crypto/ec/ecdsa_ossl.c

   1 /*
   2  * Copyright 2002-2017 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     RAND_seed(dgst, dlen);
  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_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         /*
 109          * We do not want timing information to leak the length of k, so we
 110          * compute G*k using an equivalent scalar of fixed bit-length.
 111          *
 112          * We unconditionally perform both of these additions to prevent a
 113          * small timing information leakage.  We then choose the sum that is
 114          * one bit longer than the order.  This guarantees the code
 115          * path used in the constant time implementations elsewhere.
 116          *
 117          * TODO: revisit the BN_copy aiming for a memory access agnostic
 118          * conditional copy.
 119          */
 120         if (!BN_add(r, k, order)
 121             || !BN_add(X, r, order)
 122             || !BN_copy(k, BN_num_bits(r) > order_bits ? r : X))
 123             goto err;
 124
 125         /* compute r the x-coordinate of generator * k */
 126         if (!EC_POINT_mul(group, tmp_point, k, NULL, NULL, ctx)) {
 127             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
 128             goto err;
 129         }
 130         if (EC_METHOD_get_field_type(EC_GROUP_method_of(group)) ==
 131             NID_X9_62_prime_field) {
 132             if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp
 133                 (group, tmp_point, X, NULL, ctx)) {
 134                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
 135                 goto err;
 136             }
 137         }
 138 #ifndef OPENSSL_NO_EC2M
 139         else {                  /* NID_X9_62_characteristic_two_field */
 140
 141             if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GF2m(group,
 142                                                       tmp_point, X, NULL,
 143                                                       ctx)) {
 144                 ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_EC_LIB);
 145                 goto err;
 146             }
 147         }
 148 #endif
 149         if (!BN_nnmod(r, X, order, ctx)) {
 150             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 151             goto err;
 152         }
 153     }
 154     while (BN_is_zero(r));
 155
 156     /* compute the inverse of k */
 157     if (EC_GROUP_get_mont_data(group) != NULL) {
 158         /*
 159          * We want inverse in constant time, therefore we utilize the fact
 160          * order must be prime and use Fermats Little Theorem instead.
 161          */
 162         if (!BN_set_word(X, 2)) {
 163             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 164             goto err;
 165         }
 166         if (!BN_mod_sub(X, order, X, order, ctx)) {
 167             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 168             goto err;
 169         }
 170         BN_set_flags(X, BN_FLG_CONSTTIME);
 171         if (!BN_mod_exp_mont_consttime
 172             (k, k, X, order, ctx, EC_GROUP_get_mont_data(group))) {
 173             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 174             goto err;
 175         }
 176     } else {
 177         if (!BN_mod_inverse(k, k, order, ctx)) {
 178             ECerr(EC_F_ECDSA_SIGN_SETUP, ERR_R_BN_LIB);
 179             goto err;
 180         }
 181     }
 182
 183     /* clear old values if necessary */
 184     BN_clear_free(*rp);
 185     BN_clear_free(*kinvp);
 186     /* save the pre-computed values  */
 187     *rp = r;
 188     *kinvp = k;
 189     ret = 1;
 190  err:
 191     if (!ret) {
 192         BN_clear_free(k);
 193         BN_clear_free(r);
 194     }
 195     if (ctx != ctx_in)
 196         BN_CTX_free(ctx);
 197     EC_POINT_free(tmp_point);
 198     BN_clear_free(X);
 199     return (ret);
 200 }
 201
 202 int ossl_ecdsa_sign_setup(EC_KEY *eckey, BN_CTX *ctx_in, BIGNUM **kinvp,
 203                           BIGNUM **rp)
 204 {
 205     return ecdsa_sign_setup(eckey, ctx_in, kinvp, rp, NULL, 0);
 206 }
 207
 208 ECDSA_SIG *ossl_ecdsa_sign_sig(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 209                                const BIGNUM *in_kinv, const BIGNUM *in_r,
 210                                EC_KEY *eckey)
 211 {
 212     int ok = 0, i;
 213     BIGNUM *kinv = NULL, *s, *m = NULL, *tmp = NULL, *blind = NULL;
 214     BIGNUM *blindm = NULL;
 215     const BIGNUM *order, *ckinv;
 216     BN_CTX *ctx = NULL;
 217     const EC_GROUP *group;
 218     ECDSA_SIG *ret;
 219     const BIGNUM *priv_key;
 220
 221     group = EC_KEY_get0_group(eckey);
 222     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(eckey);
 223
 224     if (group == NULL || priv_key == NULL) {
 225         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_PASSED_NULL_PARAMETER);
 226         return NULL;
 227     }
 228
 229     if (!EC_KEY_can_sign(eckey)) {
 230         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, EC_R_CURVE_DOES_NOT_SUPPORT_SIGNING);
 231         return NULL;
 232     }
 233
 234     ret = ECDSA_SIG_new();
 235     if (ret == NULL) {
 236         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 237         return NULL;
 238     }
 239     ret->r = BN_new();
 240     ret->s = BN_new();
 241     if (ret->r == NULL || ret->s == NULL) {
 242         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 243         goto err;
 244     }
 245     s = ret->s;
 246
 247     ctx = BN_CTX_secure_new();
 248     if (ctx == NULL) {
 249         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 250         goto err;
 251     }
 252
 253     BN_CTX_start(ctx);
 254     tmp = BN_CTX_get(ctx);
 255     m = BN_CTX_get(ctx);
 256     blind = BN_CTX_get(ctx);
 257     blindm = BN_CTX_get(ctx);
 258     if (blindm == NULL) {
 259         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 260         goto err;
 261     }
 262
 263     order = EC_GROUP_get0_order(group);
 264     if (order == NULL) {
 265         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 266         goto err;
 267     }
 268     i = BN_num_bits(order);
 269     /*
 270      * Need to truncate digest if it is too long: first truncate whole bytes.
 271      */
 272     if (8 * dgst_len > i)
 273         dgst_len = (i + 7) / 8;
 274     if (!BN_bin2bn(dgst, dgst_len, m)) {
 275         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 276         goto err;
 277     }
 278     /* If still too long truncate remaining bits with a shift */
 279     if ((8 * dgst_len > i) && !BN_rshift(m, m, 8 - (i & 0x7))) {
 280         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 281         goto err;
 282     }
 283     do {
 284         if (in_kinv == NULL || in_r == NULL) {
 285             if (!ecdsa_sign_setup(eckey, ctx, &kinv, &ret->r, dgst, dgst_len)) {
 286                 ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_ECDSA_LIB);
 287                 goto err;
 288             }
 289             ckinv = kinv;
 290         } else {
 291             ckinv = in_kinv;
 292             if (BN_copy(ret->r, in_r) == NULL) {
 293                 ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 294                 goto err;
 295             }
 296         }
 297
 298         /*
 299          * The normal signature calculation is:
 300          *
 301          *   s := k^-1 * (m + r * priv_key) mod order
 302          *
 303          * We will blind this to protect against side channel attacks
 304          *
 305          *   s := blind^-1 * k^-1 * (blind * m + blind * r * priv_key) mod order
 306          */
 307
 308         /* Generate a blinding value */
 309         do {
 310             if (!BN_rand(blind, BN_num_bits(order) - 1, BN_RAND_TOP_ANY,
 311                          BN_RAND_BOTTOM_ANY))
 312                 goto err;
 313         } while (BN_is_zero(blind));
 314         BN_set_flags(blind, BN_FLG_CONSTTIME);
 315         BN_set_flags(blindm, BN_FLG_CONSTTIME);
 316         BN_set_flags(tmp, BN_FLG_CONSTTIME);
 317
 318         /* tmp := blind * priv_key * r mod order */
 319         if (!BN_mod_mul(tmp, blind, priv_key, order, ctx)) {
 320             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 321             goto err;
 322         }
 323         if (!BN_mod_mul(tmp, tmp, ret->r, order, ctx)) {
 324             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 325             goto err;
 326         }
 327
 328         /* blindm := blind * m mod order */
 329         if (!BN_mod_mul(blindm, blind, m, order, ctx)) {
 330             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 331             goto err;
 332         }
 333
 334         /* s : = (blind * priv_key * r) + (blind * m) mod order */
 335         if (!BN_mod_add_quick(s, tmp, blindm, order)) {
 336             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 337             goto err;
 338         }
 339
 340         /* s := s * k^-1 mod order */
 341         if (!BN_mod_mul(s, s, ckinv, order, ctx)) {
 342             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 343             goto err;
 344         }
 345
 346         /* s:= s * blind^-1 mod order */
 347         if (BN_mod_inverse(blind, blind, order, ctx) == NULL) {
 348             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 349             goto err;
 350         }
 351         if (!BN_mod_mul(s, s, blind, order, ctx)) {
 352             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 353             goto err;
 354         }
 355
 356         if (BN_is_zero(s)) {
 357             /*
 358              * if kinv and r have been supplied by the caller don't to
 359              * generate new kinv and r values
 360              */
 361             if (in_kinv != NULL && in_r != NULL) {
 362                 ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_SIGN_SIG, EC_R_NEED_NEW_SETUP_VALUES);
 363                 goto err;
 364             }
 365         } else
 366             /* s != 0 => we have a valid signature */
 367             break;
 368     }
 369     while (1);
 370
 371     ok = 1;
 372  err:
 373     if (!ok) {
 374         ECDSA_SIG_free(ret);
 375         ret = NULL;
 376     }
 377     BN_CTX_end(ctx);
 378     BN_CTX_free(ctx);
 379     BN_clear_free(kinv);
 380     return ret;
 381 }
 382
 383 /*-
 384  * returns
 385  *      1: correct signature
 386  *      0: incorrect signature
 387  *     -1: error
 388  */
 389 int ossl_ecdsa_verify(int type, const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 390                       const unsigned char *sigbuf, int sig_len, EC_KEY *eckey)
 391 {
 392     ECDSA_SIG *s;
 393     const unsigned char *p = sigbuf;
 394     unsigned char *der = NULL;
 395     int derlen = -1;
 396     int ret = -1;
 397
 398     s = ECDSA_SIG_new();
 399     if (s == NULL)
 400         return (ret);
 401     if (d2i_ECDSA_SIG(&s, &p, sig_len) == NULL)
 402         goto err;
 403     /* Ensure signature uses DER and doesn't have trailing garbage */
 404     derlen = i2d_ECDSA_SIG(s, &der);
 405     if (derlen != sig_len || memcmp(sigbuf, der, derlen) != 0)
 406         goto err;
 407     ret = ECDSA_do_verify(dgst, dgst_len, s, eckey);
 408  err:
 409     OPENSSL_clear_free(der, derlen);
 410     ECDSA_SIG_free(s);
 411     return (ret);
 412 }
 413
 414 int ossl_ecdsa_verify_sig(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 415                           const ECDSA_SIG *sig, EC_KEY *eckey)
 416 {
 417     int ret = -1, i;
 418     BN_CTX *ctx;
 419     const BIGNUM *order;
 420     BIGNUM *u1, *u2, *m, *X;
 421     EC_POINT *point = NULL;
 422     const EC_GROUP *group;
 423     const EC_POINT *pub_key;
 424
 425     /* check input values */
 426     if (eckey == NULL || (group = EC_KEY_get0_group(eckey)) == NULL ||
 427         (pub_key = EC_KEY_get0_public_key(eckey)) == NULL || sig == NULL) {
 428         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, EC_R_MISSING_PARAMETERS);
 429         return -1;
 430     }
 431
 432     if (!EC_KEY_can_sign(eckey)) {
 433         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, EC_R_CURVE_DOES_NOT_SUPPORT_SIGNING);
 434         return -1;
 435     }
 436
 437     ctx = BN_CTX_new();
 438     if (ctx == NULL) {
 439         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 440         return -1;
 441     }
 442     BN_CTX_start(ctx);
 443     u1 = BN_CTX_get(ctx);
 444     u2 = BN_CTX_get(ctx);
 445     m = BN_CTX_get(ctx);
 446     X = BN_CTX_get(ctx);
 447     if (X == NULL) {
 448         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 449         goto err;
 450     }
 451
 452     order = EC_GROUP_get0_order(group);
 453     if (order == NULL) {
 454         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 455         goto err;
 456     }
 457
 458     if (BN_is_zero(sig->r) || BN_is_negative(sig->r) ||
 459         BN_ucmp(sig->r, order) >= 0 || BN_is_zero(sig->s) ||
 460         BN_is_negative(sig->s) || BN_ucmp(sig->s, order) >= 0) {
 461         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, EC_R_BAD_SIGNATURE);
 462         ret = 0;                /* signature is invalid */
 463         goto err;
 464     }
 465     /* calculate tmp1 = inv(S) mod order */
 466     if (!BN_mod_inverse(u2, sig->s, order, ctx)) {
 467         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 468         goto err;
 469     }
 470     /* digest -> m */
 471     i = BN_num_bits(order);
 472     /*
 473      * Need to truncate digest if it is too long: first truncate whole bytes.
 474      */
 475     if (8 * dgst_len > i)
 476         dgst_len = (i + 7) / 8;
 477     if (!BN_bin2bn(dgst, dgst_len, m)) {
 478         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 479         goto err;
 480     }
 481     /* If still too long truncate remaining bits with a shift */
 482     if ((8 * dgst_len > i) && !BN_rshift(m, m, 8 - (i & 0x7))) {
 483         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 484         goto err;
 485     }
 486     /* u1 = m * tmp mod order */
 487     if (!BN_mod_mul(u1, m, u2, order, ctx)) {
 488         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 489         goto err;
 490     }
 491     /* u2 = r * w mod q */
 492     if (!BN_mod_mul(u2, sig->r, u2, order, ctx)) {
 493         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 494         goto err;
 495     }
 496
 497     if ((point = EC_POINT_new(group)) == NULL) {
 498         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 499         goto err;
 500     }
 501     if (!EC_POINT_mul(group, point, u1, pub_key, u2, ctx)) {
 502         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 503         goto err;
 504     }
 505     if (EC_METHOD_get_field_type(EC_GROUP_method_of(group)) ==
 506         NID_X9_62_prime_field) {
 507         if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp(group, point, X, NULL, ctx)) {
 508             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 509             goto err;
 510         }
 511     }
 512 #ifndef OPENSSL_NO_EC2M
 513     else {                      /* NID_X9_62_characteristic_two_field */
 514
 515         if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GF2m(group, point, X, NULL, ctx)) {
 516             ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_EC_LIB);
 517             goto err;
 518         }
 519     }
 520 #endif
 521     if (!BN_nnmod(u1, X, order, ctx)) {
 522         ECerr(EC_F_OSSL_ECDSA_VERIFY_SIG, ERR_R_BN_LIB);
 523         goto err;
 524     }
 525     /*  if the signature is correct u1 is equal to sig->r */
 526     ret = (BN_ucmp(u1, sig->r) == 0);
 527  err:
 528     BN_CTX_end(ctx);
 529     BN_CTX_free(ctx);
 530     EC_POINT_free(point);
 531     return ret;
 532 }