providers/implementations/macs/kmac_prov.c

   1 /*
   2  * Copyright 2018-2021 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  * See SP800-185 "Appendix A - KMAC, .... in Terms of Keccak[c]"
  12  *
  13  * Inputs are:
  14  *    K = Key                  (len(K) < 2^2040 bits)
  15  *    X = Input
  16  *    L = Output length        (0 <= L < 2^2040 bits)
  17  *    S = Customization String Default="" (len(S) < 2^2040 bits)
  18  *
  19  * KMAC128(K, X, L, S)
  20  * {
  21  *     newX = bytepad(encode_string(K), 168) ||  X || right_encode(L).
  22  *     T = bytepad(encode_string("KMAC") || encode_string(S), 168).
  23  *     return KECCAK[256](T || newX || 00, L).
  24  * }
  25  *
  26  * KMAC256(K, X, L, S)
  27  * {
  28  *     newX = bytepad(encode_string(K), 136) ||  X || right_encode(L).
  29  *     T = bytepad(encode_string("KMAC") || encode_string(S), 136).
  30  *     return KECCAK[512](T || newX || 00, L).
  31  * }
  32  *
  33  * KMAC128XOF(K, X, L, S)
  34  * {
  35  *     newX = bytepad(encode_string(K), 168) ||  X || right_encode(0).
  36  *     T = bytepad(encode_string("KMAC") || encode_string(S), 168).
  37  *     return KECCAK[256](T || newX || 00, L).
  38  * }
  39  *
  40  * KMAC256XOF(K, X, L, S)
  41  * {
  42  *     newX = bytepad(encode_string(K), 136) ||  X || right_encode(0).
  43  *     T = bytepad(encode_string("KMAC") || encode_string(S), 136).
  44  *     return KECCAK[512](T || newX || 00, L).
  45  * }
  46  *
  47  */
  48
  49 #include <stdlib.h>
  50 #include <string.h>
  51 #include <openssl/core_dispatch.h>
  52 #include <openssl/core_names.h>
  53 #include <openssl/params.h>
  54 #include <openssl/evp.h>
  55 #include <openssl/err.h>
  56 #include <openssl/proverr.h>
  57
  58 #include "prov/implementations.h"
  59 #include "prov/provider_ctx.h"
  60 #include "prov/provider_util.h"
  61 #include "prov/providercommon.h"
  62
  63 /*
  64  * Forward declaration of everything implemented here.  This is not strictly
  65  * necessary for the compiler, but provides an assurance that the signatures
  66  * of the functions in the dispatch table are correct.
  67  */
  68 static OSSL_FUNC_mac_newctx_fn kmac128_new;
  69 static OSSL_FUNC_mac_newctx_fn kmac256_new;
  70 static OSSL_FUNC_mac_dupctx_fn kmac_dup;
  71 static OSSL_FUNC_mac_freectx_fn kmac_free;
  72 static OSSL_FUNC_mac_gettable_ctx_params_fn kmac_gettable_ctx_params;
  73 static OSSL_FUNC_mac_get_ctx_params_fn kmac_get_ctx_params;
  74 static OSSL_FUNC_mac_settable_ctx_params_fn kmac_settable_ctx_params;
  75 static OSSL_FUNC_mac_set_ctx_params_fn kmac_set_ctx_params;
  76 static OSSL_FUNC_mac_init_fn kmac_init;
  77 static OSSL_FUNC_mac_update_fn kmac_update;
  78 static OSSL_FUNC_mac_final_fn kmac_final;
  79
  80 #define KMAC_MAX_BLOCKSIZE ((1600 - 128*2) / 8) /* 168 */
  81 #define KMAC_MIN_BLOCKSIZE ((1600 - 256*2) / 8) /* 136 */
  82
  83 /* Length encoding will be  a 1 byte size + length in bits (2 bytes max) */
  84 #define KMAC_MAX_ENCODED_HEADER_LEN 3
  85
  86 /*
  87  * Custom string max size is chosen such that:
  88  *   len(encoded_string(custom) + len(kmac_encoded_string) <= KMAC_MIN_BLOCKSIZE
  89  *   i.e: (KMAC_MAX_CUSTOM + KMAC_MAX_ENCODED_LEN) + 6 <= 136
  90  */
  91 #define KMAC_MAX_CUSTOM 127
  92
  93 /* Maximum size of encoded custom string */
  94 #define KMAC_MAX_CUSTOM_ENCODED (KMAC_MAX_CUSTOM + KMAC_MAX_ENCODED_HEADER_LEN)
  95
  96 /* Maximum key size in bytes = 2040 / 8 */
  97 #define KMAC_MAX_KEY 255
  98
  99 /*
 100  * Maximum Encoded Key size will be padded to a multiple of the blocksize
 101  * i.e KMAC_MAX_KEY + KMAC_MAX_ENCODED_LEN = 258
 102  * Padded to a multiple of KMAC_MAX_BLOCKSIZE
 103  */
 104 #define KMAC_MAX_KEY_ENCODED (KMAC_MAX_BLOCKSIZE * 2)
 105
 106 /* Fixed value of encode_string("KMAC") */
 107 static const unsigned char kmac_string[] = {
 108     0x01, 0x20, 0x4B, 0x4D, 0x41, 0x43
 109 };
 110
 111
 112 #define KMAC_FLAG_XOF_MODE          1
 113
 114 struct kmac_data_st {
 115     void  *provctx;
 116     EVP_MD_CTX *ctx;
 117     PROV_DIGEST digest;
 118     size_t out_len;
 119     int key_len;
 120     int custom_len;
 121     /* If xof_mode = 1 then we use right_encode(0) */
 122     int xof_mode;
 123     /* key and custom are stored in encoded form */
 124     unsigned char key[KMAC_MAX_KEY_ENCODED];
 125     unsigned char custom[KMAC_MAX_CUSTOM_ENCODED];
 126 };
 127
 128 static int encode_string(unsigned char *out, int *out_len,
 129                          const unsigned char *in, int in_len);
 130 static int right_encode(unsigned char *out, int *out_len, size_t bits);
 131 static int bytepad(unsigned char *out, int *out_len,
 132                    const unsigned char *in1, int in1_len,
 133                    const unsigned char *in2, int in2_len,
 134                    int w);
 135 static int kmac_bytepad_encode_key(unsigned char *out, int *out_len,
 136                                    const unsigned char *in, int in_len,
 137                                    int w);
 138
 139 static void kmac_free(void *vmacctx)
 140 {
 141     struct kmac_data_st *kctx = vmacctx;
 142
 143     if (kctx != NULL) {
 144         EVP_MD_CTX_free(kctx->ctx);
 145         ossl_prov_digest_reset(&kctx->digest);
 146         OPENSSL_cleanse(kctx->key, kctx->key_len);
 147         OPENSSL_cleanse(kctx->custom, kctx->custom_len);
 148         OPENSSL_free(kctx);
 149     }
 150 }
 151
 152 /*
 153  * We have KMAC implemented as a hash, which we can use instead of
 154  * reimplementing the EVP functionality with direct use of
 155  * keccak_mac_init() and friends.
 156  */
 157 static struct kmac_data_st *kmac_new(void *provctx)
 158 {
 159     struct kmac_data_st *kctx;
 160
 161     if (!ossl_prov_is_running())
 162         return NULL;
 163
 164     if ((kctx = OPENSSL_zalloc(sizeof(*kctx))) == NULL
 165             || (kctx->ctx = EVP_MD_CTX_new()) == NULL) {
 166         kmac_free(kctx);
 167         return NULL;
 168     }
 169     kctx->provctx = provctx;
 170     return kctx;
 171 }
 172
 173 static void *kmac_fetch_new(void *provctx, const OSSL_PARAM *params)
 174 {
 175     struct kmac_data_st *kctx = kmac_new(provctx);
 176
 177     if (kctx == NULL)
 178         return 0;
 179     if (!ossl_prov_digest_load_from_params(&kctx->digest, params,
 180                                       PROV_LIBCTX_OF(provctx))) {
 181         kmac_free(kctx);
 182         return 0;
 183     }
 184
 185     kctx->out_len = EVP_MD_size(ossl_prov_digest_md(&kctx->digest));
 186     return kctx;
 187 }
 188
 189 static void *kmac128_new(void *provctx)
 190 {
 191     static const OSSL_PARAM kmac128_params[] = {
 192         OSSL_PARAM_utf8_string("digest", OSSL_DIGEST_NAME_KECCAK_KMAC128,
 193                                sizeof(OSSL_DIGEST_NAME_KECCAK_KMAC128)),
 194         OSSL_PARAM_END
 195     };
 196     return kmac_fetch_new(provctx, kmac128_params);
 197 }
 198
 199 static void *kmac256_new(void *provctx)
 200 {
 201     static const OSSL_PARAM kmac256_params[] = {
 202         OSSL_PARAM_utf8_string("digest", OSSL_DIGEST_NAME_KECCAK_KMAC256,
 203                                sizeof(OSSL_DIGEST_NAME_KECCAK_KMAC256)),
 204         OSSL_PARAM_END
 205     };
 206     return kmac_fetch_new(provctx, kmac256_params);
 207 }
 208
 209 static void *kmac_dup(void *vsrc)
 210 {
 211     struct kmac_data_st *src = vsrc;
 212     struct kmac_data_st *dst;
 213
 214     if (!ossl_prov_is_running())
 215         return NULL;
 216
 217     dst = kmac_new(src->provctx);
 218     if (dst == NULL)
 219         return NULL;
 220
 221     if (!EVP_MD_CTX_copy(dst->ctx, src->ctx)
 222         || !ossl_prov_digest_copy(&dst->digest, &src->digest)) {
 223         kmac_free(dst);
 224         return NULL;
 225     }
 226
 227     dst->out_len = src->out_len;
 228     dst->key_len = src->key_len;
 229     dst->custom_len = src->custom_len;
 230     dst->xof_mode = src->xof_mode;
 231     memcpy(dst->key, src->key, src->key_len);
 232     memcpy(dst->custom, src->custom, dst->custom_len);
 233
 234     return dst;
 235 }
 236
 237 static size_t kmac_size(void *vmacctx)
 238 {
 239     struct kmac_data_st *kctx = vmacctx;
 240
 241     return kctx->out_len;
 242 }
 243
 244 static int kmac_setkey(struct kmac_data_st *kctx, const unsigned char *key,
 245                        size_t keylen)
 246 {
 247     const EVP_MD *digest = ossl_prov_digest_md(&kctx->digest);
 248
 249     if (keylen < 4 || keylen > KMAC_MAX_KEY) {
 250         ERR_raise(ERR_LIB_PROV, PROV_R_INVALID_KEY_LENGTH);
 251         return 0;
 252     }
 253     if (!kmac_bytepad_encode_key(kctx->key, &kctx->key_len,
 254                                  key, keylen, EVP_MD_block_size(digest)))
 255         return 0;
 256     return 1;
 257 }
 258
 259 /*
 260  * The init() assumes that any ctrl methods are set beforehand for
 261  * md, key and custom. Setting the fields afterwards will have no
 262  * effect on the output mac.
 263  */
 264 static int kmac_init(void *vmacctx, const unsigned char *key,
 265                      size_t keylen, const OSSL_PARAM params[])
 266 {
 267     struct kmac_data_st *kctx = vmacctx;
 268     EVP_MD_CTX *ctx = kctx->ctx;
 269     unsigned char out[KMAC_MAX_BLOCKSIZE];
 270     int out_len, block_len;
 271
 272     if (!ossl_prov_is_running() || !kmac_set_ctx_params(kctx, params))
 273         return 0;
 274     if (key != NULL) {
 275         if (!kmac_setkey(kctx, key, keylen))
 276             return 0;
 277     } else if (kctx->key_len == 0) {
 278         /* Check key has been set */
 279         ERR_raise(ERR_LIB_PROV, PROV_R_NO_KEY_SET);
 280         return 0;
 281     }
 282     if (!EVP_DigestInit_ex(kctx->ctx, ossl_prov_digest_md(&kctx->digest),
 283                            NULL))
 284         return 0;
 285
 286     block_len = EVP_MD_block_size(ossl_prov_digest_md(&kctx->digest));
 287     if (block_len < 0)
 288         return 0;
 289
 290     /* Set default custom string if it is not already set */
 291     if (kctx->custom_len == 0) {
 292         const OSSL_PARAM cparams[] = {
 293             OSSL_PARAM_octet_string(OSSL_MAC_PARAM_CUSTOM, "", 0),
 294             OSSL_PARAM_END
 295         };
 296         (void)kmac_set_ctx_params(kctx, cparams);
 297     }
 298
 299     return bytepad(out, &out_len, kmac_string, sizeof(kmac_string),
 300                    kctx->custom, kctx->custom_len, block_len)
 301            && EVP_DigestUpdate(ctx, out, out_len)
 302            && EVP_DigestUpdate(ctx, kctx->key, kctx->key_len);
 303 }
 304
 305 static int kmac_update(void *vmacctx, const unsigned char *data,
 306                        size_t datalen)
 307 {
 308     struct kmac_data_st *kctx = vmacctx;
 309
 310     return EVP_DigestUpdate(kctx->ctx, data, datalen);
 311 }
 312
 313 static int kmac_final(void *vmacctx, unsigned char *out, size_t *outl,
 314                       size_t outsize)
 315 {
 316     struct kmac_data_st *kctx = vmacctx;
 317     EVP_MD_CTX *ctx = kctx->ctx;
 318     int lbits, len;
 319     unsigned char encoded_outlen[KMAC_MAX_ENCODED_HEADER_LEN];
 320     int ok;
 321
 322     if (!ossl_prov_is_running())
 323         return 0;
 324
 325     /* KMAC XOF mode sets the encoded length to 0 */
 326     lbits = (kctx->xof_mode ? 0 : (kctx->out_len * 8));
 327
 328     ok = right_encode(encoded_outlen, &len, lbits)
 329         && EVP_DigestUpdate(ctx, encoded_outlen, len)
 330         && EVP_DigestFinalXOF(ctx, out, kctx->out_len);
 331     *outl = kctx->out_len;
 332     return ok;
 333 }
 334
 335 static const OSSL_PARAM known_gettable_ctx_params[] = {
 336     OSSL_PARAM_size_t(OSSL_MAC_PARAM_SIZE, NULL),
 337     OSSL_PARAM_END
 338 };
 339 static const OSSL_PARAM *kmac_gettable_ctx_params(ossl_unused void *ctx,
 340                                                   ossl_unused void *provctx)
 341 {
 342     return known_gettable_ctx_params;
 343 }
 344
 345 static int kmac_get_ctx_params(void *vmacctx, OSSL_PARAM params[])
 346 {
 347     OSSL_PARAM *p;
 348
 349     if ((p = OSSL_PARAM_locate(params, OSSL_MAC_PARAM_SIZE)) != NULL)
 350         return OSSL_PARAM_set_size_t(p, kmac_size(vmacctx));
 351
 352     return 1;
 353 }
 354
 355 static const OSSL_PARAM known_settable_ctx_params[] = {
 356     OSSL_PARAM_int(OSSL_MAC_PARAM_XOF, NULL),
 357     OSSL_PARAM_size_t(OSSL_MAC_PARAM_SIZE, NULL),
 358     OSSL_PARAM_octet_string(OSSL_MAC_PARAM_KEY, NULL, 0),
 359     OSSL_PARAM_octet_string(OSSL_MAC_PARAM_CUSTOM, NULL, 0),
 360     OSSL_PARAM_END
 361 };
 362 static const OSSL_PARAM *kmac_settable_ctx_params(ossl_unused void *ctx,
 363                                                   ossl_unused void *provctx)
 364 {
 365     return known_settable_ctx_params;
 366 }
 367
 368 /*
 369  * The following params can be set any time before final():
 370  *     - "outlen" or "size":    The requested output length.
 371  *     - "xof":                 If set, this indicates that right_encoded(0)
 372  *                              is part of the digested data, otherwise it
 373  *                              uses right_encoded(requested output length).
 374  *
 375  * All other params should be set before init().
 376  */
 377 static int kmac_set_ctx_params(void *vmacctx, const OSSL_PARAM *params)
 378 {
 379     struct kmac_data_st *kctx = vmacctx;
 380     const OSSL_PARAM *p;
 381
 382     if ((p = OSSL_PARAM_locate_const(params, OSSL_MAC_PARAM_XOF)) != NULL
 383         && !OSSL_PARAM_get_int(p, &kctx->xof_mode))
 384         return 0;
 385     if (((p = OSSL_PARAM_locate_const(params, OSSL_MAC_PARAM_SIZE)) != NULL)
 386         && !OSSL_PARAM_get_size_t(p, &kctx->out_len))
 387         return 0;
 388     if ((p = OSSL_PARAM_locate_const(params, OSSL_MAC_PARAM_KEY)) != NULL
 389             && !kmac_setkey(kctx, p->data, p->data_size))
 390         return 0;
 391     if ((p = OSSL_PARAM_locate_const(params, OSSL_MAC_PARAM_CUSTOM))
 392         != NULL) {
 393         if (p->data_size > KMAC_MAX_CUSTOM) {
 394             ERR_raise(ERR_LIB_PROV, PROV_R_INVALID_CUSTOM_LENGTH);
 395             return 0;
 396         }
 397         if (!encode_string(kctx->custom, &kctx->custom_len,
 398                            p->data, p->data_size))
 399             return 0;
 400     }
 401     return 1;
 402 }
 403
 404 /*
 405  * Encoding/Padding Methods.
 406  */
 407
 408 /* Returns the number of bytes required to store 'bits' into a byte array */
 409 static unsigned int get_encode_size(size_t bits)
 410 {
 411     unsigned int cnt = 0, sz = sizeof(size_t);
 412
 413     while (bits && (cnt < sz)) {
 414         ++cnt;
 415         bits >>= 8;
 416     }
 417     /* If bits is zero 1 byte is required */
 418     if (cnt == 0)
 419         cnt = 1;
 420     return cnt;
 421 }
 422
 423 /*
 424  * Convert an integer into bytes . The number of bytes is appended
 425  * to the end of the buffer. Returns an array of bytes 'out' of size
 426  * *out_len.
 427  *
 428  * e.g if bits = 32, out[2] = { 0x20, 0x01 }
 429  *
 430  */
 431 static int right_encode(unsigned char *out, int *out_len, size_t bits)
 432 {
 433     unsigned int len = get_encode_size(bits);
 434     int i;
 435
 436     /* The length is constrained to a single byte: 2040/8 = 255 */
 437     if (len > 0xFF)
 438         return 0;
 439
 440     /* MSB's are at the start of the bytes array */
 441     for (i = len - 1; i >= 0; --i) {
 442         out[i] = (unsigned char)(bits & 0xFF);
 443         bits >>= 8;
 444     }
 445     /* Tack the length onto the end */
 446     out[len] = (unsigned char)len;
 447
 448     /* The Returned length includes the tacked on byte */
 449     *out_len = len + 1;
 450     return 1;
 451 }
 452
 453 /*
 454  * Encodes a string with a left encoded length added. Note that the
 455  * in_len is converted to bits (*8).
 456  *
 457  * e.g- in="KMAC" gives out[6] = { 0x01, 0x20, 0x4B, 0x4D, 0x41, 0x43 }
 458  *                                 len   bits    K     M     A     C
 459  */
 460 static int encode_string(unsigned char *out, int *out_len,
 461                          const unsigned char *in, int in_len)
 462 {
 463     if (in == NULL) {
 464         *out_len = 0;
 465     } else {
 466         int i, bits, len;
 467
 468         bits = 8 * in_len;
 469         len = get_encode_size(bits);
 470         if (len > 0xFF)
 471             return 0;
 472
 473         out[0] = len;
 474         for (i = len; i > 0; --i) {
 475             out[i] = (bits & 0xFF);
 476             bits >>= 8;
 477         }
 478         memcpy(out + len + 1, in, in_len);
 479         *out_len = (1 + len + in_len);
 480     }
 481     return 1;
 482 }
 483
 484 /*
 485  * Returns a zero padded encoding of the inputs in1 and an optional
 486  * in2 (can be NULL). The padded output must be a multiple of the blocksize 'w'.
 487  * The value of w is in bytes (< 256).
 488  *
 489  * The returned output is:
 490  *    zero_padded(multiple of w, (left_encode(w) || in1 [|| in2])
 491  */
 492 static int bytepad(unsigned char *out, int *out_len,
 493                    const unsigned char *in1, int in1_len,
 494                    const unsigned char *in2, int in2_len, int w)
 495 {
 496     int len;
 497     unsigned char *p = out;
 498     int sz = w;
 499
 500     /* Left encoded w */
 501     *p++ = 1;
 502     *p++ = w;
 503     /* || in1 */
 504     memcpy(p, in1, in1_len);
 505     p += in1_len;
 506     /* [ || in2 ] */
 507     if (in2 != NULL && in2_len > 0) {
 508         memcpy(p, in2, in2_len);
 509         p += in2_len;
 510     }
 511     /* Figure out the pad size (divisible by w) */
 512     len = p - out;
 513     while (len > sz) {
 514         sz += w;
 515     }
 516     /* zero pad the end of the buffer */
 517     memset(p, 0, sz - len);
 518     *out_len = sz;
 519     return 1;
 520 }
 521
 522 /*
 523  * Returns out = bytepad(encode_string(in), w)
 524  */
 525 static int kmac_bytepad_encode_key(unsigned char *out, int *out_len,
 526                                    const unsigned char *in, int in_len,
 527                                    int w)
 528 {
 529     unsigned char tmp[KMAC_MAX_KEY + KMAC_MAX_ENCODED_HEADER_LEN];
 530     int tmp_len;
 531
 532     if (!encode_string(tmp, &tmp_len, in, in_len))
 533         return 0;
 534
 535     return bytepad(out, out_len, tmp, tmp_len, NULL, 0, w);
 536 }
 537
 538 const OSSL_DISPATCH ossl_kmac128_functions[] = {
 539     { OSSL_FUNC_MAC_NEWCTX, (void (*)(void))kmac128_new },
 540     { OSSL_FUNC_MAC_DUPCTX, (void (*)(void))kmac_dup },
 541     { OSSL_FUNC_MAC_FREECTX, (void (*)(void))kmac_free },
 542     { OSSL_FUNC_MAC_INIT, (void (*)(void))kmac_init },
 543     { OSSL_FUNC_MAC_UPDATE, (void (*)(void))kmac_update },
 544     { OSSL_FUNC_MAC_FINAL, (void (*)(void))kmac_final },
 545     { OSSL_FUNC_MAC_GETTABLE_CTX_PARAMS,
 546       (void (*)(void))kmac_gettable_ctx_params },
 547     { OSSL_FUNC_MAC_GET_CTX_PARAMS, (void (*)(void))kmac_get_ctx_params },
 548     { OSSL_FUNC_MAC_SETTABLE_CTX_PARAMS,
 549       (void (*)(void))kmac_settable_ctx_params },
 550     { OSSL_FUNC_MAC_SET_CTX_PARAMS, (void (*)(void))kmac_set_ctx_params },
 551     { 0, NULL }
 552 };
 553
 554 const OSSL_DISPATCH ossl_kmac256_functions[] = {
 555     { OSSL_FUNC_MAC_NEWCTX, (void (*)(void))kmac256_new },
 556     { OSSL_FUNC_MAC_DUPCTX, (void (*)(void))kmac_dup },
 557     { OSSL_FUNC_MAC_FREECTX, (void (*)(void))kmac_free },
 558     { OSSL_FUNC_MAC_INIT, (void (*)(void))kmac_init },
 559     { OSSL_FUNC_MAC_UPDATE, (void (*)(void))kmac_update },
 560     { OSSL_FUNC_MAC_FINAL, (void (*)(void))kmac_final },
 561     { OSSL_FUNC_MAC_GETTABLE_CTX_PARAMS,
 562       (void (*)(void))kmac_gettable_ctx_params },
 563     { OSSL_FUNC_MAC_GET_CTX_PARAMS, (void (*)(void))kmac_get_ctx_params },
 564     { OSSL_FUNC_MAC_SETTABLE_CTX_PARAMS,
 565       (void (*)(void))kmac_settable_ctx_params },
 566     { OSSL_FUNC_MAC_SET_CTX_PARAMS, (void (*)(void))kmac_set_ctx_params },
 567     { 0, NULL }
 568 };