crypto/dsa/dsa_ossl.c

   1 /*
   2  * Copyright 1995-2018 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 "internal/cryptlib.h"
  12 #include <openssl/bn.h>
  13 #include <openssl/sha.h>
  14 #include "dsa_locl.h"
  15 #include <openssl/asn1.h>
  16
  17 static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa);
  18 static int dsa_sign_setup_no_digest(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
  19                                     BIGNUM **rp);
  20 static int dsa_sign_setup(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
  21                           BIGNUM **rp, const unsigned char *dgst, int dlen);
  22 static int dsa_do_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
  23                          DSA_SIG *sig, DSA *dsa);
  24 static int dsa_init(DSA *dsa);
  25 static int dsa_finish(DSA *dsa);
  26 static BIGNUM *dsa_mod_inverse_fermat(const BIGNUM *k, const BIGNUM *q,
  27                                       BN_CTX *ctx);
  28
  29 static DSA_METHOD openssl_dsa_meth = {
  30     "OpenSSL DSA method",
  31     dsa_do_sign,
  32     dsa_sign_setup_no_digest,
  33     dsa_do_verify,
  34     NULL,                       /* dsa_mod_exp, */
  35     NULL,                       /* dsa_bn_mod_exp, */
  36     dsa_init,
  37     dsa_finish,
  38     DSA_FLAG_FIPS_METHOD,
  39     NULL,
  40     NULL,
  41     NULL
  42 };
  43
  44 static const DSA_METHOD *default_DSA_method = &openssl_dsa_meth;
  45
  46 void DSA_set_default_method(const DSA_METHOD *meth)
  47 {
  48     default_DSA_method = meth;
  49 }
  50
  51 const DSA_METHOD *DSA_get_default_method(void)
  52 {
  53     return default_DSA_method;
  54 }
  55
  56 const DSA_METHOD *DSA_OpenSSL(void)
  57 {
  58     return &openssl_dsa_meth;
  59 }
  60
  61 static DSA_SIG *dsa_do_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, DSA *dsa)
  62 {
  63     BIGNUM *kinv = NULL;
  64     BIGNUM *m, *blind, *blindm, *tmp;
  65     BN_CTX *ctx = NULL;
  66     int reason = ERR_R_BN_LIB;
  67     DSA_SIG *ret = NULL;
  68     int rv = 0;
  69
  70     if (dsa->p == NULL || dsa->q == NULL || dsa->g == NULL) {
  71         reason = DSA_R_MISSING_PARAMETERS;
  72         goto err;
  73     }
  74
  75     ret = DSA_SIG_new();
  76     if (ret == NULL)
  77         goto err;
  78     ret->r = BN_new();
  79     ret->s = BN_new();
  80     if (ret->r == NULL || ret->s == NULL)
  81         goto err;
  82
  83     ctx = BN_CTX_new();
  84     if (ctx == NULL)
  85         goto err;
  86     m = BN_CTX_get(ctx);
  87     blind = BN_CTX_get(ctx);
  88     blindm = BN_CTX_get(ctx);
  89     tmp = BN_CTX_get(ctx);
  90     if (tmp == NULL)
  91         goto err;
  92
  93  redo:
  94     if (!dsa_sign_setup(dsa, ctx, &kinv, &ret->r, dgst, dlen))
  95         goto err;
  96
  97     if (dlen > BN_num_bytes(dsa->q))
  98         /*
  99          * if the digest length is greater than the size of q use the
 100          * BN_num_bits(dsa->q) leftmost bits of the digest, see fips 186-3,
 101          * 4.2
 102          */
 103         dlen = BN_num_bytes(dsa->q);
 104     if (BN_bin2bn(dgst, dlen, m) == NULL)
 105         goto err;
 106
 107     /*
 108      * The normal signature calculation is:
 109      *
 110      *   s := k^-1 * (m + r * priv_key) mod q
 111      *
 112      * We will blind this to protect against side channel attacks
 113      *
 114      *   s := blind^-1 * k^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod q
 115      */
 116
 117     /* Generate a blinding value */
 118     do {
 119         if (!BN_priv_rand(blind, BN_num_bits(dsa->q) - 1,
 120                           BN_RAND_TOP_ANY, BN_RAND_BOTTOM_ANY))
 121             goto err;
 122     } while (BN_is_zero(blind));
 123     BN_set_flags(blind, BN_FLG_CONSTTIME);
 124     BN_set_flags(blindm, BN_FLG_CONSTTIME);
 125     BN_set_flags(tmp, BN_FLG_CONSTTIME);
 126
 127     /* tmp := blind * priv_key * r mod q */
 128     if (!BN_mod_mul(tmp, blind, dsa->priv_key, dsa->q, ctx))
 129         goto err;
 130     if (!BN_mod_mul(tmp, tmp, ret->r, dsa->q, ctx))
 131         goto err;
 132
 133     /* blindm := blind * m mod q */
 134     if (!BN_mod_mul(blindm, blind, m, dsa->q, ctx))
 135         goto err;
 136
 137     /* s : = (blind * priv_key * r) + (blind * m) mod q */
 138     if (!BN_mod_add_quick(ret->s, tmp, blindm, dsa->q))
 139         goto err;
 140
 141     /* s := s * k^-1 mod q */
 142     if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, kinv, dsa->q, ctx))
 143         goto err;
 144
 145     /* s:= s * blind^-1 mod q */
 146     if (BN_mod_inverse(blind, blind, dsa->q, ctx) == NULL)
 147         goto err;
 148     if (!BN_mod_mul(ret->s, ret->s, blind, dsa->q, ctx))
 149         goto err;
 150
 151     /*
 152      * Redo if r or s is zero as required by FIPS 186-3: this is very
 153      * unlikely.
 154      */
 155     if (BN_is_zero(ret->r) || BN_is_zero(ret->s))
 156         goto redo;
 157
 158     rv = 1;
 159
 160  err:
 161     if (rv == 0) {
 162         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_SIGN, reason);
 163         DSA_SIG_free(ret);
 164         ret = NULL;
 165     }
 166     BN_CTX_free(ctx);
 167     BN_clear_free(kinv);
 168     return ret;
 169 }
 170
 171 static int dsa_sign_setup_no_digest(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in,
 172                                     BIGNUM **kinvp, BIGNUM **rp)
 173 {
 174     return dsa_sign_setup(dsa, ctx_in, kinvp, rp, NULL, 0);
 175 }
 176
 177 static int dsa_sign_setup(DSA *dsa, BN_CTX *ctx_in,
 178                           BIGNUM **kinvp, BIGNUM **rp,
 179                           const unsigned char *dgst, int dlen)
 180 {
 181     BN_CTX *ctx = NULL;
 182     BIGNUM *k, *kinv = NULL, *r = *rp;
 183     BIGNUM *l, *m;
 184     int ret = 0;
 185     int q_bits;
 186
 187     if (!dsa->p || !dsa->q || !dsa->g) {
 188         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, DSA_R_MISSING_PARAMETERS);
 189         return 0;
 190     }
 191
 192     k = BN_new();
 193     l = BN_new();
 194     m = BN_new();
 195     if (k == NULL || l == NULL || m == NULL)
 196         goto err;
 197
 198     if (ctx_in == NULL) {
 199         if ((ctx = BN_CTX_new()) == NULL)
 200             goto err;
 201     } else
 202         ctx = ctx_in;
 203
 204     /* Preallocate space */
 205     q_bits = BN_num_bits(dsa->q);
 206     if (!BN_set_bit(k, q_bits)
 207         || !BN_set_bit(l, q_bits)
 208         || !BN_set_bit(m, q_bits))
 209         goto err;
 210
 211     /* Get random k */
 212     do {
 213         if (dgst != NULL) {
 214             /*
 215              * We calculate k from SHA512(private_key + H(message) + random).
 216              * This protects the private key from a weak PRNG.
 217              */
 218             if (!BN_generate_dsa_nonce(k, dsa->q, dsa->priv_key, dgst,
 219                                        dlen, ctx))
 220                 goto err;
 221         } else if (!BN_priv_rand_range(k, dsa->q))
 222             goto err;
 223     } while (BN_is_zero(k));
 224
 225     BN_set_flags(k, BN_FLG_CONSTTIME);
 226
 227     if (dsa->flags & DSA_FLAG_CACHE_MONT_P) {
 228         if (!BN_MONT_CTX_set_locked(&dsa->method_mont_p,
 229                                     dsa->lock, dsa->p, ctx))
 230             goto err;
 231     }
 232
 233     /* Compute r = (g^k mod p) mod q */
 234
 235     /*
 236      * We do not want timing information to leak the length of k, so we
 237      * compute G^k using an equivalent scalar of fixed bit-length.
 238      *
 239      * We unconditionally perform both of these additions to prevent a
 240      * small timing information leakage.  We then choose the sum that is
 241      * one bit longer than the modulus.
 242      *
 243      * TODO: revisit the BN_copy aiming for a memory access agnostic
 244      * conditional copy.
 245      */
 246     if (!BN_add(l, k, dsa->q)
 247         || !BN_add(m, l, dsa->q)
 248         || !BN_copy(k, BN_num_bits(l) > q_bits ? l : m))
 249         goto err;
 250
 251     if ((dsa)->meth->bn_mod_exp != NULL) {
 252             if (!dsa->meth->bn_mod_exp(dsa, r, dsa->g, k, dsa->p, ctx,
 253                                        dsa->method_mont_p))
 254                 goto err;
 255     } else {
 256             if (!BN_mod_exp_mont(r, dsa->g, k, dsa->p, ctx, dsa->method_mont_p))
 257                 goto err;
 258     }
 259
 260     if (!BN_mod(r, r, dsa->q, ctx))
 261         goto err;
 262
 263     /* Compute  part of 's = inv(k) (m + xr) mod q' */
 264     if ((kinv = dsa_mod_inverse_fermat(k, dsa->q, ctx)) == NULL)
 265         goto err;
 266
 267     BN_clear_free(*kinvp);
 268     *kinvp = kinv;
 269     kinv = NULL;
 270     ret = 1;
 271  err:
 272     if (!ret)
 273         DSAerr(DSA_F_DSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 274     if (ctx != ctx_in)
 275         BN_CTX_free(ctx);
 276     BN_clear_free(k);
 277     BN_clear_free(l);
 278     BN_clear_free(m);
 279     return ret;
 280 }
 281
 282 static int dsa_do_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 283                          DSA_SIG *sig, DSA *dsa)
 284 {
 285     BN_CTX *ctx;
 286     BIGNUM *u1, *u2, *t1;
 287     BN_MONT_CTX *mont = NULL;
 288     const BIGNUM *r, *s;
 289     int ret = -1, i;
 290     if (!dsa->p || !dsa->q || !dsa->g) {
 291         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_MISSING_PARAMETERS);
 292         return -1;
 293     }
 294
 295     i = BN_num_bits(dsa->q);
 296     /* fips 186-3 allows only different sizes for q */
 297     if (i != 160 && i != 224 && i != 256) {
 298         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_BAD_Q_VALUE);
 299         return -1;
 300     }
 301
 302     if (BN_num_bits(dsa->p) > OPENSSL_DSA_MAX_MODULUS_BITS) {
 303         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, DSA_R_MODULUS_TOO_LARGE);
 304         return -1;
 305     }
 306     u1 = BN_new();
 307     u2 = BN_new();
 308     t1 = BN_new();
 309     ctx = BN_CTX_new();
 310     if (u1 == NULL || u2 == NULL || t1 == NULL || ctx == NULL)
 311         goto err;
 312
 313     DSA_SIG_get0(sig, &r, &s);
 314
 315     if (BN_is_zero(r) || BN_is_negative(r) ||
 316         BN_ucmp(r, dsa->q) >= 0) {
 317         ret = 0;
 318         goto err;
 319     }
 320     if (BN_is_zero(s) || BN_is_negative(s) ||
 321         BN_ucmp(s, dsa->q) >= 0) {
 322         ret = 0;
 323         goto err;
 324     }
 325
 326     /*
 327      * Calculate W = inv(S) mod Q save W in u2
 328      */
 329     if ((BN_mod_inverse(u2, s, dsa->q, ctx)) == NULL)
 330         goto err;
 331
 332     /* save M in u1 */
 333     if (dgst_len > (i >> 3))
 334         /*
 335          * if the digest length is greater than the size of q use the
 336          * BN_num_bits(dsa->q) leftmost bits of the digest, see fips 186-3,
 337          * 4.2
 338          */
 339         dgst_len = (i >> 3);
 340     if (BN_bin2bn(dgst, dgst_len, u1) == NULL)
 341         goto err;
 342
 343     /* u1 = M * w mod q */
 344     if (!BN_mod_mul(u1, u1, u2, dsa->q, ctx))
 345         goto err;
 346
 347     /* u2 = r * w mod q */
 348     if (!BN_mod_mul(u2, r, u2, dsa->q, ctx))
 349         goto err;
 350
 351     if (dsa->flags & DSA_FLAG_CACHE_MONT_P) {
 352         mont = BN_MONT_CTX_set_locked(&dsa->method_mont_p,
 353                                       dsa->lock, dsa->p, ctx);
 354         if (!mont)
 355             goto err;
 356     }
 357
 358     if (dsa->meth->dsa_mod_exp != NULL) {
 359         if (!dsa->meth->dsa_mod_exp(dsa, t1, dsa->g, u1, dsa->pub_key, u2,
 360                                     dsa->p, ctx, mont))
 361             goto err;
 362     } else {
 363         if (!BN_mod_exp2_mont(t1, dsa->g, u1, dsa->pub_key, u2, dsa->p, ctx,
 364                               mont))
 365             goto err;
 366     }
 367
 368     /* let u1 = u1 mod q */
 369     if (!BN_mod(u1, t1, dsa->q, ctx))
 370         goto err;
 371
 372     /*
 373      * V is now in u1.  If the signature is correct, it will be equal to R.
 374      */
 375     ret = (BN_ucmp(u1, r) == 0);
 376
 377  err:
 378     if (ret < 0)
 379         DSAerr(DSA_F_DSA_DO_VERIFY, ERR_R_BN_LIB);
 380     BN_CTX_free(ctx);
 381     BN_free(u1);
 382     BN_free(u2);
 383     BN_free(t1);
 384     return ret;
 385 }
 386
 387 static int dsa_init(DSA *dsa)
 388 {
 389     dsa->flags |= DSA_FLAG_CACHE_MONT_P;
 390     return 1;
 391 }
 392
 393 static int dsa_finish(DSA *dsa)
 394 {
 395     BN_MONT_CTX_free(dsa->method_mont_p);
 396     return 1;
 397 }
 398
 399 /*
 400  * Compute the inverse of k modulo q.
 401  * Since q is prime, Fermat's Little Theorem applies, which reduces this to
 402  * mod-exp operation.  Both the exponent and modulus are public information
 403  * so a mod-exp that doesn't leak the base is sufficient.  A newly allocated
 404  * BIGNUM is returned which the caller must free.
 405  */
 406 static BIGNUM *dsa_mod_inverse_fermat(const BIGNUM *k, const BIGNUM *q,
 407                                       BN_CTX *ctx)
 408 {
 409     BIGNUM *res = NULL;
 410     BIGNUM *r, *e;
 411
 412     if ((r = BN_new()) == NULL)
 413         return NULL;
 414
 415     BN_CTX_start(ctx);
 416     if ((e = BN_CTX_get(ctx)) != NULL
 417             && BN_set_word(r, 2)
 418             && BN_sub(e, q, r)
 419             && BN_mod_exp_mont(r, k, e, q, ctx, NULL))
 420         res = r;
 421     else
 422         BN_free(r);
 423     BN_CTX_end(ctx);
 424     return res;
 425 }