crypto/rsa/rsa_gen.c

   1 /*
   2  * Copyright 1995-2018 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  *
   4  * Licensed under the Apache License 2.0 (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 /*
  11  * NB: these functions have been "upgraded", the deprecated versions (which
  12  * are compatibility wrappers using these functions) are in rsa_depr.c. -
  13  * Geoff
  14  */
  15
  16 #include <stdio.h>
  17 #include <time.h>
  18 #include "internal/cryptlib.h"
  19 #include <openssl/bn.h>
  20 #include "rsa_locl.h"
  21
  22 static int rsa_builtin_keygen(RSA *rsa, int bits, int primes, BIGNUM *e_value,
  23                               BN_GENCB *cb);
  24
  25 /*
  26  * NB: this wrapper would normally be placed in rsa_lib.c and the static
  27  * implementation would probably be in rsa_eay.c. Nonetheless, is kept here
  28  * so that we don't introduce a new linker dependency. Eg. any application
  29  * that wasn't previously linking object code related to key-generation won't
  30  * have to now just because key-generation is part of RSA_METHOD.
  31  */
  32 int RSA_generate_key_ex(RSA *rsa, int bits, BIGNUM *e_value, BN_GENCB *cb)
  33 {
  34     if (rsa->meth->rsa_keygen != NULL)
  35         return rsa->meth->rsa_keygen(rsa, bits, e_value, cb);
  36
  37     return RSA_generate_multi_prime_key(rsa, bits, RSA_DEFAULT_PRIME_NUM,
  38                                         e_value, cb);
  39 }
  40
  41 int RSA_generate_multi_prime_key(RSA *rsa, int bits, int primes,
  42                                  BIGNUM *e_value, BN_GENCB *cb)
  43 {
  44     /* multi-prime is only supported with the builtin key generation */
  45     if (rsa->meth->rsa_multi_prime_keygen != NULL) {
  46         return rsa->meth->rsa_multi_prime_keygen(rsa, bits, primes,
  47                                                  e_value, cb);
  48     } else if (rsa->meth->rsa_keygen != NULL) {
  49         /*
  50          * However, if rsa->meth implements only rsa_keygen, then we
  51          * have to honour it in 2-prime case and assume that it wouldn't
  52          * know what to do with multi-prime key generated by builtin
  53          * subroutine...
  54          */
  55         if (primes == 2)
  56             return rsa->meth->rsa_keygen(rsa, bits, e_value, cb);
  57         else
  58             return 0;
  59     }
  60
  61     return rsa_builtin_keygen(rsa, bits, primes, e_value, cb);
  62 }
  63
  64 static int rsa_builtin_keygen(RSA *rsa, int bits, int primes, BIGNUM *e_value,
  65                               BN_GENCB *cb)
  66 {
  67     BIGNUM *r0 = NULL, *r1 = NULL, *r2 = NULL, *tmp, *prime;
  68     int ok = -1, n = 0, bitsr[RSA_MAX_PRIME_NUM], bitse = 0;
  69     int i = 0, quo = 0, rmd = 0, adj = 0, retries = 0;
  70     RSA_PRIME_INFO *pinfo = NULL;
  71     STACK_OF(RSA_PRIME_INFO) *prime_infos = NULL;
  72     BN_CTX *ctx = NULL;
  73     BN_ULONG bitst = 0;
  74     unsigned long error = 0;
  75
  76     if (bits < RSA_MIN_MODULUS_BITS) {
  77         ok = 0;             /* we set our own err */
  78         RSAerr(RSA_F_RSA_BUILTIN_KEYGEN, RSA_R_KEY_SIZE_TOO_SMALL);
  79         goto err;
  80     }
  81
  82     if (primes < RSA_DEFAULT_PRIME_NUM || primes > rsa_multip_cap(bits)) {
  83         ok = 0;             /* we set our own err */
  84         RSAerr(RSA_F_RSA_BUILTIN_KEYGEN, RSA_R_KEY_PRIME_NUM_INVALID);
  85         goto err;
  86     }
  87
  88     ctx = BN_CTX_new();
  89     if (ctx == NULL)
  90         goto err;
  91     BN_CTX_start(ctx);
  92     r0 = BN_CTX_get(ctx);
  93     r1 = BN_CTX_get(ctx);
  94     r2 = BN_CTX_get(ctx);
  95     if (r2 == NULL)
  96         goto err;
  97
  98     /* divide bits into 'primes' pieces evenly */
  99     quo = bits / primes;
 100     rmd = bits % primes;
 101
 102     for (i = 0; i < primes; i++)
 103         bitsr[i] = (i < rmd) ? quo + 1 : quo;
 104
 105     /* We need the RSA components non-NULL */
 106     if (!rsa->n && ((rsa->n = BN_new()) == NULL))
 107         goto err;
 108     if (!rsa->d && ((rsa->d = BN_secure_new()) == NULL))
 109         goto err;
 110     if (!rsa->e && ((rsa->e = BN_new()) == NULL))
 111         goto err;
 112     if (!rsa->p && ((rsa->p = BN_secure_new()) == NULL))
 113         goto err;
 114     if (!rsa->q && ((rsa->q = BN_secure_new()) == NULL))
 115         goto err;
 116     if (!rsa->dmp1 && ((rsa->dmp1 = BN_secure_new()) == NULL))
 117         goto err;
 118     if (!rsa->dmq1 && ((rsa->dmq1 = BN_secure_new()) == NULL))
 119         goto err;
 120     if (!rsa->iqmp && ((rsa->iqmp = BN_secure_new()) == NULL))
 121         goto err;
 122
 123     /* initialize multi-prime components */
 124     if (primes > RSA_DEFAULT_PRIME_NUM) {
 125         rsa->version = RSA_ASN1_VERSION_MULTI;
 126         prime_infos = sk_RSA_PRIME_INFO_new_reserve(NULL, primes - 2);
 127         if (prime_infos == NULL)
 128             goto err;
 129         if (rsa->prime_infos != NULL) {
 130             /* could this happen? */
 131             sk_RSA_PRIME_INFO_pop_free(rsa->prime_infos, rsa_multip_info_free);
 132         }
 133         rsa->prime_infos = prime_infos;
 134
 135         /* prime_info from 2 to |primes| -1 */
 136         for (i = 2; i < primes; i++) {
 137             pinfo = rsa_multip_info_new();
 138             if (pinfo == NULL)
 139                 goto err;
 140             (void)sk_RSA_PRIME_INFO_push(prime_infos, pinfo);
 141         }
 142     }
 143
 144     if (BN_copy(rsa->e, e_value) == NULL)
 145         goto err;
 146
 147     /* generate p, q and other primes (if any) */
 148     for (i = 0; i < primes; i++) {
 149         adj = 0;
 150         retries = 0;
 151
 152         if (i == 0) {
 153             prime = rsa->p;
 154         } else if (i == 1) {
 155             prime = rsa->q;
 156         } else {
 157             pinfo = sk_RSA_PRIME_INFO_value(prime_infos, i - 2);
 158             prime = pinfo->r;
 159         }
 160         BN_set_flags(prime, BN_FLG_CONSTTIME);
 161
 162         for (;;) {
 163  redo:
 164             if (!BN_generate_prime_ex(prime, bitsr[i] + adj, 0, NULL, NULL, cb))
 165                 goto err;
 166             /*
 167              * prime should not be equal to p, q, r_3...
 168              * (those primes prior to this one)
 169              */
 170             {
 171                 int j;
 172
 173                 for (j = 0; j < i; j++) {
 174                     BIGNUM *prev_prime;
 175
 176                     if (j == 0)
 177                         prev_prime = rsa->p;
 178                     else if (j == 1)
 179                         prev_prime = rsa->q;
 180                     else
 181                         prev_prime = sk_RSA_PRIME_INFO_value(prime_infos,
 182                                                              j - 2)->r;
 183
 184                     if (!BN_cmp(prime, prev_prime)) {
 185                         goto redo;
 186                     }
 187                 }
 188             }
 189             if (!BN_sub(r2, prime, BN_value_one()))
 190                 goto err;
 191             ERR_set_mark();
 192             BN_set_flags(r2, BN_FLG_CONSTTIME);
 193             if (BN_mod_inverse(r1, r2, rsa->e, ctx) != NULL) {
 194                /* GCD == 1 since inverse exists */
 195                 break;
 196             }
 197             error = ERR_peek_last_error();
 198             if (ERR_GET_LIB(error) == ERR_LIB_BN
 199                 && ERR_GET_REASON(error) == BN_R_NO_INVERSE) {
 200                 /* GCD != 1 */
 201                 ERR_pop_to_mark();
 202             } else {
 203                 goto err;
 204             }
 205             if (!BN_GENCB_call(cb, 2, n++))
 206                 goto err;
 207         }
 208
 209         bitse += bitsr[i];
 210
 211         /* calculate n immediately to see if it's sufficient */
 212         if (i == 1) {
 213             /* we get at least 2 primes */
 214             if (!BN_mul(r1, rsa->p, rsa->q, ctx))
 215                 goto err;
 216         } else if (i != 0) {
 217             /* modulus n = p * q * r_3 * r_4 ... */
 218             if (!BN_mul(r1, rsa->n, prime, ctx))
 219                 goto err;
 220         } else {
 221             /* i == 0, do nothing */
 222             if (!BN_GENCB_call(cb, 3, i))
 223                 goto err;
 224             continue;
 225         }
 226         /*
 227          * if |r1|, product of factors so far, is not as long as expected
 228          * (by checking the first 4 bits are less than 0x9 or greater than
 229          * 0xF). If so, re-generate the last prime.
 230          *
 231          * NOTE: This actually can't happen in two-prime case, because of
 232          * the way factors are generated.
 233          *
 234          * Besides, another consideration is, for multi-prime case, even the
 235          * length modulus is as long as expected, the modulus could start at
 236          * 0x8, which could be utilized to distinguish a multi-prime private
 237          * key by using the modulus in a certificate. This is also covered
 238          * by checking the length should not be less than 0x9.
 239          */
 240         if (!BN_rshift(r2, r1, bitse - 4))
 241             goto err;
 242         bitst = BN_get_word(r2);
 243
 244         if (bitst < 0x9 || bitst > 0xF) {
 245             /*
 246              * For keys with more than 4 primes, we attempt longer factor to
 247              * meet length requirement.
 248              *
 249              * Otherwise, we just re-generate the prime with the same length.
 250              *
 251              * This strategy has the following goals:
 252              *
 253              * 1. 1024-bit factors are effcient when using 3072 and 4096-bit key
 254              * 2. stay the same logic with normal 2-prime key
 255              */
 256             bitse -= bitsr[i];
 257             if (!BN_GENCB_call(cb, 2, n++))
 258                 goto err;
 259             if (primes > 4) {
 260                 if (bitst < 0x9)
 261                     adj++;
 262                 else
 263                     adj--;
 264             } else if (retries == 4) {
 265                 /*
 266                  * re-generate all primes from scratch, mainly used
 267                  * in 4 prime case to avoid long loop. Max retry times
 268                  * is set to 4.
 269                  */
 270                 i = -1;
 271                 bitse = 0;
 272                 continue;
 273             }
 274             retries++;
 275             goto redo;
 276         }
 277         /* save product of primes for further use, for multi-prime only */
 278         if (i > 1 && BN_copy(pinfo->pp, rsa->n) == NULL)
 279             goto err;
 280         if (BN_copy(rsa->n, r1) == NULL)
 281             goto err;
 282         if (!BN_GENCB_call(cb, 3, i))
 283             goto err;
 284     }
 285
 286     if (BN_cmp(rsa->p, rsa->q) < 0) {
 287         tmp = rsa->p;
 288         rsa->p = rsa->q;
 289         rsa->q = tmp;
 290     }
 291
 292     /* calculate d */
 293
 294     /* p - 1 */
 295     if (!BN_sub(r1, rsa->p, BN_value_one()))
 296         goto err;
 297     /* q - 1 */
 298     if (!BN_sub(r2, rsa->q, BN_value_one()))
 299         goto err;
 300     /* (p - 1)(q - 1) */
 301     if (!BN_mul(r0, r1, r2, ctx))
 302         goto err;
 303     /* multi-prime */
 304     for (i = 2; i < primes; i++) {
 305         pinfo = sk_RSA_PRIME_INFO_value(prime_infos, i - 2);
 306         /* save r_i - 1 to pinfo->d temporarily */
 307         if (!BN_sub(pinfo->d, pinfo->r, BN_value_one()))
 308             goto err;
 309         if (!BN_mul(r0, r0, pinfo->d, ctx))
 310             goto err;
 311     }
 312
 313     {
 314         BIGNUM *pr0 = BN_new();
 315
 316         if (pr0 == NULL)
 317             goto err;
 318
 319         BN_with_flags(pr0, r0, BN_FLG_CONSTTIME);
 320         if (!BN_mod_inverse(rsa->d, rsa->e, pr0, ctx)) {
 321             BN_free(pr0);
 322             goto err;               /* d */
 323         }
 324         /* We MUST free pr0 before any further use of r0 */
 325         BN_free(pr0);
 326     }
 327
 328     {
 329         BIGNUM *d = BN_new();
 330
 331         if (d == NULL)
 332             goto err;
 333
 334         BN_with_flags(d, rsa->d, BN_FLG_CONSTTIME);
 335
 336         /* calculate d mod (p-1) and d mod (q - 1) */
 337         if (!BN_mod(rsa->dmp1, d, r1, ctx)
 338             || !BN_mod(rsa->dmq1, d, r2, ctx)) {
 339             BN_free(d);
 340             goto err;
 341         }
 342
 343         /* calculate CRT exponents */
 344         for (i = 2; i < primes; i++) {
 345             pinfo = sk_RSA_PRIME_INFO_value(prime_infos, i - 2);
 346             /* pinfo->d == r_i - 1 */
 347             if (!BN_mod(pinfo->d, d, pinfo->d, ctx)) {
 348                 BN_free(d);
 349                 goto err;
 350             }
 351         }
 352
 353         /* We MUST free d before any further use of rsa->d */
 354         BN_free(d);
 355     }
 356
 357     {
 358         BIGNUM *p = BN_new();
 359
 360         if (p == NULL)
 361             goto err;
 362         BN_with_flags(p, rsa->p, BN_FLG_CONSTTIME);
 363
 364         /* calculate inverse of q mod p */
 365         if (!BN_mod_inverse(rsa->iqmp, rsa->q, p, ctx)) {
 366             BN_free(p);
 367             goto err;
 368         }
 369
 370         /* calculate CRT coefficient for other primes */
 371         for (i = 2; i < primes; i++) {
 372             pinfo = sk_RSA_PRIME_INFO_value(prime_infos, i - 2);
 373             BN_with_flags(p, pinfo->r, BN_FLG_CONSTTIME);
 374             if (!BN_mod_inverse(pinfo->t, pinfo->pp, p, ctx)) {
 375                 BN_free(p);
 376                 goto err;
 377             }
 378         }
 379
 380         /* We MUST free p before any further use of rsa->p */
 381         BN_free(p);
 382     }
 383
 384     ok = 1;
 385  err:
 386     if (ok == -1) {
 387         RSAerr(RSA_F_RSA_BUILTIN_KEYGEN, ERR_LIB_BN);
 388         ok = 0;
 389     }
 390     if (ctx != NULL)
 391         BN_CTX_end(ctx);
 392     BN_CTX_free(ctx);
 393     return ok;
 394 }