crypto/dh/dh_key.c

   1 /*
   2  * Copyright 1995-2023 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  *
   4  * Licensed under the Apache License 2.0 (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 /*
  11  * DH low level APIs are deprecated for public use, but still ok for
  12  * internal use.
  13  */
  14 #include "internal/deprecated.h"
  15
  16 #include <stdio.h>
  17 #include "internal/cryptlib.h"
  18 #include "dh_local.h"
  19 #include "crypto/bn.h"
  20 #include "crypto/dh.h"
  21 #include "crypto/security_bits.h"
  22
  23 #ifdef FIPS_MODULE
  24 # define MIN_STRENGTH 112
  25 #else
  26 # define MIN_STRENGTH 80
  27 #endif
  28
  29 static int generate_key(DH *dh);
  30 static int dh_bn_mod_exp(const DH *dh, BIGNUM *r,
  31                          const BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
  32                          const BIGNUM *m, BN_CTX *ctx, BN_MONT_CTX *m_ctx);
  33 static int dh_init(DH *dh);
  34 static int dh_finish(DH *dh);
  35
  36 /*
  37  * See SP800-56Ar3 Section 5.7.1.1
  38  * Finite Field Cryptography Diffie-Hellman (FFC DH) Primitive
  39  */
  40 int ossl_dh_compute_key(unsigned char *key, const BIGNUM *pub_key, DH *dh)
  41 {
  42     BN_CTX *ctx = NULL;
  43     BN_MONT_CTX *mont = NULL;
  44     BIGNUM *z = NULL, *pminus1;
  45     int ret = -1;
  46
  47     if (BN_num_bits(dh->params.p) > OPENSSL_DH_MAX_MODULUS_BITS) {
  48         ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_MODULUS_TOO_LARGE);
  49         goto err;
  50     }
  51
  52     if (BN_num_bits(dh->params.p) < DH_MIN_MODULUS_BITS) {
  53         ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_MODULUS_TOO_SMALL);
  54         return 0;
  55     }
  56
  57     ctx = BN_CTX_new_ex(dh->libctx);
  58     if (ctx == NULL)
  59         goto err;
  60     BN_CTX_start(ctx);
  61     pminus1 = BN_CTX_get(ctx);
  62     z = BN_CTX_get(ctx);
  63     if (z == NULL)
  64         goto err;
  65
  66     if (dh->priv_key == NULL) {
  67         ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_NO_PRIVATE_VALUE);
  68         goto err;
  69     }
  70
  71     if (dh->flags & DH_FLAG_CACHE_MONT_P) {
  72         mont = BN_MONT_CTX_set_locked(&dh->method_mont_p,
  73                                       dh->lock, dh->params.p, ctx);
  74         BN_set_flags(dh->priv_key, BN_FLG_CONSTTIME);
  75         if (!mont)
  76             goto err;
  77     }
  78
  79     /* (Step 1) Z = pub_key^priv_key mod p */
  80     if (!dh->meth->bn_mod_exp(dh, z, pub_key, dh->priv_key, dh->params.p, ctx,
  81                               mont)) {
  82         ERR_raise(ERR_LIB_DH, ERR_R_BN_LIB);
  83         goto err;
  84     }
  85
  86     /* (Step 2) Error if z <= 1 or z = p - 1 */
  87     if (BN_copy(pminus1, dh->params.p) == NULL
  88         || !BN_sub_word(pminus1, 1)
  89         || BN_cmp(z, BN_value_one()) <= 0
  90         || BN_cmp(z, pminus1) == 0) {
  91         ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_INVALID_SECRET);
  92         goto err;
  93     }
  94
  95     /* return the padded key, i.e. same number of bytes as the modulus */
  96     ret = BN_bn2binpad(z, key, BN_num_bytes(dh->params.p));
  97  err:
  98     BN_clear(z); /* (Step 2) destroy intermediate values */
  99     BN_CTX_end(ctx);
 100     BN_CTX_free(ctx);
 101     return ret;
 102 }
 103
 104 /*-
 105  * NB: This function is inherently not constant time due to the
 106  * RFC 5246 (8.1.2) padding style that strips leading zero bytes.
 107  */
 108 int DH_compute_key(unsigned char *key, const BIGNUM *pub_key, DH *dh)
 109 {
 110     int ret = 0, i;
 111     volatile size_t npad = 0, mask = 1;
 112
 113     /* compute the key; ret is constant unless compute_key is external */
 114 #ifdef FIPS_MODULE
 115     ret = ossl_dh_compute_key(key, pub_key, dh);
 116 #else
 117     ret = dh->meth->compute_key(key, pub_key, dh);
 118 #endif
 119     if (ret <= 0)
 120         return ret;
 121
 122     /* count leading zero bytes, yet still touch all bytes */
 123     for (i = 0; i < ret; i++) {
 124         mask &= !key[i];
 125         npad += mask;
 126     }
 127
 128     /* unpad key */
 129     ret -= npad;
 130     /* key-dependent memory access, potentially leaking npad / ret */
 131     memmove(key, key + npad, ret);
 132     /* key-dependent memory access, potentially leaking npad / ret */
 133     memset(key + ret, 0, npad);
 134
 135     return ret;
 136 }
 137
 138 int DH_compute_key_padded(unsigned char *key, const BIGNUM *pub_key, DH *dh)
 139 {
 140     int rv, pad;
 141
 142     /* rv is constant unless compute_key is external */
 143 #ifdef FIPS_MODULE
 144     rv = ossl_dh_compute_key(key, pub_key, dh);
 145 #else
 146     rv = dh->meth->compute_key(key, pub_key, dh);
 147 #endif
 148     if (rv <= 0)
 149         return rv;
 150     pad = BN_num_bytes(dh->params.p) - rv;
 151     /* pad is constant (zero) unless compute_key is external */
 152     if (pad > 0) {
 153         memmove(key + pad, key, rv);
 154         memset(key, 0, pad);
 155     }
 156     return rv + pad;
 157 }
 158
 159 static DH_METHOD dh_ossl = {
 160     "OpenSSL DH Method",
 161     generate_key,
 162     ossl_dh_compute_key,
 163     dh_bn_mod_exp,
 164     dh_init,
 165     dh_finish,
 166     DH_FLAG_FIPS_METHOD,
 167     NULL,
 168     NULL
 169 };
 170
 171 static const DH_METHOD *default_DH_method = &dh_ossl;
 172
 173 const DH_METHOD *DH_OpenSSL(void)
 174 {
 175     return &dh_ossl;
 176 }
 177
 178 const DH_METHOD *DH_get_default_method(void)
 179 {
 180     return default_DH_method;
 181 }
 182
 183 static int dh_bn_mod_exp(const DH *dh, BIGNUM *r,
 184                          const BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
 185                          const BIGNUM *m, BN_CTX *ctx, BN_MONT_CTX *m_ctx)
 186 {
 187     return BN_mod_exp_mont(r, a, p, m, ctx, m_ctx);
 188 }
 189
 190 static int dh_init(DH *dh)
 191 {
 192     dh->flags |= DH_FLAG_CACHE_MONT_P;
 193     dh->dirty_cnt++;
 194     return 1;
 195 }
 196
 197 static int dh_finish(DH *dh)
 198 {
 199     BN_MONT_CTX_free(dh->method_mont_p);
 200     return 1;
 201 }
 202
 203 #ifndef FIPS_MODULE
 204 void DH_set_default_method(const DH_METHOD *meth)
 205 {
 206     default_DH_method = meth;
 207 }
 208 #endif /* FIPS_MODULE */
 209
 210 int DH_generate_key(DH *dh)
 211 {
 212 #ifdef FIPS_MODULE
 213     return generate_key(dh);
 214 #else
 215     return dh->meth->generate_key(dh);
 216 #endif
 217 }
 218
 219 int ossl_dh_generate_public_key(BN_CTX *ctx, const DH *dh,
 220                                 const BIGNUM *priv_key, BIGNUM *pub_key)
 221 {
 222     int ret = 0;
 223     BIGNUM *prk = BN_new();
 224     BN_MONT_CTX *mont = NULL;
 225
 226     if (prk == NULL)
 227         return 0;
 228
 229     if (dh->flags & DH_FLAG_CACHE_MONT_P) {
 230         /*
 231          * We take the input DH as const, but we lie, because in some cases we
 232          * want to get a hold of its Montgomery context.
 233          *
 234          * We cast to remove the const qualifier in this case, it should be
 235          * fine...
 236          */
 237         BN_MONT_CTX **pmont = (BN_MONT_CTX **)&dh->method_mont_p;
 238
 239         mont = BN_MONT_CTX_set_locked(pmont, dh->lock, dh->params.p, ctx);
 240         if (mont == NULL)
 241             goto err;
 242     }
 243     BN_with_flags(prk, priv_key, BN_FLG_CONSTTIME);
 244
 245     /* pub_key = g^priv_key mod p */
 246     if (!dh->meth->bn_mod_exp(dh, pub_key, dh->params.g, prk, dh->params.p,
 247                               ctx, mont))
 248         goto err;
 249     ret = 1;
 250 err:
 251     BN_clear_free(prk);
 252     return ret;
 253 }
 254
 255 static int generate_key(DH *dh)
 256 {
 257     int ok = 0;
 258     int generate_new_key = 0;
 259 #ifndef FIPS_MODULE
 260     unsigned l;
 261 #endif
 262     BN_CTX *ctx = NULL;
 263     BIGNUM *pub_key = NULL, *priv_key = NULL;
 264
 265     if (BN_num_bits(dh->params.p) > OPENSSL_DH_MAX_MODULUS_BITS) {
 266         ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_MODULUS_TOO_LARGE);
 267         return 0;
 268     }
 269
 270     if (BN_num_bits(dh->params.p) < DH_MIN_MODULUS_BITS) {
 271         ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_MODULUS_TOO_SMALL);
 272         return 0;
 273     }
 274
 275     ctx = BN_CTX_new_ex(dh->libctx);
 276     if (ctx == NULL)
 277         goto err;
 278
 279     if (dh->priv_key == NULL) {
 280         priv_key = BN_secure_new();
 281         if (priv_key == NULL)
 282             goto err;
 283         generate_new_key = 1;
 284     } else {
 285         priv_key = dh->priv_key;
 286     }
 287
 288     if (dh->pub_key == NULL) {
 289         pub_key = BN_new();
 290         if (pub_key == NULL)
 291             goto err;
 292     } else {
 293         pub_key = dh->pub_key;
 294     }
 295     if (generate_new_key) {
 296         /* Is it an approved safe prime ?*/
 297         if (DH_get_nid(dh) != NID_undef) {
 298             int max_strength =
 299                     ossl_ifc_ffc_compute_security_bits(BN_num_bits(dh->params.p));
 300
 301             if (dh->params.q == NULL
 302                 || dh->length > BN_num_bits(dh->params.q))
 303                 goto err;
 304             /* dh->length = maximum bit length of generated private key */
 305             if (!ossl_ffc_generate_private_key(ctx, &dh->params, dh->length,
 306                                                max_strength, priv_key))
 307                 goto err;
 308         } else {
 309 #ifdef FIPS_MODULE
 310             if (dh->params.q == NULL)
 311                 goto err;
 312 #else
 313             if (dh->params.q == NULL) {
 314                 /* secret exponent length, must satisfy 2^(l-1) <= p */
 315                 if (dh->length != 0
 316                     && dh->length >= BN_num_bits(dh->params.p))
 317                     goto err;
 318                 l = dh->length ? dh->length : BN_num_bits(dh->params.p) - 1;
 319                 if (!BN_priv_rand_ex(priv_key, l, BN_RAND_TOP_ONE,
 320                                      BN_RAND_BOTTOM_ANY, 0, ctx))
 321                     goto err;
 322                 /*
 323                  * We handle just one known case where g is a quadratic non-residue:
 324                  * for g = 2: p % 8 == 3
 325                  */
 326                 if (BN_is_word(dh->params.g, DH_GENERATOR_2)
 327                     && !BN_is_bit_set(dh->params.p, 2)) {
 328                     /* clear bit 0, since it won't be a secret anyway */
 329                     if (!BN_clear_bit(priv_key, 0))
 330                         goto err;
 331                 }
 332             } else
 333 #endif
 334             {
 335                 /* Do a partial check for invalid p, q, g */
 336                 if (!ossl_ffc_params_simple_validate(dh->libctx, &dh->params,
 337                                                      FFC_PARAM_TYPE_DH, NULL))
 338                     goto err;
 339                 /*
 340                  * For FFC FIPS 186-4 keygen
 341                  * security strength s = 112,
 342                  * Max Private key size N = len(q)
 343                  */
 344                 if (!ossl_ffc_generate_private_key(ctx, &dh->params,
 345                                                    BN_num_bits(dh->params.q),
 346                                                    MIN_STRENGTH,
 347                                                    priv_key))
 348                     goto err;
 349             }
 350         }
 351     }
 352
 353     if (!ossl_dh_generate_public_key(ctx, dh, priv_key, pub_key))
 354         goto err;
 355
 356     dh->pub_key = pub_key;
 357     dh->priv_key = priv_key;
 358     dh->dirty_cnt++;
 359     ok = 1;
 360  err:
 361     if (ok != 1)
 362         ERR_raise(ERR_LIB_DH, ERR_R_BN_LIB);
 363
 364     if (pub_key != dh->pub_key)
 365         BN_free(pub_key);
 366     if (priv_key != dh->priv_key)
 367         BN_free(priv_key);
 368     BN_CTX_free(ctx);
 369     return ok;
 370 }
 371
 372 int ossl_dh_buf2key(DH *dh, const unsigned char *buf, size_t len)
 373 {
 374     int err_reason = DH_R_BN_ERROR;
 375     BIGNUM *pubkey = NULL;
 376     const BIGNUM *p;
 377     int ret;
 378
 379     if ((pubkey = BN_bin2bn(buf, len, NULL)) == NULL)
 380         goto err;
 381     DH_get0_pqg(dh, &p, NULL, NULL);
 382     if (p == NULL || BN_num_bytes(p) == 0) {
 383         err_reason = DH_R_NO_PARAMETERS_SET;
 384         goto err;
 385     }
 386     /* Prevent small subgroup attacks per RFC 8446 Section 4.2.8.1 */
 387     if (!ossl_dh_check_pub_key_partial(dh, pubkey, &ret)) {
 388         err_reason = DH_R_INVALID_PUBKEY;
 389         goto err;
 390     }
 391     if (DH_set0_key(dh, pubkey, NULL) != 1)
 392         goto err;
 393     return 1;
 394 err:
 395     ERR_raise(ERR_LIB_DH, err_reason);
 396     BN_free(pubkey);
 397     return 0;
 398 }
 399
 400 size_t ossl_dh_key2buf(const DH *dh, unsigned char **pbuf_out, size_t size,
 401                        int alloc)
 402 {
 403     const BIGNUM *pubkey;
 404     unsigned char *pbuf = NULL;
 405     const BIGNUM *p;
 406     int p_size;
 407
 408     DH_get0_pqg(dh, &p, NULL, NULL);
 409     DH_get0_key(dh, &pubkey, NULL);
 410     if (p == NULL || pubkey == NULL
 411             || (p_size = BN_num_bytes(p)) == 0
 412             || BN_num_bytes(pubkey) == 0) {
 413         ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_INVALID_PUBKEY);
 414         return 0;
 415     }
 416     if (pbuf_out != NULL && (alloc || *pbuf_out != NULL)) {
 417         if (!alloc) {
 418             if (size >= (size_t)p_size)
 419                 pbuf = *pbuf_out;
 420         } else {
 421             pbuf = OPENSSL_malloc(p_size);
 422         }
 423
 424         if (pbuf == NULL) {
 425             ERR_raise(ERR_LIB_DH, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 426             return 0;
 427         }
 428         /*
 429          * As per Section 4.2.8.1 of RFC 8446 left pad public
 430          * key with zeros to the size of p
 431          */
 432         if (BN_bn2binpad(pubkey, pbuf, p_size) < 0) {
 433             if (alloc)
 434                 OPENSSL_free(pbuf);
 435             ERR_raise(ERR_LIB_DH, DH_R_BN_ERROR);
 436             return 0;
 437         }
 438         *pbuf_out = pbuf;
 439     }
 440     return p_size;
 441 }