ssl/heartbeat_test.c

   1 /* test/heartbeat_test.c */
   2 /*
   3  * Unit test for TLS heartbeats.
   4  *
   5  * Acts as a regression test against the Heartbleed bug (CVE-2014-0160).
   6  *
   7  * Author:  Mike Bland (mbland@acm.org, http://mike-bland.com/)
   8  * Date:    2014-04-12
   9  * License: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC By 4.0)
  10  *          http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.en_US
  11  *
  12  * OUTPUT
  13  * ------
  14  * The program returns zero on success. It will print a message with a count
  15  * of the number of failed tests and return nonzero if any tests fail.
  16  *
  17  * It will print the contents of the request and response buffers for each
  18  * failing test. In a "fixed" version, all the tests should pass and there
  19  * should be no output.
  20  *
  21  * In a "bleeding" version, you'll see:
  22  *
  23  *   test_dtls1_heartbleed failed:
  24  *     expected payload len: 0
  25  *     received: 1024
  26  *   sent 26 characters
  27  *     "HEARTBLEED                "
  28  *   received 1024 characters
  29  *     "HEARTBLEED                \xde\xad\xbe\xef..."
  30  *   ** test_dtls1_heartbleed failed **
  31  *
  32  * The contents of the returned buffer in the failing test will depend on the
  33  * contents of memory on your machine.
  34  *
  35  * MORE INFORMATION
  36  * ----------------
  37  * http://mike-bland.com/2014/04/12/heartbleed.html
  38  * http://mike-bland.com/tags/heartbleed.html
  39  */
  40
  41 #include "../test/testutil.h"
  42 #include "../ssl/ssl_locl.h"
  43 #include <ctype.h>
  44 #include <stdio.h>
  45 #include <stdlib.h>
  46 #include <string.h>
  47
  48 #if !defined(OPENSSL_NO_HEARTBEATS) && !defined(OPENSSL_SYS_WINDOWS)
  49
  50 /* As per https://tools.ietf.org/html/rfc6520#section-4 */
  51 #define MIN_PADDING_SIZE        16
  52
  53 /* Maximum number of payload characters to print as test output */
  54 #define MAX_PRINTABLE_CHARACTERS        1024
  55
  56 typedef struct heartbeat_test_fixture
  57         {
  58         SSL_CTX *ctx;
  59         SSL *s;
  60         const char* test_case_name;
  61         int (*process_heartbeat)(SSL* s);
  62         unsigned char* payload;
  63         int sent_payload_len;
  64         int expected_return_value;
  65         int return_payload_offset;
  66         int expected_payload_len;
  67         const char* expected_return_payload;
  68         } HEARTBEAT_TEST_FIXTURE;
  69
  70 static HEARTBEAT_TEST_FIXTURE set_up(const char* const test_case_name,
  71         const SSL_METHOD* meth)
  72         {
  73         HEARTBEAT_TEST_FIXTURE fixture;
  74         int setup_ok = 1;
  75         memset(&fixture, 0, sizeof(fixture));
  76         fixture.test_case_name = test_case_name;
  77
  78         fixture.ctx = SSL_CTX_new(meth);
  79         if (!fixture.ctx)
  80                 {
  81                 fprintf(stderr, "Failed to allocate SSL_CTX for test: %s\n",
  82                         test_case_name);
  83                 setup_ok = 0;
  84                 goto fail;
  85                 }
  86
  87         fixture.s = SSL_new(fixture.ctx);
  88         if (!fixture.s)
  89                 {
  90                 fprintf(stderr, "Failed to allocate SSL for test: %s\n", test_case_name);
  91                 setup_ok = 0;
  92                 goto fail;
  93                 }
  94
  95         if (!ssl_init_wbio_buffer(fixture.s, 1))
  96                 {
  97                 fprintf(stderr, "Failed to set up wbio buffer for test: %s\n",
  98                         test_case_name);
  99                 setup_ok = 0;
 100                 goto fail;
 101                 }
 102
 103         if (!ssl3_setup_buffers(fixture.s))
 104                 {
 105                 fprintf(stderr, "Failed to setup buffers for test: %s\n",
 106                         test_case_name);
 107                 setup_ok = 0;
 108                 goto fail;
 109                 }
 110
 111         /* Clear the memory for the return buffer, since this isn't automatically
 112          * zeroed in opt mode and will cause spurious test failures that will change
 113          * with each execution.
 114          */
 115         memset(fixture.s->s3->wbuf.buf, 0, fixture.s->s3->wbuf.len);
 116
 117         fail:
 118         if (!setup_ok)
 119                 {
 120                 ERR_print_errors_fp(stderr);
 121                 exit(EXIT_FAILURE);
 122                 }
 123         return fixture;
 124         }
 125
 126 static HEARTBEAT_TEST_FIXTURE set_up_dtls(const char* const test_case_name)
 127         {
 128         HEARTBEAT_TEST_FIXTURE fixture = set_up(test_case_name,
 129                 DTLSv1_server_method());
 130         fixture.process_heartbeat = dtls1_process_heartbeat;
 131
 132         /* As per dtls1_get_record(), skipping the following from the beginning of
 133          * the returned heartbeat message:
 134          * type-1 byte; version-2 bytes; sequence number-8 bytes; length-2 bytes
 135          *
 136          * And then skipping the 1-byte type encoded by process_heartbeat for
 137          * a total of 14 bytes, at which point we can grab the length and the
 138          * payload we seek.
 139          */
 140         fixture.return_payload_offset = 14;
 141         return fixture;
 142         }
 143
 144 /* Needed by ssl3_write_bytes() */
 145 static int dummy_handshake(SSL* s)
 146         {
 147         return 1;
 148         }
 149
 150 static HEARTBEAT_TEST_FIXTURE set_up_tls(const char* const test_case_name)
 151         {
 152         HEARTBEAT_TEST_FIXTURE fixture = set_up(test_case_name,
 153                 TLSv1_server_method());
 154         fixture.process_heartbeat = tls1_process_heartbeat;
 155         fixture.s->handshake_func = dummy_handshake;
 156
 157         /* As per do_ssl3_write(), skipping the following from the beginning of
 158          * the returned heartbeat message:
 159          * type-1 byte; version-2 bytes; length-2 bytes
 160          *
 161          * And then skipping the 1-byte type encoded by process_heartbeat for
 162          * a total of 6 bytes, at which point we can grab the length and the payload
 163          * we seek.
 164          */
 165         fixture.return_payload_offset = 6;
 166         return fixture;
 167         }
 168
 169 static void tear_down(HEARTBEAT_TEST_FIXTURE fixture)
 170         {
 171         ERR_print_errors_fp(stderr);
 172         SSL_free(fixture.s);
 173         SSL_CTX_free(fixture.ctx);
 174         }
 175
 176 static void print_payload(const char* const prefix,
 177                 const unsigned char *payload, const int n)
 178         {
 179         const int end = n < MAX_PRINTABLE_CHARACTERS ? n
 180             : MAX_PRINTABLE_CHARACTERS;
 181         int i = 0;
 182
 183         printf("%s %d character%s", prefix, n, n == 1 ? "" : "s");
 184         if (end != n) printf(" (first %d shown)", end);
 185         printf("\n  \"");
 186
 187         for (; i != end; ++i)
 188                 {
 189                 const unsigned char c = payload[i];
 190                 if (isprint(c)) fputc(c, stdout);
 191                 else printf("\\x%02x", c);
 192                 }
 193         printf("\"\n");
 194         }
 195
 196 static int execute_heartbeat(HEARTBEAT_TEST_FIXTURE fixture)
 197         {
 198         int result = 0;
 199         SSL* s = fixture.s;
 200         unsigned char *payload = fixture.payload;
 201         unsigned char sent_buf[MAX_PRINTABLE_CHARACTERS + 1];
 202         int return_value;
 203         unsigned const char *p;
 204         int actual_payload_len;
 205
 206         s->s3->rrec.data = payload;
 207         s->s3->rrec.length = strlen((const char*)payload);
 208         *payload++ = TLS1_HB_REQUEST;
 209         s2n(fixture.sent_payload_len, payload);
 210
 211         /* Make a local copy of the request, since it gets overwritten at some
 212          * point */
 213         memcpy((char *)sent_buf, (const char*)payload, sizeof(sent_buf));
 214
 215         return_value = fixture.process_heartbeat(s);
 216
 217         if (return_value != fixture.expected_return_value)
 218                 {
 219                 printf("%s failed: expected return value %d, received %d\n",
 220                                          fixture.test_case_name, fixture.expected_return_value,
 221                                          return_value);
 222                 result = 1;
 223                 }
 224
 225         /* If there is any byte alignment, it will be stored in wbuf.offset. */
 226         p = &(s->s3->wbuf.buf[
 227                         fixture.return_payload_offset + s->s3->wbuf.offset]);
 228         actual_payload_len = 0;
 229         n2s(p, actual_payload_len);
 230
 231         if (actual_payload_len != fixture.expected_payload_len)
 232                 {
 233                 printf("%s failed:\n  expected payload len: %d\n  received: %d\n",
 234                                          fixture.test_case_name, fixture.expected_payload_len,
 235                                          actual_payload_len);
 236                 print_payload("sent", sent_buf, strlen((const char*)sent_buf));
 237                 print_payload("received", p, actual_payload_len);
 238                 result = 1;
 239                 }
 240         else
 241                 {
 242                 char* actual_payload = BUF_strndup((const char*)p, actual_payload_len);
 243                 if (strcmp(actual_payload, fixture.expected_return_payload) != 0)
 244                         {
 245                         printf("%s failed:\n  expected payload: \"%s\"\n  received: \"%s\"\n",
 246                                                  fixture.test_case_name, fixture.expected_return_payload,
 247                                                  actual_payload);
 248                         result = 1;
 249                         }
 250                 OPENSSL_free(actual_payload);
 251                 }
 252
 253         if (result != 0)
 254                 {
 255                 printf("** %s failed **\n--------\n", fixture.test_case_name);
 256                 }
 257         return result;
 258         }
 259
 260 static int honest_payload_size(unsigned char payload_buf[])
 261         {
 262         /* Omit three-byte pad at the beginning for type and payload length */
 263         return strlen((const char*)&payload_buf[3]) - MIN_PADDING_SIZE;
 264         }
 265
 266 #define SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(type)\
 267   SETUP_TEST_FIXTURE(HEARTBEAT_TEST_FIXTURE, set_up_##type)
 268
 269 #define EXECUTE_HEARTBEAT_TEST()\
 270   EXECUTE_TEST(execute_heartbeat, tear_down)
 271
 272 static int test_dtls1_not_bleeding()
 273         {
 274         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(dtls);
 275         /* Three-byte pad at the beginning for type and payload length */
 276         unsigned char payload_buf[MAX_PRINTABLE_CHARACTERS+4] =
 277                 "   Not bleeding, sixteen spaces of padding"
 278                 "                ";
 279         const int payload_buf_len = honest_payload_size(payload_buf);
 280
 281         fixture.payload = &payload_buf[0];
 282         fixture.sent_payload_len = payload_buf_len;
 283         fixture.expected_return_value = 0;
 284         fixture.expected_payload_len = payload_buf_len;
 285         fixture.expected_return_payload = "Not bleeding, sixteen spaces of padding";
 286         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 287         }
 288
 289 static int test_dtls1_not_bleeding_empty_payload()
 290         {
 291         int payload_buf_len;
 292
 293         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(dtls);
 294         /* Three-byte pad at the beginning for type and payload length, plus a NUL
 295          * at the end */
 296         unsigned char payload_buf[4 + MAX_PRINTABLE_CHARACTERS];
 297         memset(payload_buf, ' ', MIN_PADDING_SIZE+3);
 298         payload_buf[MIN_PADDING_SIZE+3] = '\0';
 299         payload_buf_len = honest_payload_size(payload_buf);
 300
 301         fixture.payload = &payload_buf[0];
 302         fixture.sent_payload_len = payload_buf_len;
 303         fixture.expected_return_value = 0;
 304         fixture.expected_payload_len = payload_buf_len;
 305         fixture.expected_return_payload = "";
 306         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 307         }
 308
 309 static int test_dtls1_heartbleed()
 310         {
 311         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(dtls);
 312         /* Three-byte pad at the beginning for type and payload length */
 313         unsigned char payload_buf[4+MAX_PRINTABLE_CHARACTERS] =
 314                 "   HEARTBLEED                ";
 315
 316         fixture.payload = &payload_buf[0];
 317         fixture.sent_payload_len = MAX_PRINTABLE_CHARACTERS;
 318         fixture.expected_return_value = 0;
 319         fixture.expected_payload_len = 0;
 320         fixture.expected_return_payload = "";
 321         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 322         }
 323
 324 static int test_dtls1_heartbleed_empty_payload()
 325         {
 326         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(dtls);
 327         /* Excluding the NUL at the end, one byte short of type + payload length +
 328          * minimum padding */
 329         unsigned char payload_buf[MAX_PRINTABLE_CHARACTERS + 4];
 330         memset(payload_buf, ' ', MIN_PADDING_SIZE+2);
 331         payload_buf[MIN_PADDING_SIZE+2] = '\0';
 332
 333         fixture.payload = &payload_buf[0];
 334         fixture.sent_payload_len = MAX_PRINTABLE_CHARACTERS;
 335         fixture.expected_return_value = 0;
 336         fixture.expected_payload_len = 0;
 337         fixture.expected_return_payload = "";
 338         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 339         }
 340
 341 static int test_dtls1_heartbleed_excessive_plaintext_length()
 342         {
 343         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(dtls);
 344         /* Excluding the NUL at the end, one byte in excess of maximum allowed
 345          * heartbeat message length */
 346         unsigned char payload_buf[SSL3_RT_MAX_PLAIN_LENGTH + 2];
 347         memset(payload_buf, ' ', sizeof(payload_buf));
 348         payload_buf[sizeof(payload_buf) - 1] = '\0';
 349
 350         fixture.payload = &payload_buf[0];
 351         fixture.sent_payload_len = honest_payload_size(payload_buf);
 352         fixture.expected_return_value = 0;
 353         fixture.expected_payload_len = 0;
 354         fixture.expected_return_payload = "";
 355         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 356         }
 357
 358 static int test_tls1_not_bleeding()
 359         {
 360         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(tls);
 361         /* Three-byte pad at the beginning for type and payload length */
 362         unsigned char payload_buf[MAX_PRINTABLE_CHARACTERS+4] =
 363                         "   Not bleeding, sixteen spaces of padding"
 364                         "                ";
 365         const int payload_buf_len = honest_payload_size(payload_buf);
 366
 367         fixture.payload = &payload_buf[0];
 368         fixture.sent_payload_len = payload_buf_len;
 369         fixture.expected_return_value = 0;
 370         fixture.expected_payload_len = payload_buf_len;
 371         fixture.expected_return_payload = "Not bleeding, sixteen spaces of padding";
 372         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 373         }
 374
 375 static int test_tls1_not_bleeding_empty_payload()
 376         {
 377         int payload_buf_len;
 378
 379         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(tls);
 380         /* Three-byte pad at the beginning for type and payload length, plus a NUL
 381          * at the end */
 382         unsigned char payload_buf[4 + MAX_PRINTABLE_CHARACTERS];
 383         memset(payload_buf, ' ', MIN_PADDING_SIZE+3);
 384         payload_buf[MIN_PADDING_SIZE+3] = '\0';
 385         payload_buf_len = honest_payload_size(payload_buf);
 386
 387         fixture.payload = &payload_buf[0];
 388         fixture.sent_payload_len = payload_buf_len;
 389         fixture.expected_return_value = 0;
 390         fixture.expected_payload_len = payload_buf_len;
 391         fixture.expected_return_payload = "";
 392         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 393         }
 394
 395 static int test_tls1_heartbleed()
 396         {
 397         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(tls);
 398         /* Three-byte pad at the beginning for type and payload length */
 399         unsigned char payload_buf[MAX_PRINTABLE_CHARACTERS+4] =
 400                         "   HEARTBLEED                ";
 401
 402         fixture.payload = &payload_buf[0];
 403         fixture.sent_payload_len = MAX_PRINTABLE_CHARACTERS;
 404         fixture.expected_return_value = 0;
 405         fixture.expected_payload_len = 0;
 406         fixture.expected_return_payload = "";
 407         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 408         }
 409
 410 static int test_tls1_heartbleed_empty_payload()
 411         {
 412         SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE(tls);
 413         /* Excluding the NUL at the end, one byte short of type + payload length +
 414          * minimum padding */
 415         unsigned char payload_buf[MAX_PRINTABLE_CHARACTERS + 4];
 416         memset(payload_buf, ' ', MIN_PADDING_SIZE+2);
 417         payload_buf[MIN_PADDING_SIZE+2] = '\0';
 418
 419         fixture.payload = &payload_buf[0];
 420         fixture.sent_payload_len = MAX_PRINTABLE_CHARACTERS;
 421         fixture.expected_return_value = 0;
 422         fixture.expected_payload_len = 0;
 423         fixture.expected_return_payload = "";
 424         EXECUTE_HEARTBEAT_TEST();
 425         }
 426
 427 #undef EXECUTE_HEARTBEAT_TEST
 428 #undef SETUP_HEARTBEAT_TEST_FIXTURE
 429
 430 int main(int argc, char *argv[])
 431         {
 432         int result = 0;
 433
 434         SSL_library_init();
 435         SSL_load_error_strings();
 436
 437         ADD_TEST(test_dtls1_not_bleeding);
 438         ADD_TEST(test_dtls1_not_bleeding_empty_payload);
 439         ADD_TEST(test_dtls1_heartbleed);
 440         ADD_TEST(test_dtls1_heartbleed_empty_payload);
 441         ADD_TEST(test_dtls1_heartbleed_excessive_plaintext_length);
 442         ADD_TEST(test_tls1_not_bleeding);
 443         ADD_TEST(test_tls1_not_bleeding_empty_payload);
 444         ADD_TEST(test_tls1_heartbleed);
 445         ADD_TEST(test_tls1_heartbleed_empty_payload);
 446
 447         result = run_tests(argv[0]);
 448         ERR_print_errors_fp(stderr);
 449         return result;
 450         }
 451
 452 #else /* OPENSSL_NO_HEARTBEATS*/
 453
 454 int main(int argc, char *argv[])
 455         {
 456                 return EXIT_SUCCESS;
 457         }
 458 #endif /* OPENSSL_NO_HEARTBEATS */