ssl/s3_cbc.c

   1 /*
   2  * Copyright 2012-2020 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  * This file has no dependencies on the rest of libssl because it is shared
  12  * with the providers. It contains functions for low level MAC calculations.
  13  * Responsibility for this lies with the HMAC implementation in the
  14  * providers. However there are legacy code paths in libssl which also need to
  15  * do this. In time those legacy code paths can be removed and this file can be
  16  * moved out of libssl.
  17  */
  18
  19
  20 /*
  21  * MD5 and SHA-1 low level APIs are deprecated for public use, but still ok for
  22  * internal use.
  23  */
  24 #include "internal/deprecated.h"
  25
  26 #include "internal/constant_time.h"
  27 #include "internal/cryptlib.h"
  28
  29 #include <openssl/evp.h>
  30 #include <openssl/md5.h>
  31 #include <openssl/sha.h>
  32
  33 char ssl3_cbc_record_digest_supported(const EVP_MD_CTX *ctx);
  34 int ssl3_cbc_digest_record(const EVP_MD *md,
  35                            unsigned char *md_out,
  36                            size_t *md_out_size,
  37                            const unsigned char header[13],
  38                            const unsigned char *data,
  39                            size_t data_size,
  40                            size_t data_plus_mac_plus_padding_size,
  41                            const unsigned char *mac_secret,
  42                            size_t mac_secret_length, char is_sslv3);
  43
  44 # define l2n(l,c)        (*((c)++)=(unsigned char)(((l)>>24)&0xff), \
  45                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>16)&0xff), \
  46                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>> 8)&0xff), \
  47                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)    )&0xff))
  48
  49 # define l2n6(l,c)       (*((c)++)=(unsigned char)(((l)>>40)&0xff), \
  50                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>32)&0xff), \
  51                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>24)&0xff), \
  52                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>16)&0xff), \
  53                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>> 8)&0xff), \
  54                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)    )&0xff))
  55
  56 # define l2n8(l,c)       (*((c)++)=(unsigned char)(((l)>>56)&0xff), \
  57                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>48)&0xff), \
  58                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>40)&0xff), \
  59                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>32)&0xff), \
  60                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>24)&0xff), \
  61                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>>16)&0xff), \
  62                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)>> 8)&0xff), \
  63                          *((c)++)=(unsigned char)(((l)    )&0xff))
  64
  65 /*
  66  * MAX_HASH_BIT_COUNT_BYTES is the maximum number of bytes in the hash's
  67  * length field. (SHA-384/512 have 128-bit length.)
  68  */
  69 #define MAX_HASH_BIT_COUNT_BYTES 16
  70
  71 /*
  72  * MAX_HASH_BLOCK_SIZE is the maximum hash block size that we'll support.
  73  * Currently SHA-384/512 has a 128-byte block size and that's the largest
  74  * supported by TLS.)
  75  */
  76 #define MAX_HASH_BLOCK_SIZE 128
  77
  78 /*
  79  * u32toLE serializes an unsigned, 32-bit number (n) as four bytes at (p) in
  80  * little-endian order. The value of p is advanced by four.
  81  */
  82 #define u32toLE(n, p) \
  83         (*((p)++)=(unsigned char)(n), \
  84          *((p)++)=(unsigned char)(n>>8), \
  85          *((p)++)=(unsigned char)(n>>16), \
  86          *((p)++)=(unsigned char)(n>>24))
  87
  88 /*
  89  * These functions serialize the state of a hash and thus perform the
  90  * standard "final" operation without adding the padding and length that such
  91  * a function typically does.
  92  */
  93 static void tls1_md5_final_raw(void *ctx, unsigned char *md_out)
  94 {
  95     MD5_CTX *md5 = ctx;
  96     u32toLE(md5->A, md_out);
  97     u32toLE(md5->B, md_out);
  98     u32toLE(md5->C, md_out);
  99     u32toLE(md5->D, md_out);
 100 }
 101
 102 static void tls1_sha1_final_raw(void *ctx, unsigned char *md_out)
 103 {
 104     SHA_CTX *sha1 = ctx;
 105     l2n(sha1->h0, md_out);
 106     l2n(sha1->h1, md_out);
 107     l2n(sha1->h2, md_out);
 108     l2n(sha1->h3, md_out);
 109     l2n(sha1->h4, md_out);
 110 }
 111
 112 static void tls1_sha256_final_raw(void *ctx, unsigned char *md_out)
 113 {
 114     SHA256_CTX *sha256 = ctx;
 115     unsigned i;
 116
 117     for (i = 0; i < 8; i++) {
 118         l2n(sha256->h[i], md_out);
 119     }
 120 }
 121
 122 static void tls1_sha512_final_raw(void *ctx, unsigned char *md_out)
 123 {
 124     SHA512_CTX *sha512 = ctx;
 125     unsigned i;
 126
 127     for (i = 0; i < 8; i++) {
 128         l2n8(sha512->h[i], md_out);
 129     }
 130 }
 131
 132 #undef  LARGEST_DIGEST_CTX
 133 #define LARGEST_DIGEST_CTX SHA512_CTX
 134
 135 /*
 136  * ssl3_cbc_record_digest_supported returns 1 iff |ctx| uses a hash function
 137  * which ssl3_cbc_digest_record supports.
 138  */
 139 char ssl3_cbc_record_digest_supported(const EVP_MD_CTX *ctx)
 140 {
 141     switch (EVP_MD_CTX_type(ctx)) {
 142     case NID_md5:
 143     case NID_sha1:
 144     case NID_sha224:
 145     case NID_sha256:
 146     case NID_sha384:
 147     case NID_sha512:
 148         return 1;
 149     default:
 150         return 0;
 151     }
 152 }
 153
 154 /*-
 155  * ssl3_cbc_digest_record computes the MAC of a decrypted, padded SSLv3/TLS
 156  * record.
 157  *
 158  *   ctx: the EVP_MD_CTX from which we take the hash function.
 159  *     ssl3_cbc_record_digest_supported must return true for this EVP_MD_CTX.
 160  *   md_out: the digest output. At most EVP_MAX_MD_SIZE bytes will be written.
 161  *   md_out_size: if non-NULL, the number of output bytes is written here.
 162  *   header: the 13-byte, TLS record header.
 163  *   data: the record data itself, less any preceding explicit IV.
 164  *   data_size: the secret, reported length of the data once the MAC and padding
 165  *              has been removed.
 166  *   data_plus_mac_plus_padding_size: the public length of the whole
 167  *     record, including MAC and padding.
 168  *   is_sslv3: non-zero if we are to use SSLv3. Otherwise, TLS.
 169  *
 170  * On entry: we know that data is data_plus_mac_plus_padding_size in length
 171  * Returns 1 on success or 0 on error
 172  */
 173 int ssl3_cbc_digest_record(const EVP_MD *md,
 174                            unsigned char *md_out,
 175                            size_t *md_out_size,
 176                            const unsigned char header[13],
 177                            const unsigned char *data,
 178                            size_t data_size,
 179                            size_t data_plus_mac_plus_padding_size,
 180                            const unsigned char *mac_secret,
 181                            size_t mac_secret_length, char is_sslv3)
 182 {
 183     union {
 184         OSSL_UNION_ALIGN;
 185         unsigned char c[sizeof(LARGEST_DIGEST_CTX)];
 186     } md_state;
 187     void (*md_final_raw) (void *ctx, unsigned char *md_out);
 188     void (*md_transform) (void *ctx, const unsigned char *block);
 189     size_t md_size, md_block_size = 64;
 190     size_t sslv3_pad_length = 40, header_length, variance_blocks,
 191         len, max_mac_bytes, num_blocks,
 192         num_starting_blocks, k, mac_end_offset, c, index_a, index_b;
 193     size_t bits;          /* at most 18 bits */
 194     unsigned char length_bytes[MAX_HASH_BIT_COUNT_BYTES];
 195     /* hmac_pad is the masked HMAC key. */
 196     unsigned char hmac_pad[MAX_HASH_BLOCK_SIZE];
 197     unsigned char first_block[MAX_HASH_BLOCK_SIZE];
 198     unsigned char mac_out[EVP_MAX_MD_SIZE];
 199     size_t i, j;
 200     unsigned md_out_size_u;
 201     EVP_MD_CTX *md_ctx = NULL;
 202     /*
 203      * mdLengthSize is the number of bytes in the length field that
 204      * terminates * the hash.
 205      */
 206     size_t md_length_size = 8;
 207     char length_is_big_endian = 1;
 208     int ret = 0;
 209
 210     /*
 211      * This is a, hopefully redundant, check that allows us to forget about
 212      * many possible overflows later in this function.
 213      */
 214     if (!ossl_assert(data_plus_mac_plus_padding_size < 1024 * 1024))
 215         return 0;
 216
 217     if (EVP_MD_is_a(md, "MD5")) {
 218         if (MD5_Init((MD5_CTX *)md_state.c) <= 0)
 219             return 0;
 220         md_final_raw = tls1_md5_final_raw;
 221         md_transform =
 222             (void (*)(void *ctx, const unsigned char *block))MD5_Transform;
 223         md_size = 16;
 224         sslv3_pad_length = 48;
 225         length_is_big_endian = 0;
 226     } else if (EVP_MD_is_a(md, "SHA1")) {
 227         if (SHA1_Init((SHA_CTX *)md_state.c) <= 0)
 228             return 0;
 229         md_final_raw = tls1_sha1_final_raw;
 230         md_transform =
 231             (void (*)(void *ctx, const unsigned char *block))SHA1_Transform;
 232         md_size = 20;
 233     } else if (EVP_MD_is_a(md, "SHA2-224")) {
 234         if (SHA224_Init((SHA256_CTX *)md_state.c) <= 0)
 235             return 0;
 236         md_final_raw = tls1_sha256_final_raw;
 237         md_transform =
 238             (void (*)(void *ctx, const unsigned char *block))SHA256_Transform;
 239         md_size = 224 / 8;
 240      } else if (EVP_MD_is_a(md, "SHA2-256")) {
 241         if (SHA256_Init((SHA256_CTX *)md_state.c) <= 0)
 242             return 0;
 243         md_final_raw = tls1_sha256_final_raw;
 244         md_transform =
 245             (void (*)(void *ctx, const unsigned char *block))SHA256_Transform;
 246         md_size = 32;
 247      } else if (EVP_MD_is_a(md, "SHA2-384")) {
 248         if (SHA384_Init((SHA512_CTX *)md_state.c) <= 0)
 249             return 0;
 250         md_final_raw = tls1_sha512_final_raw;
 251         md_transform =
 252             (void (*)(void *ctx, const unsigned char *block))SHA512_Transform;
 253         md_size = 384 / 8;
 254         md_block_size = 128;
 255         md_length_size = 16;
 256     } else if (EVP_MD_is_a(md, "SHA2-512")) {
 257         if (SHA512_Init((SHA512_CTX *)md_state.c) <= 0)
 258             return 0;
 259         md_final_raw = tls1_sha512_final_raw;
 260         md_transform =
 261             (void (*)(void *ctx, const unsigned char *block))SHA512_Transform;
 262         md_size = 64;
 263         md_block_size = 128;
 264         md_length_size = 16;
 265     } else {
 266         /*
 267          * ssl3_cbc_record_digest_supported should have been called first to
 268          * check that the hash function is supported.
 269          */
 270         if (md_out_size != NULL)
 271             *md_out_size = 0;
 272         return ossl_assert(0);
 273     }
 274
 275     if (!ossl_assert(md_length_size <= MAX_HASH_BIT_COUNT_BYTES)
 276             || !ossl_assert(md_block_size <= MAX_HASH_BLOCK_SIZE)
 277             || !ossl_assert(md_size <= EVP_MAX_MD_SIZE))
 278         return 0;
 279
 280     header_length = 13;
 281     if (is_sslv3) {
 282         header_length = mac_secret_length + sslv3_pad_length + 8 /* sequence
 283                                                                   * number */  +
 284             1 /* record type */  +
 285             2 /* record length */ ;
 286     }
 287
 288     /*
 289      * variance_blocks is the number of blocks of the hash that we have to
 290      * calculate in constant time because they could be altered by the
 291      * padding value. In SSLv3, the padding must be minimal so the end of
 292      * the plaintext varies by, at most, 15+20 = 35 bytes. (We conservatively
 293      * assume that the MAC size varies from 0..20 bytes.) In case the 9 bytes
 294      * of hash termination (0x80 + 64-bit length) don't fit in the final
 295      * block, we say that the final two blocks can vary based on the padding.
 296      * TLSv1 has MACs up to 48 bytes long (SHA-384) and the padding is not
 297      * required to be minimal. Therefore we say that the final |variance_blocks|
 298      * blocks can
 299      * vary based on the padding. Later in the function, if the message is
 300      * short and there obviously cannot be this many blocks then
 301      * variance_blocks can be reduced.
 302      */
 303     variance_blocks = is_sslv3 ? 2 : ( ((255 + 1 + md_size + md_block_size - 1) / md_block_size) + 1);
 304     /*
 305      * From now on we're dealing with the MAC, which conceptually has 13
 306      * bytes of `header' before the start of the data (TLS) or 71/75 bytes
 307      * (SSLv3)
 308      */
 309     len = data_plus_mac_plus_padding_size + header_length;
 310     /*
 311      * max_mac_bytes contains the maximum bytes of bytes in the MAC,
 312      * including * |header|, assuming that there's no padding.
 313      */
 314     max_mac_bytes = len - md_size - 1;
 315     /* num_blocks is the maximum number of hash blocks. */
 316     num_blocks =
 317         (max_mac_bytes + 1 + md_length_size + md_block_size -
 318          1) / md_block_size;
 319     /*
 320      * In order to calculate the MAC in constant time we have to handle the
 321      * final blocks specially because the padding value could cause the end
 322      * to appear somewhere in the final |variance_blocks| blocks and we can't
 323      * leak where. However, |num_starting_blocks| worth of data can be hashed
 324      * right away because no padding value can affect whether they are
 325      * plaintext.
 326      */
 327     num_starting_blocks = 0;
 328     /*
 329      * k is the starting byte offset into the conceptual header||data where
 330      * we start processing.
 331      */
 332     k = 0;
 333     /*
 334      * mac_end_offset is the index just past the end of the data to be MACed.
 335      */
 336     mac_end_offset = data_size + header_length;
 337     /*
 338      * c is the index of the 0x80 byte in the final hash block that contains
 339      * application data.
 340      */
 341     c = mac_end_offset % md_block_size;
 342     /*
 343      * index_a is the hash block number that contains the 0x80 terminating
 344      * value.
 345      */
 346     index_a = mac_end_offset / md_block_size;
 347     /*
 348      * index_b is the hash block number that contains the 64-bit hash length,
 349      * in bits.
 350      */
 351     index_b = (mac_end_offset + md_length_size) / md_block_size;
 352     /*
 353      * bits is the hash-length in bits. It includes the additional hash block
 354      * for the masked HMAC key, or whole of |header| in the case of SSLv3.
 355      */
 356
 357     /*
 358      * For SSLv3, if we're going to have any starting blocks then we need at
 359      * least two because the header is larger than a single block.
 360      */
 361     if (num_blocks > variance_blocks + (is_sslv3 ? 1 : 0)) {
 362         num_starting_blocks = num_blocks - variance_blocks;
 363         k = md_block_size * num_starting_blocks;
 364     }
 365
 366     bits = 8 * mac_end_offset;
 367     if (!is_sslv3) {
 368         /*
 369          * Compute the initial HMAC block. For SSLv3, the padding and secret
 370          * bytes are included in |header| because they take more than a
 371          * single block.
 372          */
 373         bits += 8 * md_block_size;
 374         memset(hmac_pad, 0, md_block_size);
 375         if (!ossl_assert(mac_secret_length <= sizeof(hmac_pad)))
 376             return 0;
 377         memcpy(hmac_pad, mac_secret, mac_secret_length);
 378         for (i = 0; i < md_block_size; i++)
 379             hmac_pad[i] ^= 0x36;
 380
 381         md_transform(md_state.c, hmac_pad);
 382     }
 383
 384     if (length_is_big_endian) {
 385         memset(length_bytes, 0, md_length_size - 4);
 386         length_bytes[md_length_size - 4] = (unsigned char)(bits >> 24);
 387         length_bytes[md_length_size - 3] = (unsigned char)(bits >> 16);
 388         length_bytes[md_length_size - 2] = (unsigned char)(bits >> 8);
 389         length_bytes[md_length_size - 1] = (unsigned char)bits;
 390     } else {
 391         memset(length_bytes, 0, md_length_size);
 392         length_bytes[md_length_size - 5] = (unsigned char)(bits >> 24);
 393         length_bytes[md_length_size - 6] = (unsigned char)(bits >> 16);
 394         length_bytes[md_length_size - 7] = (unsigned char)(bits >> 8);
 395         length_bytes[md_length_size - 8] = (unsigned char)bits;
 396     }
 397
 398     if (k > 0) {
 399         if (is_sslv3) {
 400             size_t overhang;
 401
 402             /*
 403              * The SSLv3 header is larger than a single block. overhang is
 404              * the number of bytes beyond a single block that the header
 405              * consumes: either 7 bytes (SHA1) or 11 bytes (MD5). There are no
 406              * ciphersuites in SSLv3 that are not SHA1 or MD5 based and
 407              * therefore we can be confident that the header_length will be
 408              * greater than |md_block_size|. However we add a sanity check just
 409              * in case
 410              */
 411             if (header_length <= md_block_size) {
 412                 /* Should never happen */
 413                 return 0;
 414             }
 415             overhang = header_length - md_block_size;
 416             md_transform(md_state.c, header);
 417             memcpy(first_block, header + md_block_size, overhang);
 418             memcpy(first_block + overhang, data, md_block_size - overhang);
 419             md_transform(md_state.c, first_block);
 420             for (i = 1; i < k / md_block_size - 1; i++)
 421                 md_transform(md_state.c, data + md_block_size * i - overhang);
 422         } else {
 423             /* k is a multiple of md_block_size. */
 424             memcpy(first_block, header, 13);
 425             memcpy(first_block + 13, data, md_block_size - 13);
 426             md_transform(md_state.c, first_block);
 427             for (i = 1; i < k / md_block_size; i++)
 428                 md_transform(md_state.c, data + md_block_size * i - 13);
 429         }
 430     }
 431
 432     memset(mac_out, 0, sizeof(mac_out));
 433
 434     /*
 435      * We now process the final hash blocks. For each block, we construct it
 436      * in constant time. If the |i==index_a| then we'll include the 0x80
 437      * bytes and zero pad etc. For each block we selectively copy it, in
 438      * constant time, to |mac_out|.
 439      */
 440     for (i = num_starting_blocks; i <= num_starting_blocks + variance_blocks;
 441          i++) {
 442         unsigned char block[MAX_HASH_BLOCK_SIZE];
 443         unsigned char is_block_a = constant_time_eq_8_s(i, index_a);
 444         unsigned char is_block_b = constant_time_eq_8_s(i, index_b);
 445         for (j = 0; j < md_block_size; j++) {
 446             unsigned char b = 0, is_past_c, is_past_cp1;
 447             if (k < header_length)
 448                 b = header[k];
 449             else if (k < data_plus_mac_plus_padding_size + header_length)
 450                 b = data[k - header_length];
 451             k++;
 452
 453             is_past_c = is_block_a & constant_time_ge_8_s(j, c);
 454             is_past_cp1 = is_block_a & constant_time_ge_8_s(j, c + 1);
 455             /*
 456              * If this is the block containing the end of the application
 457              * data, and we are at the offset for the 0x80 value, then
 458              * overwrite b with 0x80.
 459              */
 460             b = constant_time_select_8(is_past_c, 0x80, b);
 461             /*
 462              * If this block contains the end of the application data
 463              * and we're past the 0x80 value then just write zero.
 464              */
 465             b = b & ~is_past_cp1;
 466             /*
 467              * If this is index_b (the final block), but not index_a (the end
 468              * of the data), then the 64-bit length didn't fit into index_a
 469              * and we're having to add an extra block of zeros.
 470              */
 471             b &= ~is_block_b | is_block_a;
 472
 473             /*
 474              * The final bytes of one of the blocks contains the length.
 475              */
 476             if (j >= md_block_size - md_length_size) {
 477                 /* If this is index_b, write a length byte. */
 478                 b = constant_time_select_8(is_block_b,
 479                                            length_bytes[j -
 480                                                         (md_block_size -
 481                                                          md_length_size)], b);
 482             }
 483             block[j] = b;
 484         }
 485
 486         md_transform(md_state.c, block);
 487         md_final_raw(md_state.c, block);
 488         /* If this is index_b, copy the hash value to |mac_out|. */
 489         for (j = 0; j < md_size; j++)
 490             mac_out[j] |= block[j] & is_block_b;
 491     }
 492
 493     md_ctx = EVP_MD_CTX_new();
 494     if (md_ctx == NULL)
 495         goto err;
 496
 497     if (EVP_DigestInit_ex(md_ctx, md, NULL /* engine */ ) <= 0)
 498         goto err;
 499     if (is_sslv3) {
 500         /* We repurpose |hmac_pad| to contain the SSLv3 pad2 block. */
 501         memset(hmac_pad, 0x5c, sslv3_pad_length);
 502
 503         if (EVP_DigestUpdate(md_ctx, mac_secret, mac_secret_length) <= 0
 504             || EVP_DigestUpdate(md_ctx, hmac_pad, sslv3_pad_length) <= 0
 505             || EVP_DigestUpdate(md_ctx, mac_out, md_size) <= 0)
 506             goto err;
 507     } else {
 508         /* Complete the HMAC in the standard manner. */
 509         for (i = 0; i < md_block_size; i++)
 510             hmac_pad[i] ^= 0x6a;
 511
 512         if (EVP_DigestUpdate(md_ctx, hmac_pad, md_block_size) <= 0
 513             || EVP_DigestUpdate(md_ctx, mac_out, md_size) <= 0)
 514             goto err;
 515     }
 516     /* TODO(size_t): Convert me */
 517     ret = EVP_DigestFinal(md_ctx, md_out, &md_out_size_u);
 518     if (ret && md_out_size)
 519         *md_out_size = md_out_size_u;
 520
 521     ret = 1;
 522  err:
 523     EVP_MD_CTX_free(md_ctx);
 524     return ret;
 525 }