Add blinding to a DSA signature
authorMatt Caswell <matt@openssl.org>
Tue, 19 Jun 2018 14:07:02 +0000 (15:07 +0100)
committerMatt Caswell <matt@openssl.org>
Thu, 21 Jun 2018 09:15:57 +0000 (10:15 +0100)
This extends the recently added ECDSA signature blinding to blind DSA too.

This is based on side channel attacks demonstrated by Keegan Ryan (NCC
Group) for ECDSA which are likely to be able to be applied to DSA.

Normally, as in ECDSA, during signing the signer calculates:

s:= k^-1 * (m + r * priv_key) mod order

In ECDSA, the addition operation above provides a sufficient signal for a
flush+reload attack to derive the private key given sufficient signature
operations.

As a mitigation (based on a suggestion from Keegan) we add blinding to
the operation so that:

s := k^-1 * blind^-1 (blind * m + blind * r * priv_key) mod order

Since this attack is a localhost side channel only no CVE is assigned.

This commit also tweaks the previous ECDSA blinding so that blinding is
only removed at the last possible step.

Reviewed-by: Rich Salz <rsalz@openssl.org>
(Merged from https://github.com/openssl/openssl/pull/6522)

CHANGES
crypto/dsa/dsa_ossl.c
crypto/ec/ecdsa_ossl.c

diff --git a/CHANGES b/CHANGES
index a4beda66dd49e161f341cf501714390b8695f7d5..4dc065923c4abdaf1101e17e03349a78c8f12a27 100644 (file)
--- a/CHANGES
+++ b/CHANGES
@@ -13,8 +13,8 @@
      chosen point SCA attacks.
      [Sohaib ul Hassan, Nicola Tuveri, Billy Bob Brumley]
 
-  *) Add blinding to an ECDSA signature to protect against side channel attacks
-     discovered by Keegan Ryan (NCC Group).
+  *) Add blinding to ECDSA and DSA signatures to protect against side channel
+     attacks discovered by Keegan Ryan (NCC Group).
      [Matt Caswell]
 
   *) Enforce checking in the pkeyutl command line app to ensure that the input
index d78c5f00cbabf325a3428823a1ae52bb774862c6..5237794d8f37d34b88a989be5b1fc232e35ae028 100644 (file)
@@ -59,19 +59,13 @@ const DSA_METHOD *DSA_OpenSSL(void)
 static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa)
 {
     BIGNUM *kinv = NULL;
-    BIGNUM *m;
-    BIGNUM *xr;
+    BIGNUM *m, *blind, *blindm, *tmp;
     BN_CTX *ctx = NULL;
     int reason = ERR_R_BN_LIB;
     DSA_SIG *ret = NULL;
     int rv = 0;
 
-    m = BN_new();
-    xr = BN_new();
-    if (m == NULL || xr == NULL)
-        goto err;
-
-    if (!dsa->p || !dsa->q || !dsa->g) {
+    if (dsa->p == NULL || dsa->q == NULL || dsa->g == NULL) {
         reason = DSA_R_MISSING_PARAMETERS;
         goto err;
     }
@@ -87,6 +81,13 @@ static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa)
     ctx = BN_CTX_new();
     if (ctx == NULL)
         goto err;
+    m = BN_CTX_get(ctx);
+    blind = BN_CTX_get(ctx);
+    blindm = BN_CTX_get(ctx);
+    tmp = BN_CTX_get(ctx);
+    if (tmp == NULL)
+        goto err;
+
  redo:
     if (!dsa_sign_setup(dsa, ctx, &kinv, &ret->r, dgst, dlen))
         goto err;
@@ -101,17 +102,50 @@ static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa)
     if (BN_bin2bn(dgst, dlen, m) == NULL)
         goto err;
 
-    /* Compute  s = inv(k) (m + xr) mod q */
-    if (!BN_mod_mul(xr, dsa->priv_key, ret->r, dsa->q, ctx))
-        goto err;               /* s = xr */
-    if (!BN_add(ret->s, xr, m))
-        goto err;               /* s = m + xr */
-    if (BN_cmp(ret->s, dsa->q) > 0)
-        if (!BN_sub(ret->s, ret->s, dsa->q))
+    /*
+     * The normal signature calculation is:
+     *
+     *   s := k^-1 * (m + r * priv_key) mod q
+     *
+     * We will blind this to protect against side channel attacks
+     *
+     *   s := blind^-1 * k^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod q
+     */
+
+    /* Generate a blinding value */
+    do {
+        if (!BN_priv_rand(blind, BN_num_bits(dsa->q) - 1,
+                          BN_RAND_TOP_ANY, BN_RAND_BOTTOM_ANY))
             goto err;
+    } while (BN_is_zero(blind));
+    BN_set_flags(blind, BN_FLG_CONSTTIME);
+    BN_set_flags(blindm, BN_FLG_CONSTTIME);
+    BN_set_flags(tmp, BN_FLG_CONSTTIME);
+
+    /* tmp := blind * priv_key * r mod q */
+    if (!BN_mod_mul(tmp, blind, dsa->priv_key, dsa->q, ctx))
+        goto err;
+    if (!BN_mod_mul(tmp, tmp, ret->r, dsa->q, ctx))
+        goto err;
+
+    /* blindm := blind * m mod q */
+    if (!BN_mod_mul(blindm, blind, m, dsa->q, ctx))
+        goto err;
+
+    /* s : = (blind * priv_key * r) + (blind * m) mod q */
+    if (!BN_mod_add_quick(ret->s, tmp, blindm, dsa->q))
+        goto err;
+
+    /* s := s * k^-1 mod q */
     if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, kinv, dsa->q, ctx))
         goto err;
 
+    /* s:= s * blind^-1 mod q */
+    if (BN_mod_inverse(blind, blind, dsa->q, ctx) == NULL)
+        goto err;
+    if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, blind, dsa->q, ctx))
+        goto err;
+
     /*
      * Redo if r or s is zero as required by FIPS 186-3: this is very
      * unlikely.
@@ -128,8 +162,6 @@ static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa)
         ret = NULL;
     }
     BN_CTX_free(ctx);
-    BN_clear_free(m);
-    BN_clear_free(xr);
     BN_clear_free(kinv);
     return ret;
 }
index 640593bc2d576746efa1854dcb9dc20796147f85..cdd0cf0228c50a4ceece59d4361f1bf32306e6cd 100644 (file)
@@ -288,7 +288,7 @@ ECDSA_SIG *ossl_ecdsa_sign_sig(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
          *
          * We will blind this to protect against side channel attacks
          *
-         *   s := k^-1 * blind^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod order
+         *   s := blind^-1 * k^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod order
          */
 
         /* Generate a blinding value */
@@ -323,18 +323,18 @@ ECDSA_SIG *ossl_ecdsa_sign_sig(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
             goto err;
         }
 
-        /* s:= s * blind^-1 mod order */
-        if (BN_mod_inverse(blind, blind, order, ctx) == NULL) {
+        /* s := s * k^-1 mod order */
+        if (!BN_mod_mul(s, s, ckinv, order, ctx)) {
             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
             goto err;
         }
-        if (!BN_mod_mul(s, s, blind, order, ctx)) {
+
+        /* s:= s * blind^-1 mod order */
+        if (BN_mod_inverse(blind, blind, order, ctx) == NULL) {
             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
             goto err;
         }
-
-        /* s := s * k^-1 mod order */
-        if (!BN_mod_mul(s, s, ckinv, order, ctx)) {
+        if (!BN_mod_mul(s, s, blind, order, ctx)) {
             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
             goto err;
         }