761832ff81cb232157da129c399a4dfc3bb5a429
[openssl.git] / test / ecdsatest.c
1 /*
2  * Copyright 2002-2018 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
3  * Copyright (c) 2002, 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 #include <openssl/opensslconf.h> /* To see if OPENSSL_NO_EC is defined */
12 #include "testutil.h"
13
14 #ifndef OPENSSL_NO_EC
15
16 # include <openssl/evp.h>
17 # include <openssl/bn.h>
18 # include <openssl/ec.h>
19 # include <openssl/rand.h>
20 # include "internal/nelem.h"
21 # include "ecdsatest.h"
22
23 /* functions to change the RAND_METHOD */
24 static int fbytes(unsigned char *buf, int num);
25
26 static RAND_METHOD fake_rand;
27 static const RAND_METHOD *old_rand;
28 static int use_fake = 0;
29 static const char *numbers[2];
30 static size_t crv_len = 0;
31 static EC_builtin_curve *curves = NULL;
32
33 static int change_rand(void)
34 {
35     /* save old rand method */
36     if (!TEST_ptr(old_rand = RAND_get_rand_method()))
37         return 0;
38
39     fake_rand = *old_rand;
40     /* use own random function */
41     fake_rand.bytes = fbytes;
42     /* set new RAND_METHOD */
43     if (!TEST_true(RAND_set_rand_method(&fake_rand)))
44         return 0;
45     return 1;
46 }
47
48 static int restore_rand(void)
49 {
50     if (!TEST_true(RAND_set_rand_method(old_rand)))
51         return 0;
52     return 1;
53 }
54
55 static int fbytes(unsigned char *buf, int num)
56 {
57     int ret = 0;
58     static int fbytes_counter = 0;
59     BIGNUM *tmp = NULL;
60
61     if (use_fake == 0)
62         return old_rand->bytes(buf, num);
63
64     use_fake = 0;
65
66     if (!TEST_ptr(tmp = BN_new())
67         || !TEST_int_lt(fbytes_counter, OSSL_NELEM(numbers))
68         || !TEST_true(BN_hex2bn(&tmp, numbers[fbytes_counter]))
69         /* tmp might need leading zeros so pad it out */
70         || !TEST_int_le(BN_num_bytes(tmp), num)
71         || !TEST_true(BN_bn2binpad(tmp, buf, num)))
72         goto err;
73
74     fbytes_counter = (fbytes_counter + 1) % OSSL_NELEM(numbers);
75     ret = 1;
76  err:
77     BN_free(tmp);
78     return ret;
79 }
80
81 /*-
82  * This function hijacks the RNG to feed it the chosen ECDSA key and nonce.
83  * The ECDSA KATs are from:
84  * - the X9.62 draft (4)
85  * - NIST CAVP (720)
86  *
87  * It uses the low-level ECDSA_sign_setup instead of EVP to control the RNG.
88  * NB: This is not how applications should use ECDSA; this is only for testing.
89  *
90  * Tests the library can successfully:
91  * - generate public keys that matches those KATs
92  * - create ECDSA signatures that match those KATs
93  * - accept those signatures as valid
94  */
95 static int x9_62_tests(int n)
96 {
97     int nid, md_nid, ret = 0;
98     const char *r_in = NULL, *s_in = NULL, *tbs = NULL;
99     unsigned char *pbuf = NULL, *qbuf = NULL, *message = NULL;
100     unsigned char digest[EVP_MAX_MD_SIZE];
101     unsigned int dgst_len = 0;
102     long q_len, msg_len = 0;
103     size_t p_len;
104     EVP_MD_CTX *mctx = NULL;
105     EC_KEY *key = NULL;
106     ECDSA_SIG *signature = NULL;
107     BIGNUM *r = NULL, *s = NULL;
108     BIGNUM *kinv = NULL, *rp = NULL;
109     const BIGNUM *sig_r = NULL, *sig_s = NULL;
110
111     nid = ecdsa_cavs_kats[n].nid;
112     md_nid = ecdsa_cavs_kats[n].md_nid;
113     r_in = ecdsa_cavs_kats[n].r;
114     s_in = ecdsa_cavs_kats[n].s;
115     tbs = ecdsa_cavs_kats[n].msg;
116     numbers[0] = ecdsa_cavs_kats[n].d;
117     numbers[1] = ecdsa_cavs_kats[n].k;
118
119     TEST_info("ECDSA KATs for curve %s", OBJ_nid2sn(nid));
120
121     if (!TEST_ptr(mctx = EVP_MD_CTX_new())
122         /* get the message digest */
123         || !TEST_ptr(message = OPENSSL_hexstr2buf(tbs, &msg_len))
124         || !TEST_true(EVP_DigestInit_ex(mctx, EVP_get_digestbynid(md_nid), NULL))
125         || !TEST_true(EVP_DigestUpdate(mctx, message, msg_len))
126         || !TEST_true(EVP_DigestFinal_ex(mctx, digest, &dgst_len))
127         /* create the key */
128         || !TEST_ptr(key = EC_KEY_new_by_curve_name(nid))
129         /* load KAT variables */
130         || !TEST_ptr(r = BN_new())
131         || !TEST_ptr(s = BN_new())
132         || !TEST_true(BN_hex2bn(&r, r_in))
133         || !TEST_true(BN_hex2bn(&s, s_in))
134         /* swap the RNG source */
135         || !TEST_true(change_rand()))
136         goto err;
137
138     /* public key must match KAT */
139     use_fake = 1;
140     if (!TEST_true(EC_KEY_generate_key(key))
141         || !TEST_true(p_len = EC_KEY_key2buf(key, POINT_CONVERSION_UNCOMPRESSED,
142                                              &pbuf, NULL))
143         || !TEST_ptr(qbuf = OPENSSL_hexstr2buf(ecdsa_cavs_kats[n].Q, &q_len))
144         || !TEST_int_eq(q_len, p_len)
145         || !TEST_mem_eq(qbuf, q_len, pbuf, p_len))
146         goto err;
147
148     /* create the signature via ECDSA_sign_setup to avoid use of ECDSA nonces */
149     use_fake = 1;
150     if (!TEST_true(ECDSA_sign_setup(key, NULL, &kinv, &rp))
151         || !TEST_ptr(signature = ECDSA_do_sign_ex(digest, dgst_len,
152                                                   kinv, rp, key))
153         /* verify the signature */
154         || !TEST_int_eq(ECDSA_do_verify(digest, dgst_len, signature, key), 1))
155         goto err;
156
157     /* compare the created signature with the expected signature */
158     ECDSA_SIG_get0(signature, &sig_r, &sig_s);
159     if (!TEST_BN_eq(sig_r, r)
160         || !TEST_BN_eq(sig_s, s))
161         goto err;
162
163     ret = 1;
164
165  err:
166     /* restore the RNG source */
167     if (!TEST_true(restore_rand()))
168         ret = 0;
169
170     OPENSSL_free(message);
171     OPENSSL_free(pbuf);
172     OPENSSL_free(qbuf);
173     EC_KEY_free(key);
174     ECDSA_SIG_free(signature);
175     BN_free(r);
176     BN_free(s);
177     EVP_MD_CTX_free(mctx);
178     BN_clear_free(kinv);
179     BN_clear_free(rp);
180     return ret;
181 }
182
183 /*-
184  * Positive and negative ECDSA testing through EVP interface:
185  * - EVP_DigestSign (this is the one-shot version)
186  * - EVP_DigestVerify
187  *
188  * Tests the library can successfully:
189  * - create a key
190  * - create a signature
191  * - accept that signature
192  * - reject that signature with a different public key
193  * - reject that signature if its length is not correct
194  * - reject that signature after modifying the message
195  * - accept that signature after un-modifying the message
196  * - reject that signature after modifying the signature
197  * - accept that signature after un-modifying the signature
198  */
199 static int test_builtin(int n)
200 {
201     EC_KEY *eckey_neg = NULL, *eckey = NULL;
202     unsigned char dirt, offset, tbs[128];
203     unsigned char *sig = NULL;
204     EVP_PKEY *pkey_neg = NULL, *pkey = NULL;
205     EVP_MD_CTX *mctx = NULL;
206     size_t sig_len;
207     int nid, ret = 0;
208     int temp;
209
210     nid = curves[n].nid;
211
212     /* skip built-in curves where ord(G) is not prime */
213     if (nid == NID_ipsec4 || nid == NID_ipsec3) {
214         TEST_info("skipped: ECDSA unsupported for curve %s", OBJ_nid2sn(nid));
215         return 1;
216     }
217
218     TEST_info("testing ECDSA for curve %s", OBJ_nid2sn(nid));
219
220     if (!TEST_ptr(mctx = EVP_MD_CTX_new())
221         /* get some random message data */
222         || !TEST_true(RAND_bytes(tbs, sizeof(tbs)))
223         /* real key */
224         || !TEST_ptr(eckey = EC_KEY_new_by_curve_name(nid))
225         || !TEST_true(EC_KEY_generate_key(eckey))
226         || !TEST_ptr(pkey = EVP_PKEY_new())
227         || !TEST_true(EVP_PKEY_assign_EC_KEY(pkey, eckey))
228         /* fake key for negative testing */
229         || !TEST_ptr(eckey_neg = EC_KEY_new_by_curve_name(nid))
230         || !TEST_true(EC_KEY_generate_key(eckey_neg))
231         || !TEST_ptr(pkey_neg = EVP_PKEY_new())
232         || !TEST_true(EVP_PKEY_assign_EC_KEY(pkey_neg, eckey_neg)))
233         goto err;
234
235     temp = ECDSA_size(eckey);
236
237     if (!TEST_int_ge(temp, 0)
238         || !TEST_ptr(sig = OPENSSL_malloc(sig_len = (size_t)temp))
239         /* create a signature */
240         || !TEST_true(EVP_DigestSignInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey))
241         || !TEST_true(EVP_DigestSign(mctx, sig, &sig_len, tbs, sizeof(tbs)))
242         || !TEST_int_le(sig_len, ECDSA_size(eckey))
243         /* negative test, verify with wrong key, 0 return */
244         || !TEST_true(EVP_MD_CTX_reset(mctx))
245         || !TEST_true(EVP_DigestVerifyInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey_neg))
246         || !TEST_int_eq(EVP_DigestVerify(mctx, sig, sig_len, tbs, sizeof(tbs)), 0)
247         /* negative test, verify with wrong signature length, -1 return */
248         || !TEST_true(EVP_MD_CTX_reset(mctx))
249         || !TEST_true(EVP_DigestVerifyInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey))
250         || !TEST_int_eq(EVP_DigestVerify(mctx, sig, sig_len - 1, tbs, sizeof(tbs)), -1)
251         /* positive test, verify with correct key, 1 return */
252         || !TEST_true(EVP_MD_CTX_reset(mctx))
253         || !TEST_true(EVP_DigestVerifyInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey))
254         || !TEST_int_eq(EVP_DigestVerify(mctx, sig, sig_len, tbs, sizeof(tbs)), 1))
255         goto err;
256
257     /* muck with the message, test it fails with 0 return */
258     tbs[0] ^= 1;
259     if (!TEST_true(EVP_MD_CTX_reset(mctx))
260         || !TEST_true(EVP_DigestVerifyInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey))
261         || !TEST_int_eq(EVP_DigestVerify(mctx, sig, sig_len, tbs, sizeof(tbs)), 0))
262         goto err;
263     /* un-muck and test it verifies */
264     tbs[0] ^= 1;
265     if (!TEST_true(EVP_MD_CTX_reset(mctx))
266         || !TEST_true(EVP_DigestVerifyInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey))
267         || !TEST_int_eq(EVP_DigestVerify(mctx, sig, sig_len, tbs, sizeof(tbs)), 1))
268         goto err;
269
270     /*-
271      * Muck with the ECDSA signature. The DER encoding is one of:
272      * - 30 LL 02 ..
273      * - 30 81 LL 02 ..
274      *
275      * - Sometimes this mucks with the high level DER sequence wrapper:
276      *   in that case, DER-parsing of the whole signature should fail.
277      *
278      * - Sometimes this mucks with the DER-encoding of ECDSA.r:
279      *   in that case, DER-parsing of ECDSA.r should fail.
280      *
281      * - Sometimes this mucks with the DER-encoding of ECDSA.s:
282      *   in that case, DER-parsing of ECDSA.s should fail.
283      *
284      * - Sometimes this mucks with ECDSA.r:
285      *   in that case, the signature verification should fail.
286      *
287      * - Sometimes this mucks with ECDSA.s:
288      *   in that case, the signature verification should fail.
289      *
290      * The usual case is changing the integer value of ECDSA.r or ECDSA.s.
291      * Because the ratio of DER overhead to signature bytes is small.
292      * So most of the time it will be one of the last two cases.
293      *
294      * In any case, EVP_PKEY_verify should not return 1 for valid.
295      */
296     offset = tbs[0] % sig_len;
297     dirt = tbs[1] ? tbs[1] : 1;
298     sig[offset] ^= dirt;
299     if (!TEST_true(EVP_MD_CTX_reset(mctx))
300         || !TEST_true(EVP_DigestVerifyInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey))
301         || !TEST_int_ne(EVP_DigestVerify(mctx, sig, sig_len, tbs, sizeof(tbs)), 1))
302         goto err;
303     /* un-muck and test it verifies */
304     sig[offset] ^= dirt;
305     if (!TEST_true(EVP_MD_CTX_reset(mctx))
306         || !TEST_true(EVP_DigestVerifyInit(mctx, NULL, NULL, NULL, pkey))
307         || !TEST_int_eq(EVP_DigestVerify(mctx, sig, sig_len, tbs, sizeof(tbs)), 1))
308         goto err;
309
310     ret = 1;
311  err:
312     EVP_PKEY_free(pkey);
313     EVP_PKEY_free(pkey_neg);
314     EVP_MD_CTX_free(mctx);
315     OPENSSL_free(sig);
316     return ret;
317 }
318 #endif
319
320 int setup_tests(void)
321 {
322 #ifdef OPENSSL_NO_EC
323     TEST_note("Elliptic curves are disabled.");
324 #else
325     /* get a list of all internal curves */
326     crv_len = EC_get_builtin_curves(NULL, 0);
327     if (!TEST_ptr(curves = OPENSSL_malloc(sizeof(*curves) * crv_len))
328         || !TEST_true(EC_get_builtin_curves(curves, crv_len)))
329         return 0;
330     ADD_ALL_TESTS(test_builtin, crv_len);
331     ADD_ALL_TESTS(x9_62_tests, OSSL_NELEM(ecdsa_cavs_kats));
332 #endif
333     return 1;
334 }
335
336 void cleanup_tests(void)
337 {
338 #ifndef OPENSSL_NO_EC
339     OPENSSL_free(curves);
340 #endif
341 }