crypto/jpake/jpake.c

   1 #include <openssl/jpake.h>
   2 #include <openssl/crypto.h>
   3 #include <openssl/sha.h>
   4 #include <openssl/err.h>
   5 #include <memory.h>
   6 #include <string.h>
   7
   8 /*
   9  * In the definition, (xa, xb, xc, xd) are Alice's (x1, x2, x3, x4) or
  10  * Bob's (x3, x4, x1, x2). If you see what I mean.
  11  */
  12
  13 typedef struct {
  14     char *name;                 /* Must be unique */
  15     char *peer_name;
  16     BIGNUM *p;
  17     BIGNUM *g;
  18     BIGNUM *q;
  19     BIGNUM *gxc;                /* Alice's g^{x3} or Bob's g^{x1} */
  20     BIGNUM *gxd;                /* Alice's g^{x4} or Bob's g^{x2} */
  21 } JPAKE_CTX_PUBLIC;
  22
  23 struct JPAKE_CTX {
  24     JPAKE_CTX_PUBLIC p;
  25     BIGNUM *secret;             /* The shared secret */
  26     BN_CTX *ctx;
  27     BIGNUM *xa;                 /* Alice's x1 or Bob's x3 */
  28     BIGNUM *xb;                 /* Alice's x2 or Bob's x4 */
  29     BIGNUM *key;                /* The calculated (shared) key */
  30 };
  31
  32 static void JPAKE_ZKP_init(JPAKE_ZKP *zkp)
  33 {
  34     zkp->gr = BN_new();
  35     zkp->b = BN_new();
  36 }
  37
  38 static void JPAKE_ZKP_release(JPAKE_ZKP *zkp)
  39 {
  40     BN_free(zkp->b);
  41     BN_free(zkp->gr);
  42 }
  43
  44 /* Two birds with one stone - make the global name as expected */
  45 #define JPAKE_STEP_PART_init    JPAKE_STEP2_init
  46 #define JPAKE_STEP_PART_release JPAKE_STEP2_release
  47
  48 void JPAKE_STEP_PART_init(JPAKE_STEP_PART *p)
  49 {
  50     p->gx = BN_new();
  51     JPAKE_ZKP_init(&p->zkpx);
  52 }
  53
  54 void JPAKE_STEP_PART_release(JPAKE_STEP_PART *p)
  55 {
  56     JPAKE_ZKP_release(&p->zkpx);
  57     BN_free(p->gx);
  58 }
  59
  60 void JPAKE_STEP1_init(JPAKE_STEP1 *s1)
  61 {
  62     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p1);
  63     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p2);
  64 }
  65
  66 void JPAKE_STEP1_release(JPAKE_STEP1 *s1)
  67 {
  68     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p2);
  69     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p1);
  70 }
  71
  72 static void JPAKE_CTX_init(JPAKE_CTX *ctx, const char *name,
  73                            const char *peer_name, const BIGNUM *p,
  74                            const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
  75                            const BIGNUM *secret)
  76 {
  77     ctx->p.name = OPENSSL_strdup(name);
  78     ctx->p.peer_name = OPENSSL_strdup(peer_name);
  79     ctx->p.p = BN_dup(p);
  80     ctx->p.g = BN_dup(g);
  81     ctx->p.q = BN_dup(q);
  82     ctx->secret = BN_dup(secret);
  83
  84     ctx->p.gxc = BN_new();
  85     ctx->p.gxd = BN_new();
  86
  87     ctx->xa = BN_new();
  88     ctx->xb = BN_new();
  89     ctx->key = BN_new();
  90     ctx->ctx = BN_CTX_new();
  91 }
  92
  93 static void JPAKE_CTX_release(JPAKE_CTX *ctx)
  94 {
  95     BN_CTX_free(ctx->ctx);
  96     BN_clear_free(ctx->key);
  97     BN_clear_free(ctx->xb);
  98     BN_clear_free(ctx->xa);
  99
 100     BN_free(ctx->p.gxd);
 101     BN_free(ctx->p.gxc);
 102
 103     BN_clear_free(ctx->secret);
 104     BN_free(ctx->p.q);
 105     BN_free(ctx->p.g);
 106     BN_free(ctx->p.p);
 107     OPENSSL_free(ctx->p.peer_name);
 108     OPENSSL_free(ctx->p.name);
 109
 110     memset(ctx, 0, sizeof(*ctx));
 111 }
 112
 113 JPAKE_CTX *JPAKE_CTX_new(const char *name, const char *peer_name,
 114                          const BIGNUM *p, const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
 115                          const BIGNUM *secret)
 116 {
 117     JPAKE_CTX *ctx = OPENSSL_malloc(sizeof(*ctx));
 118     if (ctx == NULL)
 119         return NULL;
 120
 121     JPAKE_CTX_init(ctx, name, peer_name, p, g, q, secret);
 122
 123     return ctx;
 124 }
 125
 126 void JPAKE_CTX_free(JPAKE_CTX *ctx)
 127 {
 128     if (!ctx)
 129         return;
 130     JPAKE_CTX_release(ctx);
 131     OPENSSL_free(ctx);
 132 }
 133
 134 static void hashlength(SHA_CTX *sha, size_t l)
 135 {
 136     unsigned char b[2];
 137
 138     OPENSSL_assert(l <= 0xffff);
 139     b[0] = l >> 8;
 140     b[1] = l & 0xff;
 141     SHA1_Update(sha, b, 2);
 142 }
 143
 144 static void hashstring(SHA_CTX *sha, const char *string)
 145 {
 146     size_t l = strlen(string);
 147
 148     hashlength(sha, l);
 149     SHA1_Update(sha, string, l);
 150 }
 151
 152 static int hashbn(SHA_CTX *sha, const BIGNUM *bn)
 153 {
 154     size_t l = BN_num_bytes(bn);
 155     unsigned char *bin = OPENSSL_malloc(l);
 156
 157     if (bin == NULL)
 158         return 0;
 159
 160     hashlength(sha, l);
 161     BN_bn2bin(bn, bin);
 162     SHA1_Update(sha, bin, l);
 163     OPENSSL_free(bin);
 164     return 1;
 165 }
 166
 167 /* h=hash(g, g^r, g^x, name) */
 168 static int zkp_hash(BIGNUM *h, const BIGNUM *zkpg, const JPAKE_STEP_PART *p,
 169                     const char *proof_name)
 170 {
 171     unsigned char md[SHA_DIGEST_LENGTH];
 172     SHA_CTX sha;
 173
 174     /*
 175      * XXX: hash should not allow moving of the boundaries - Java code
 176      * is flawed in this respect. Length encoding seems simplest.
 177      */
 178     SHA1_Init(&sha);
 179     if (!hashbn(&sha, zkpg))
 180         return 0;
 181     OPENSSL_assert(!BN_is_zero(p->zkpx.gr));
 182     if (!hashbn(&sha, p->zkpx.gr))
 183         return 0;
 184     if (!hashbn(&sha, p->gx))
 185         return 0;
 186     hashstring(&sha, proof_name);
 187     SHA1_Final(md, &sha);
 188     BN_bin2bn(md, SHA_DIGEST_LENGTH, h);
 189     return 1;
 190 }
 191
 192 /*
 193  * Prove knowledge of x
 194  * Note that p->gx has already been calculated
 195  */
 196 static int generate_zkp(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 197                         const BIGNUM *zkpg, JPAKE_CTX *ctx)
 198 {
 199     int res = 0;
 200     BIGNUM *r = BN_new();
 201     BIGNUM *h = BN_new();
 202     BIGNUM *t = BN_new();
 203
 204     if (r == NULL || h == NULL || t == NULL)
 205         goto end;
 206
 207    /*-
 208     * r in [0,q)
 209     * XXX: Java chooses r in [0, 2^160) - i.e. distribution not uniform
 210     */
 211     BN_rand_range(r, ctx->p.q);
 212     /* g^r */
 213     BN_mod_exp(p->zkpx.gr, zkpg, r, ctx->p.p, ctx->ctx);
 214
 215     /* h=hash... */
 216     if (!zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.name))
 217         goto end;
 218
 219     /* b = r - x*h */
 220     BN_mod_mul(t, x, h, ctx->p.q, ctx->ctx);
 221     BN_mod_sub(p->zkpx.b, r, t, ctx->p.q, ctx->ctx);
 222
 223     res = 1;
 224  end:
 225     /* cleanup */
 226     BN_free(t);
 227     BN_free(h);
 228     BN_free(r);
 229     return res;
 230 }
 231
 232 static int verify_zkp(const JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *zkpg,
 233                       JPAKE_CTX *ctx)
 234 {
 235     BIGNUM *h = BN_new();
 236     BIGNUM *t1 = BN_new();
 237     BIGNUM *t2 = BN_new();
 238     BIGNUM *t3 = BN_new();
 239     int ret = 0;
 240
 241     if (h == NULL || t1 == NULL || t2 == NULL || t3 == NULL)
 242         goto end;
 243
 244     if (!zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.peer_name))
 245         goto end;
 246
 247     /* t1 = g^b */
 248     BN_mod_exp(t1, zkpg, p->zkpx.b, ctx->p.p, ctx->ctx);
 249     /* t2 = (g^x)^h = g^{hx} */
 250     BN_mod_exp(t2, p->gx, h, ctx->p.p, ctx->ctx);
 251     /* t3 = t1 * t2 = g^{hx} * g^b = g^{hx+b} = g^r (allegedly) */
 252     BN_mod_mul(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 253
 254     /* verify t3 == g^r */
 255     if (BN_cmp(t3, p->zkpx.gr) == 0)
 256         ret = 1;
 257     else
 258         JPAKEerr(JPAKE_F_VERIFY_ZKP, JPAKE_R_ZKP_VERIFY_FAILED);
 259
 260  end:
 261     /* cleanup */
 262     BN_free(t3);
 263     BN_free(t2);
 264     BN_free(t1);
 265     BN_free(h);
 266
 267     return ret;
 268 }
 269
 270 static int generate_step_part(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 271                               const BIGNUM *g, JPAKE_CTX *ctx)
 272 {
 273     BN_mod_exp(p->gx, g, x, ctx->p.p, ctx->ctx);
 274     if (!generate_zkp(p, x, g, ctx))
 275         return 0;
 276     return 1;
 277 }
 278
 279 /* Generate each party's random numbers. xa is in [0, q), xb is in [1, q). */
 280 static void genrand(JPAKE_CTX *ctx)
 281 {
 282     BIGNUM *qm1;
 283
 284     /* xa in [0, q) */
 285     BN_rand_range(ctx->xa, ctx->p.q);
 286
 287     /* q-1 */
 288     qm1 = BN_new();
 289     BN_copy(qm1, ctx->p.q);
 290     BN_sub_word(qm1, 1);
 291
 292     /* ... and xb in [0, q-1) */
 293     BN_rand_range(ctx->xb, qm1);
 294     /* [1, q) */
 295     BN_add_word(ctx->xb, 1);
 296
 297     /* cleanup */
 298     BN_free(qm1);
 299 }
 300
 301 int JPAKE_STEP1_generate(JPAKE_STEP1 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 302 {
 303     genrand(ctx);
 304     if (!generate_step_part(&send->p1, ctx->xa, ctx->p.g, ctx))
 305         return 0;
 306     if (!generate_step_part(&send->p2, ctx->xb, ctx->p.g, ctx))
 307         return 0;
 308
 309     return 1;
 310 }
 311
 312 /* g^x is a legal value */
 313 static int is_legal(const BIGNUM *gx, const JPAKE_CTX *ctx)
 314 {
 315     BIGNUM *t;
 316     int res;
 317
 318     if (BN_is_negative(gx) || BN_is_zero(gx) || BN_cmp(gx, ctx->p.p) >= 0)
 319         return 0;
 320
 321     t = BN_new();
 322     BN_mod_exp(t, gx, ctx->p.q, ctx->p.p, ctx->ctx);
 323     res = BN_is_one(t);
 324     BN_free(t);
 325
 326     return res;
 327 }
 328
 329 int JPAKE_STEP1_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP1 *received)
 330 {
 331     if (!is_legal(received->p1.gx, ctx)) {
 332         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS,
 333                  JPAKE_R_G_TO_THE_X3_IS_NOT_LEGAL);
 334         return 0;
 335     }
 336
 337     if (!is_legal(received->p2.gx, ctx)) {
 338         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS,
 339                  JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_NOT_LEGAL);
 340         return 0;
 341     }
 342
 343     /* verify their ZKP(xc) */
 344     if (!verify_zkp(&received->p1, ctx->p.g, ctx)) {
 345         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X3_FAILED);
 346         return 0;
 347     }
 348
 349     /* verify their ZKP(xd) */
 350     if (!verify_zkp(&received->p2, ctx->p.g, ctx)) {
 351         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X4_FAILED);
 352         return 0;
 353     }
 354
 355     /* g^xd != 1 */
 356     if (BN_is_one(received->p2.gx)) {
 357         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_ONE);
 358         return 0;
 359     }
 360
 361     /* Save the bits we need for later */
 362     BN_copy(ctx->p.gxc, received->p1.gx);
 363     BN_copy(ctx->p.gxd, received->p2.gx);
 364
 365     return 1;
 366 }
 367
 368 int JPAKE_STEP2_generate(JPAKE_STEP2 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 369 {
 370     int ret;
 371
 372     BIGNUM *t1 = BN_new();
 373     BIGNUM *t2 = BN_new();
 374
 375    /*-
 376     * X = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 377     * t1 = g^xa
 378     */
 379     BN_mod_exp(t1, ctx->p.g, ctx->xa, ctx->p.p, ctx->ctx);
 380     /* t2 = t1 * g^{xc} = g^{xa} * g^{xc} = g^{xa + xc} */
 381     BN_mod_mul(t2, t1, ctx->p.gxc, ctx->p.p, ctx->ctx);
 382     /* t1 = t2 * g^{xd} = g^{xa + xc + xd} */
 383     BN_mod_mul(t1, t2, ctx->p.gxd, ctx->p.p, ctx->ctx);
 384     /* t2 = xb * s */
 385     BN_mod_mul(t2, ctx->xb, ctx->secret, ctx->p.q, ctx->ctx);
 386
 387    /*-
 388     * ZKP(xb * s)
 389     * XXX: this is kinda funky, because we're using
 390     *
 391     * g' = g^{xa + xc + xd}
 392     *
 393     * as the generator, which means X is g'^{xb * s}
 394     * X = t1^{t2} = t1^{xb * s} = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 395     */
 396     ret = generate_step_part(send, t2, t1, ctx);
 397
 398     /* cleanup */
 399     BN_free(t1);
 400     BN_free(t2);
 401
 402     return ret;
 403 }
 404
 405 /* gx = g^{xc + xa + xb} * xd * s */
 406 static int compute_key(JPAKE_CTX *ctx, const BIGNUM *gx)
 407 {
 408     BIGNUM *t1 = BN_new();
 409     BIGNUM *t2 = BN_new();
 410     BIGNUM *t3 = BN_new();
 411
 412    /*-
 413     * K = (gx/g^{xb * xd * s})^{xb}
 414     *   = (g^{(xc + xa + xb) * xd * s - xb * xd *s})^{xb}
 415     *   = (g^{(xa + xc) * xd * s})^{xb}
 416     *   = g^{(xa + xc) * xb * xd * s}
 417     * [which is the same regardless of who calculates it]
 418     */
 419
 420     /* t1 = (g^{xd})^{xb} = g^{xb * xd} */
 421     BN_mod_exp(t1, ctx->p.gxd, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 422     /* t2 = -s = q-s */
 423     BN_sub(t2, ctx->p.q, ctx->secret);
 424     /* t3 = t1^t2 = g^{-xb * xd * s} */
 425     BN_mod_exp(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 426     /* t1 = gx * t3 = X/g^{xb * xd * s} */
 427     BN_mod_mul(t1, gx, t3, ctx->p.p, ctx->ctx);
 428     /* K = t1^{xb} */
 429     BN_mod_exp(ctx->key, t1, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 430
 431     /* cleanup */
 432     BN_free(t3);
 433     BN_free(t2);
 434     BN_free(t1);
 435
 436     return 1;
 437 }
 438
 439 int JPAKE_STEP2_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP2 *received)
 440 {
 441     BIGNUM *t1 = BN_new();
 442     BIGNUM *t2 = BN_new();
 443     int ret = 0;
 444
 445    /*-
 446     * g' = g^{xc + xa + xb} [from our POV]
 447     * t1 = xa + xb
 448     */
 449     BN_mod_add(t1, ctx->xa, ctx->xb, ctx->p.q, ctx->ctx);
 450     /* t2 = g^{t1} = g^{xa+xb} */
 451     BN_mod_exp(t2, ctx->p.g, t1, ctx->p.p, ctx->ctx);
 452     /* t1 = g^{xc} * t2 = g^{xc + xa + xb} */
 453     BN_mod_mul(t1, ctx->p.gxc, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 454
 455     if (verify_zkp(received, t1, ctx))
 456         ret = 1;
 457     else
 458         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP2_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_B_FAILED);
 459
 460     compute_key(ctx, received->gx);
 461
 462     /* cleanup */
 463     BN_free(t2);
 464     BN_free(t1);
 465
 466     return ret;
 467 }
 468
 469 static int quickhashbn(unsigned char *md, const BIGNUM *bn)
 470 {
 471     SHA_CTX sha;
 472
 473     SHA1_Init(&sha);
 474     if (!hashbn(&sha, bn))
 475         return 0;
 476     SHA1_Final(md, &sha);
 477     return 1;
 478 }
 479
 480 void JPAKE_STEP3A_init(JPAKE_STEP3A *s3a)
 481 {
 482 }
 483
 484 int JPAKE_STEP3A_generate(JPAKE_STEP3A *send, JPAKE_CTX *ctx)
 485 {
 486     if (!quickhashbn(send->hhk, ctx->key))
 487         return 0;
 488     SHA1(send->hhk, sizeof send->hhk, send->hhk);
 489
 490     return 1;
 491 }
 492
 493 int JPAKE_STEP3A_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3A *received)
 494 {
 495     unsigned char hhk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 496
 497     if (!quickhashbn(hhk, ctx->key))
 498         return 0;
 499     SHA1(hhk, sizeof hhk, hhk);
 500     if (memcmp(hhk, received->hhk, sizeof hhk)) {
 501         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3A_PROCESS,
 502                  JPAKE_R_HASH_OF_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 503         return 0;
 504     }
 505     return 1;
 506 }
 507
 508 void JPAKE_STEP3A_release(JPAKE_STEP3A *s3a)
 509 {
 510 }
 511
 512 void JPAKE_STEP3B_init(JPAKE_STEP3B *s3b)
 513 {
 514 }
 515
 516 int JPAKE_STEP3B_generate(JPAKE_STEP3B *send, JPAKE_CTX *ctx)
 517 {
 518     if (!quickhashbn(send->hk, ctx->key))
 519         return 0;
 520     return 1;
 521 }
 522
 523 int JPAKE_STEP3B_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3B *received)
 524 {
 525     unsigned char hk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 526
 527     if (!quickhashbn(hk, ctx->key))
 528         return 0;
 529     if (memcmp(hk, received->hk, sizeof hk)) {
 530         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3B_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 531         return 0;
 532     }
 533     return 1;
 534 }
 535
 536 void JPAKE_STEP3B_release(JPAKE_STEP3B *s3b)
 537 {
 538 }
 539
 540 const BIGNUM *JPAKE_get_shared_key(JPAKE_CTX *ctx)
 541 {
 542     return ctx->key;
 543 }