Alternative fix for CVE-2022-4304
authorBernd Edlinger <bernd.edlinger@hotmail.de>
Mon, 13 Feb 2023 16:46:41 +0000 (17:46 +0100)
committerTomas Mraz <tomas@openssl.org>
Tue, 4 Apr 2023 10:13:27 +0000 (12:13 +0200)
This is about a timing leak in the topmost limb
of the internal result of RSA_private_decrypt,
before the padding check.

There are in fact at least three bugs together that
caused the timing leak:

First and probably most important is the fact that
the blinding did not use the constant time code path
at all when the RSA object was used for a private
decrypt, due to the fact that the Montgomery context
rsa->_method_mod_n was not set up early enough in
rsa_ossl_private_decrypt, when BN_BLINDING_create_param
needed it, and that was persisted as blinding->m_ctx,
although the RSA object creates the Montgomery context
just a bit later.

Then the infamous bn_correct_top was used on the
secret value right after the blinding was removed.

And finally the function BN_bn2binpad did not use
the constant-time code path since the BN_FLG_CONSTTIME
was not set on the secret value.

In order to address the first problem, this patch
makes sure that the rsa->_method_mod_n is initialized
right before the blinding context.

And to fix the second problem, we add a new utility
function bn_correct_top_consttime, a const-time
variant of bn_correct_top.

Together with the fact, that BN_bn2binpad is already
constant time if the flag BN_FLG_CONSTTIME is set,
this should eliminate the timing oracle completely.

In addition the no-asm variant may also have
branches that depend on secret values, because the last
invocation of bn_sub_words in bn_from_montgomery_word
had branches when the function is compiled by certain
gcc compiler versions, due to the clumsy coding style.

So additionally this patch stream-lined the no-asm
C-code in order to avoid branches where possible and
improve the resulting code quality.

Reviewed-by: Paul Dale <pauli@openssl.org>
Reviewed-by: Tomas Mraz <tomas@openssl.org>
(Merged from https://github.com/openssl/openssl/pull/20281)

CHANGES.md
crypto/bn/bn_asm.c
crypto/bn/bn_blind.c
crypto/bn/bn_lib.c
crypto/bn/bn_local.h
crypto/rsa/rsa_ossl.c

index f1d204b2b45ca7e7418e8efb2dc075456e503793..a06704352316fa6ac21ec887259acd04a51a672f 100644 (file)
@@ -25,6 +25,17 @@ OpenSSL 3.2
 
 ### Changes between 3.1 and 3.2 [xx XXX xxxx]
 
+ * Reworked the Fix for the Timing Oracle in RSA Decryption ([CVE-2022-4304]).
+   The previous fix for this timing side channel turned out to cause
+   a severe 2-3x performance regression in the typical use case
+   compared to 3.0.7. The new fix uses existing constant time
+   code paths, and restores the previous performance level while
+   fully eliminating all existing timing side channels.
+   The fix was developed by Bernd Edlinger with testing support
+   by Hubert Kario.
+
+   *Bernd Edlinger*
+
  * Added an "advanced" command mode to s_client. Use this with the "-adv"
    option. The old "basic" command mode recognises certain letters that must
    always appear at the start of a line and cannot be escaped. The advanced
index 485bfd838b54475b63f0c6269f348a0c5581771c..5d9c58bd867a16dcb7ea38e9f71d25a52677abc1 100644 (file)
@@ -381,25 +381,33 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
 #ifndef OPENSSL_SMALL_FOOTPRINT
     while (n & ~3) {
         t1 = a[0];
-        t2 = b[0];
-        r[0] = (t1 - t2 - c) & BN_MASK2;
-        if (t1 != t2)
-            c = (t1 < t2);
+        t2 = (t1 - c) & BN_MASK2;
+        c  = (t2 > t1);
+        t1 = b[0];
+        t1 = (t2 - t1) & BN_MASK2;
+        r[0] = t1;
+        c += (t1 > t2);
         t1 = a[1];
-        t2 = b[1];
-        r[1] = (t1 - t2 - c) & BN_MASK2;
-        if (t1 != t2)
-            c = (t1 < t2);
+        t2 = (t1 - c) & BN_MASK2;
+        c  = (t2 > t1);
+        t1 = b[1];
+        t1 = (t2 - t1) & BN_MASK2;
+        r[1] = t1;
+        c += (t1 > t2);
         t1 = a[2];
-        t2 = b[2];
-        r[2] = (t1 - t2 - c) & BN_MASK2;
-        if (t1 != t2)
-            c = (t1 < t2);
+        t2 = (t1 - c) & BN_MASK2;
+        c  = (t2 > t1);
+        t1 = b[2];
+        t1 = (t2 - t1) & BN_MASK2;
+        r[2] = t1;
+        c += (t1 > t2);
         t1 = a[3];
-        t2 = b[3];
-        r[3] = (t1 - t2 - c) & BN_MASK2;
-        if (t1 != t2)
-            c = (t1 < t2);
+        t2 = (t1 - c) & BN_MASK2;
+        c  = (t2 > t1);
+        t1 = b[3];
+        t1 = (t2 - t1) & BN_MASK2;
+        r[3] = t1;
+        c += (t1 > t2);
         a += 4;
         b += 4;
         r += 4;
@@ -408,10 +416,12 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
 #endif
     while (n) {
         t1 = a[0];
-        t2 = b[0];
-        r[0] = (t1 - t2 - c) & BN_MASK2;
-        if (t1 != t2)
-            c = (t1 < t2);
+        t2 = (t1 - c) & BN_MASK2;
+        c  = (t2 > t1);
+        t1 = b[0];
+        t1 = (t2 - t1) & BN_MASK2;
+        r[0] = t1;
+        c += (t1 > t2);
         a++;
         b++;
         r++;
@@ -441,7 +451,7 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
         t += c0;                /* no carry */  \
         c0 = (BN_ULONG)Lw(t);                   \
         hi = (BN_ULONG)Hw(t);                   \
-        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; if (c1<hi) c2++; \
+        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; c2 += (c1<hi);   \
         } while(0)
 
 #  define mul_add_c2(a,b,c0,c1,c2)      do {    \
@@ -450,11 +460,11 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
         BN_ULLONG tt = t+c0;    /* no carry */  \
         c0 = (BN_ULONG)Lw(tt);                  \
         hi = (BN_ULONG)Hw(tt);                  \
-        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; if (c1<hi) c2++; \
+        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; c2 += (c1<hi);   \
         t += c0;                /* no carry */  \
         c0 = (BN_ULONG)Lw(t);                   \
         hi = (BN_ULONG)Hw(t);                   \
-        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; if (c1<hi) c2++; \
+        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; c2 += (c1<hi);   \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c(a,i,c0,c1,c2)       do {    \
@@ -463,7 +473,7 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
         t += c0;                /* no carry */  \
         c0 = (BN_ULONG)Lw(t);                   \
         hi = (BN_ULONG)Hw(t);                   \
-        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; if (c1<hi) c2++; \
+        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; c2 += (c1<hi);   \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c2(a,i,j,c0,c1,c2) \
@@ -478,26 +488,26 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
         BN_ULONG ta = (a), tb = (b);            \
         BN_ULONG lo, hi;                        \
         BN_UMULT_LOHI(lo,hi,ta,tb);             \
-        c0 += lo; hi += (c0<lo)?1:0;            \
-        c1 += hi; c2 += (c1<hi)?1:0;            \
+        c0 += lo; hi += (c0<lo);                \
+        c1 += hi; c2 += (c1<hi);                \
         } while(0)
 
 #  define mul_add_c2(a,b,c0,c1,c2)      do {    \
         BN_ULONG ta = (a), tb = (b);            \
         BN_ULONG lo, hi, tt;                    \
         BN_UMULT_LOHI(lo,hi,ta,tb);             \
-        c0 += lo; tt = hi+((c0<lo)?1:0);        \
-        c1 += tt; c2 += (c1<tt)?1:0;            \
-        c0 += lo; hi += (c0<lo)?1:0;            \
-        c1 += hi; c2 += (c1<hi)?1:0;            \
+        c0 += lo; tt = hi + (c0<lo);            \
+        c1 += tt; c2 += (c1<tt);                \
+        c0 += lo; hi += (c0<lo);                \
+        c1 += hi; c2 += (c1<hi);                \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c(a,i,c0,c1,c2)       do {    \
         BN_ULONG ta = (a)[i];                   \
         BN_ULONG lo, hi;                        \
         BN_UMULT_LOHI(lo,hi,ta,ta);             \
-        c0 += lo; hi += (c0<lo)?1:0;            \
-        c1 += hi; c2 += (c1<hi)?1:0;            \
+        c0 += lo; hi += (c0<lo);                \
+        c1 += hi; c2 += (c1<hi);                \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c2(a,i,j,c0,c1,c2)    \
@@ -512,26 +522,26 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
         BN_ULONG ta = (a), tb = (b);            \
         BN_ULONG lo = ta * tb;                  \
         BN_ULONG hi = BN_UMULT_HIGH(ta,tb);     \
-        c0 += lo; hi += (c0<lo)?1:0;            \
-        c1 += hi; c2 += (c1<hi)?1:0;            \
+        c0 += lo; hi += (c0<lo);                \
+        c1 += hi; c2 += (c1<hi);                \
         } while(0)
 
 #  define mul_add_c2(a,b,c0,c1,c2)      do {    \
         BN_ULONG ta = (a), tb = (b), tt;        \
         BN_ULONG lo = ta * tb;                  \
         BN_ULONG hi = BN_UMULT_HIGH(ta,tb);     \
-        c0 += lo; tt = hi + ((c0<lo)?1:0);      \
-        c1 += tt; c2 += (c1<tt)?1:0;            \
-        c0 += lo; hi += (c0<lo)?1:0;            \
-        c1 += hi; c2 += (c1<hi)?1:0;            \
+        c0 += lo; tt = hi + (c0<lo);            \
+        c1 += tt; c2 += (c1<tt);                \
+        c0 += lo; hi += (c0<lo);                \
+        c1 += hi; c2 += (c1<hi);                \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c(a,i,c0,c1,c2)       do {    \
         BN_ULONG ta = (a)[i];                   \
         BN_ULONG lo = ta * ta;                  \
         BN_ULONG hi = BN_UMULT_HIGH(ta,ta);     \
-        c0 += lo; hi += (c0<lo)?1:0;            \
-        c1 += hi; c2 += (c1<hi)?1:0;            \
+        c0 += lo; hi += (c0<lo);                \
+        c1 += hi; c2 += (c1<hi);                \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c2(a,i,j,c0,c1,c2)      \
@@ -546,8 +556,8 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
         BN_ULONG lo = LBITS(a), hi = HBITS(a);  \
         BN_ULONG bl = LBITS(b), bh = HBITS(b);  \
         mul64(lo,hi,bl,bh);                     \
-        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; if (c0<lo) hi++; \
-        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; if (c1<hi) c2++; \
+        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; hi += (c0<lo);   \
+        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; c2 += (c1<hi);   \
         } while(0)
 
 #  define mul_add_c2(a,b,c0,c1,c2)      do {    \
@@ -556,17 +566,17 @@ BN_ULONG bn_sub_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
         BN_ULONG bl = LBITS(b), bh = HBITS(b);  \
         mul64(lo,hi,bl,bh);                     \
         tt = hi;                                \
-        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; if (c0<lo) tt++; \
-        c1 = (c1+tt)&BN_MASK2; if (c1<tt) c2++; \
-        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; if (c0<lo) hi++; \
-        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; if (c1<hi) c2++; \
+        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; tt += (c0<lo);   \
+        c1 = (c1+tt)&BN_MASK2; c2 += (c1<tt);   \
+        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; hi += (c0<lo);   \
+        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; c2 += (c1<hi);   \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c(a,i,c0,c1,c2)       do {    \
         BN_ULONG lo, hi;                        \
         sqr64(lo,hi,(a)[i]);                    \
-        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; if (c0<lo) hi++; \
-        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; if (c1<hi) c2++; \
+        c0 = (c0+lo)&BN_MASK2; hi += (c0<lo);   \
+        c1 = (c1+hi)&BN_MASK2; c2 += (c1<hi);   \
         } while(0)
 
 #  define sqr_add_c2(a,i,j,c0,c1,c2) \
index 6ea54f00a9cefd413d5816ef7e93fd4ef96002d2..a2936344854301753b5fcfc3e2814f718d973b71 100644 (file)
@@ -189,7 +189,8 @@ int BN_BLINDING_invert_ex(BIGNUM *n, const BIGNUM *r, BN_BLINDING *b,
             n->top = (int)(rtop & ~mask) | (ntop & mask);
             n->flags |= (BN_FLG_FIXED_TOP & ~mask);
         }
-        ret = BN_mod_mul_montgomery(n, n, r, b->m_ctx, ctx);
+        ret = bn_mul_mont_fixed_top(n, n, r, b->m_ctx, ctx);
+        bn_correct_top_consttime(n);
     } else {
         ret = BN_mod_mul(n, n, r, b->mod, ctx);
     }
index ead513c7aea67d4690ed29591d5ff5664e58e9c6..ca474a4f07af4b8d407e02ae409de51511bfeb0f 100644 (file)
@@ -1106,6 +1106,28 @@ BIGNUM *bn_wexpand(BIGNUM *a, int words)
     return (words <= a->dmax) ? a : bn_expand2(a, words);
 }
 
+void bn_correct_top_consttime(BIGNUM *a)
+{
+    int j, atop;
+    BN_ULONG limb;
+    unsigned int mask;
+
+    for (j = 0, atop = 0; j < a->dmax; j++) {
+        limb = a->d[j];
+        limb |= 0 - limb;
+        limb >>= BN_BITS2 - 1;
+        limb = 0 - limb;
+        mask = (unsigned int)limb;
+        mask &= constant_time_msb(j - a->top);
+        atop = constant_time_select_int(mask, j + 1, atop);
+    }
+
+    mask = constant_time_eq_int(atop, 0);
+    a->top = atop;
+    a->neg = constant_time_select_int(mask, 0, a->neg);
+    a->flags &= ~BN_FLG_FIXED_TOP;
+}
+
 void bn_correct_top(BIGNUM *a)
 {
     BN_ULONG *ftl;
index 322b0af89bfae097644f1297b52b5e1deacab182..f152be6602bee9153a94868deb4240b51fd7a84d 100644 (file)
@@ -525,10 +525,10 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         ret =  (r);                     \
         BN_UMULT_LOHI(low,high,w,tmp);  \
         ret += (c);                     \
-        (c) =  (ret<(c))?1:0;           \
+        (c) =  (ret<(c));               \
         (c) += high;                    \
         ret += low;                     \
-        (c) += (ret<low)?1:0;           \
+        (c) += (ret<low);               \
         (r) =  ret;                     \
         }
 
@@ -537,7 +537,7 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         BN_UMULT_LOHI(low,high,w,ta);   \
         ret =  low + (c);               \
         (c) =  high;                    \
-        (c) += (ret<low)?1:0;           \
+        (c) += (ret<low);               \
         (r) =  ret;                     \
         }
 
@@ -553,10 +553,10 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         high=  BN_UMULT_HIGH(w,tmp);    \
         ret += (c);                     \
         low =  (w) * tmp;               \
-        (c) =  (ret<(c))?1:0;           \
+        (c) =  (ret<(c));               \
         (c) += high;                    \
         ret += low;                     \
-        (c) += (ret<low)?1:0;           \
+        (c) += (ret<low);               \
         (r) =  ret;                     \
         }
 
@@ -566,7 +566,7 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         high=  BN_UMULT_HIGH(w,ta);     \
         ret =  low + (c);               \
         (c) =  high;                    \
-        (c) += (ret<low)?1:0;           \
+        (c) += (ret<low);               \
         (r) =  ret;                     \
         }
 
@@ -599,10 +599,10 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         lt=(bl)*(lt); \
         m1=(bl)*(ht); \
         ht =(bh)*(ht); \
-        m=(m+m1)&BN_MASK2; if (m < m1) ht+=L2HBITS((BN_ULONG)1); \
+        m=(m+m1)&BN_MASK2; ht += L2HBITS((BN_ULONG)(m < m1)); \
         ht+=HBITS(m); \
         m1=L2HBITS(m); \
-        lt=(lt+m1)&BN_MASK2; if (lt < m1) ht++; \
+        lt=(lt+m1)&BN_MASK2; ht += (lt < m1); \
         (l)=lt; \
         (h)=ht; \
         }
@@ -619,7 +619,7 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         h*=h; \
         h+=(m&BN_MASK2h1)>>(BN_BITS4-1); \
         m =(m&BN_MASK2l)<<(BN_BITS4+1); \
-        l=(l+m)&BN_MASK2; if (l < m) h++; \
+        l=(l+m)&BN_MASK2; h += (l < m); \
         (lo)=l; \
         (ho)=h; \
         }
@@ -633,9 +633,9 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         mul64(l,h,(bl),(bh)); \
  \
         /* non-multiply part */ \
-        l=(l+(c))&BN_MASK2; if (l < (c)) h++; \
+        l=(l+(c))&BN_MASK2; h += (l < (c)); \
         (c)=(r); \
-        l=(l+(c))&BN_MASK2; if (l < (c)) h++; \
+        l=(l+(c))&BN_MASK2; h += (l < (c)); \
         (c)=h&BN_MASK2; \
         (r)=l; \
         }
@@ -649,7 +649,7 @@ unsigned __int64 _umul128(unsigned __int64 a, unsigned __int64 b,
         mul64(l,h,(bl),(bh)); \
  \
         /* non-multiply part */ \
-        l+=(c); if ((l&BN_MASK2) < (c)) h++; \
+        l+=(c); h += ((l&BN_MASK2) < (c)); \
         (c)=h&BN_MASK2; \
         (r)=l&BN_MASK2; \
         }
@@ -679,7 +679,7 @@ BN_ULONG bn_sub_part_words(BN_ULONG *r, const BN_ULONG *a, const BN_ULONG *b,
                            int cl, int dl);
 int bn_mul_mont(BN_ULONG *rp, const BN_ULONG *ap, const BN_ULONG *bp,
                 const BN_ULONG *np, const BN_ULONG *n0, int num);
-
+void bn_correct_top_consttime(BIGNUM *a);
 BIGNUM *int_bn_mod_inverse(BIGNUM *in,
                            const BIGNUM *a, const BIGNUM *n, BN_CTX *ctx,
                            int *noinv);
index 780b7b6715b39c16a715842b1c701a321fefc3b4..0dcb02bfa939d1beaffbb394b9003b8d8b32771e 100644 (file)
@@ -257,6 +257,7 @@ static int rsa_blinding_invert(BN_BLINDING *b, BIGNUM *f, BIGNUM *unblind,
      * will only read the modulus from BN_BLINDING. In both cases it's safe
      * to access the blinding without a lock.
      */
+    BN_set_flags(f, BN_FLG_CONSTTIME);
     return BN_BLINDING_invert_ex(f, unblind, b, ctx);
 }
 
@@ -536,6 +537,11 @@ static int rsa_ossl_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,
         goto err;
     }
 
+    if (rsa->flags & RSA_FLAG_CACHE_PUBLIC)
+        if (!BN_MONT_CTX_set_locked(&rsa->_method_mod_n, rsa->lock,
+                                    rsa->n, ctx))
+            goto err;
+
     if (!(rsa->flags & RSA_FLAG_NO_BLINDING)) {
         blinding = rsa_get_blinding(rsa, &local_blinding, ctx);
         if (blinding == NULL) {
@@ -573,13 +579,6 @@ static int rsa_ossl_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,
             goto err;
         }
         BN_with_flags(d, rsa->d, BN_FLG_CONSTTIME);
-
-        if (rsa->flags & RSA_FLAG_CACHE_PUBLIC)
-            if (!BN_MONT_CTX_set_locked(&rsa->_method_mod_n, rsa->lock,
-                                        rsa->n, ctx)) {
-                BN_free(d);
-                goto err;
-            }
         if (!rsa->meth->bn_mod_exp(ret, f, d, rsa->n, ctx,
                                    rsa->_method_mod_n)) {
             BN_free(d);