crypto/ec/ecdsa_ossl.c

   1 /*
   2  * Copyright 2002-2018 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 <string.h>
  11 #include <openssl/err.h>
  12 #include <openssl/obj_mac.h>
  13 #include <openssl/bn.h>
  14 #include <openssl/rand.h>
  15 #include <openssl/ec.h>
  16 #include "ec_lcl.h"
  17
  18 int ossl_ecdsa_sign(int type, const unsigned char *dgst, int dlen,
  19                     unsigned char *sig, unsigned int *siglen,
  20                     const BIGNUM *kinv, const BIGNUM *r, EC_KEY *eckey)
  21 {
  22     ECDSA_SIG *s;
  23
  24     s = ECDSA_do_sign_ex(dgst, dlen, kinv, r, eckey);
  25     if (s == NULL) {
  26         *siglen = 0;
  27         return 0;
  28     }
  29     *siglen = i2d_ECDSA_SIG(s, &sig);
  30     ECDSA_SIG_free(s);
  31     return 1;
  32 }
  33
  34 static int ecdsa_sign_setup(EC_KEY *eckey, BN_CTX *ctx_in,
  35                             BIGNUM **kinvp, BIGNUM **rp,
  36                             const unsigned char *dgst, int dlen)
  37 {
  38     BN_CTX *ctx = NULL;
  39     BIGNUM *k = NULL, *r = NULL, *X = NULL;
  40     const BIGNUM *order;
  41     EC_POINT *tmp_point = NULL;
  42     const EC_GROUP *group;
  43     int ret = 0;
  44     int order_bits;
  45
  46     if (eckey == NULL || (group = EC_KEY_get0_group(eckey)) == NULL) {
  47         ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_PASSED_NULL_PARAMETER);
  48         return 0;
  49     }
  50
  51     if (!EC_KEY_can_sign(eckey)) {
  52         ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, EC_R_CURVE_DOES_NOT_SUPPORT_SIGNING);
  53         return 0;
  54     }
  55
  56     if (ctx_in == NULL) {
  57         if ((ctx = BN_CTX_new()) == NULL) {
  58             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
  59             return 0;
  60         }
  61     } else
  62         ctx = ctx_in;
  63
  64     k = BN_new();               /* this value is later returned in *kinvp */
  65     r = BN_new();               /* this value is later returned in *rp */
  66     X = BN_new();
  67     if (k == NULL || r == NULL || X == NULL) {
  68         ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
  69         goto err;
  70     }
  71     if ((tmp_point = EC_POINT_new(group)) == NULL) {
  72         ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
  73         goto err;
  74     }
  75     order = EC_GROUP_get0_order(group);
  76     if (order == NULL) {
  77         ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
  78         goto err;
  79     }
  80
  81     /* Preallocate space */
  82     order_bits = BN_num_bits(order);
  83     if (!BN_set_bit(k, order_bits)
  84         || !BN_set_bit(r, order_bits)
  85         || !BN_set_bit(X, order_bits))
  86         goto err;
  87
  88     do {
  89         /* get random k */
  90         do
  91             if (dgst != NULL) {
  92                 if (!BN_generate_dsa_nonce
  93                     (k, order, EC_KEY_get0_private_key(eckey), dgst, dlen,
  94                      ctx)) {
  95                     ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP,
  96                              EC_R_RANDOM_NUMBER_GENERATION_FAILED);
  97                     goto err;
  98                 }
  99             } else {
 100                 if (!BN_priv_rand_range(k, order)) {
 101                     ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP,
 102                              EC_R_RANDOM_NUMBER_GENERATION_FAILED);
 103                     goto err;
 104                 }
 105             }
 106         while (BN_is_zero(k));
 107
 108         /* compute r the x-coordinate of generator * k */
 109         if (!EC_POINT_mul(group, tmp_point, k, NULL, NULL, ctx)) {
 110             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
 111             goto err;
 112         }
 113         if (EC_METHOD_get_field_type(EC_GROUP_method_of(group)) ==
 114             NID_X9_62_prime_field) {
 115             if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp
 116                 (group, tmp_point, X, NULL, ctx)) {
 117                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
 118                 goto err;
 119             }
 120         }
 121 #ifndef OPENSSL_NO_EC2M
 122         else {                  /* NID_X9_62_characteristic_two_field */
 123
 124             if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GF2m(group,
 125                                                       tmp_point, X, NULL,
 126                                                       ctx)) {
 127                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
 128                 goto err;
 129             }
 130         }
 131 #endif
 132         if (!BN_nnmod(r, X, order, ctx)) {
 133             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 134             goto err;
 135         }
 136     }
 137     while (BN_is_zero(r));
 138
 139     /* Check if optimized inverse is implemented */
 140     if (EC_GROUP_do_inverse_ord(group, k, k, ctx) == 0) {
 141         /* compute the inverse of k */
 142         if (group->mont_data != NULL) {
 143             /*
 144              * We want inverse in constant time, therefore we utilize the fact
 145              * order must be prime and use Fermats Little Theorem instead.
 146              */
 147             if (!BN_set_word(X, 2)) {
 148                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 149                 goto err;
 150             }
 151             if (!BN_mod_sub(X, order, X, order, ctx)) {
 152                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 153                 goto err;
 154             }
 155             BN_set_flags(X, BN_FLG_CONSTTIME);
 156             if (!BN_mod_exp_mont_consttime(k, k, X, order, ctx,
 157                                            group->mont_data)) {
 158                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 159                 goto err;
 160             }
 161         } else {
 162             if (!BN_mod_inverse(k, k, order, ctx)) {
 163                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 164                 goto err;
 165             }
 166         }
 167     }
 168
 169     /* clear old values if necessary */
 170     BN_clear_free(*rp);
 171     BN_clear_free(*kinvp);
 172     /* save the pre-computed values  */
 173     *rp = r;
 174     *kinvp = k;
 175     ret = 1;
 176  err:
 177     if (!ret) {
 178         BN_clear_free(k);
 179         BN_clear_free(r);
 180     }
 181     if (ctx != ctx_in)
 182         BN_CTX_free(ctx);
 183     EC_POINT_free(tmp_point);
 184     BN_clear_free(X);
 185     return ret;
 186 }
 187
 188 int ossl_ecdsa_sign_setup(EC_KEY *eckey, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
 189                           BIGNUM **rp)
 190 {
 191     return ecdsa_sign_setup(eckey, ctx_in, kinvp, rp, NULL, 0);
 192 }
 193
 194 ECDSA_SIG *ossl_ecdsa_sign_sig(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 195                                const BIGNUM *in_kinv, const BIGNUM *in_r,
 196                                EC_KEY *eckey)
 197 {
 198     int ok = 0, i;
 199     BIGNUM *kinv = NULL, *s, *m = NULL, *tmp = NULL, *blind = NULL;
 200     BIGNUM *blindm = NULL;
 201     const BIGNUM *order, *ckinv;
 202     BN_CTX *ctx = NULL;
 203     const EC_GROUP *group;
 204     ECDSA_SIG *ret;
 205     const BIGNUM *priv_key;
 206
 207     group = EC_KEY_get0_group(eckey);
 208     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(eckey);
 209
 210     if (group == NULL || priv_key == NULL) {
 211         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_PASSED_NULL_PARAMETER);
 212         return NULL;
 213     }
 214
 215     if (!EC_KEY_can_sign(eckey)) {
 216         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, EC_R_CURVE_DOES_NOT_SUPPORT_SIGNING);
 217         return NULL;
 218     }
 219
 220     ret = ECDSA_SIG_new();
 221     if (ret == NULL) {
 222         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 223         return NULL;
 224     }
 225     ret->r = BN_new();
 226     ret->s = BN_new();
 227     if (ret->r == NULL || ret->s == NULL) {
 228         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 229         goto err;
 230     }
 231     s = ret->s;
 232
 233     ctx = BN_CTX_secure_new();
 234     if (ctx == NULL) {
 235         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 236         goto err;
 237     }
 238
 239     BN_CTX_start(ctx);
 240     tmp = BN_CTX_get(ctx);
 241     m = BN_CTX_get(ctx);
 242     blind = BN_CTX_get(ctx);
 243     blindm = BN_CTX_get(ctx);
 244     if (blindm == NULL) {
 245         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 246         goto err;
 247     }
 248
 249     order = EC_GROUP_get0_order(group);
 250     if (order == NULL) {
 251         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 252         goto err;
 253     }
 254     i = BN_num_bits(order);
 255     /*
 256      * Need to truncate digest if it is too long: first truncate whole bytes.
 257      */
 258     if (8 * dgst_len > i)
 259         dgst_len = (i + 7) / 8;
 260     if (!BN_bin2bn(dgst, dgst_len, m)) {
 261         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 262         goto err;
 263     }
 264     /* If still too long truncate remaining bits with a shift */
 265     if ((8 * dgst_len > i) && !BN_rshift(m, m, 8 - (i & 0x7))) {
 266         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 267         goto err;
 268     }
 269     do {
 270         if (in_kinv == NULL || in_r == NULL) {
 271             if (!ecdsa_sign_setup(eckey, ctx, &kinv, &ret->r, dgst, dgst_len)) {
 272                 ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_ECDSA_LIB);
 273                 goto err;
 274             }
 275             ckinv = kinv;
 276         } else {
 277             ckinv = in_kinv;
 278             if (BN_copy(ret->r, in_r) == NULL) {
 279                 ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 280                 goto err;
 281             }
 282         }
 283
 284         /*
 285          * The normal signature calculation is:
 286          *
 287          *   s := k^-1 * (m + r * priv_key) mod order
 288          *
 289          * We will blind this to protect against side channel attacks
 290          *
 291          *   s := k^-1 * blind^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod order
 292          */
 293
 294         /* Generate a blinding value */
 295         do {
 296             if (!BN_priv_rand(blind, BN_num_bits(order) - 1,
 297                               BN_RAND_TOP_ANY, BN_RAND_BOTTOM_ANY))
 298                 goto err;
 299         } while (BN_is_zero(blind));
 300         BN_set_flags(blind, BN_FLG_CONSTTIME);
 301         BN_set_flags(blindm, BN_FLG_CONSTTIME);
 302         BN_set_flags(tmp, BN_FLG_CONSTTIME);
 303
 304         /* tmp := blind * priv_key * r mod order */
 305         if (!BN_mod_mul(tmp, blind, priv_key, order, ctx)) {
 306             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 307             goto err;
 308         }
 309         if (!BN_mod_mul(tmp, tmp, ret->r, order, ctx)) {
 310             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 311             goto err;
 312         }
 313
 314         /* blindm := blind * m mod order */
 315         if (!BN_mod_mul(blindm, blind, m, order, ctx)) {
 316             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 317             goto err;
 318         }
 319
 320         /* s : = (blind * priv_key * r) + (blind * m) mod order */
 321         if (!BN_mod_add_quick(s, tmp, blindm, order)) {
 322             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 323             goto err;
 324         }
 325
 326         /* s:= s * blind^-1 mod order */
 327         if (BN_mod_inverse(blind, blind, order, ctx) == NULL) {
 328             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 329             goto err;
 330         }
 331         if (!BN_mod_mul(s, s, blind, order, ctx)) {
 332             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 333             goto err;
 334         }
 335
 336         /* s := s * k^-1 mod order */
 337         if (!BN_mod_mul(s, s, ckinv, order, ctx)) {
 338             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 339             goto err;
 340         }
 341
 342         if (BN_is_zero(s)) {
 343             /*
 344              * if kinv and r have been supplied by the caller, don't
 345              * generate new kinv and r values
 346              */
 347             if (in_kinv != NULL && in_r != NULL) {
 348                 ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, EC_R_NEED_NEW_SETUP_VALUES);
 349                 goto err;
 350             }
 351         } else
 352             /* s != 0 => we have a valid signature */
 353             break;
 354     }
 355     while (1);
 356
 357     ok = 1;
 358  err:
 359     if (!ok) {
 360         ECDSA_SIG_free(ret);
 361         ret = NULL;
 362     }
 363     BN_CTX_end(ctx);
 364     BN_CTX_free(ctx);
 365     BN_clear_free(kinv);
 366     return ret;
 367 }
 368
 369 /*-
 370  * returns
 371  *      1: correct signature
 372  *      0: incorrect signature
 373  *     -1: error
 374  */
 375 int ossl_ecdsa_verify(int type, const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 376                       const unsigned char *sigbuf, int sig_len, EC_KEY *eckey)
 377 {
 378     ECDSA_SIG *s;
 379     const unsigned char *p = sigbuf;
 380     unsigned char *der = NULL;
 381     int derlen = -1;
 382     int ret = -1;
 383
 384     s = ECDSA_SIG_new();
 385     if (s == NULL)
 386         return ret;
 387     if (d2i_ECDSA_SIG(&s, &p, sig_len) == NULL)
 388         goto err;
 389     /* Ensure signature uses DER and doesn't have trailing garbage */
 390     derlen = i2d_ECDSA_SIG(s, &der);
 391     if (derlen != sig_len || memcmp(sigbuf, der, derlen) != 0)
 392         goto err;
 393     ret = ECDSA_do_verify(dgst, dgst_len, s, eckey);
 394  err:
 395     OPENSSL_clear_free(der, derlen);
 396     ECDSA_SIG_free(s);
 397     return ret;
 398 }
 399
 400 int ossl_ecdsa_verify_sig(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 401                           const ECDSA_SIG *sig, EC_KEY *eckey)
 402 {
 403     int ret = -1, i;
 404     BN_CTX *ctx;
 405     const BIGNUM *order;
 406     BIGNUM *u1, *u2, *m, *X;
 407     EC_POINT *point = NULL;
 408     const EC_GROUP *group;
 409     const EC_POINT *pub_key;
 410
 411     /* check input values */
 412     if (eckey == NULL || (group = EC_KEY_get0_group(eckey)) == NULL ||
 413         (pub_key = EC_KEY_get0_public_key(eckey)) == NULL || sig == NULL) {
 414         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, EC_R_MISSING_PARAMETERS);
 415         return -1;
 416     }
 417
 418     if (!EC_KEY_can_sign(eckey)) {
 419         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, EC_R_CURVE_DOES_NOT_SUPPORT_SIGNING);
 420         return -1;
 421     }
 422
 423     ctx = BN_CTX_new();
 424     if (ctx == NULL) {
 425         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 426         return -1;
 427     }
 428     BN_CTX_start(ctx);
 429     u1 = BN_CTX_get(ctx);
 430     u2 = BN_CTX_get(ctx);
 431     m = BN_CTX_get(ctx);
 432     X = BN_CTX_get(ctx);
 433     if (X == NULL) {
 434         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 435         goto err;
 436     }
 437
 438     order = EC_GROUP_get0_order(group);
 439     if (order == NULL) {
 440         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 441         goto err;
 442     }
 443
 444     if (BN_is_zero(sig->r) || BN_is_negative(sig->r) ||
 445         BN_ucmp(sig->r, order) >= 0 || BN_is_zero(sig->s) ||
 446         BN_is_negative(sig->s) || BN_ucmp(sig->s, order) >= 0) {
 447         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, EC_R_BAD_SIGNATURE);
 448         ret = 0;                /* signature is invalid */
 449         goto err;
 450     }
 451     /* calculate tmp1 = inv(S) mod order */
 452     /* Check if optimized inverse is implemented */
 453     if (EC_GROUP_do_inverse_ord(group, u2, sig->s, ctx) == 0) {
 454         if (!BN_mod_inverse(u2, sig->s, order, ctx)) {
 455             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 456             goto err;
 457         }
 458     }
 459     /* digest -> m */
 460     i = BN_num_bits(order);
 461     /*
 462      * Need to truncate digest if it is too long: first truncate whole bytes.
 463      */
 464     if (8 * dgst_len > i)
 465         dgst_len = (i + 7) / 8;
 466     if (!BN_bin2bn(dgst, dgst_len, m)) {
 467         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 468         goto err;
 469     }
 470     /* If still too long truncate remaining bits with a shift */
 471     if ((8 * dgst_len > i) && !BN_rshift(m, m, 8 - (i & 0x7))) {
 472         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 473         goto err;
 474     }
 475     /* u1 = m * tmp mod order */
 476     if (!BN_mod_mul(u1, m, u2, order, ctx)) {
 477         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 478         goto err;
 479     }
 480     /* u2 = r * w mod q */
 481     if (!BN_mod_mul(u2, sig->r, u2, order, ctx)) {
 482         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 483         goto err;
 484     }
 485
 486     if ((point = EC_POINT_new(group)) == NULL) {
 487         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 488         goto err;
 489     }
 490     if (!EC_POINT_mul(group, point, u1, pub_key, u2, ctx)) {
 491         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 492         goto err;
 493     }
 494     if (EC_METHOD_get_field_type(EC_GROUP_method_of(group)) ==
 495         NID_X9_62_prime_field) {
 496         if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp(group, point, X, NULL, ctx)) {
 497             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 498             goto err;
 499         }
 500     }
 501 #ifndef OPENSSL_NO_EC2M
 502     else {                      /* NID_X9_62_characteristic_two_field */
 503
 504         if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GF2m(group, point, X, NULL, ctx)) {
 505             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 506             goto err;
 507         }
 508     }
 509 #endif
 510     if (!BN_nnmod(u1, X, order, ctx)) {
 511         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 512         goto err;
 513     }
 514     /*  if the signature is correct u1 is equal to sig->r */
 515     ret = (BN_ucmp(u1, sig->r) == 0);
 516  err:
 517     BN_CTX_end(ctx);
 518     BN_CTX_free(ctx);
 519     EC_POINT_free(point);
 520     return ret;
 521 }