     BN_mod_mul(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
225
226     // verify t3 == g^r
227     if(BN_cmp(t3, p->zkpx.gr) == 0)
228         ret = 1;
229     else
230         JPAKEerr(JPAKE_F_VERIFY_ZKP, JPAKE_R_ZKP_VERIFY_FAILED);
231
232     // cleanup
233     BN_free(t3);
234     BN_free(t2);
235     BN_free(t1);
236     BN_free(h);
237
238     return ret;
239     }    
240
241 static void generate_step_part(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
242                                const BIGNUM *g, JPAKE_CTX *ctx)
243     {
244     BN_mod_exp(p->gx, g, x, ctx->p.p, ctx->ctx);
245     generate_zkp(p, x, g, ctx);
246     }
247
248 // Generate each party's random numbers. xa is in [0, q), xb is in [1, q).
249 static void genrand(JPAKE_CTX *ctx)
250     {
251     BIGNUM *qm1;
252
253     // xa in [0, q)
254     BN_rand_range(ctx->xa, ctx->p.q);
255
256     // q-1
257     qm1 = BN_new();
258     BN_copy(qm1, ctx->p.q);
259     BN_sub_word(qm1, 1);
260
261     // ... and xb in [0, q-1)
262     BN_rand_range(ctx->xb, qm1);
263     // [1, q)
264     BN_add_word(ctx->xb, 1);
265
266     // cleanup
267     BN_free(qm1);
268     }
269
270 int JPAKE_STEP1_generate(JPAKE_STEP1 *send, JPAKE_CTX *ctx)
271     {
272     genrand(ctx);
273     generate_step_part(&send->p1, ctx->xa, ctx->p.g, ctx);
274     generate_step_part(&send->p2, ctx->xb, ctx->p.g, ctx);
275
276     return 1;
277     }
278
279 int JPAKE_STEP1_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP1 *received)
280     {
281     // verify their ZKP(xc)
282     if(!verify_zkp(&received->p1, ctx->p.g, ctx))
283         {
284         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X3_FAILED);
285         return 0;
286         }
287
288     // verify their ZKP(xd)
289     if(!verify_zkp(&received->p2, ctx->p.g, ctx))
290         {
291         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X4_FAILED);
292         return 0;
293         }
294
295     // g^xd != 1
296     if(BN_is_one(received->p2.gx))
297         {
298         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_ONE);
299         return 0;
300         }
301
302     // Save the bits we need for later
303     BN_copy(ctx->p.gxc, received->p1.gx);
304     BN_copy(ctx->p.gxd, received->p2.gx);
305
306     return 1;
307     }
308
309
310 int JPAKE_STEP2_generate(JPAKE_STEP2 *send, JPAKE_CTX *ctx)
311     {
312     BIGNUM *t1 = BN_new();
313     BIGNUM *t2 = BN_new();
314
315     // X = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
316     // t1 = g^xa
317     BN_mod_exp(t1, ctx->p.g, ctx->xa, ctx->p.p, ctx->ctx);
318     // t2 = t1 * g^{xc} = g^{xa} * g^{xc} = g^{xa + xc}
319     BN_mod_mul(t2, t1, ctx->p.gxc, ctx->p.p, ctx->ctx);
320     // t1 = t2 * g^{xd} = g^{xa + xc + xd}
321     BN_mod_mul(t1, t2, ctx->p.gxd, ctx->p.p, ctx->ctx);
322     // t2 = xb * s
323     BN_mod_mul(t2, ctx->xb, ctx->secret, ctx->p.q, ctx->ctx);
324
325     // ZKP(xb * s)
326     // XXX: this is kinda funky, because we're using
327     //
328     // g' = g^{xa + xc + xd}
329     //
330     // as the generator, which means X is g'^{xb * s}
331     // X = t1^{t2} = t1^{xb * s} = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
332     generate_step_part(send, t2, t1, ctx);
333
334     // cleanup
335     BN_free(t1);
336     BN_free(t2);
337
338     return 1;
339     }
340
341 // gx = g^{xc + xa + xb} * xd * s
342 static int compute_key(JPAKE_CTX *ctx, const BIGNUM *gx)
343     {
344     BIGNUM *t1 = BN_new();
345     BIGNUM *t2 = BN_new();
346     BIGNUM *t3 = BN_new();
347
348     // K = (gx/g^{xb * xd * s})^{xb}
349     //   = (g^{(xc + xa + xb) * xd * s - xb * xd *s})^{xb}
350     //   = (g^{(xa + xc) * xd * s})^{xb}
351     //   = g^{(xa + xc) * xb * xd * s}
352     // [which is the same regardless of who calculates it]
353
354     // t1 = (g^{xd})^{xb} = g^{xb * xd}
355     BN_mod_exp(t1, ctx->p.gxd, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
356     // t2 = -s = q-s
357     BN_sub(t2, ctx->p.q, ctx->secret);
358     // t3 = t1^t2 = g^{-xb * xd * s}
359     BN_mod_exp(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
360     // t1 = gx * t3 = X/g^{xb * xd * s}
361     BN_mod_mul(t1, gx, t3, ctx->p.p, ctx->ctx);
362     // K = t1^{xb}
363     BN_mod_exp(ctx->key, t1, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
364
365     // cleanup
366     BN_free(t3);
367     BN_free(t2);
368     BN_free(t1);
369
370     return 1;
371     }
372
373 int JPAKE_STEP2_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP2 *received)
374     {
375     BIGNUM *t1 = BN_new();
376     BIGNUM *t2 = BN_new();
377     int ret = 0;
378
379     // g' = g^{xc + xa + xb} [from our POV]
380     // t1 = xa + xb
381     BN_mod_add(t1, ctx->xa, ctx->xb, ctx->p.q, ctx->ctx);
382     // t2 = g^{t1} = g^{xa+xb}
383     BN_mod_exp(t2, ctx->p.g, t1, ctx->p.p, ctx->ctx);
384     // t1 = g^{xc} * t2 = g^{xc + xa + xb}
385     BN_mod_mul(t1, ctx->p.gxc, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
386
387     if(verify_zkp(received, t1, ctx))
388         ret = 1;
389     else
390         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP2_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_B_FAILED);
391
392     compute_key(ctx, received->gx);
393
394     // cleanup
395     BN_free(t2);
396     BN_free(t1);
397
398     return ret;
399     }
400
401 static void quickhashbn(unsigned char *md, const BIGNUM *bn)
402     {
403     SHA_CTX sha;
404
405     SHA1_Init(&sha);
406     hashbn(&sha, bn);
407     SHA1_Final(md, &sha);
408     }
409
410 void JPAKE_STEP3A_init(JPAKE_STEP3A *s3a)
411     {}
412
413 int JPAKE_STEP3A_generate(JPAKE_STEP3A *send, JPAKE_CTX *ctx)
414     {
415     quickhashbn(send->hhk, ctx->key);
416     SHA1(send->hhk, sizeof send->hhk, send->hhk);
417
418     return 1;
419     }
420
421 int JPAKE_STEP3A_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3A *received)
422     {
423     unsigned char hhk[SHA_DIGEST_LENGTH];
424
425     quickhashbn(hhk, ctx->key);
426     SHA1(hhk, sizeof hhk, hhk);
427     if(memcmp(hhk, received->hhk, sizeof hhk))
428         {
429         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3A_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
430         return 0;
431         }
432     return 1;
433     }
434
435 void JPAKE_STEP3A_release(JPAKE_STEP3A *s3a)
436     {}
437
438 void JPAKE_STEP3B_init(JPAKE_STEP3B *s3b)
439     {}
440
441 int JPAKE_STEP3B_generate(JPAKE_STEP3B *send, JPAKE_CTX *ctx)
442     {
443     quickhashbn(send->hk, ctx->key);
444
445     return 1;
446     }
447
448 int JPAKE_STEP3B_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3B *received)
449     {
450     unsigned char hk[SHA_DIGEST_LENGTH];
451
452     quickhashbn(hk, ctx->key);
453     if(memcmp(hk, received->hk, sizeof hk))
454         {
455         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3B_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
456         return 0;
457         }
458     return 1;
459     }
460
461 void JPAKE_STEP3B_release(JPAKE_STEP3B *s3b)
462     {}
463
464 const BIGNUM *JPAKE_get_shared_key(JPAKE_CTX *ctx)
465     {
466     return ctx->key;
467     }
468