crypto/dsa/dsa_ossl.c

   1 /*
   2  * Copyright 1995-2018 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  * DSA 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 "crypto/bn.h"
  19 #include <openssl/bn.h>
  20 #include <openssl/sha.h>
  21 #include "dsa_local.h"
  22 #include <openssl/asn1.h>
  23
  24 static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa);
  25 static int dsa_sign_setup_no_digest(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
  26                                     BIGNUM **rp);
  27 static int dsa_sign_setup(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
  28                           BIGNUM **rp, const unsigned char *dgst, int dlen);
  29 static int dsa_do_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
  30                          DSA_SIG *sig, DSA *dsa);
  31 static int dsa_init(DSA *dsa);
  32 static int dsa_finish(DSA *dsa);
  33 static BIGNUM *dsa_mod_inverse_fermat(const BIGNUM *k, const BIGNUM *q,
  34                                       BN_CTX *ctx);
  35
  36 static DSA_METHOD openssl_dsa_meth = {
  37     "OpenSSL DSA method",
  38     dsa_do_sign,
  39     dsa_sign_setup_no_digest,
  40     dsa_do_verify,
  41     NULL,                       /* dsa_mod_exp, */
  42     NULL,                       /* dsa_bn_mod_exp, */
  43     dsa_init,
  44     dsa_finish,
  45     DSA_FLAG_FIPS_METHOD,
  46     NULL,
  47     NULL,
  48     NULL
  49 };
  50
  51 static const DSA_METHOD *default_DSA_method = &openssl_dsa_meth;
  52
  53 #ifndef FIPS_MODE
  54 void DSA_set_default_method(const DSA_METHOD *meth)
  55 {
  56     default_DSA_method = meth;
  57 }
  58 #endif /* FIPS_MODE */
  59
  60 const DSA_METHOD *DSA_get_default_method(void)
  61 {
  62     return default_DSA_method;
  63 }
  64
  65 const DSA_METHOD *DSA_OpenSSL(void)
  66 {
  67     return &openssl_dsa_meth;
  68 }
  69
  70 DSA_SIG *dsa_do_sign_int(OPENSSL_CTX *libctx, const unsigned char *dgst,
  71                          int dlen, DSA *dsa)
  72 {
  73     BIGNUM *kinv = NULL;
  74     BIGNUM *m, *blind, *blindm, *tmp;
  75     BN_CTX *ctx = NULL;
  76     int reason = ERR_R_BN_LIB;
  77     DSA_SIG *ret = NULL;
  78     int rv = 0;
  79
  80     if (dsa->params.p == NULL
  81         || dsa->params.q == NULL
  82         || dsa->params.g == NULL) {
  83         reason = DSA_R_MISSING_PARAMETERS;
  84         goto err;
  85     }
  86     if (dsa->priv_key == NULL) {
  87         reason = DSA_R_MISSING_PRIVATE_KEY;
  88         goto err;
  89     }
  90
  91     ret = DSA_SIG_new();
  92     if (ret == NULL)
  93         goto err;
  94     ret->r = BN_new();
  95     ret->s = BN_new();
  96     if (ret->r == NULL || ret->s == NULL)
  97         goto err;
  98
  99     ctx = BN_CTX_new_ex(libctx);
 100     if (ctx == NULL)
 101         goto err;
 102     m = BN_CTX_get(ctx);
 103     blind = BN_CTX_get(ctx);
 104     blindm = BN_CTX_get(ctx);
 105     tmp = BN_CTX_get(ctx);
 106     if (tmp == NULL)
 107         goto err;
 108
 109  redo:
 110     if (!dsa_sign_setup(dsa, ctx, &kinv, &ret->r, dgst, dlen))
 111         goto err;
 112
 113     if (dlen > BN_num_bytes(dsa->params.q))
 114         /*
 115          * if the digest length is greater than the size of q use the
 116          * BN_num_bits(dsa->q) leftmost bits of the digest, see fips 186-3,
 117          * 4.2
 118          */
 119         dlen = BN_num_bytes(dsa->params.q);
 120     if (BN_bin2bn(dgst, dlen, m) == NULL)
 121         goto err;
 122
 123     /*
 124      * The normal signature calculation is:
 125      *
 126      *   s := k^-1 * (m + r * priv_key) mod q
 127      *
 128      * We will blind this to protect against side channel attacks
 129      *
 130      *   s := blind^-1 * k^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod q
 131      */
 132
 133     /* Generate a blinding value */
 134     do {
 135         if (!BN_priv_rand_ex(blind, BN_num_bits(dsa->params.q) - 1,
 136                              BN_RAND_TOP_ANY, BN_RAND_BOTTOM_ANY, ctx))
 137             goto err;
 138     } while (BN_is_zero(blind));
 139     BN_set_flags(blind, BN_FLG_CONSTTIME);
 140     BN_set_flags(blindm, BN_FLG_CONSTTIME);
 141     BN_set_flags(tmp, BN_FLG_CONSTTIME);
 142
 143     /* tmp := blind * priv_key * r mod q */
 144     if (!BN_mod_mul(tmp, blind, dsa->priv_key, dsa->params.q, ctx))
 145         goto err;
 146     if (!BN_mod_mul(tmp, tmp, ret->r, dsa->params.q, ctx))
 147         goto err;
 148
 149     /* blindm := blind * m mod q */
 150     if (!BN_mod_mul(blindm, blind, m, dsa->params.q, ctx))
 151         goto err;
 152
 153     /* s : = (blind * priv_key * r) + (blind * m) mod q */
 154     if (!BN_mod_add_quick(ret->s, tmp, blindm, dsa->params.q))
 155         goto err;
 156
 157     /* s := s * k^-1 mod q */
 158     if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, kinv, dsa->params.q, ctx))
 159         goto err;
 160
 161     /* s:= s * blind^-1 mod q */
 162     if (BN_mod_inverse(blind, blind, dsa->params.q, ctx) == NULL)
 163         goto err;
 164     if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, blind, dsa->params.q, ctx))
 165         goto err;
 166
 167     /*
 168      * Redo if r or s is zero as required by FIPS 186-3: this is very
 169      * unlikely.
 170      */
 171     if (BN_is_zero(ret->r) || BN_is_zero(ret->s))
 172         goto redo;
 173
 174     rv = 1;
 175
 176  err:
 177     if (rv == 0) {
 178         DSAerr(0, reason);
 179         DSA_SIG_free(ret);
 180         ret = NULL;
 181     }
 182     BN_CTX_free(ctx);
 183     BN_clear_free(kinv);
 184     return ret;
 185 }
 186
 187 static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa)
 188 {
 189     return dsa_do_sign_int(NULL, dgst, dlen, dsa);
 190 }
 191
 192 static int dsa_sign_setup_no_digest(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in,
 193                                     BIGNUM **kinvp, BIGNUM **rp)
 194 {
 195     return dsa_sign_setup(dsa, ctx_in, kinvp, rp, NULL, 0);
 196 }
 197
 198 static int dsa_sign_setup(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in,
 199                           BIGNUM **kinvp, BIGNUM **rp,
 200                           const unsigned char *dgst, int dlen)
 201 {
 202     BN_CTX *ctx = NULL;
 203     BIGNUM *k, *kinv = NULL, *r = *rp;
 204     BIGNUM *l;
 205     int ret = 0;
 206     int q_bits, q_words;
 207
 208     if (!dsa->params.p || !dsa->params.q || !dsa->params.g) {
 209         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, DSA_R_MISSING_PARAMETERS);
 210         return 0;
 211     }
 212
 213     /* Reject obviously invalid parameters */
 214     if (BN_is_zero(dsa->params.p)
 215         || BN_is_zero(dsa->params.q)
 216         || BN_is_zero(dsa->params.g)) {
 217         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, DSA_R_INVALID_PARAMETERS);
 218         return 0;
 219     }
 220     if (dsa->priv_key == NULL) {
 221         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, DSA_R_MISSING_PRIVATE_KEY);
 222         return 0;
 223     }
 224
 225     k = BN_new();
 226     l = BN_new();
 227     if (k == NULL || l == NULL)
 228         goto err;
 229
 230     if (ctx_in == NULL) {
 231         /* if you don't pass in ctx_in you get a default libctx */
 232         if ((ctx = BN_CTX_new_ex(NULL)) == NULL)
 233             goto err;
 234     } else
 235         ctx = ctx_in;
 236
 237     /* Preallocate space */
 238     q_bits = BN_num_bits(dsa->params.q);
 239     q_words = bn_get_top(dsa->params.q);
 240     if (!bn_wexpand(k, q_words + 2)
 241         || !bn_wexpand(l, q_words + 2))
 242         goto err;
 243
 244     /* Get random k */
 245     do {
 246         if (dgst != NULL) {
 247             /*
 248              * We calculate k from SHA512(private_key + H(message) + random).
 249              * This protects the private key from a weak PRNG.
 250              */
 251             if (!BN_generate_dsa_nonce(k, dsa->params.q, dsa->priv_key, dgst,
 252                                        dlen, ctx))
 253                 goto err;
 254         } else if (!BN_priv_rand_range_ex(k, dsa->params.q, ctx))
 255             goto err;
 256     } while (BN_is_zero(k));
 257
 258     BN_set_flags(k, BN_FLG_CONSTTIME);
 259     BN_set_flags(l, BN_FLG_CONSTTIME);
 260
 261     if (dsa->flags & DSA_FLAG_CACHE_MONT_P) {
 262         if (!BN_MONT_CTX_set_locked(&dsa->method_mont_p,
 263                                     dsa->lock, dsa->params.p, ctx))
 264             goto err;
 265     }
 266
 267     /* Compute r = (g^k mod p) mod q */
 268
 269     /*
 270      * We do not want timing information to leak the length of k, so we
 271      * compute G^k using an equivalent scalar of fixed bit-length.
 272      *
 273      * We unconditionally perform both of these additions to prevent a
 274      * small timing information leakage.  We then choose the sum that is
 275      * one bit longer than the modulus.
 276      *
 277      * There are some concerns about the efficacy of doing this.  More
 278      * specifically refer to the discussion starting with:
 279      *     https://github.com/openssl/openssl/pull/7486#discussion_r228323705
 280      * The fix is to rework BN so these gymnastics aren't required.
 281      */
 282     if (!BN_add(l, k, dsa->params.q)
 283         || !BN_add(k, l, dsa->params.q))
 284         goto err;
 285
 286     BN_consttime_swap(BN_is_bit_set(l, q_bits), k, l, q_words + 2);
 287
 288     if ((dsa)->meth->bn_mod_exp != NULL) {
 289             if (!dsa->meth->bn_mod_exp(dsa, r, dsa->params.g, k, dsa->params.p,
 290                                        ctx, dsa->method_mont_p))
 291                 goto err;
 292     } else {
 293             if (!BN_mod_exp_mont(r, dsa->params.g, k, dsa->params.p, ctx,
 294                                  dsa->method_mont_p))
 295                 goto err;
 296     }
 297
 298     if (!BN_mod(r, r, dsa->params.q, ctx))
 299         goto err;
 300
 301     /* Compute part of 's = inv(k) (m + xr) mod q' */
 302     if ((kinv = dsa_mod_inverse_fermat(k, dsa->params.q, ctx)) == NULL)
 303         goto err;
 304
 305     BN_clear_free(*kinvp);
 306     *kinvp = kinv;
 307     kinv = NULL;
 308     ret = 1;
 309  err:
 310     if (!ret)
 311         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 312     if (ctx != ctx_in)
 313         BN_CTX_free(ctx);
 314     BN_clear_free(k);
 315     BN_clear_free(l);
 316     return ret;
 317 }
 318
 319 static int dsa_do_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 320                          DSA_SIG *sig, DSA *dsa)
 321 {
 322     BN_CTX *ctx;
 323     BIGNUM *u1, *u2, *t1;
 324     BN_MONT_CTX *mont = NULL;
 325     const BIGNUM *r, *s;
 326     int ret = -1, i;
 327
 328     if (dsa->params.p == NULL
 329         || dsa->params.q == NULL
 330         || dsa->params.g == NULL) {
 331         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_MISSING_PARAMETERS);
 332         return -1;
 333     }
 334
 335     i = BN_num_bits(dsa->params.q);
 336     /* fips 186-3 allows only different sizes for q */
 337     if (i != 160 && i != 224 && i != 256) {
 338         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_BAD_Q_VALUE);
 339         return -1;
 340     }
 341
 342     if (BN_num_bits(dsa->params.p) > OPENSSL_DSA_MAX_MODULUS_BITS) {
 343         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_MODULUS_TOO_LARGE);
 344         return -1;
 345     }
 346     u1 = BN_new();
 347     u2 = BN_new();
 348     t1 = BN_new();
 349     ctx = BN_CTX_new_ex(NULL); /* verify does not need a libctx */
 350     if (u1 == NULL || u2 == NULL || t1 == NULL || ctx == NULL)
 351         goto err;
 352
 353     DSA_SIG_get0(sig, &r, &s);
 354
 355     if (BN_is_zero(r) || BN_is_negative(r) ||
 356         BN_ucmp(r, dsa->params.q) >= 0) {
 357         ret = 0;
 358         goto err;
 359     }
 360     if (BN_is_zero(s) || BN_is_negative(s) ||
 361         BN_ucmp(s, dsa->params.q) >= 0) {
 362         ret = 0;
 363         goto err;
 364     }
 365
 366     /*
 367      * Calculate W = inv(S) mod Q save W in u2
 368      */
 369     if ((BN_mod_inverse(u2, s, dsa->params.q, ctx)) == NULL)
 370         goto err;
 371
 372     /* save M in u1 */
 373     if (dgst_len > (i >> 3))
 374         /*
 375          * if the digest length is greater than the size of q use the
 376          * BN_num_bits(dsa->q) leftmost bits of the digest, see fips 186-3,
 377          * 4.2
 378          */
 379         dgst_len = (i >> 3);
 380     if (BN_bin2bn(dgst, dgst_len, u1) == NULL)
 381         goto err;
 382
 383     /* u1 = M * w mod q */
 384     if (!BN_mod_mul(u1, u1, u2, dsa->params.q, ctx))
 385         goto err;
 386
 387     /* u2 = r * w mod q */
 388     if (!BN_mod_mul(u2, r, u2, dsa->params.q, ctx))
 389         goto err;
 390
 391     if (dsa->flags & DSA_FLAG_CACHE_MONT_P) {
 392         mont = BN_MONT_CTX_set_locked(&dsa->method_mont_p,
 393                                       dsa->lock, dsa->params.p, ctx);
 394         if (!mont)
 395             goto err;
 396     }
 397
 398     if (dsa->meth->dsa_mod_exp != NULL) {
 399         if (!dsa->meth->dsa_mod_exp(dsa, t1, dsa->params.g, u1, dsa->pub_key, u2,
 400                                     dsa->params.p, ctx, mont))
 401             goto err;
 402     } else {
 403         if (!BN_mod_exp2_mont(t1, dsa->params.g, u1, dsa->pub_key, u2,
 404                               dsa->params.p, ctx, mont))
 405             goto err;
 406     }
 407
 408     /* let u1 = u1 mod q */
 409     if (!BN_mod(u1, t1, dsa->params.q, ctx))
 410         goto err;
 411
 412     /*
 413      * V is now in u1.  If the signature is correct, it will be equal to R.
 414      */
 415     ret = (BN_ucmp(u1, r) == 0);
 416
 417  err:
 418     if (ret < 0)
 419         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, ERR_R_BN_LIB);
 420     BN_CTX_free(ctx);
 421     BN_free(u1);
 422     BN_free(u2);
 423     BN_free(t1);
 424     return ret;
 425 }
 426
 427 static int dsa_init(DSA *dsa)
 428 {
 429     dsa->flags |= DSA_FLAG_CACHE_MONT_P;
 430     ffc_params_init(&dsa->params);
 431     dsa->dirty_cnt++;
 432     return 1;
 433 }
 434
 435 static int dsa_finish(DSA *dsa)
 436 {
 437     BN_MONT_CTX_free(dsa->method_mont_p);
 438     return 1;
 439 }
 440
 441 /*
 442  * Compute the inverse of k modulo q.
 443  * Since q is prime, Fermat's Little Theorem applies, which reduces this to
 444  * mod-exp operation.  Both the exponent and modulus are public information
 445  * so a mod-exp that doesn't leak the base is sufficient.  A newly allocated
 446  * BIGNUM is returned which the caller must free.
 447  */
 448 static BIGNUM *dsa_mod_inverse_fermat(const BIGNUM *k, const BIGNUM *q,
 449                                       BN_CTX *ctx)
 450 {
 451     BIGNUM *res = NULL;
 452     BIGNUM *r, *e;
 453
 454     if ((r = BN_new()) == NULL)
 455         return NULL;
 456
 457     BN_CTX_start(ctx);
 458     if ((e = BN_CTX_get(ctx)) != NULL
 459             && BN_set_word(r, 2)
 460             && BN_sub(e, q, r)
 461             && BN_mod_exp_mont(r, k, e, q, ctx, NULL))
 462         res = r;
 463     else
 464         BN_free(r);
 465     BN_CTX_end(ctx);
 466     return res;
 467 }