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