crypto/sm2/sm2_crypt.c

   1 /*
   2  * Copyright 2017-2018 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  * Copyright 2017 Ribose Inc. All Rights Reserved.
   4  * Ported from Ribose contributions from Botan.
   5  *
   6  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
   7  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
   8  * in the file LICENSE in the source distribution or at
   9  * https://www.openssl.org/source/license.html
  10  */
  11
  12 #include "internal/sm2.h"
  13 #include "internal/sm2err.h"
  14 #include <openssl/err.h>
  15 #include <openssl/evp.h>
  16 #include <openssl/bn.h>
  17 #include <openssl/asn1.h>
  18 #include <openssl/asn1t.h>
  19 #include <string.h>
  20
  21 typedef struct SM2_Ciphertext_st SM2_Ciphertext;
  22 DECLARE_ASN1_FUNCTIONS(SM2_Ciphertext)
  23
  24 struct SM2_Ciphertext_st {
  25     BIGNUM *C1x;
  26     BIGNUM *C1y;
  27     ASN1_OCTET_STRING *C3;
  28     ASN1_OCTET_STRING *C2;
  29 };
  30
  31 ASN1_SEQUENCE(SM2_Ciphertext) = {
  32     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C1x, BIGNUM),
  33     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C1y, BIGNUM),
  34     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C3, ASN1_OCTET_STRING),
  35     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C2, ASN1_OCTET_STRING),
  36 } ASN1_SEQUENCE_END(SM2_Ciphertext)
  37
  38 IMPLEMENT_ASN1_FUNCTIONS(SM2_Ciphertext)
  39
  40 static size_t ec_field_size(const EC_GROUP *group)
  41 {
  42     /* Is there some simpler way to do this? */
  43     BIGNUM *p = BN_new();
  44     BIGNUM *a = BN_new();
  45     BIGNUM *b = BN_new();
  46     size_t field_size = 0;
  47
  48     if (p == NULL || a == NULL || b == NULL)
  49        goto done;
  50
  51     if (!EC_GROUP_get_curve(group, p, a, b, NULL))
  52         goto done;
  53     field_size = (BN_num_bits(p) + 7) / 8;
  54
  55  done:
  56     BN_free(p);
  57     BN_free(a);
  58     BN_free(b);
  59
  60     return field_size;
  61 }
  62
  63 int sm2_plaintext_size(const EC_KEY *key, const EVP_MD *digest, size_t msg_len,
  64                        size_t *pt_size)
  65 {
  66     const size_t field_size = ec_field_size(EC_KEY_get0_group(key));
  67     const int md_size = EVP_MD_size(digest);
  68     size_t overhead;
  69
  70     if (md_size < 0) {
  71         SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_DIGEST);
  72         return 0;
  73     }
  74     if (field_size == 0) {
  75         SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_FIELD);
  76         return 0;
  77     }
  78
  79     overhead = 10 + 2 * field_size + (size_t)md_size;
  80     if (msg_len <= overhead) {
  81         SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_ENCODING);
  82         return 0;
  83     }
  84
  85     *pt_size = msg_len - overhead;
  86     return 1;
  87 }
  88
  89 int sm2_ciphertext_size(const EC_KEY *key, const EVP_MD *digest, size_t msg_len,
  90                         size_t *ct_size)
  91 {
  92     const size_t field_size = ec_field_size(EC_KEY_get0_group(key));
  93     const int md_size = EVP_MD_size(digest);
  94     size_t sz;
  95
  96     if (field_size == 0 || md_size < 0)
  97         return 0;
  98
  99     /* Integer and string are simple type; set constructed = 0, means primitive and definite length encoding. */
 100     sz = 2 * ASN1_object_size(0, field_size + 1, V_ASN1_INTEGER)
 101          + ASN1_object_size(0, md_size, V_ASN1_OCTET_STRING)
 102          + ASN1_object_size(0, msg_len, V_ASN1_OCTET_STRING);
 103     /* Sequence is structured type; set constructed = 1, means constructed and definite length encoding. */
 104     *ct_size = ASN1_object_size(1, sz, V_ASN1_SEQUENCE);
 105
 106     return 1;
 107 }
 108
 109 int sm2_encrypt(const EC_KEY *key,
 110                 const EVP_MD *digest,
 111                 const uint8_t *msg,
 112                 size_t msg_len, uint8_t *ciphertext_buf, size_t *ciphertext_len)
 113 {
 114     int rc = 0, ciphertext_leni;
 115     size_t i;
 116     BN_CTX *ctx = NULL;
 117     BIGNUM *k = NULL;
 118     BIGNUM *x1 = NULL;
 119     BIGNUM *y1 = NULL;
 120     BIGNUM *x2 = NULL;
 121     BIGNUM *y2 = NULL;
 122     EVP_MD_CTX *hash = EVP_MD_CTX_new();
 123     struct SM2_Ciphertext_st ctext_struct;
 124     const EC_GROUP *group = EC_KEY_get0_group(key);
 125     const BIGNUM *order = EC_GROUP_get0_order(group);
 126     const EC_POINT *P = EC_KEY_get0_public_key(key);
 127     EC_POINT *kG = NULL;
 128     EC_POINT *kP = NULL;
 129     uint8_t *msg_mask = NULL;
 130     uint8_t *x2y2 = NULL;
 131     uint8_t *C3 = NULL;
 132     size_t field_size;
 133     const int C3_size = EVP_MD_size(digest);
 134
 135     /* NULL these before any "goto done" */
 136     ctext_struct.C2 = NULL;
 137     ctext_struct.C3 = NULL;
 138
 139     if (hash == NULL || C3_size <= 0) {
 140         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 141         goto done;
 142     }
 143
 144     field_size = ec_field_size(group);
 145     if (field_size == 0) {
 146         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 147         goto done;
 148     }
 149
 150     kG = EC_POINT_new(group);
 151     kP = EC_POINT_new(group);
 152     ctx = BN_CTX_new();
 153     if (kG == NULL || kP == NULL || ctx == NULL) {
 154         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 155         goto done;
 156     }
 157
 158     BN_CTX_start(ctx);
 159     k = BN_CTX_get(ctx);
 160     x1 = BN_CTX_get(ctx);
 161     x2 = BN_CTX_get(ctx);
 162     y1 = BN_CTX_get(ctx);
 163     y2 = BN_CTX_get(ctx);
 164
 165     if (y2 == NULL) {
 166         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_BN_LIB);
 167         goto done;
 168     }
 169
 170     x2y2 = OPENSSL_zalloc(2 * field_size);
 171     C3 = OPENSSL_zalloc(C3_size);
 172
 173     if (x2y2 == NULL || C3 == NULL) {
 174         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 175         goto done;
 176     }
 177
 178     memset(ciphertext_buf, 0, *ciphertext_len);
 179
 180     if (!BN_priv_rand_range(k, order)) {
 181         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 182         goto done;
 183     }
 184
 185     if (!EC_POINT_mul(group, kG, k, NULL, NULL, ctx)
 186             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, kG, x1, y1, ctx)
 187             || !EC_POINT_mul(group, kP, NULL, P, k, ctx)
 188             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, kP, x2, y2, ctx)) {
 189         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EC_LIB);
 190         goto done;
 191     }
 192
 193     if (BN_bn2binpad(x2, x2y2, field_size) < 0
 194             || BN_bn2binpad(y2, x2y2 + field_size, field_size) < 0) {
 195         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 196         goto done;
 197     }
 198
 199     msg_mask = OPENSSL_zalloc(msg_len);
 200     if (msg_mask == NULL) {
 201        SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 202        goto done;
 203    }
 204
 205     /* X9.63 with no salt happens to match the KDF used in SM2 */
 206     if (!ECDH_KDF_X9_62(msg_mask, msg_len, x2y2, 2 * field_size, NULL, 0,
 207                         digest)) {
 208         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 209         goto done;
 210     }
 211
 212     for (i = 0; i != msg_len; ++i)
 213         msg_mask[i] ^= msg[i];
 214
 215     if (EVP_DigestInit(hash, digest) == 0
 216             || EVP_DigestUpdate(hash, x2y2, field_size) == 0
 217             || EVP_DigestUpdate(hash, msg, msg_len) == 0
 218             || EVP_DigestUpdate(hash, x2y2 + field_size, field_size) == 0
 219             || EVP_DigestFinal(hash, C3, NULL) == 0) {
 220         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 221         goto done;
 222     }
 223
 224     ctext_struct.C1x = x1;
 225     ctext_struct.C1y = y1;
 226     ctext_struct.C3 = ASN1_OCTET_STRING_new();
 227     ctext_struct.C2 = ASN1_OCTET_STRING_new();
 228
 229     if (ctext_struct.C3 == NULL || ctext_struct.C2 == NULL) {
 230        SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 231        goto done;
 232     }
 233     if (!ASN1_OCTET_STRING_set(ctext_struct.C3, C3, C3_size)
 234             || !ASN1_OCTET_STRING_set(ctext_struct.C2, msg_mask, msg_len)) {
 235         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 236         goto done;
 237     }
 238
 239     ciphertext_leni = i2d_SM2_Ciphertext(&ctext_struct, &ciphertext_buf);
 240     /* Ensure cast to size_t is safe */
 241     if (ciphertext_leni < 0) {
 242         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 243         goto done;
 244     }
 245     *ciphertext_len = (size_t)ciphertext_leni;
 246
 247     rc = 1;
 248
 249  done:
 250     ASN1_OCTET_STRING_free(ctext_struct.C2);
 251     ASN1_OCTET_STRING_free(ctext_struct.C3);
 252     OPENSSL_free(msg_mask);
 253     OPENSSL_free(x2y2);
 254     OPENSSL_free(C3);
 255     EVP_MD_CTX_free(hash);
 256     BN_CTX_free(ctx);
 257     EC_POINT_free(kG);
 258     EC_POINT_free(kP);
 259     return rc;
 260 }
 261
 262 int sm2_decrypt(const EC_KEY *key,
 263                 const EVP_MD *digest,
 264                 const uint8_t *ciphertext,
 265                 size_t ciphertext_len, uint8_t *ptext_buf, size_t *ptext_len)
 266 {
 267     int rc = 0;
 268     int i;
 269     BN_CTX *ctx = NULL;
 270     const EC_GROUP *group = EC_KEY_get0_group(key);
 271     EC_POINT *C1 = NULL;
 272     struct SM2_Ciphertext_st *sm2_ctext = NULL;
 273     BIGNUM *x2 = NULL;
 274     BIGNUM *y2 = NULL;
 275     uint8_t *x2y2 = NULL;
 276     uint8_t *computed_C3 = NULL;
 277     const size_t field_size = ec_field_size(group);
 278     const int hash_size = EVP_MD_size(digest);
 279     uint8_t *msg_mask = NULL;
 280     const uint8_t *C2 = NULL;
 281     const uint8_t *C3 = NULL;
 282     int msg_len = 0;
 283     EVP_MD_CTX *hash = NULL;
 284
 285     if (field_size == 0 || hash_size <= 0)
 286        goto done;
 287
 288     memset(ptext_buf, 0xFF, *ptext_len);
 289
 290     sm2_ctext = d2i_SM2_Ciphertext(NULL, &ciphertext, ciphertext_len);
 291
 292     if (sm2_ctext == NULL) {
 293         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_ASN1_ERROR);
 294         goto done;
 295     }
 296
 297     if (sm2_ctext->C3->length != hash_size) {
 298         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_INVALID_ENCODING);
 299         goto done;
 300     }
 301
 302     C2 = sm2_ctext->C2->data;
 303     C3 = sm2_ctext->C3->data;
 304     msg_len = sm2_ctext->C2->length;
 305
 306     ctx = BN_CTX_new();
 307     if (ctx == NULL) {
 308         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 309         goto done;
 310     }
 311
 312     BN_CTX_start(ctx);
 313     x2 = BN_CTX_get(ctx);
 314     y2 = BN_CTX_get(ctx);
 315
 316     if (y2 == NULL) {
 317         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_BN_LIB);
 318         goto done;
 319     }
 320
 321     msg_mask = OPENSSL_zalloc(msg_len);
 322     x2y2 = OPENSSL_zalloc(2 * field_size);
 323     computed_C3 = OPENSSL_zalloc(hash_size);
 324
 325     if (msg_mask == NULL || x2y2 == NULL || computed_C3 == NULL) {
 326         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 327         goto done;
 328     }
 329
 330     C1 = EC_POINT_new(group);
 331     if (C1 == NULL) {
 332         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 333         goto done;
 334     }
 335
 336     if (!EC_POINT_set_affine_coordinates(group, C1, sm2_ctext->C1x,
 337                                          sm2_ctext->C1y, ctx)
 338             || !EC_POINT_mul(group, C1, NULL, C1, EC_KEY_get0_private_key(key),
 339                              ctx)
 340             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, C1, x2, y2, ctx)) {
 341         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_EC_LIB);
 342         goto done;
 343     }
 344
 345     if (BN_bn2binpad(x2, x2y2, field_size) < 0
 346             || BN_bn2binpad(y2, x2y2 + field_size, field_size) < 0
 347             || !ECDH_KDF_X9_62(msg_mask, msg_len, x2y2, 2 * field_size, NULL, 0,
 348                                digest)) {
 349         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 350         goto done;
 351     }
 352
 353     for (i = 0; i != msg_len; ++i)
 354         ptext_buf[i] = C2[i] ^ msg_mask[i];
 355
 356     hash = EVP_MD_CTX_new();
 357     if (hash == NULL) {
 358         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 359         goto done;
 360     }
 361
 362     if (!EVP_DigestInit(hash, digest)
 363             || !EVP_DigestUpdate(hash, x2y2, field_size)
 364             || !EVP_DigestUpdate(hash, ptext_buf, msg_len)
 365             || !EVP_DigestUpdate(hash, x2y2 + field_size, field_size)
 366             || !EVP_DigestFinal(hash, computed_C3, NULL)) {
 367         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 368         goto done;
 369     }
 370
 371     if (CRYPTO_memcmp(computed_C3, C3, hash_size) != 0) {
 372         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_INVALID_DIGEST);
 373         goto done;
 374     }
 375
 376     rc = 1;
 377     *ptext_len = msg_len;
 378
 379  done:
 380     if (rc == 0)
 381         memset(ptext_buf, 0, *ptext_len);
 382
 383     OPENSSL_free(msg_mask);
 384     OPENSSL_free(x2y2);
 385     OPENSSL_free(computed_C3);
 386     EC_POINT_free(C1);
 387     BN_CTX_free(ctx);
 388     SM2_Ciphertext_free(sm2_ctext);
 389     EVP_MD_CTX_free(hash);
 390
 391     return rc;
 392 }