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 pseudorand, BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
  18 {
  19     unsigned char *buf = NULL;
  20     int ret = 0, bit, bytes, mask;
  21     time_t tim;
  22
  23     if (bits < 0 || (bits == 1 && top > 0)) {
  24         BNerr(BN_F_BNRAND, BN_R_BITS_TOO_SMALL);
  25         return 0;
  26     }
  27
  28     if (bits == 0) {
  29         BN_zero(rnd);
  30         return 1;
  31     }
  32
  33     bytes = (bits + 7) / 8;
  34     bit = (bits - 1) % 8;
  35     mask = 0xff << (bit + 1);
  36
  37     buf = OPENSSL_malloc(bytes);
  38     if (buf == NULL) {
  39         BNerr(BN_F_BNRAND, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
  40         goto err;
  41     }
  42
  43     /* make a random number and set the top and bottom bits */
  44     time(&tim);
  45     RAND_add(&tim, sizeof(tim), 0.0);
  46
  47     if (pseudorand) {
  48         if (RAND_bytes(buf, bytes) <= 0)
  49             goto err;
  50     } else {
  51         if (RAND_bytes(buf, bytes) <= 0)
  52             goto err;
  53     }
  54
  55     if (pseudorand == 2) {
  56         /*
  57          * generate patterns that are more likely to trigger BN library bugs
  58          */
  59         int i;
  60         unsigned char c;
  61
  62         for (i = 0; i < bytes; i++) {
  63             if (RAND_bytes(&c, 1) <= 0)
  64                 goto err;
  65             if (c >= 128 && i > 0)
  66                 buf[i] = buf[i - 1];
  67             else if (c < 42)
  68                 buf[i] = 0;
  69             else if (c < 84)
  70                 buf[i] = 255;
  71         }
  72     }
  73
  74     if (top >= 0) {
  75         if (top) {
  76             if (bit == 0) {
  77                 buf[0] = 1;
  78                 buf[1] |= 0x80;
  79             } else {
  80                 buf[0] |= (3 << (bit - 1));
  81             }
  82         } else {
  83             buf[0] |= (1 << bit);
  84         }
  85     }
  86     buf[0] &= ~mask;
  87     if (bottom)                 /* set bottom bit if requested */
  88         buf[bytes - 1] |= 1;
  89     if (!BN_bin2bn(buf, bytes, rnd))
  90         goto err;
  91     ret = 1;
  92  err:
  93     OPENSSL_clear_free(buf, bytes);
  94     bn_check_top(rnd);
  95     return (ret);
  96 }
  97
  98 int BN_rand(BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
  99 {
 100     return bnrand(0, rnd, bits, top, bottom);
 101 }
 102
 103 int BN_pseudo_rand(BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
 104 {
 105     return bnrand(1, rnd, bits, top, bottom);
 106 }
 107
 108 int BN_bntest_rand(BIGNUM *rnd, int bits, int top, int bottom)
 109 {
 110     return bnrand(2, rnd, bits, top, bottom);
 111 }
 112
 113 /* random number r:  0 <= r < range */
 114 static int bn_rand_range(int pseudo, BIGNUM *r, const BIGNUM *range)
 115 {
 116     int (*bn_rand) (BIGNUM *, int, int, int) =
 117         pseudo ? BN_pseudo_rand : BN_rand;
 118     int n;
 119     int count = 100;
 120
 121     if (range->neg || BN_is_zero(range)) {
 122         BNerr(BN_F_BN_RAND_RANGE, BN_R_INVALID_RANGE);
 123         return 0;
 124     }
 125
 126     n = BN_num_bits(range);     /* n > 0 */
 127
 128     /* BN_is_bit_set(range, n - 1) always holds */
 129
 130     if (n == 1)
 131         BN_zero(r);
 132     else if (!BN_is_bit_set(range, n - 2) && !BN_is_bit_set(range, n - 3)) {
 133         /*
 134          * range = 100..._2, so 3*range (= 11..._2) is exactly one bit longer
 135          * than range
 136          */
 137         do {
 138             if (!bn_rand(r, n + 1, -1, 0))
 139                 return 0;
 140             /*
 141              * If r < 3*range, use r := r MOD range (which is either r, r -
 142              * range, or r - 2*range). Otherwise, iterate once more. Since
 143              * 3*range = 11..._2, each iteration succeeds with probability >=
 144              * .75.
 145              */
 146             if (BN_cmp(r, range) >= 0) {
 147                 if (!BN_sub(r, r, range))
 148                     return 0;
 149                 if (BN_cmp(r, range) >= 0)
 150                     if (!BN_sub(r, r, range))
 151                         return 0;
 152             }
 153
 154             if (!--count) {
 155                 BNerr(BN_F_BN_RAND_RANGE, BN_R_TOO_MANY_ITERATIONS);
 156                 return 0;
 157             }
 158
 159         }
 160         while (BN_cmp(r, range) >= 0);
 161     } else {
 162         do {
 163             /* range = 11..._2  or  range = 101..._2 */
 164             if (!bn_rand(r, n, -1, 0))
 165                 return 0;
 166
 167             if (!--count) {
 168                 BNerr(BN_F_BN_RAND_RANGE, BN_R_TOO_MANY_ITERATIONS);
 169                 return 0;
 170             }
 171         }
 172         while (BN_cmp(r, range) >= 0);
 173     }
 174
 175     bn_check_top(r);
 176     return 1;
 177 }
 178
 179 int BN_rand_range(BIGNUM *r, const BIGNUM *range)
 180 {
 181     return bn_rand_range(0, r, range);
 182 }
 183
 184 int BN_pseudo_rand_range(BIGNUM *r, const BIGNUM *range)
 185 {
 186     return bn_rand_range(1, r, range);
 187 }
 188
 189 /*
 190  * BN_generate_dsa_nonce generates a random number 0 <= out < range. Unlike
 191  * BN_rand_range, it also includes the contents of |priv| and |message| in
 192  * the generation so that an RNG failure isn't fatal as long as |priv|
 193  * remains secret. This is intended for use in DSA and ECDSA where an RNG
 194  * weakness leads directly to private key exposure unless this function is
 195  * used.
 196  */
 197 int BN_generate_dsa_nonce(BIGNUM *out, const BIGNUM *range,
 198                           const BIGNUM *priv, const unsigned char *message,
 199                           size_t message_len, BN_CTX *ctx)
 200 {
 201     SHA512_CTX sha;
 202     /*
 203      * We use 512 bits of random data per iteration to ensure that we have at
 204      * least |range| bits of randomness.
 205      */
 206     unsigned char random_bytes[64];
 207     unsigned char digest[SHA512_DIGEST_LENGTH];
 208     unsigned done, todo;
 209     /* We generate |range|+8 bytes of random output. */
 210     const unsigned num_k_bytes = BN_num_bytes(range) + 8;
 211     unsigned char private_bytes[96];
 212     unsigned char *k_bytes;
 213     int ret = 0;
 214
 215     k_bytes = OPENSSL_malloc(num_k_bytes);
 216     if (k_bytes == NULL)
 217         goto err;
 218
 219     /* We copy |priv| into a local buffer to avoid exposing its length. */
 220     todo = sizeof(priv->d[0]) * priv->top;
 221     if (todo > sizeof(private_bytes)) {
 222         /*
 223          * No reasonable DSA or ECDSA key should have a private key this
 224          * large and we don't handle this case in order to avoid leaking the
 225          * length of the private key.
 226          */
 227         BNerr(BN_F_BN_GENERATE_DSA_NONCE, BN_R_PRIVATE_KEY_TOO_LARGE);
 228         goto err;
 229     }
 230     memcpy(private_bytes, priv->d, todo);
 231     memset(private_bytes + todo, 0, sizeof(private_bytes) - todo);
 232
 233     for (done = 0; done < num_k_bytes;) {
 234         if (RAND_bytes(random_bytes, sizeof(random_bytes)) != 1)
 235             goto err;
 236         SHA512_Init(&sha);
 237         SHA512_Update(&sha, &done, sizeof(done));
 238         SHA512_Update(&sha, private_bytes, sizeof(private_bytes));
 239         SHA512_Update(&sha, message, message_len);
 240         SHA512_Update(&sha, random_bytes, sizeof(random_bytes));
 241         SHA512_Final(digest, &sha);
 242
 243         todo = num_k_bytes - done;
 244         if (todo > SHA512_DIGEST_LENGTH)
 245             todo = SHA512_DIGEST_LENGTH;
 246         memcpy(k_bytes + done, digest, todo);
 247         done += todo;
 248     }
 249
 250     if (!BN_bin2bn(k_bytes, num_k_bytes, out))
 251         goto err;
 252     if (BN_mod(out, out, range, ctx) != 1)
 253         goto err;
 254     ret = 1;
 255
 256  err:
 257     OPENSSL_free(k_bytes);
 258     return ret;
 259 }