crypto/bn/bn_rand.c

   1 /*
   2  * Copyright 1995-2016 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  *
   4  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
   5  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
   6  * in the file LICENSE in the source distribution or at
   7  * https://www.openssl.org/source/license.html
   8  */
   9
  10 #include <stdio.h>
  11 #include <time.h>
  12 #include "internal/cryptlib.h"
  13 #include "bn_lcl.h"
  14 #include <openssl/rand.h>
  15 #include <openssl/sha.h>
  16
  17 static int bnrand(int testing, BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
  18 {
  19     unsigned char *buf = NULL;
  20     int ret = 0, bit, bytes, mask;
  21
  22     if (bits == 0) {
  23         if (top != BN_RAND_TOP_ANY || bottom != BN_RAND_BOTTOM_ANY)
  24             goto toosmall;
  25         BN_zero(rnd);
  26         return 1;
  27     }
  28     if (bits < 0 || (bits == 1 && top > 0))
  29         goto toosmall;
  30
  31     bytes = (bits + 7) / 8;
  32     bit = (bits - 1) % 8;
  33     mask = 0xff << (bit + 1);
  34
  35     buf = OPENSSL_malloc(bytes);
  36     if (buf == NULL) {
  37         BNerr(BN_F_BNRAND, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
  38         goto err;
  39     }
  40
  41     /* make a random number and set the top and bottom bits */
  42     if (RAND_bytes(buf, bytes) <= 0)
  43         goto err;
  44
  45     if (testing) {
  46         /*
  47          * generate patterns that are more likely to trigger BN library bugs
  48          */
  49         int i;
  50         unsigned char c;
  51
  52         for (i = 0; i < bytes; i++) {
  53             if (RAND_bytes(&c, 1) <= 0)
  54                 goto err;
  55             if (c >= 128 && i > 0)
  56                 buf[i] = buf[i - 1];
  57             else if (c < 42)
  58                 buf[i] = 0;
  59             else if (c < 84)
  60                 buf[i] = 255;
  61         }
  62     }
  63
  64     if (top >= 0) {
  65         if (top) {
  66             if (bit == 0) {
  67                 buf[0] = 1;
  68                 buf[1] |= 0x80;
  69             } else {
  70                 buf[0] |= (3 << (bit - 1));
  71             }
  72         } else {
  73             buf[0] |= (1 << bit);
  74         }
  75     }
  76     buf[0] &= ~mask;
  77     if (bottom)                 /* set bottom bit if requested */
  78         buf[bytes - 1] |= 1;
  79     if (!BN_bin2bn(buf, bytes, rnd))
  80         goto err;
  81     ret = 1;
  82  err:
  83     OPENSSL_clear_free(buf, bytes);
  84     bn_check_top(rnd);
  85     return (ret);
  86
  87 toosmall:
  88     BNerr(BN_F_BNRAND, BN_R_BITS_TOO_SMALL);
  89     return 0;
  90 }
  91
  92 int BN_rand(BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
  93 {
  94     return bnrand(0, rnd, bits, top, bottom);
  95 }
  96
  97 int BN_bntest_rand(BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
  98 {
  99     return bnrand(1, rnd, bits, top, bottom);
 100 }
 101
 102 /* random number r:  0 <= r < range */
 103 int BN_rand_range(BIGNUM *r, const BIGNUM *range)
 104 {
 105     int n;
 106     int count = 100;
 107
 108     if (range->neg || BN_is_zero(range)) {
 109         BNerr(BN_F_BN_RAND_RANGE, BN_R_INVALID_RANGE);
 110         return 0;
 111     }
 112
 113     n = BN_num_bits(range);     /* n > 0 */
 114
 115     /* BN_is_bit_set(range, n - 1) always holds */
 116
 117     if (n == 1)
 118         BN_zero(r);
 119     else if (!BN_is_bit_set(range, n - 2) && !BN_is_bit_set(range, n - 3)) {
 120         /*
 121          * range = 100..._2, so 3*range (= 11..._2) is exactly one bit longer
 122          * than range
 123          */
 124         do {
 125             if (!BN_rand(r, n + 1, BN_RAND_TOP_ANY, BN_RAND_BOTTOM_ANY))
 126                 return 0;
 127             /*
 128              * If r < 3*range, use r := r MOD range (which is either r, r -
 129              * range, or r - 2*range). Otherwise, iterate once more. Since
 130              * 3*range = 11..._2, each iteration succeeds with probability >=
 131              * .75.
 132              */
 133             if (BN_cmp(r, range) >= 0) {
 134                 if (!BN_sub(r, r, range))
 135                     return 0;
 136                 if (BN_cmp(r, range) >= 0)
 137                     if (!BN_sub(r, r, range))
 138                         return 0;
 139             }
 140
 141             if (!--count) {
 142                 BNerr(BN_F_BN_RAND_RANGE, BN_R_TOO_MANY_ITERATIONS);
 143                 return 0;
 144             }
 145
 146         }
 147         while (BN_cmp(r, range) >= 0);
 148     } else {
 149         do {
 150             /* range = 11..._2  or  range = 101..._2 */
 151             if (!BN_rand(r, n, BN_RAND_TOP_ANY, BN_RAND_BOTTOM_ANY))
 152                 return 0;
 153
 154             if (!--count) {
 155                 BNerr(BN_F_BN_RAND_RANGE, BN_R_TOO_MANY_ITERATIONS);
 156                 return 0;
 157             }
 158         }
 159         while (BN_cmp(r, range) >= 0);
 160     }
 161
 162     bn_check_top(r);
 163     return 1;
 164 }
 165
 166 int BN_pseudo_rand(BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
 167 {
 168     return BN_rand(rnd, bits, top, bottom);
 169 }
 170
 171 int BN_pseudo_rand_range(BIGNUM *r, const BIGNUM *range)
 172 {
 173     return BN_rand_range(r, range);
 174 }
 175
 176 /*
 177  * BN_generate_dsa_nonce generates a random number 0 <= out < range. Unlike
 178  * BN_rand_range, it also includes the contents of |priv| and |message| in
 179  * the generation so that an RNG failure isn't fatal as long as |priv|
 180  * remains secret. This is intended for use in DSA and ECDSA where an RNG
 181  * weakness leads directly to private key exposure unless this function is
 182  * used.
 183  */
 184 int BN_generate_dsa_nonce(BIGNUM *out, const BIGNUM *range,
 185                           const BIGNUM *priv, const unsigned char *message,
 186                           size_t message_len, BN_CTX *ctx)
 187 {
 188     SHA512_CTX sha;
 189     /*
 190      * We use 512 bits of random data per iteration to ensure that we have at
 191      * least |range| bits of randomness.
 192      */
 193     unsigned char random_bytes[64];
 194     unsigned char digest[SHA512_DIGEST_LENGTH];
 195     unsigned done, todo;
 196     /* We generate |range|+8 bytes of random output. */
 197     const unsigned num_k_bytes = BN_num_bytes(range) + 8;
 198     unsigned char private_bytes[96];
 199     unsigned char *k_bytes;
 200     int ret = 0;
 201
 202     k_bytes = OPENSSL_malloc(num_k_bytes);
 203     if (k_bytes == NULL)
 204         goto err;
 205
 206     /* We copy |priv| into a local buffer to avoid exposing its length. */
 207     todo = sizeof(priv->d[0]) * priv->top;
 208     if (todo > sizeof(private_bytes)) {
 209         /*
 210          * No reasonable DSA or ECDSA key should have a private key this
 211          * large and we don't handle this case in order to avoid leaking the
 212          * length of the private key.
 213          */
 214         BNerr(BN_F_BN_GENERATE_DSA_NONCE, BN_R_PRIVATE_KEY_TOO_LARGE);
 215         goto err;
 216     }
 217     memcpy(private_bytes, priv->d, todo);
 218     memset(private_bytes + todo, 0, sizeof(private_bytes) - todo);
 219
 220     for (done = 0; done < num_k_bytes;) {
 221         if (RAND_bytes(random_bytes, sizeof(random_bytes)) != 1)
 222             goto err;
 223         SHA512_Init(&sha);
 224         SHA512_Update(&sha, &done, sizeof(done));
 225         SHA512_Update(&sha, private_bytes, sizeof(private_bytes));
 226         SHA512_Update(&sha, message, message_len);
 227         SHA512_Update(&sha, random_bytes, sizeof(random_bytes));
 228         SHA512_Final(digest, &sha);
 229
 230         todo = num_k_bytes - done;
 231         if (todo > SHA512_DIGEST_LENGTH)
 232             todo = SHA512_DIGEST_LENGTH;
 233         memcpy(k_bytes + done, digest, todo);
 234         done += todo;
 235     }
 236
 237     if (!BN_bin2bn(k_bytes, num_k_bytes, out))
 238         goto err;
 239     if (BN_mod(out, out, range, ctx) != 1)
 240         goto err;
 241     ret = 1;
 242
 243  err:
 244     OPENSSL_free(k_bytes);
 245     OPENSSL_cleanse(private_bytes, sizeof(private_bytes));
 246     return ret;
 247 }