crypto/jpake/jpake.c

   1 #include "jpake.h"
   2
   3 #include <openssl/crypto.h>
   4 #include <openssl/sha.h>
   5 #include <openssl/err.h>
   6 #include <memory.h>
   7 #include <string.h>
   8
   9 /*
  10  * In the definition, (xa, xb, xc, xd) are Alice's (x1, x2, x3, x4) or
  11  * Bob's (x3, x4, x1, x2). If you see what I mean.
  12  */
  13
  14 typedef struct
  15     {
  16     char *name;  /* Must be unique */
  17     char *peer_name;
  18     BIGNUM *p;
  19     BIGNUM *g;
  20     BIGNUM *q;
  21     BIGNUM *gxc; /* Alice's g^{x3} or Bob's g^{x1} */
  22     BIGNUM *gxd; /* Alice's g^{x4} or Bob's g^{x2} */
  23     } JPAKE_CTX_PUBLIC;
  24
  25 struct JPAKE_CTX
  26     {
  27     JPAKE_CTX_PUBLIC p;
  28     BIGNUM *secret;   /* The shared secret */
  29     BN_CTX *ctx;
  30     BIGNUM *xa;       /* Alice's x1 or Bob's x3 */
  31     BIGNUM *xb;       /* Alice's x2 or Bob's x4 */
  32     BIGNUM *key;      /* The calculated (shared) key */
  33     };
  34
  35 static void JPAKE_ZKP_init(JPAKE_ZKP *zkp)
  36     {
  37     zkp->gr = BN_new();
  38     zkp->b = BN_new();
  39     }
  40
  41 static void JPAKE_ZKP_release(JPAKE_ZKP *zkp)
  42     {
  43     BN_free(zkp->b);
  44     BN_free(zkp->gr);
  45     }
  46
  47 /* Two birds with one stone - make the global name as expected */
  48 #define JPAKE_STEP_PART_init    JPAKE_STEP2_init
  49 #define JPAKE_STEP_PART_release JPAKE_STEP2_release
  50
  51 void JPAKE_STEP_PART_init(JPAKE_STEP_PART *p)
  52     {
  53     p->gx = BN_new();
  54     JPAKE_ZKP_init(&p->zkpx);
  55     }
  56
  57 void JPAKE_STEP_PART_release(JPAKE_STEP_PART *p)
  58     {
  59     JPAKE_ZKP_release(&p->zkpx);
  60     BN_free(p->gx);
  61     }
  62
  63 void JPAKE_STEP1_init(JPAKE_STEP1 *s1)
  64     {
  65     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p1);
  66     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p2);
  67     }
  68
  69 void JPAKE_STEP1_release(JPAKE_STEP1 *s1)
  70     {
  71     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p2);
  72     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p1);
  73     }
  74
  75 static void JPAKE_CTX_init(JPAKE_CTX *ctx, const char *name,
  76                            const char *peer_name, const BIGNUM *p,
  77                            const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
  78                            const BIGNUM *secret)
  79     {
  80     ctx->p.name = OPENSSL_strdup(name);
  81     ctx->p.peer_name = OPENSSL_strdup(peer_name);
  82     ctx->p.p = BN_dup(p);
  83     ctx->p.g = BN_dup(g);
  84     ctx->p.q = BN_dup(q);
  85     ctx->secret = BN_dup(secret);
  86
  87     ctx->p.gxc = BN_new();
  88     ctx->p.gxd = BN_new();
  89
  90     ctx->xa = BN_new();
  91     ctx->xb = BN_new();
  92     ctx->key = BN_new();
  93     ctx->ctx = BN_CTX_new();
  94     }
  95
  96 static void JPAKE_CTX_release(JPAKE_CTX *ctx)
  97     {
  98     BN_CTX_free(ctx->ctx);
  99     BN_clear_free(ctx->key);
 100     BN_clear_free(ctx->xb);
 101     BN_clear_free(ctx->xa);
 102
 103     BN_free(ctx->p.gxd);
 104     BN_free(ctx->p.gxc);
 105
 106     BN_clear_free(ctx->secret);
 107     BN_free(ctx->p.q);
 108     BN_free(ctx->p.g);
 109     BN_free(ctx->p.p);
 110     OPENSSL_free(ctx->p.peer_name);
 111     OPENSSL_free(ctx->p.name);
 112
 113     memset(ctx, '\0', sizeof *ctx);
 114     }
 115
 116 JPAKE_CTX *JPAKE_CTX_new(const char *name, const char *peer_name,
 117                          const BIGNUM *p, const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
 118                          const BIGNUM *secret)
 119     {
 120     JPAKE_CTX *ctx = OPENSSL_malloc(sizeof *ctx);
 121     if (ctx == NULL)
 122         return NULL;
 123
 124     JPAKE_CTX_init(ctx, name, peer_name, p, g, q, secret);
 125
 126     return ctx;
 127     }
 128
 129 void JPAKE_CTX_free(JPAKE_CTX *ctx)
 130     {
 131     JPAKE_CTX_release(ctx);
 132     OPENSSL_free(ctx);
 133     }
 134
 135 static void hashlength(SHA_CTX *sha, size_t l)
 136     {
 137     unsigned char b[2];
 138
 139     OPENSSL_assert(l <= 0xffff);
 140     b[0] = l >> 8;
 141     b[1] = l&0xff;
 142     SHA1_Update(sha, b, 2);
 143     }
 144
 145 static void hashstring(SHA_CTX *sha, const char *string)
 146     {
 147     size_t l = strlen(string);
 148
 149     hashlength(sha, l);
 150     SHA1_Update(sha, string, l);
 151     }
 152
 153 static int hashbn(SHA_CTX *sha, const BIGNUM *bn)
 154     {
 155     size_t l = BN_num_bytes(bn);
 156     unsigned char *bin = OPENSSL_malloc(l);
 157
 158     if (bin == NULL)
 159         return 0;
 160
 161     hashlength(sha, l);
 162     BN_bn2bin(bn, bin);
 163     SHA1_Update(sha, bin, l);
 164     OPENSSL_free(bin);
 165     return 1;
 166     }
 167
 168 /* h=hash(g, g^r, g^x, name) */
 169 static int zkp_hash(BIGNUM *h, const BIGNUM *zkpg, const JPAKE_STEP_PART *p,
 170                      const char *proof_name)
 171     {
 172     unsigned char md[SHA_DIGEST_LENGTH];
 173     SHA_CTX sha;
 174
 175    /*
 176     * XXX: hash should not allow moving of the boundaries - Java code
 177     * is flawed in this respect. Length encoding seems simplest.
 178     */
 179     SHA1_Init(&sha);
 180     if (!hashbn(&sha, zkpg))
 181         return 0;
 182     OPENSSL_assert(!BN_is_zero(p->zkpx.gr));
 183     if (!hashbn(&sha, p->zkpx.gr))
 184         return 0;
 185     if (!hashbn(&sha, p->gx))
 186         return 0;
 187     hashstring(&sha, proof_name);
 188     SHA1_Final(md, &sha);
 189     BN_bin2bn(md, SHA_DIGEST_LENGTH, h);
 190     return 1;
 191     }
 192
 193 /*
 194  * Prove knowledge of x
 195  * Note that p->gx has already been calculated
 196  */
 197 static int generate_zkp(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 198                          const BIGNUM *zkpg, JPAKE_CTX *ctx)
 199     {
 200     int res = 0;
 201     BIGNUM *r = BN_new();
 202     BIGNUM *h = BN_new();
 203     BIGNUM *t = BN_new();
 204
 205    /*
 206     * r in [0,q)
 207     * XXX: Java chooses r in [0, 2^160) - i.e. distribution not uniform
 208     */
 209     BN_rand_range(r, ctx->p.q);
 210    /* g^r */
 211     BN_mod_exp(p->zkpx.gr, zkpg, r, ctx->p.p, ctx->ctx);
 212
 213    /* h=hash... */
 214     if (!zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.name))
 215         goto end;
 216
 217    /* b = r - x*h */
 218     BN_mod_mul(t, x, h, ctx->p.q, ctx->ctx);
 219     BN_mod_sub(p->zkpx.b, r, t, ctx->p.q, ctx->ctx);
 220
 221     res = 1;
 222 end:
 223    /* cleanup */
 224     BN_free(t);
 225     BN_free(h);
 226     BN_free(r);
 227     return res;
 228     }
 229
 230 static int verify_zkp(const JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *zkpg,
 231                       JPAKE_CTX *ctx)
 232     {
 233     BIGNUM *h = BN_new();
 234     BIGNUM *t1 = BN_new();
 235     BIGNUM *t2 = BN_new();
 236     BIGNUM *t3 = BN_new();
 237     int ret = 0;
 238
 239     if (!zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.peer_name))
 240         goto end;
 241
 242    /* t1 = g^b */
 243     BN_mod_exp(t1, zkpg, p->zkpx.b, ctx->p.p, ctx->ctx);
 244    /* t2 = (g^x)^h = g^{hx} */
 245     BN_mod_exp(t2, p->gx, h, ctx->p.p, ctx->ctx);
 246    /* t3 = t1 * t2 = g^{hx} * g^b = g^{hx+b} = g^r (allegedly) */
 247     BN_mod_mul(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 248
 249    /* verify t3 == g^r */
 250     if(BN_cmp(t3, p->zkpx.gr) == 0)
 251         ret = 1;
 252     else
 253         JPAKEerr(JPAKE_F_VERIFY_ZKP, JPAKE_R_ZKP_VERIFY_FAILED);
 254
 255 end:
 256    /* cleanup */
 257     BN_free(t3);
 258     BN_free(t2);
 259     BN_free(t1);
 260     BN_free(h);
 261
 262     return ret;
 263     }
 264
 265 static int generate_step_part(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 266                                const BIGNUM *g, JPAKE_CTX *ctx)
 267     {
 268     BN_mod_exp(p->gx, g, x, ctx->p.p, ctx->ctx);
 269     if (!generate_zkp(p, x, g, ctx))
 270         return 0;
 271     return 1;
 272     }
 273
 274 /* Generate each party's random numbers. xa is in [0, q), xb is in [1, q). */
 275 static void genrand(JPAKE_CTX *ctx)
 276     {
 277     BIGNUM *qm1;
 278
 279    /* xa in [0, q) */
 280     BN_rand_range(ctx->xa, ctx->p.q);
 281
 282    /* q-1 */
 283     qm1 = BN_new();
 284     BN_copy(qm1, ctx->p.q);
 285     BN_sub_word(qm1, 1);
 286
 287    /* ... and xb in [0, q-1) */
 288     BN_rand_range(ctx->xb, qm1);
 289    /* [1, q) */
 290     BN_add_word(ctx->xb, 1);
 291
 292    /* cleanup */
 293     BN_free(qm1);
 294     }
 295
 296 int JPAKE_STEP1_generate(JPAKE_STEP1 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 297     {
 298     genrand(ctx);
 299     if (!generate_step_part(&send->p1, ctx->xa, ctx->p.g, ctx))
 300         return 0;
 301     if (!generate_step_part(&send->p2, ctx->xb, ctx->p.g, ctx))
 302         return 0;
 303
 304     return 1;
 305     }
 306
 307 /* g^x is a legal value */
 308 static int is_legal(const BIGNUM *gx, const JPAKE_CTX *ctx)
 309     {
 310     BIGNUM *t;
 311     int res;
 312
 313     if(BN_is_negative(gx) || BN_is_zero(gx) || BN_cmp(gx, ctx->p.p) >= 0)
 314         return 0;
 315
 316     t = BN_new();
 317     BN_mod_exp(t, gx, ctx->p.q, ctx->p.p, ctx->ctx);
 318     res = BN_is_one(t);
 319     BN_free(t);
 320
 321     return res;
 322     }
 323
 324 int JPAKE_STEP1_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP1 *received)
 325     {
 326     if(!is_legal(received->p1.gx, ctx))
 327         {
 328         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_G_TO_THE_X3_IS_NOT_LEGAL);
 329         return 0;
 330         }
 331
 332     if(!is_legal(received->p2.gx, ctx))
 333         {
 334         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_NOT_LEGAL);
 335         return 0;
 336         }
 337
 338    /* verify their ZKP(xc) */
 339     if(!verify_zkp(&received->p1, ctx->p.g, ctx))
 340         {
 341         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X3_FAILED);
 342         return 0;
 343         }
 344
 345    /* verify their ZKP(xd) */
 346     if(!verify_zkp(&received->p2, ctx->p.g, ctx))
 347         {
 348         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X4_FAILED);
 349         return 0;
 350         }
 351
 352    /* g^xd != 1 */
 353     if(BN_is_one(received->p2.gx))
 354         {
 355         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_ONE);
 356         return 0;
 357         }
 358
 359    /* Save the bits we need for later */
 360     BN_copy(ctx->p.gxc, received->p1.gx);
 361     BN_copy(ctx->p.gxd, received->p2.gx);
 362
 363     return 1;
 364     }
 365
 366
 367 int JPAKE_STEP2_generate(JPAKE_STEP2 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 368     {
 369     int ret;
 370
 371     BIGNUM *t1 = BN_new();
 372     BIGNUM *t2 = BN_new();
 373
 374    /*
 375     * X = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 376     * t1 = g^xa
 377     */
 378     BN_mod_exp(t1, ctx->p.g, ctx->xa, ctx->p.p, ctx->ctx);
 379    /* t2 = t1 * g^{xc} = g^{xa} * g^{xc} = g^{xa + xc} */
 380     BN_mod_mul(t2, t1, ctx->p.gxc, ctx->p.p, ctx->ctx);
 381    /* t1 = t2 * g^{xd} = g^{xa + xc + xd} */
 382     BN_mod_mul(t1, t2, ctx->p.gxd, ctx->p.p, ctx->ctx);
 383    /* t2 = xb * s */
 384     BN_mod_mul(t2, ctx->xb, ctx->secret, ctx->p.q, ctx->ctx);
 385
 386    /*
 387     * ZKP(xb * s)
 388     * XXX: this is kinda funky, because we're using
 389     *
 390     * g' = g^{xa + xc + xd}
 391     *
 392     * as the generator, which means X is g'^{xb * s}
 393     * X = t1^{t2} = t1^{xb * s} = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 394     */
 395     ret = generate_step_part(send, t2, t1, ctx);
 396
 397    /* cleanup */
 398     BN_free(t1);
 399     BN_free(t2);
 400
 401     return ret;
 402     }
 403
 404 /* gx = g^{xc + xa + xb} * xd * s */
 405 static int compute_key(JPAKE_CTX *ctx, const BIGNUM *gx)
 406     {
 407     BIGNUM *t1 = BN_new();
 408     BIGNUM *t2 = BN_new();
 409     BIGNUM *t3 = BN_new();
 410
 411    /*
 412     * K = (gx/g^{xb * xd * s})^{xb}
 413     *   = (g^{(xc + xa + xb) * xd * s - xb * xd *s})^{xb}
 414     *   = (g^{(xa + xc) * xd * s})^{xb}
 415     *   = g^{(xa + xc) * xb * xd * s}
 416     * [which is the same regardless of who calculates it]
 417     */
 418
 419    /* t1 = (g^{xd})^{xb} = g^{xb * xd} */
 420     BN_mod_exp(t1, ctx->p.gxd, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 421    /* t2 = -s = q-s */
 422     BN_sub(t2, ctx->p.q, ctx->secret);
 423    /* t3 = t1^t2 = g^{-xb * xd * s} */
 424     BN_mod_exp(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 425    /* t1 = gx * t3 = X/g^{xb * xd * s} */
 426     BN_mod_mul(t1, gx, t3, ctx->p.p, ctx->ctx);
 427    /* K = t1^{xb} */
 428     BN_mod_exp(ctx->key, t1, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 429
 430    /* cleanup */
 431     BN_free(t3);
 432     BN_free(t2);
 433     BN_free(t1);
 434
 435     return 1;
 436     }
 437
 438 int JPAKE_STEP2_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP2 *received)
 439     {
 440     BIGNUM *t1 = BN_new();
 441     BIGNUM *t2 = BN_new();
 442     int ret = 0;
 443
 444    /*
 445     * g' = g^{xc + xa + xb} [from our POV]
 446     * t1 = xa + xb
 447     */
 448     BN_mod_add(t1, ctx->xa, ctx->xb, ctx->p.q, ctx->ctx);
 449    /* t2 = g^{t1} = g^{xa+xb} */
 450     BN_mod_exp(t2, ctx->p.g, t1, ctx->p.p, ctx->ctx);
 451    /* t1 = g^{xc} * t2 = g^{xc + xa + xb} */
 452     BN_mod_mul(t1, ctx->p.gxc, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 453
 454     if(verify_zkp(received, t1, ctx))
 455         ret = 1;
 456     else
 457         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP2_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_B_FAILED);
 458
 459     compute_key(ctx, received->gx);
 460
 461    /* cleanup */
 462     BN_free(t2);
 463     BN_free(t1);
 464
 465     return ret;
 466     }
 467
 468 static int quickhashbn(unsigned char *md, const BIGNUM *bn)
 469     {
 470     SHA_CTX sha;
 471
 472     SHA1_Init(&sha);
 473     if (!hashbn(&sha, bn))
 474         return 0;
 475     SHA1_Final(md, &sha);
 476     return 1;
 477     }
 478
 479 void JPAKE_STEP3A_init(JPAKE_STEP3A *s3a)
 480     {}
 481
 482 int JPAKE_STEP3A_generate(JPAKE_STEP3A *send, JPAKE_CTX *ctx)
 483     {
 484     if (!quickhashbn(send->hhk, ctx->key))
 485         return 0;
 486     SHA1(send->hhk, sizeof send->hhk, send->hhk);
 487
 488     return 1;
 489     }
 490
 491 int JPAKE_STEP3A_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3A *received)
 492     {
 493     unsigned char hhk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 494
 495     if (!quickhashbn(hhk, ctx->key))
 496         return 0;
 497     SHA1(hhk, sizeof hhk, hhk);
 498     if(memcmp(hhk, received->hhk, sizeof hhk))
 499         {
 500         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3A_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 501         return 0;
 502         }
 503     return 1;
 504     }
 505
 506 void JPAKE_STEP3A_release(JPAKE_STEP3A *s3a)
 507     {}
 508
 509 void JPAKE_STEP3B_init(JPAKE_STEP3B *s3b)
 510     {}
 511
 512 int JPAKE_STEP3B_generate(JPAKE_STEP3B *send, JPAKE_CTX *ctx)
 513     {
 514     if (!quickhashbn(send->hk, ctx->key))
 515         return 0;
 516     return 1;
 517     }
 518
 519 int JPAKE_STEP3B_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3B *received)
 520     {
 521     unsigned char hk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 522
 523     if (!quickhashbn(hk, ctx->key))
 524         return 0;
 525     if(memcmp(hk, received->hk, sizeof hk))
 526         {
 527         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3B_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 528         return 0;
 529         }
 530     return 1;
 531     }
 532
 533 void JPAKE_STEP3B_release(JPAKE_STEP3B *s3b)
 534     {}
 535
 536 const BIGNUM *JPAKE_get_shared_key(JPAKE_CTX *ctx)
 537     {
 538     return ctx->key;
 539     }
 540