Timing vulnerability in ECDSA signature generation (CVE-2018-0735)
[openssl.git] / crypto / ec / ec_mult.c
index 801726f9f5560815c9da0e5eca5f7a4186f26c44..0e0a5e1394affb4bd1976ed0f65ae833d7f0ba1c 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*
- * Copyright 2001-2017 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
+ * Copyright 2001-2018 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
  * Copyright (c) 2002, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved
  *
  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
@@ -108,103 +108,143 @@ void EC_ec_pre_comp_free(EC_PRE_COMP *pre)
 } while(0)
 
 /*-
- * This functions computes (in constant time) a point multiplication over the
- * EC group.
+ * This functions computes a single point multiplication over the EC group,
+ * using, at a high level, a Montgomery ladder with conditional swaps, with
+ * various timing attack defenses.
  *
- * At a high level, it is Montgomery ladder with conditional swaps.
- *
- * It performs either a fixed scalar point multiplication
+ * It performs either a fixed point multiplication
  *          (scalar * generator)
- * when point is NULL, or a generic scalar point multiplication
+ * when point is NULL, or a variable point multiplication
  *          (scalar * point)
  * when point is not NULL.
  *
- * scalar should be in the range [0,n) otherwise all constant time bets are off.
+ * `scalar` cannot be NULL and should be in the range [0,n) otherwise all
+ * constant time bets are off (where n is the cardinality of the EC group).
+ *
+ * This function expects `group->order` and `group->cardinality` to be well
+ * defined and non-zero: it fails with an error code otherwise.
+ *
+ * NB: This says nothing about the constant-timeness of the ladder step
+ * implementation (i.e., the default implementation is based on EC_POINT_add and
+ * EC_POINT_dbl, which of course are not constant time themselves) or the
+ * underlying multiprecision arithmetic.
  *
- * NB: This says nothing about EC_POINT_add and EC_POINT_dbl,
- * which of course are not constant time themselves.
+ * The product is stored in `r`.
  *
- * The product is stored in r.
+ * This is an internal function: callers are in charge of ensuring that the
+ * input parameters `group`, `r`, `scalar` and `ctx` are not NULL.
  *
  * Returns 1 on success, 0 otherwise.
  */
-static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
-                            const BIGNUM *scalar, const EC_POINT *point,
-                            BN_CTX *ctx)
+int ec_scalar_mul_ladder(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
+                         const BIGNUM *scalar, const EC_POINT *point,
+                         BN_CTX *ctx)
 {
-    int i, order_bits, group_top, kbit, pbit, Z_is_one;
+    int i, cardinality_bits, group_top, kbit, pbit, Z_is_one;
+    EC_POINT *p = NULL;
     EC_POINT *s = NULL;
     BIGNUM *k = NULL;
     BIGNUM *lambda = NULL;
-    BN_CTX *new_ctx = NULL;
+    BIGNUM *cardinality = NULL;
     int ret = 0;
 
-    if (ctx == NULL && (ctx = new_ctx = BN_CTX_secure_new()) == NULL)
-        goto err;
+    /* early exit if the input point is the point at infinity */
+    if (point != NULL && EC_POINT_is_at_infinity(group, point))
+        return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
 
-    if ((group->order == NULL) || (group->field == NULL))
-        goto err;
+    if (BN_is_zero(group->order)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
+        return 0;
+    }
+    if (BN_is_zero(group->cofactor)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, EC_R_UNKNOWN_COFACTOR);
+        return 0;
+    }
 
-    order_bits = BN_num_bits(group->order);
+    BN_CTX_start(ctx);
 
-    s = EC_POINT_new(group);
-    if (s == NULL)
+    if (((p = EC_POINT_new(group)) == NULL)
+        || ((s = EC_POINT_new(group)) == NULL)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
         goto err;
+    }
 
     if (point == NULL) {
-        if (group->generator == NULL)
-            goto err;
-        if (!EC_POINT_copy(s, group->generator))
+        if (!EC_POINT_copy(p, group->generator)) {
+            ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_EC_LIB);
             goto err;
+        }
     } else {
-        if (!EC_POINT_copy(s, point))
+        if (!EC_POINT_copy(p, point)) {
+            ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_EC_LIB);
             goto err;
+        }
     }
 
+    EC_POINT_BN_set_flags(p, BN_FLG_CONSTTIME);
+    EC_POINT_BN_set_flags(r, BN_FLG_CONSTTIME);
     EC_POINT_BN_set_flags(s, BN_FLG_CONSTTIME);
 
-    BN_CTX_start(ctx);
+    cardinality = BN_CTX_get(ctx);
     lambda = BN_CTX_get(ctx);
     k = BN_CTX_get(ctx);
-    if (k == NULL)
+    if (k == NULL) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
         goto err;
+    }
+
+    if (!BN_mul(cardinality, group->order, group->cofactor, ctx)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_BN_LIB);
+        goto err;
+    }
 
     /*
-     * Group orders are often on a word boundary.
+     * Group cardinalities are often on a word boundary.
      * So when we pad the scalar, some timing diff might
      * pop if it needs to be expanded due to carries.
      * So expand ahead of time.
      */
-    group_top = bn_get_top(group->order);
-    if ((bn_wexpand(k, group_top + 1) == NULL)
-        || (bn_wexpand(lambda, group_top + 1) == NULL))
+    cardinality_bits = BN_num_bits(cardinality);
+    group_top = bn_get_top(cardinality);
+    if ((bn_wexpand(k, group_top + 2) == NULL)
+        || (bn_wexpand(lambda, group_top + 2) == NULL)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_BN_LIB);
         goto err;
+    }
 
-    if (!BN_copy(k, scalar))
+    if (!BN_copy(k, scalar)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_BN_LIB);
         goto err;
+    }
 
     BN_set_flags(k, BN_FLG_CONSTTIME);
 
-    if ((BN_num_bits(k) > order_bits) || (BN_is_negative(k))) {
+    if ((BN_num_bits(k) > cardinality_bits) || (BN_is_negative(k))) {
         /*-
          * this is an unusual input, and we don't guarantee
          * constant-timeness
          */
-        if (!BN_nnmod(k, k, group->order, ctx))
+        if (!BN_nnmod(k, k, cardinality, ctx)) {
+            ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_BN_LIB);
             goto err;
+        }
     }
 
-    if (!BN_add(lambda, k, group->order))
+    if (!BN_add(lambda, k, cardinality)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_BN_LIB);
         goto err;
+    }
     BN_set_flags(lambda, BN_FLG_CONSTTIME);
-    if (!BN_add(k, lambda, group->order))
+    if (!BN_add(k, lambda, cardinality)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_BN_LIB);
         goto err;
+    }
     /*
-     * lambda := scalar + order
-     * k := scalar + 2*order
+     * lambda := scalar + cardinality
+     * k := scalar + 2*cardinality
      */
-    kbit = BN_is_bit_set(lambda, order_bits);
-    BN_consttime_swap(kbit, k, lambda, group_top + 1);
+    kbit = BN_is_bit_set(lambda, cardinality_bits);
+    BN_consttime_swap(kbit, k, lambda, group_top + 2);
 
     group_top = bn_get_top(group->field);
     if ((bn_wexpand(s->X, group_top) == NULL)
@@ -212,19 +252,35 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
         || (bn_wexpand(s->Z, group_top) == NULL)
         || (bn_wexpand(r->X, group_top) == NULL)
         || (bn_wexpand(r->Y, group_top) == NULL)
-        || (bn_wexpand(r->Z, group_top) == NULL))
+        || (bn_wexpand(r->Z, group_top) == NULL)
+        || (bn_wexpand(p->X, group_top) == NULL)
+        || (bn_wexpand(p->Y, group_top) == NULL)
+        || (bn_wexpand(p->Z, group_top) == NULL)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, ERR_R_BN_LIB);
         goto err;
+    }
 
-    /* top bit is a 1, in a fixed pos */
-    if (!EC_POINT_copy(r, s))
+    /*-
+     * Apply coordinate blinding for EC_POINT.
+     *
+     * The underlying EC_METHOD can optionally implement this function:
+     * ec_point_blind_coordinates() returns 0 in case of errors or 1 on
+     * success or if coordinate blinding is not implemented for this
+     * group.
+     */
+    if (!ec_point_blind_coordinates(group, p, ctx)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, EC_R_POINT_COORDINATES_BLIND_FAILURE);
         goto err;
+    }
 
-    EC_POINT_BN_set_flags(r, BN_FLG_CONSTTIME);
-
-    if (!EC_POINT_dbl(group, s, s, ctx))
+    /* Initialize the Montgomery ladder */
+    if (!ec_point_ladder_pre(group, r, s, p, ctx)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, EC_R_LADDER_PRE_FAILURE);
         goto err;
+    }
 
-    pbit = 0;
+    /* top bit is a 1, in a fixed pos */
+    pbit = 1;
 
 #define EC_POINT_CSWAP(c, a, b, w, t) do {         \
         BN_consttime_swap(c, (a)->X, (b)->X, w);   \
@@ -293,13 +349,15 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
      * This is XOR. pbit tracks the previous bit of k.
      */
 
-    for (i = order_bits - 1; i >= 0; i--) {
+    for (i = cardinality_bits - 1; i >= 0; i--) {
         kbit = BN_is_bit_set(k, i) ^ pbit;
         EC_POINT_CSWAP(kbit, r, s, group_top, Z_is_one);
-        if (!EC_POINT_add(group, s, r, s, ctx))
-            goto err;
-        if (!EC_POINT_dbl(group, r, r, ctx))
+
+        /* Perform a single step of the Montgomery ladder */
+        if (!ec_point_ladder_step(group, r, s, p, ctx)) {
+            ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, EC_R_LADDER_STEP_FAILURE);
             goto err;
+        }
         /*
          * pbit logic merges this cswap with that of the
          * next iteration
@@ -310,12 +368,18 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
     EC_POINT_CSWAP(pbit, r, s, group_top, Z_is_one);
 #undef EC_POINT_CSWAP
 
+    /* Finalize ladder (and recover full point coordinates) */
+    if (!ec_point_ladder_post(group, r, s, p, ctx)) {
+        ECerr(EC_F_EC_SCALAR_MUL_LADDER, EC_R_LADDER_POST_FAILURE);
+        goto err;
+    }
+
     ret = 1;
 
  err:
+    EC_POINT_free(p);
     EC_POINT_free(s);
     BN_CTX_end(ctx);
-    BN_CTX_free(new_ctx);
 
     return ret;
 }
@@ -347,7 +411,6 @@ int ec_wNAF_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
                 size_t num, const EC_POINT *points[], const BIGNUM *scalars[],
                 BN_CTX *ctx)
 {
-    BN_CTX *new_ctx = NULL;
     const EC_POINT *generator = NULL;
     EC_POINT *tmp = NULL;
     size_t totalnum;
@@ -372,52 +435,33 @@ int ec_wNAF_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
                                  * precomputation is not available */
     int ret = 0;
 
-    /*-
-     * Handle the common cases where the scalar is secret, enforcing a constant
-     * time scalar multiplication algorithm.
-     */
-    if ((scalar != NULL) && (num == 0)) {
-        /*-
-         * In this case we want to compute scalar * GeneratorPoint: this
-         * codepath is reached most prominently by (ephemeral) key generation
-         * of EC cryptosystems (i.e. ECDSA keygen and sign setup, ECDH
-         * keygen/first half), where the scalar is always secret. This is why
-         * we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is actually set and we always call the
-         * constant time version.
-         */
-        return ec_mul_consttime(group, r, scalar, NULL, ctx);
-    }
-    if ((scalar == NULL) && (num == 1)) {
+    if (!BN_is_zero(group->order) && !BN_is_zero(group->cofactor)) {
         /*-
-         * In this case we want to compute scalar * GenericPoint: this codepath
-         * is reached most prominently by the second half of ECDH, where the
-         * secret scalar is multiplied by the peer's public point. To protect
-         * the secret scalar, we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is actually set and
-         * we always call the constant time version.
+         * Handle the common cases where the scalar is secret, enforcing a
+         * scalar multiplication implementation based on a Montgomery ladder,
+         * with various timing attack defenses.
          */
-        return ec_mul_consttime(group, r, scalars[0], points[0], ctx);
-    }
-
-    if (group->meth != r->meth) {
-        ECerr(EC_F_EC_WNAF_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
-        return 0;
-    }
-
-    if ((scalar == NULL) && (num == 0)) {
-        return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
-    }
-
-    for (i = 0; i < num; i++) {
-        if (group->meth != points[i]->meth) {
-            ECerr(EC_F_EC_WNAF_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
-            return 0;
+        if ((scalar != NULL) && (num == 0)) {
+            /*-
+             * In this case we want to compute scalar * GeneratorPoint: this
+             * codepath is reached most prominently by (ephemeral) key
+             * generation of EC cryptosystems (i.e. ECDSA keygen and sign setup,
+             * ECDH keygen/first half), where the scalar is always secret. This
+             * is why we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is actually set and we
+             * always call the ladder version.
+             */
+            return ec_scalar_mul_ladder(group, r, scalar, NULL, ctx);
+        }
+        if ((scalar == NULL) && (num == 1)) {
+            /*-
+             * In this case we want to compute scalar * VariablePoint: this
+             * codepath is reached most prominently by the second half of ECDH,
+             * where the secret scalar is multiplied by the peer's public point.
+             * To protect the secret scalar, we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is
+             * actually set and we always call the ladder version.
+             */
+            return ec_scalar_mul_ladder(group, r, scalars[0], points[0], ctx);
         }
-    }
-
-    if (ctx == NULL) {
-        ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
-        if (ctx == NULL)
-            goto err;
     }
 
     if (scalar != NULL) {
@@ -726,7 +770,6 @@ int ec_wNAF_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
     ret = 1;
 
  err:
-    BN_CTX_free(new_ctx);
     EC_POINT_free(tmp);
     OPENSSL_free(wsize);
     OPENSSL_free(wNAF_len);