crypto/openssl/crypto/rand/rand_local.h

   1 /*
   2  * Copyright 1995-2020 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  *
   4  * Licensed under the OpenSSL license (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 #ifndef OSSL_CRYPTO_RAND_LOCAL_H
  11 # define OSSL_CRYPTO_RAND_LOCAL_H
  12
  13 # include <openssl/aes.h>
  14 # include <openssl/evp.h>
  15 # include <openssl/sha.h>
  16 # include <openssl/hmac.h>
  17 # include <openssl/ec.h>
  18 # include <openssl/rand_drbg.h>
  19 # include "internal/tsan_assist.h"
  20
  21 # include "internal/numbers.h"
  22
  23 /* How many times to read the TSC as a randomness source. */
  24 # define TSC_READ_COUNT                 4
  25
  26 /* Maximum reseed intervals */
  27 # define MAX_RESEED_INTERVAL                     (1 << 24)
  28 # define MAX_RESEED_TIME_INTERVAL                (1 << 20) /* approx. 12 days */
  29
  30 /* Default reseed intervals */
  31 # define MASTER_RESEED_INTERVAL                  (1 << 8)
  32 # define SLAVE_RESEED_INTERVAL                   (1 << 16)
  33 # define MASTER_RESEED_TIME_INTERVAL             (60*60)   /* 1 hour */
  34 # define SLAVE_RESEED_TIME_INTERVAL              (7*60)    /* 7 minutes */
  35
  36
  37
  38 /*
  39  * Maximum input size for the DRBG (entropy, nonce, personalization string)
  40  *
  41  * NIST SP800 90Ar1 allows a maximum of (1 << 35) bits i.e., (1 << 32) bytes.
  42  *
  43  * We lower it to 'only' INT32_MAX bytes, which is equivalent to 2 gigabytes.
  44  */
  45 # define DRBG_MAX_LENGTH                         INT32_MAX
  46
  47
  48 /*
  49  * Maximum allocation size for RANDOM_POOL buffers
  50  *
  51  * The max_len value for the buffer provided to the rand_drbg_get_entropy()
  52  * callback is currently 2^31 bytes (2 gigabytes), if a derivation function
  53  * is used. Since this is much too large to be allocated, the rand_pool_new()
  54  * function chooses more modest values as default pool length, bounded
  55  * by RAND_POOL_MIN_LENGTH and RAND_POOL_MAX_LENGTH
  56  *
  57  * The choice of the RAND_POOL_FACTOR is large enough such that the
  58  * RAND_POOL can store a random input which has a lousy entropy rate of
  59  * 8/256 (= 0.03125) bits per byte. This input will be sent through the
  60  * derivation function which 'compresses' the low quality input into a
  61  * high quality output.
  62  *
  63  * The factor 1.5 below is the pessimistic estimate for the extra amount
  64  * of entropy required when no get_nonce() callback is defined.
  65  */
  66 # define RAND_POOL_FACTOR        256
  67 # define RAND_POOL_MAX_LENGTH    (RAND_POOL_FACTOR * \
  68                                   3 * (RAND_DRBG_STRENGTH / 16))
  69 /*
  70  *                             = (RAND_POOL_FACTOR * \
  71  *                                1.5 * (RAND_DRBG_STRENGTH / 8))
  72  */
  73
  74 /*
  75  * Initial allocation minimum.
  76  *
  77  * There is a distinction between the secure and normal allocation minimums.
  78  * Ideally, the secure allocation size should be a power of two.  The normal
  79  * allocation size doesn't have any such restriction.
  80  *
  81  * The secure value is based on 128 bits of secure material, which is 16 bytes.
  82  * Typically, the DRBGs will set a minimum larger than this so optimal
  83  * allocation ought to take place (for full quality seed material).
  84  *
  85  * The normal value has been chosen by noticing that the rand_drbg_get_nonce
  86  * function is usually the largest of the built in allocation (twenty four
  87  * bytes and then appending another sixteen bytes).  This means the buffer ends
  88  * with 40 bytes.  The value of forty eight is comfortably above this which
  89  * allows some slack in the platform specific values used.
  90  */
  91 # define RAND_POOL_MIN_ALLOCATION(secure) ((secure) ? 16 : 48)
  92
  93 /* DRBG status values */
  94 typedef enum drbg_status_e {
  95     DRBG_UNINITIALISED,
  96     DRBG_READY,
  97     DRBG_ERROR
  98 } DRBG_STATUS;
  99
 100
 101 /* instantiate */
 102 typedef int (*RAND_DRBG_instantiate_fn)(RAND_DRBG *ctx,
 103                                         const unsigned char *ent,
 104                                         size_t entlen,
 105                                         const unsigned char *nonce,
 106                                         size_t noncelen,
 107                                         const unsigned char *pers,
 108                                         size_t perslen);
 109 /* reseed */
 110 typedef int (*RAND_DRBG_reseed_fn)(RAND_DRBG *ctx,
 111                                    const unsigned char *ent,
 112                                    size_t entlen,
 113                                    const unsigned char *adin,
 114                                    size_t adinlen);
 115 /* generate output */
 116 typedef int (*RAND_DRBG_generate_fn)(RAND_DRBG *ctx,
 117                                      unsigned char *out,
 118                                      size_t outlen,
 119                                      const unsigned char *adin,
 120                                      size_t adinlen);
 121 /* uninstantiate */
 122 typedef int (*RAND_DRBG_uninstantiate_fn)(RAND_DRBG *ctx);
 123
 124
 125 /*
 126  * The DRBG methods
 127  */
 128
 129 typedef struct rand_drbg_method_st {
 130     RAND_DRBG_instantiate_fn instantiate;
 131     RAND_DRBG_reseed_fn reseed;
 132     RAND_DRBG_generate_fn generate;
 133     RAND_DRBG_uninstantiate_fn uninstantiate;
 134 } RAND_DRBG_METHOD;
 135
 136
 137 /*
 138  * The state of a DRBG AES-CTR.
 139  */
 140 typedef struct rand_drbg_ctr_st {
 141     EVP_CIPHER_CTX *ctx_ecb;
 142     EVP_CIPHER_CTX *ctx_ctr;
 143     EVP_CIPHER_CTX *ctx_df;
 144     const EVP_CIPHER *cipher_ecb;
 145     const EVP_CIPHER *cipher_ctr;
 146     size_t keylen;
 147     unsigned char K[32];
 148     unsigned char V[16];
 149     /* Temporary block storage used by ctr_df */
 150     unsigned char bltmp[16];
 151     size_t bltmp_pos;
 152     unsigned char KX[48];
 153 } RAND_DRBG_CTR;
 154
 155
 156 /*
 157  * The 'random pool' acts as a dumb container for collecting random
 158  * input from various entropy sources. The pool has no knowledge about
 159  * whether its randomness is fed into a legacy RAND_METHOD via RAND_add()
 160  * or into a new style RAND_DRBG. It is the callers duty to 1) initialize the
 161  * random pool, 2) pass it to the polling callbacks, 3) seed the RNG, and
 162  * 4) cleanup the random pool again.
 163  *
 164  * The random pool contains no locking mechanism because its scope and
 165  * lifetime is intended to be restricted to a single stack frame.
 166  */
 167 struct rand_pool_st {
 168     unsigned char *buffer;  /* points to the beginning of the random pool */
 169     size_t len; /* current number of random bytes contained in the pool */
 170
 171     int attached;  /* true pool was attached to existing buffer */
 172     int secure;    /* 1: allocated on the secure heap, 0: otherwise */
 173
 174     size_t min_len; /* minimum number of random bytes requested */
 175     size_t max_len; /* maximum number of random bytes (allocated buffer size) */
 176     size_t alloc_len; /* current number of bytes allocated */
 177     size_t entropy; /* current entropy count in bits */
 178     size_t entropy_requested; /* requested entropy count in bits */
 179 };
 180
 181 /*
 182  * The state of all types of DRBGs, even though we only have CTR mode
 183  * right now.
 184  */
 185 struct rand_drbg_st {
 186     CRYPTO_RWLOCK *lock;
 187     RAND_DRBG *parent;
 188     int secure; /* 1: allocated on the secure heap, 0: otherwise */
 189     int type; /* the nid of the underlying algorithm */
 190     /*
 191      * Stores the return value of openssl_get_fork_id() as of when we last
 192      * reseeded.  The DRBG reseeds automatically whenever drbg->fork_id !=
 193      * openssl_get_fork_id().  Used to provide fork-safety and reseed this
 194      * DRBG in the child process.
 195      */
 196     int fork_id;
 197     unsigned short flags; /* various external flags */
 198
 199     /*
 200      * The random_data is used by RAND_add()/drbg_add() to attach random
 201      * data to the global drbg, such that the rand_drbg_get_entropy() callback
 202      * can pull it during instantiation and reseeding. This is necessary to
 203      * reconcile the different philosophies of the RAND and the RAND_DRBG
 204      * with respect to how randomness is added to the RNG during reseeding
 205      * (see PR #4328).
 206      */
 207     struct rand_pool_st *seed_pool;
 208
 209     /*
 210      * Auxiliary pool for additional data.
 211      */
 212     struct rand_pool_st *adin_pool;
 213
 214     /*
 215      * The following parameters are setup by the per-type "init" function.
 216      *
 217      * Currently the only type is CTR_DRBG, its init function is drbg_ctr_init().
 218      *
 219      * The parameters are closely related to the ones described in
 220      * section '10.2.1 CTR_DRBG' of [NIST SP 800-90Ar1], with one
 221      * crucial difference: In the NIST standard, all counts are given
 222      * in bits, whereas in OpenSSL entropy counts are given in bits
 223      * and buffer lengths are given in bytes.
 224      *
 225      * Since this difference has lead to some confusion in the past,
 226      * (see [GitHub Issue #2443], formerly [rt.openssl.org #4055])
 227      * the 'len' suffix has been added to all buffer sizes for
 228      * clarification.
 229      */
 230
 231     int strength;
 232     size_t max_request;
 233     size_t min_entropylen, max_entropylen;
 234     size_t min_noncelen, max_noncelen;
 235     size_t max_perslen, max_adinlen;
 236
 237     /* Counts the number of generate requests since the last reseed. */
 238     unsigned int generate_counter;
 239     /*
 240      * Maximum number of generate requests until a reseed is required.
 241      * This value is ignored if it is zero.
 242      */
 243     unsigned int reseed_interval;
 244     /* Stores the time when the last reseeding occurred */
 245     time_t reseed_time;
 246     /*
 247      * Specifies the maximum time interval (in seconds) between reseeds.
 248      * This value is ignored if it is zero.
 249      */
 250     time_t reseed_time_interval;
 251
 252     /*
 253      * Enables reseed propagation (see following comment)
 254      */
 255     unsigned int enable_reseed_propagation;
 256
 257     /*
 258      * Counts the number of reseeds since instantiation.
 259      * This value is ignored if enable_reseed_propagation is zero.
 260      *
 261      * This counter is used only for seed propagation from the <master> DRBG
 262      * to its two children, the <public> and <private> DRBG. This feature is
 263      * very special and its sole purpose is to ensure that any randomness which
 264      * is added by RAND_add() or RAND_seed() will have an immediate effect on
 265      * the output of RAND_bytes() resp. RAND_priv_bytes().
 266      */
 267     TSAN_QUALIFIER unsigned int reseed_counter;
 268
 269     size_t seedlen;
 270     DRBG_STATUS state;
 271
 272     /* Application data, mainly used in the KATs. */
 273     CRYPTO_EX_DATA ex_data;
 274
 275     /* Implementation specific data (currently only one implementation) */
 276     union {
 277         RAND_DRBG_CTR ctr;
 278     } data;
 279
 280     /* Implementation specific methods */
 281     RAND_DRBG_METHOD *meth;
 282
 283     /* Callback functions.  See comments in rand_lib.c */
 284     RAND_DRBG_get_entropy_fn get_entropy;
 285     RAND_DRBG_cleanup_entropy_fn cleanup_entropy;
 286     RAND_DRBG_get_nonce_fn get_nonce;
 287     RAND_DRBG_cleanup_nonce_fn cleanup_nonce;
 288 };
 289
 290 /* The global RAND method, and the global buffer and DRBG instance. */
 291 extern RAND_METHOD rand_meth;
 292
 293 /* DRBG helpers */
 294 int rand_drbg_restart(RAND_DRBG *drbg,
 295                       const unsigned char *buffer, size_t len, size_t entropy);
 296 size_t rand_drbg_seedlen(RAND_DRBG *drbg);
 297 /* locking api */
 298 int rand_drbg_lock(RAND_DRBG *drbg);
 299 int rand_drbg_unlock(RAND_DRBG *drbg);
 300 int rand_drbg_enable_locking(RAND_DRBG *drbg);
 301
 302
 303 /* initializes the AES-CTR DRBG implementation */
 304 int drbg_ctr_init(RAND_DRBG *drbg);
 305
 306 #endif