crypto/jpake/jpake.c

   1 #include <openssl/jpake.h>
   2 #include <openssl/crypto.h>
   3 #include <openssl/sha.h>
   4 #include <openssl/err.h>
   5 #include <memory.h>
   6 #include <string.h>
   7
   8 /*
   9  * In the definition, (xa, xb, xc, xd) are Alice's (x1, x2, x3, x4) or
  10  * Bob's (x3, x4, x1, x2). If you see what I mean.
  11  */
  12
  13 typedef struct {
  14     char *name;                 /* Must be unique */
  15     char *peer_name;
  16     BIGNUM *p;
  17     BIGNUM *g;
  18     BIGNUM *q;
  19     BIGNUM *gxc;                /* Alice's g^{x3} or Bob's g^{x1} */
  20     BIGNUM *gxd;                /* Alice's g^{x4} or Bob's g^{x2} */
  21 } JPAKE_CTX_PUBLIC;
  22
  23 struct JPAKE_CTX {
  24     JPAKE_CTX_PUBLIC p;
  25     BIGNUM *secret;             /* The shared secret */
  26     BN_CTX *ctx;
  27     BIGNUM *xa;                 /* Alice's x1 or Bob's x3 */
  28     BIGNUM *xb;                 /* Alice's x2 or Bob's x4 */
  29     BIGNUM *key;                /* The calculated (shared) key */
  30 };
  31
  32 static void JPAKE_ZKP_init(JPAKE_ZKP *zkp)
  33 {
  34     zkp->gr = BN_new();
  35     zkp->b = BN_new();
  36 }
  37
  38 static void JPAKE_ZKP_release(JPAKE_ZKP *zkp)
  39 {
  40     BN_free(zkp->b);
  41     BN_free(zkp->gr);
  42 }
  43
  44 /* Two birds with one stone - make the global name as expected */
  45 #define JPAKE_STEP_PART_init    JPAKE_STEP2_init
  46 #define JPAKE_STEP_PART_release JPAKE_STEP2_release
  47
  48 void JPAKE_STEP_PART_init(JPAKE_STEP_PART *p)
  49 {
  50     p->gx = BN_new();
  51     JPAKE_ZKP_init(&p->zkpx);
  52 }
  53
  54 void JPAKE_STEP_PART_release(JPAKE_STEP_PART *p)
  55 {
  56     JPAKE_ZKP_release(&p->zkpx);
  57     BN_free(p->gx);
  58 }
  59
  60 void JPAKE_STEP1_init(JPAKE_STEP1 *s1)
  61 {
  62     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p1);
  63     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p2);
  64 }
  65
  66 void JPAKE_STEP1_release(JPAKE_STEP1 *s1)
  67 {
  68     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p2);
  69     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p1);
  70 }
  71
  72 static void JPAKE_CTX_init(JPAKE_CTX *ctx, const char *name,
  73                            const char *peer_name, const BIGNUM *p,
  74                            const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
  75                            const BIGNUM *secret)
  76 {
  77     ctx->p.name = OPENSSL_strdup(name);
  78     ctx->p.peer_name = OPENSSL_strdup(peer_name);
  79     ctx->p.p = BN_dup(p);
  80     ctx->p.g = BN_dup(g);
  81     ctx->p.q = BN_dup(q);
  82     ctx->secret = BN_dup(secret);
  83
  84     ctx->p.gxc = BN_new();
  85     ctx->p.gxd = BN_new();
  86
  87     ctx->xa = BN_new();
  88     ctx->xb = BN_new();
  89     ctx->key = BN_new();
  90     ctx->ctx = BN_CTX_new();
  91 }
  92
  93 static void JPAKE_CTX_release(JPAKE_CTX *ctx)
  94 {
  95     BN_CTX_free(ctx->ctx);
  96     BN_clear_free(ctx->key);
  97     BN_clear_free(ctx->xb);
  98     BN_clear_free(ctx->xa);
  99
 100     BN_free(ctx->p.gxd);
 101     BN_free(ctx->p.gxc);
 102
 103     BN_clear_free(ctx->secret);
 104     BN_free(ctx->p.q);
 105     BN_free(ctx->p.g);
 106     BN_free(ctx->p.p);
 107     OPENSSL_free(ctx->p.peer_name);
 108     OPENSSL_free(ctx->p.name);
 109
 110     memset(ctx, 0, sizeof(*ctx));
 111 }
 112
 113 JPAKE_CTX *JPAKE_CTX_new(const char *name, const char *peer_name,
 114                          const BIGNUM *p, const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
 115                          const BIGNUM *secret)
 116 {
 117     JPAKE_CTX *ctx = OPENSSL_malloc(sizeof(*ctx));
 118     if (ctx == NULL)
 119         return NULL;
 120
 121     JPAKE_CTX_init(ctx, name, peer_name, p, g, q, secret);
 122
 123     return ctx;
 124 }
 125
 126 void JPAKE_CTX_free(JPAKE_CTX *ctx)
 127 {
 128     if (!ctx)
 129         return;
 130     JPAKE_CTX_release(ctx);
 131     OPENSSL_free(ctx);
 132 }
 133
 134 static void hashlength(SHA_CTX *sha, size_t l)
 135 {
 136     unsigned char b[2];
 137
 138     OPENSSL_assert(l <= 0xffff);
 139     b[0] = l >> 8;
 140     b[1] = l & 0xff;
 141     SHA1_Update(sha, b, 2);
 142 }
 143
 144 static void hashstring(SHA_CTX *sha, const char *string)
 145 {
 146     size_t l = strlen(string);
 147
 148     hashlength(sha, l);
 149     SHA1_Update(sha, string, l);
 150 }
 151
 152 static int hashbn(SHA_CTX *sha, const BIGNUM *bn)
 153 {
 154     size_t l = BN_num_bytes(bn);
 155     unsigned char *bin = OPENSSL_malloc(l);
 156
 157     if (bin == NULL)
 158         return 0;
 159
 160     hashlength(sha, l);
 161     BN_bn2bin(bn, bin);
 162     SHA1_Update(sha, bin, l);
 163     OPENSSL_free(bin);
 164     return 1;
 165 }
 166
 167 /* h=hash(g, g^r, g^x, name) */
 168 static int zkp_hash(BIGNUM *h, const BIGNUM *zkpg, const JPAKE_STEP_PART *p,
 169                     const char *proof_name)
 170 {
 171     unsigned char md[SHA_DIGEST_LENGTH];
 172     SHA_CTX sha;
 173
 174     /*
 175      * XXX: hash should not allow moving of the boundaries - Java code
 176      * is flawed in this respect. Length encoding seems simplest.
 177      */
 178     SHA1_Init(&sha);
 179     if (!hashbn(&sha, zkpg))
 180         return 0;
 181     OPENSSL_assert(!BN_is_zero(p->zkpx.gr));
 182     if (!hashbn(&sha, p->zkpx.gr))
 183         return 0;
 184     if (!hashbn(&sha, p->gx))
 185         return 0;
 186     hashstring(&sha, proof_name);
 187     SHA1_Final(md, &sha);
 188     BN_bin2bn(md, SHA_DIGEST_LENGTH, h);
 189     return 1;
 190 }
 191
 192 /*
 193  * Prove knowledge of x
 194  * Note that p->gx has already been calculated
 195  */
 196 static int generate_zkp(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 197                         const BIGNUM *zkpg, JPAKE_CTX *ctx)
 198 {
 199     int res = 0;
 200     BIGNUM *r = BN_new();
 201     BIGNUM *h = BN_new();
 202     BIGNUM *t = BN_new();
 203
 204    /*-
 205     * r in [0,q)
 206     * XXX: Java chooses r in [0, 2^160) - i.e. distribution not uniform
 207     */
 208     BN_rand_range(r, ctx->p.q);
 209     /* g^r */
 210     BN_mod_exp(p->zkpx.gr, zkpg, r, ctx->p.p, ctx->ctx);
 211
 212     /* h=hash... */
 213     if (!zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.name))
 214         goto end;
 215
 216     /* b = r - x*h */
 217     BN_mod_mul(t, x, h, ctx->p.q, ctx->ctx);
 218     BN_mod_sub(p->zkpx.b, r, t, ctx->p.q, ctx->ctx);
 219
 220     res = 1;
 221  end:
 222     /* cleanup */
 223     BN_free(t);
 224     BN_free(h);
 225     BN_free(r);
 226     return res;
 227 }
 228
 229 static int verify_zkp(const JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *zkpg,
 230                       JPAKE_CTX *ctx)
 231 {
 232     BIGNUM *h = BN_new();
 233     BIGNUM *t1 = BN_new();
 234     BIGNUM *t2 = BN_new();
 235     BIGNUM *t3 = BN_new();
 236     int ret = 0;
 237
 238     if (!zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.peer_name))
 239         goto end;
 240
 241     /* t1 = g^b */
 242     BN_mod_exp(t1, zkpg, p->zkpx.b, ctx->p.p, ctx->ctx);
 243     /* t2 = (g^x)^h = g^{hx} */
 244     BN_mod_exp(t2, p->gx, h, ctx->p.p, ctx->ctx);
 245     /* t3 = t1 * t2 = g^{hx} * g^b = g^{hx+b} = g^r (allegedly) */
 246     BN_mod_mul(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 247
 248     /* verify t3 == g^r */
 249     if (BN_cmp(t3, p->zkpx.gr) == 0)
 250         ret = 1;
 251     else
 252         JPAKEerr(JPAKE_F_VERIFY_ZKP, JPAKE_R_ZKP_VERIFY_FAILED);
 253
 254  end:
 255     /* cleanup */
 256     BN_free(t3);
 257     BN_free(t2);
 258     BN_free(t1);
 259     BN_free(h);
 260
 261     return ret;
 262 }
 263
 264 static int generate_step_part(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 265                               const BIGNUM *g, JPAKE_CTX *ctx)
 266 {
 267     BN_mod_exp(p->gx, g, x, ctx->p.p, ctx->ctx);
 268     if (!generate_zkp(p, x, g, ctx))
 269         return 0;
 270     return 1;
 271 }
 272
 273 /* Generate each party's random numbers. xa is in [0, q), xb is in [1, q). */
 274 static void genrand(JPAKE_CTX *ctx)
 275 {
 276     BIGNUM *qm1;
 277
 278     /* xa in [0, q) */
 279     BN_rand_range(ctx->xa, ctx->p.q);
 280
 281     /* q-1 */
 282     qm1 = BN_new();
 283     BN_copy(qm1, ctx->p.q);
 284     BN_sub_word(qm1, 1);
 285
 286     /* ... and xb in [0, q-1) */
 287     BN_rand_range(ctx->xb, qm1);
 288     /* [1, q) */
 289     BN_add_word(ctx->xb, 1);
 290
 291     /* cleanup */
 292     BN_free(qm1);
 293 }
 294
 295 int JPAKE_STEP1_generate(JPAKE_STEP1 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 296 {
 297     genrand(ctx);
 298     if (!generate_step_part(&send->p1, ctx->xa, ctx->p.g, ctx))
 299         return 0;
 300     if (!generate_step_part(&send->p2, ctx->xb, ctx->p.g, ctx))
 301         return 0;
 302
 303     return 1;
 304 }
 305
 306 /* g^x is a legal value */
 307 static int is_legal(const BIGNUM *gx, const JPAKE_CTX *ctx)
 308 {
 309     BIGNUM *t;
 310     int res;
 311
 312     if (BN_is_negative(gx) || BN_is_zero(gx) || BN_cmp(gx, ctx->p.p) >= 0)
 313         return 0;
 314
 315     t = BN_new();
 316     BN_mod_exp(t, gx, ctx->p.q, ctx->p.p, ctx->ctx);
 317     res = BN_is_one(t);
 318     BN_free(t);
 319
 320     return res;
 321 }
 322
 323 int JPAKE_STEP1_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP1 *received)
 324 {
 325     if (!is_legal(received->p1.gx, ctx)) {
 326         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS,
 327                  JPAKE_R_G_TO_THE_X3_IS_NOT_LEGAL);
 328         return 0;
 329     }
 330
 331     if (!is_legal(received->p2.gx, ctx)) {
 332         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS,
 333                  JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_NOT_LEGAL);
 334         return 0;
 335     }
 336
 337     /* verify their ZKP(xc) */
 338     if (!verify_zkp(&received->p1, ctx->p.g, ctx)) {
 339         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X3_FAILED);
 340         return 0;
 341     }
 342
 343     /* verify their ZKP(xd) */
 344     if (!verify_zkp(&received->p2, ctx->p.g, ctx)) {
 345         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X4_FAILED);
 346         return 0;
 347     }
 348
 349     /* g^xd != 1 */
 350     if (BN_is_one(received->p2.gx)) {
 351         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_ONE);
 352         return 0;
 353     }
 354
 355     /* Save the bits we need for later */
 356     BN_copy(ctx->p.gxc, received->p1.gx);
 357     BN_copy(ctx->p.gxd, received->p2.gx);
 358
 359     return 1;
 360 }
 361
 362 int JPAKE_STEP2_generate(JPAKE_STEP2 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 363 {
 364     int ret;
 365
 366     BIGNUM *t1 = BN_new();
 367     BIGNUM *t2 = BN_new();
 368
 369    /*-
 370     * X = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 371     * t1 = g^xa
 372     */
 373     BN_mod_exp(t1, ctx->p.g, ctx->xa, ctx->p.p, ctx->ctx);
 374     /* t2 = t1 * g^{xc} = g^{xa} * g^{xc} = g^{xa + xc} */
 375     BN_mod_mul(t2, t1, ctx->p.gxc, ctx->p.p, ctx->ctx);
 376     /* t1 = t2 * g^{xd} = g^{xa + xc + xd} */
 377     BN_mod_mul(t1, t2, ctx->p.gxd, ctx->p.p, ctx->ctx);
 378     /* t2 = xb * s */
 379     BN_mod_mul(t2, ctx->xb, ctx->secret, ctx->p.q, ctx->ctx);
 380
 381    /*-
 382     * ZKP(xb * s)
 383     * XXX: this is kinda funky, because we're using
 384     *
 385     * g' = g^{xa + xc + xd}
 386     *
 387     * as the generator, which means X is g'^{xb * s}
 388     * X = t1^{t2} = t1^{xb * s} = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 389     */
 390     ret = generate_step_part(send, t2, t1, ctx);
 391
 392     /* cleanup */
 393     BN_free(t1);
 394     BN_free(t2);
 395
 396     return ret;
 397 }
 398
 399 /* gx = g^{xc + xa + xb} * xd * s */
 400 static int compute_key(JPAKE_CTX *ctx, const BIGNUM *gx)
 401 {
 402     BIGNUM *t1 = BN_new();
 403     BIGNUM *t2 = BN_new();
 404     BIGNUM *t3 = BN_new();
 405
 406    /*-
 407     * K = (gx/g^{xb * xd * s})^{xb}
 408     *   = (g^{(xc + xa + xb) * xd * s - xb * xd *s})^{xb}
 409     *   = (g^{(xa + xc) * xd * s})^{xb}
 410     *   = g^{(xa + xc) * xb * xd * s}
 411     * [which is the same regardless of who calculates it]
 412     */
 413
 414     /* t1 = (g^{xd})^{xb} = g^{xb * xd} */
 415     BN_mod_exp(t1, ctx->p.gxd, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 416     /* t2 = -s = q-s */
 417     BN_sub(t2, ctx->p.q, ctx->secret);
 418     /* t3 = t1^t2 = g^{-xb * xd * s} */
 419     BN_mod_exp(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 420     /* t1 = gx * t3 = X/g^{xb * xd * s} */
 421     BN_mod_mul(t1, gx, t3, ctx->p.p, ctx->ctx);
 422     /* K = t1^{xb} */
 423     BN_mod_exp(ctx->key, t1, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 424
 425     /* cleanup */
 426     BN_free(t3);
 427     BN_free(t2);
 428     BN_free(t1);
 429
 430     return 1;
 431 }
 432
 433 int JPAKE_STEP2_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP2 *received)
 434 {
 435     BIGNUM *t1 = BN_new();
 436     BIGNUM *t2 = BN_new();
 437     int ret = 0;
 438
 439    /*-
 440     * g' = g^{xc + xa + xb} [from our POV]
 441     * t1 = xa + xb
 442     */
 443     BN_mod_add(t1, ctx->xa, ctx->xb, ctx->p.q, ctx->ctx);
 444     /* t2 = g^{t1} = g^{xa+xb} */
 445     BN_mod_exp(t2, ctx->p.g, t1, ctx->p.p, ctx->ctx);
 446     /* t1 = g^{xc} * t2 = g^{xc + xa + xb} */
 447     BN_mod_mul(t1, ctx->p.gxc, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 448
 449     if (verify_zkp(received, t1, ctx))
 450         ret = 1;
 451     else
 452         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP2_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_B_FAILED);
 453
 454     compute_key(ctx, received->gx);
 455
 456     /* cleanup */
 457     BN_free(t2);
 458     BN_free(t1);
 459
 460     return ret;
 461 }
 462
 463 static int quickhashbn(unsigned char *md, const BIGNUM *bn)
 464 {
 465     SHA_CTX sha;
 466
 467     SHA1_Init(&sha);
 468     if (!hashbn(&sha, bn))
 469         return 0;
 470     SHA1_Final(md, &sha);
 471     return 1;
 472 }
 473
 474 void JPAKE_STEP3A_init(JPAKE_STEP3A *s3a)
 475 {
 476 }
 477
 478 int JPAKE_STEP3A_generate(JPAKE_STEP3A *send, JPAKE_CTX *ctx)
 479 {
 480     if (!quickhashbn(send->hhk, ctx->key))
 481         return 0;
 482     SHA1(send->hhk, sizeof send->hhk, send->hhk);
 483
 484     return 1;
 485 }
 486
 487 int JPAKE_STEP3A_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3A *received)
 488 {
 489     unsigned char hhk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 490
 491     if (!quickhashbn(hhk, ctx->key))
 492         return 0;
 493     SHA1(hhk, sizeof hhk, hhk);
 494     if (memcmp(hhk, received->hhk, sizeof hhk)) {
 495         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3A_PROCESS,
 496                  JPAKE_R_HASH_OF_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 497         return 0;
 498     }
 499     return 1;
 500 }
 501
 502 void JPAKE_STEP3A_release(JPAKE_STEP3A *s3a)
 503 {
 504 }
 505
 506 void JPAKE_STEP3B_init(JPAKE_STEP3B *s3b)
 507 {
 508 }
 509
 510 int JPAKE_STEP3B_generate(JPAKE_STEP3B *send, JPAKE_CTX *ctx)
 511 {
 512     if (!quickhashbn(send->hk, ctx->key))
 513         return 0;
 514     return 1;
 515 }
 516
 517 int JPAKE_STEP3B_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3B *received)
 518 {
 519     unsigned char hk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 520
 521     if (!quickhashbn(hk, ctx->key))
 522         return 0;
 523     if (memcmp(hk, received->hk, sizeof hk)) {
 524         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3B_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 525         return 0;
 526     }
 527     return 1;
 528 }
 529
 530 void JPAKE_STEP3B_release(JPAKE_STEP3B *s3b)
 531 {
 532 }
 533
 534 const BIGNUM *JPAKE_get_shared_key(JPAKE_CTX *ctx)
 535 {
 536     return ctx->key;
 537 }