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