crypto/kdf/sskdf.c

   1 /*
   2  * Copyright 2019 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  * Copyright (c) 2019, Oracle and/or its affiliates.  All rights reserved.
   4  *
   5  * Licensed under the Apache License 2.0 (the "License").  You may not use
   6  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
   7  * in the file LICENSE in the source distribution or at
   8  * https://www.openssl.org/source/license.html
   9  */
  10
  11 /*
  12  * Refer to https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-56c/rev-1/final
  13  * Section 4.1.
  14  *
  15  * The Single Step KDF algorithm is given by:
  16  *
  17  * Result(0) = empty bit string (i.e., the null string).
  18  * For i = 1 to reps, do the following:
  19  *   Increment counter by 1.
  20  *   Result(i) = Result(i – 1) || H(counter || Z || FixedInfo).
  21  * DKM = LeftmostBits(Result(reps), L))
  22  *
  23  * NOTES:
  24  *   Z is a shared secret required to produce the derived key material.
  25  *   counter is a 4 byte buffer.
  26  *   FixedInfo is a bit string containing context specific data.
  27  *   DKM is the output derived key material.
  28  *   L is the required size of the DKM.
  29  *   reps = [L / H_outputBits]
  30  *   H(x) is the auxiliary function that can be either a hash, HMAC or KMAC.
  31  *   H_outputBits is the length of the output of the auxiliary function H(x).
  32  *
  33  * Currently there is not a comprehensive list of test vectors for this
  34  * algorithm, especially for H(x) = HMAC and H(x) = KMAC.
  35  * Test vectors for H(x) = Hash are indirectly used by CAVS KAS tests.
  36  */
  37 #include <stdlib.h>
  38 #include <stdarg.h>
  39 #include <string.h>
  40 #include <openssl/hmac.h>
  41 #include <openssl/evp.h>
  42 #include <openssl/kdf.h>
  43 #include "internal/cryptlib.h"
  44 #include "internal/evp_int.h"
  45 #include "kdf_local.h"
  46
  47 struct evp_kdf_impl_st {
  48     const EVP_MAC *mac; /* H(x) = HMAC_hash OR H(x) = KMAC */
  49     const EVP_MD *md;   /* H(x) = hash OR when H(x) = HMAC_hash */
  50     unsigned char *secret;
  51     size_t secret_len;
  52     unsigned char *info;
  53     size_t info_len;
  54     unsigned char *salt;
  55     size_t salt_len;
  56     size_t out_len; /* optional KMAC parameter */
  57 };
  58
  59 #define SSKDF_MAX_INLEN (1<<30)
  60 #define SSKDF_KMAC128_DEFAULT_SALT_SIZE (168 - 4)
  61 #define SSKDF_KMAC256_DEFAULT_SALT_SIZE (136 - 4)
  62
  63 /* KMAC uses a Customisation string of 'KDF' */
  64 static const unsigned char kmac_custom_str[] = { 0x4B, 0x44, 0x46 };
  65
  66 /*
  67  * Refer to https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-56c/rev-1/final
  68  * Section 4. One-Step Key Derivation using H(x) = hash(x)
  69  */
  70 static int SSKDF_hash_kdm(const EVP_MD *kdf_md,
  71                           const unsigned char *z, size_t z_len,
  72                           const unsigned char *info, size_t info_len,
  73                           unsigned char *derived_key, size_t derived_key_len)
  74 {
  75     int ret = 0, hlen;
  76     size_t counter, out_len, len = derived_key_len;
  77     unsigned char c[4];
  78     unsigned char mac[EVP_MAX_MD_SIZE];
  79     unsigned char *out = derived_key;
  80     EVP_MD_CTX *ctx = NULL, *ctx_init = NULL;
  81
  82     if (z_len > SSKDF_MAX_INLEN || info_len > SSKDF_MAX_INLEN
  83             || derived_key_len > SSKDF_MAX_INLEN
  84             || derived_key_len == 0)
  85         return 0;
  86
  87     hlen = EVP_MD_size(kdf_md);
  88     if (hlen <= 0)
  89         return 0;
  90     out_len = (size_t)hlen;
  91
  92     ctx = EVP_MD_CTX_create();
  93     ctx_init = EVP_MD_CTX_create();
  94     if (ctx == NULL || ctx_init == NULL)
  95         goto end;
  96
  97     if (!EVP_DigestInit(ctx_init, kdf_md))
  98         goto end;
  99
 100     for (counter = 1;; counter++) {
 101         c[0] = (unsigned char)((counter >> 24) & 0xff);
 102         c[1] = (unsigned char)((counter >> 16) & 0xff);
 103         c[2] = (unsigned char)((counter >> 8) & 0xff);
 104         c[3] = (unsigned char)(counter & 0xff);
 105
 106         if (!(EVP_MD_CTX_copy_ex(ctx, ctx_init)
 107                 && EVP_DigestUpdate(ctx, c, sizeof(c))
 108                 && EVP_DigestUpdate(ctx, z, z_len)
 109                 && EVP_DigestUpdate(ctx, info, info_len)))
 110             goto end;
 111         if (len >= out_len) {
 112             if (!EVP_DigestFinal_ex(ctx, out, NULL))
 113                 goto end;
 114             out += out_len;
 115             len -= out_len;
 116             if (len == 0)
 117                 break;
 118         } else {
 119             if (!EVP_DigestFinal_ex(ctx, mac, NULL))
 120                 goto end;
 121             memcpy(out, mac, len);
 122             break;
 123         }
 124     }
 125     ret = 1;
 126 end:
 127     EVP_MD_CTX_destroy(ctx);
 128     EVP_MD_CTX_destroy(ctx_init);
 129     OPENSSL_cleanse(mac, sizeof(mac));
 130     return ret;
 131 }
 132
 133 static int kmac_init(EVP_MAC_CTX *ctx, const unsigned char *custom,
 134                      size_t custom_len, size_t kmac_out_len,
 135                      size_t derived_key_len, unsigned char **out)
 136 {
 137     /* Only KMAC has custom data - so return if not KMAC */
 138     if (custom == NULL)
 139         return 1;
 140
 141     if (EVP_MAC_ctrl(ctx, EVP_MAC_CTRL_SET_CUSTOM, custom, custom_len) <= 0)
 142         return 0;
 143
 144     /* By default only do one iteration if kmac_out_len is not specified */
 145     if (kmac_out_len == 0)
 146         kmac_out_len = derived_key_len;
 147     /* otherwise check the size is valid */
 148     else if (!(kmac_out_len == derived_key_len
 149             || kmac_out_len == 20
 150             || kmac_out_len == 28
 151             || kmac_out_len == 32
 152             || kmac_out_len == 48
 153             || kmac_out_len == 64))
 154         return 0;
 155
 156     if (EVP_MAC_ctrl(ctx, EVP_MAC_CTRL_SET_SIZE, kmac_out_len) <= 0)
 157         return 0;
 158
 159     /*
 160      * For kmac the output buffer can be larger than EVP_MAX_MD_SIZE: so
 161      * alloc a buffer for this case.
 162      */
 163     if (kmac_out_len > EVP_MAX_MD_SIZE) {
 164         *out = OPENSSL_zalloc(kmac_out_len);
 165         if (*out == NULL)
 166             return 0;
 167     }
 168     return 1;
 169 }
 170
 171 /*
 172  * Refer to https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-56c/rev-1/final
 173  * Section 4. One-Step Key Derivation using MAC: i.e either
 174  *     H(x) = HMAC-hash(salt, x) OR
 175  *     H(x) = KMAC#(salt, x, outbits, CustomString='KDF')
 176  */
 177 static int SSKDF_mac_kdm(const EVP_MAC *kdf_mac, const EVP_MD *hmac_md,
 178                          const unsigned char *kmac_custom,
 179                          size_t kmac_custom_len, size_t kmac_out_len,
 180                          const unsigned char *salt, size_t salt_len,
 181                          const unsigned char *z, size_t z_len,
 182                          const unsigned char *info, size_t info_len,
 183                          unsigned char *derived_key, size_t derived_key_len)
 184 {
 185     int ret = 0;
 186     size_t counter, out_len, len;
 187     unsigned char c[4];
 188     unsigned char mac_buf[EVP_MAX_MD_SIZE];
 189     unsigned char *out = derived_key;
 190     EVP_MAC_CTX *ctx = NULL, *ctx_init = NULL;
 191     unsigned char *mac = mac_buf, *kmac_buffer = NULL;
 192
 193     if (z_len > SSKDF_MAX_INLEN || info_len > SSKDF_MAX_INLEN
 194             || derived_key_len > SSKDF_MAX_INLEN
 195             || derived_key_len == 0)
 196         return 0;
 197
 198     ctx = EVP_MAC_CTX_new(kdf_mac);
 199     ctx_init = EVP_MAC_CTX_new(kdf_mac);
 200     if (ctx == NULL || ctx_init == NULL)
 201         goto end;
 202     if (hmac_md != NULL &&
 203             EVP_MAC_ctrl(ctx_init, EVP_MAC_CTRL_SET_MD, hmac_md) <= 0)
 204         goto end;
 205
 206     if (EVP_MAC_ctrl(ctx_init, EVP_MAC_CTRL_SET_KEY, salt, salt_len) <= 0)
 207         goto end;
 208
 209     if (!kmac_init(ctx_init, kmac_custom, kmac_custom_len, kmac_out_len,
 210                    derived_key_len, &kmac_buffer))
 211         goto end;
 212     if (kmac_buffer != NULL)
 213         mac = kmac_buffer;
 214
 215     if (!EVP_MAC_init(ctx_init))
 216         goto end;
 217
 218     out_len = EVP_MAC_size(ctx_init); /* output size */
 219     if (out_len <= 0)
 220         goto end;
 221     len = derived_key_len;
 222
 223     for (counter = 1;; counter++) {
 224         c[0] = (unsigned char)((counter >> 24) & 0xff);
 225         c[1] = (unsigned char)((counter >> 16) & 0xff);
 226         c[2] = (unsigned char)((counter >> 8) & 0xff);
 227         c[3] = (unsigned char)(counter & 0xff);
 228
 229         if (!(EVP_MAC_CTX_copy(ctx, ctx_init)
 230                 && EVP_MAC_update(ctx, c, sizeof(c))
 231                 && EVP_MAC_update(ctx, z, z_len)
 232                 && EVP_MAC_update(ctx, info, info_len)))
 233             goto end;
 234         if (len >= out_len) {
 235             if (!EVP_MAC_final(ctx, out, NULL))
 236                 goto end;
 237             out += out_len;
 238             len -= out_len;
 239             if (len == 0)
 240                 break;
 241         } else {
 242             if (!EVP_MAC_final(ctx, mac, NULL))
 243                 goto end;
 244             memcpy(out, mac, len);
 245             break;
 246         }
 247     }
 248     ret = 1;
 249 end:
 250     if (kmac_buffer != NULL)
 251         OPENSSL_clear_free(kmac_buffer, kmac_out_len);
 252     else
 253         OPENSSL_cleanse(mac_buf, sizeof(mac_buf));
 254
 255     EVP_MAC_CTX_free(ctx);
 256     EVP_MAC_CTX_free(ctx_init);
 257     return ret;
 258 }
 259
 260 static EVP_KDF_IMPL *sskdf_new(void)
 261 {
 262     EVP_KDF_IMPL *impl;
 263
 264     if ((impl = OPENSSL_zalloc(sizeof(*impl))) == NULL)
 265         KDFerr(KDF_F_SSKDF_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 266     return impl;
 267 }
 268
 269 static void sskdf_reset(EVP_KDF_IMPL *impl)
 270 {
 271     OPENSSL_clear_free(impl->secret, impl->secret_len);
 272     OPENSSL_clear_free(impl->info, impl->info_len);
 273     OPENSSL_clear_free(impl->salt, impl->salt_len);
 274     memset(impl, 0, sizeof(*impl));
 275 }
 276
 277 static void sskdf_free(EVP_KDF_IMPL *impl)
 278 {
 279     sskdf_reset(impl);
 280     OPENSSL_free(impl);
 281 }
 282
 283 static int sskdf_set_buffer(va_list args, unsigned char **out, size_t *out_len)
 284 {
 285     const unsigned char *p;
 286     size_t len;
 287
 288     p = va_arg(args, const unsigned char *);
 289     len = va_arg(args, size_t);
 290     if (len == 0 || p == NULL)
 291         return 1;
 292
 293     OPENSSL_free(*out);
 294     *out = OPENSSL_memdup(p, len);
 295     if (*out == NULL)
 296         return 0;
 297
 298     *out_len = len;
 299     return 1;
 300 }
 301
 302 static int sskdf_ctrl(EVP_KDF_IMPL *impl, int cmd, va_list args)
 303 {
 304     const EVP_MD *md;
 305     const EVP_MAC *mac;
 306
 307     switch (cmd) {
 308     case EVP_KDF_CTRL_SET_KEY:
 309         return sskdf_set_buffer(args, &impl->secret, &impl->secret_len);
 310
 311     case EVP_KDF_CTRL_SET_SSKDF_INFO:
 312         return sskdf_set_buffer(args, &impl->info, &impl->info_len);
 313
 314     case EVP_KDF_CTRL_SET_MD:
 315         md = va_arg(args, const EVP_MD *);
 316         if (md == NULL)
 317             return 0;
 318
 319         impl->md = md;
 320         return 1;
 321
 322     case EVP_KDF_CTRL_SET_MAC:
 323         mac = va_arg(args, const EVP_MAC *);
 324         if (mac == NULL)
 325             return 0;
 326
 327         impl->mac = mac;
 328         return 1;
 329
 330     case EVP_KDF_CTRL_SET_SALT:
 331         return sskdf_set_buffer(args, &impl->salt, &impl->salt_len);
 332
 333     case EVP_KDF_CTRL_SET_MAC_SIZE:
 334         impl->out_len = va_arg(args, size_t);
 335         return 1;
 336
 337     default:
 338         return -2;
 339     }
 340 }
 341
 342 /* Pass a mac to a ctrl */
 343 static int sskdf_mac2ctrl(EVP_KDF_IMPL *impl,
 344                           int (*ctrl)(EVP_KDF_IMPL *impl, int cmd, va_list args),
 345                           int cmd, const char *mac_name)
 346 {
 347     const EVP_MAC *mac;
 348
 349     if (mac_name == NULL || (mac = EVP_get_macbyname(mac_name)) == NULL) {
 350         KDFerr(KDF_F_SSKDF_MAC2CTRL, KDF_R_INVALID_MAC_TYPE);
 351         return 0;
 352     }
 353     return call_ctrl(ctrl, impl, cmd, mac);
 354 }
 355
 356 static int sskdf_ctrl_str(EVP_KDF_IMPL *impl, const char *type,
 357                           const char *value)
 358 {
 359     if (strcmp(type, "secret") == 0 || strcmp(type, "key") == 0)
 360          return kdf_str2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_KEY,
 361                              value);
 362
 363     if (strcmp(type, "hexsecret") == 0 || strcmp(type, "hexkey") == 0)
 364         return kdf_hex2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_KEY,
 365                             value);
 366
 367     if (strcmp(type, "info") == 0)
 368         return kdf_str2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_SSKDF_INFO,
 369                             value);
 370
 371     if (strcmp(type, "hexinfo") == 0)
 372         return kdf_hex2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_SSKDF_INFO,
 373                             value);
 374
 375     if (strcmp(type, "digest") == 0)
 376         return kdf_md2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_MD, value);
 377
 378     if (strcmp(type, "mac") == 0)
 379         return sskdf_mac2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_MAC, value);
 380
 381     if (strcmp(type, "salt") == 0)
 382         return kdf_str2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_SALT, value);
 383
 384     if (strcmp(type, "hexsalt") == 0)
 385         return kdf_hex2ctrl(impl, sskdf_ctrl, EVP_KDF_CTRL_SET_SALT, value);
 386
 387
 388     if (strcmp(type, "maclen") == 0) {
 389         int val = atoi(value);
 390         if (val < 0) {
 391             KDFerr(KDF_F_SSKDF_CTRL_STR, KDF_R_VALUE_ERROR);
 392             return 0;
 393         }
 394         return call_ctrl(sskdf_ctrl, impl, EVP_KDF_CTRL_SET_MAC_SIZE,
 395                          (size_t)val);
 396     }
 397     return -2;
 398 }
 399
 400 static size_t sskdf_size(EVP_KDF_IMPL *impl)
 401 {
 402     int len;
 403
 404     if (impl->md == NULL) {
 405         KDFerr(KDF_F_SSKDF_SIZE, KDF_R_MISSING_MESSAGE_DIGEST);
 406         return 0;
 407     }
 408     len = EVP_MD_size(impl->md);
 409     return (len <= 0) ? 0 : (size_t)len;
 410 }
 411
 412 static int sskdf_derive(EVP_KDF_IMPL *impl, unsigned char *key, size_t keylen)
 413 {
 414     if (impl->secret == NULL) {
 415         KDFerr(KDF_F_SSKDF_DERIVE, KDF_R_MISSING_SECRET);
 416         return 0;
 417     }
 418
 419     if (impl->mac != NULL) {
 420         /* H(x) = KMAC or H(x) = HMAC */
 421         int ret;
 422         const unsigned char *custom = NULL;
 423         size_t custom_len = 0;
 424         int nid;
 425         int default_salt_len;
 426
 427         nid = EVP_MAC_nid(impl->mac);
 428         if (nid == EVP_MAC_HMAC) {
 429             /* H(x) = HMAC(x, salt, hash) */
 430             if (impl->md == NULL) {
 431                 KDFerr(KDF_F_SSKDF_DERIVE, KDF_R_MISSING_MESSAGE_DIGEST);
 432                 return 0;
 433             }
 434             default_salt_len = EVP_MD_block_size(impl->md);
 435             if (default_salt_len <= 0)
 436                 return 0;
 437         } else if (nid == EVP_MAC_KMAC128 || nid == EVP_MAC_KMAC256) {
 438             /* H(x) = KMACzzz(x, salt, custom) */
 439             custom = kmac_custom_str;
 440             custom_len = sizeof(kmac_custom_str);
 441             if (nid == EVP_MAC_KMAC128)
 442                 default_salt_len = SSKDF_KMAC128_DEFAULT_SALT_SIZE;
 443             else
 444                 default_salt_len = SSKDF_KMAC256_DEFAULT_SALT_SIZE;
 445         } else {
 446             KDFerr(KDF_F_SSKDF_DERIVE, KDF_R_UNSUPPORTED_MAC_TYPE);
 447             return 0;
 448         }
 449         /* If no salt is set then use a default_salt of zeros */
 450         if (impl->salt == NULL || impl->salt_len <= 0) {
 451             impl->salt = OPENSSL_zalloc(default_salt_len);
 452             if (impl->salt == NULL) {
 453                 KDFerr(KDF_F_SSKDF_DERIVE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 454                 return 0;
 455             }
 456             impl->salt_len = default_salt_len;
 457         }
 458         ret = SSKDF_mac_kdm(impl->mac, impl->md,
 459                             custom, custom_len, impl->out_len,
 460                             impl->salt, impl->salt_len,
 461                             impl->secret, impl->secret_len,
 462                             impl->info, impl->info_len, key, keylen);
 463         return ret;
 464     } else {
 465         /* H(x) = hash */
 466         if (impl->md == NULL) {
 467             KDFerr(KDF_F_SSKDF_DERIVE, KDF_R_MISSING_MESSAGE_DIGEST);
 468             return 0;
 469         }
 470         return SSKDF_hash_kdm(impl->md, impl->secret, impl->secret_len,
 471                               impl->info, impl->info_len, key, keylen);
 472     }
 473 }
 474
 475 const EVP_KDF ss_kdf_meth = {
 476     EVP_KDF_SS,
 477     sskdf_new,
 478     sskdf_free,
 479     sskdf_reset,
 480     sskdf_ctrl,
 481     sskdf_ctrl_str,
 482     sskdf_size,
 483     sskdf_derive
 484 };