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
  95     if (field_size == 0 || md_size < 0)
  96         return 0;
  97
  98     *ct_size = 12 + 2 * field_size + (size_t)md_size + msg_len;
  99     return 1;
 100 }
 101
 102 int sm2_encrypt(const EC_KEY *key,
 103                 const EVP_MD *digest,
 104                 const uint8_t *msg,
 105                 size_t msg_len, uint8_t *ciphertext_buf, size_t *ciphertext_len)
 106 {
 107     int rc = 0, ciphertext_leni;
 108     size_t i;
 109     BN_CTX *ctx = NULL;
 110     BIGNUM *k = NULL;
 111     BIGNUM *x1 = NULL;
 112     BIGNUM *y1 = NULL;
 113     BIGNUM *x2 = NULL;
 114     BIGNUM *y2 = NULL;
 115     EVP_MD_CTX *hash = EVP_MD_CTX_new();
 116     struct SM2_Ciphertext_st ctext_struct;
 117     const EC_GROUP *group = EC_KEY_get0_group(key);
 118     const BIGNUM *order = EC_GROUP_get0_order(group);
 119     const EC_POINT *P = EC_KEY_get0_public_key(key);
 120     EC_POINT *kG = NULL;
 121     EC_POINT *kP = NULL;
 122     uint8_t *msg_mask = NULL;
 123     uint8_t *x2y2 = NULL;
 124     uint8_t *C3 = NULL;
 125     size_t field_size;
 126     const int C3_size = EVP_MD_size(digest);
 127
 128     /* NULL these before any "goto done" */
 129     ctext_struct.C2 = NULL;
 130     ctext_struct.C3 = NULL;
 131
 132     if (hash == NULL || C3_size <= 0) {
 133         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 134         goto done;
 135     }
 136
 137     field_size = ec_field_size(group);
 138     if (field_size == 0) {
 139         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 140         goto done;
 141     }
 142
 143     kG = EC_POINT_new(group);
 144     kP = EC_POINT_new(group);
 145     ctx = BN_CTX_new();
 146     if (kG == NULL || kP == NULL || ctx == NULL) {
 147         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 148         goto done;
 149     }
 150
 151     BN_CTX_start(ctx);
 152     k = BN_CTX_get(ctx);
 153     x1 = BN_CTX_get(ctx);
 154     x2 = BN_CTX_get(ctx);
 155     y1 = BN_CTX_get(ctx);
 156     y2 = BN_CTX_get(ctx);
 157
 158     if (y2 == NULL) {
 159         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_BN_LIB);
 160         goto done;
 161     }
 162
 163     x2y2 = OPENSSL_zalloc(2 * field_size);
 164     C3 = OPENSSL_zalloc(C3_size);
 165
 166     if (x2y2 == NULL || C3 == NULL) {
 167         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 168         goto done;
 169     }
 170
 171     memset(ciphertext_buf, 0, *ciphertext_len);
 172
 173     if (!BN_priv_rand_range(k, order)) {
 174         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 175         goto done;
 176     }
 177
 178     if (!EC_POINT_mul(group, kG, k, NULL, NULL, ctx)
 179             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, kG, x1, y1, ctx)
 180             || !EC_POINT_mul(group, kP, NULL, P, k, ctx)
 181             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, kP, x2, y2, ctx)) {
 182         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EC_LIB);
 183         goto done;
 184     }
 185
 186     if (BN_bn2binpad(x2, x2y2, field_size) < 0
 187             || BN_bn2binpad(y2, x2y2 + field_size, field_size) < 0) {
 188         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 189         goto done;
 190     }
 191
 192     msg_mask = OPENSSL_zalloc(msg_len);
 193     if (msg_mask == NULL) {
 194        SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 195        goto done;
 196    }
 197
 198     /* X9.63 with no salt happens to match the KDF used in SM2 */
 199     if (!ECDH_KDF_X9_62(msg_mask, msg_len, x2y2, 2 * field_size, NULL, 0,
 200                         digest)) {
 201         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 202         goto done;
 203     }
 204
 205     for (i = 0; i != msg_len; ++i)
 206         msg_mask[i] ^= msg[i];
 207
 208     if (EVP_DigestInit(hash, digest) == 0
 209             || EVP_DigestUpdate(hash, x2y2, field_size) == 0
 210             || EVP_DigestUpdate(hash, msg, msg_len) == 0
 211             || EVP_DigestUpdate(hash, x2y2 + field_size, field_size) == 0
 212             || EVP_DigestFinal(hash, C3, NULL) == 0) {
 213         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 214         goto done;
 215     }
 216
 217     ctext_struct.C1x = x1;
 218     ctext_struct.C1y = y1;
 219     ctext_struct.C3 = ASN1_OCTET_STRING_new();
 220     ctext_struct.C2 = ASN1_OCTET_STRING_new();
 221
 222     if (ctext_struct.C3 == NULL || ctext_struct.C2 == NULL) {
 223        SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 224        goto done;
 225     }
 226     if (!ASN1_OCTET_STRING_set(ctext_struct.C3, C3, C3_size)
 227             || !ASN1_OCTET_STRING_set(ctext_struct.C2, msg_mask, msg_len)) {
 228         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 229         goto done;
 230     }
 231
 232     ciphertext_leni = i2d_SM2_Ciphertext(&ctext_struct, &ciphertext_buf);
 233     /* Ensure cast to size_t is safe */
 234     if (ciphertext_leni < 0) {
 235         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 236         goto done;
 237     }
 238     *ciphertext_len = (size_t)ciphertext_leni;
 239
 240     rc = 1;
 241
 242  done:
 243     ASN1_OCTET_STRING_free(ctext_struct.C2);
 244     ASN1_OCTET_STRING_free(ctext_struct.C3);
 245     OPENSSL_free(msg_mask);
 246     OPENSSL_free(x2y2);
 247     OPENSSL_free(C3);
 248     EVP_MD_CTX_free(hash);
 249     BN_CTX_free(ctx);
 250     EC_POINT_free(kG);
 251     EC_POINT_free(kP);
 252     return rc;
 253 }
 254
 255 int sm2_decrypt(const EC_KEY *key,
 256                 const EVP_MD *digest,
 257                 const uint8_t *ciphertext,
 258                 size_t ciphertext_len, uint8_t *ptext_buf, size_t *ptext_len)
 259 {
 260     int rc = 0;
 261     int i;
 262     BN_CTX *ctx = NULL;
 263     const EC_GROUP *group = EC_KEY_get0_group(key);
 264     EC_POINT *C1 = NULL;
 265     struct SM2_Ciphertext_st *sm2_ctext = NULL;
 266     BIGNUM *x2 = NULL;
 267     BIGNUM *y2 = NULL;
 268     uint8_t *x2y2 = NULL;
 269     uint8_t *computed_C3 = NULL;
 270     const size_t field_size = ec_field_size(group);
 271     const int hash_size = EVP_MD_size(digest);
 272     uint8_t *msg_mask = NULL;
 273     const uint8_t *C2 = NULL;
 274     const uint8_t *C3 = NULL;
 275     int msg_len = 0;
 276     EVP_MD_CTX *hash = NULL;
 277
 278     if (field_size == 0 || hash_size <= 0)
 279        goto done;
 280
 281     memset(ptext_buf, 0xFF, *ptext_len);
 282
 283     sm2_ctext = d2i_SM2_Ciphertext(NULL, &ciphertext, ciphertext_len);
 284
 285     if (sm2_ctext == NULL) {
 286         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_ASN1_ERROR);
 287         goto done;
 288     }
 289
 290     if (sm2_ctext->C3->length != hash_size) {
 291         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_INVALID_ENCODING);
 292         goto done;
 293     }
 294
 295     C2 = sm2_ctext->C2->data;
 296     C3 = sm2_ctext->C3->data;
 297     msg_len = sm2_ctext->C2->length;
 298
 299     ctx = BN_CTX_new();
 300     if (ctx == NULL) {
 301         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 302         goto done;
 303     }
 304
 305     BN_CTX_start(ctx);
 306     x2 = BN_CTX_get(ctx);
 307     y2 = BN_CTX_get(ctx);
 308
 309     if (y2 == NULL) {
 310         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_BN_LIB);
 311         goto done;
 312     }
 313
 314     msg_mask = OPENSSL_zalloc(msg_len);
 315     x2y2 = OPENSSL_zalloc(2 * field_size);
 316     computed_C3 = OPENSSL_zalloc(hash_size);
 317
 318     if (msg_mask == NULL || x2y2 == NULL || computed_C3 == NULL) {
 319         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 320         goto done;
 321     }
 322
 323     C1 = EC_POINT_new(group);
 324     if (C1 == NULL) {
 325         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 326         goto done;
 327     }
 328
 329     if (!EC_POINT_set_affine_coordinates(group, C1, sm2_ctext->C1x,
 330                                          sm2_ctext->C1y, ctx)
 331             || !EC_POINT_mul(group, C1, NULL, C1, EC_KEY_get0_private_key(key),
 332                              ctx)
 333             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, C1, x2, y2, ctx)) {
 334         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_EC_LIB);
 335         goto done;
 336     }
 337
 338     if (BN_bn2binpad(x2, x2y2, field_size) < 0
 339             || BN_bn2binpad(y2, x2y2 + field_size, field_size) < 0
 340             || !ECDH_KDF_X9_62(msg_mask, msg_len, x2y2, 2 * field_size, NULL, 0,
 341                                digest)) {
 342         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 343         goto done;
 344     }
 345
 346     for (i = 0; i != msg_len; ++i)
 347         ptext_buf[i] = C2[i] ^ msg_mask[i];
 348
 349     hash = EVP_MD_CTX_new();
 350     if (hash == NULL) {
 351         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 352         goto done;
 353     }
 354
 355     if (!EVP_DigestInit(hash, digest)
 356             || !EVP_DigestUpdate(hash, x2y2, field_size)
 357             || !EVP_DigestUpdate(hash, ptext_buf, msg_len)
 358             || !EVP_DigestUpdate(hash, x2y2 + field_size, field_size)
 359             || !EVP_DigestFinal(hash, computed_C3, NULL)) {
 360         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 361         goto done;
 362     }
 363
 364     if (CRYPTO_memcmp(computed_C3, C3, hash_size) != 0) {
 365         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_INVALID_DIGEST);
 366         goto done;
 367     }
 368
 369     rc = 1;
 370     *ptext_len = msg_len;
 371
 372  done:
 373     if (rc == 0)
 374         memset(ptext_buf, 0, *ptext_len);
 375
 376     OPENSSL_free(msg_mask);
 377     OPENSSL_free(x2y2);
 378     OPENSSL_free(computed_C3);
 379     EC_POINT_free(C1);
 380     BN_CTX_free(ctx);
 381     SM2_Ciphertext_free(sm2_ctext);
 382     EVP_MD_CTX_free(hash);
 383
 384     return rc;
 385 }