crypto/openssl/crypto/jpake/jpake.c

   1 #include "jpake.h"
   2
   3 #include <openssl/crypto.h>
   4 #include <openssl/sha.h>
   5 #include <openssl/err.h>
   6 #include <memory.h>
   7 #include <assert.h>
   8
   9 /*
  10  * In the definition, (xa, xb, xc, xd) are Alice's (x1, x2, x3, x4) or
  11  * Bob's (x3, x4, x1, x2). If you see what I mean.
  12  */
  13
  14 typedef struct
  15     {
  16     char *name;  /* Must be unique */
  17     char *peer_name;
  18     BIGNUM *p;
  19     BIGNUM *g;
  20     BIGNUM *q;
  21     BIGNUM *gxc; /* Alice's g^{x3} or Bob's g^{x1} */
  22     BIGNUM *gxd; /* Alice's g^{x4} or Bob's g^{x2} */
  23     } JPAKE_CTX_PUBLIC;
  24
  25 struct JPAKE_CTX
  26     {
  27     JPAKE_CTX_PUBLIC p;
  28     BIGNUM *secret;   /* The shared secret */
  29     BN_CTX *ctx;
  30     BIGNUM *xa;       /* Alice's x1 or Bob's x3 */
  31     BIGNUM *xb;       /* Alice's x2 or Bob's x4 */
  32     BIGNUM *key;      /* The calculated (shared) key */
  33     };
  34
  35 static void JPAKE_ZKP_init(JPAKE_ZKP *zkp)
  36     {
  37     zkp->gr = BN_new();
  38     zkp->b = BN_new();
  39     }
  40
  41 static void JPAKE_ZKP_release(JPAKE_ZKP *zkp)
  42     {
  43     BN_free(zkp->b);
  44     BN_free(zkp->gr);
  45     }
  46
  47 /* Two birds with one stone - make the global name as expected */
  48 #define JPAKE_STEP_PART_init    JPAKE_STEP2_init
  49 #define JPAKE_STEP_PART_release JPAKE_STEP2_release
  50
  51 void JPAKE_STEP_PART_init(JPAKE_STEP_PART *p)
  52     {
  53     p->gx = BN_new();
  54     JPAKE_ZKP_init(&p->zkpx);
  55     }
  56
  57 void JPAKE_STEP_PART_release(JPAKE_STEP_PART *p)
  58     {
  59     JPAKE_ZKP_release(&p->zkpx);
  60     BN_free(p->gx);
  61     }
  62
  63 void JPAKE_STEP1_init(JPAKE_STEP1 *s1)
  64     {
  65     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p1);
  66     JPAKE_STEP_PART_init(&s1->p2);
  67     }
  68
  69 void JPAKE_STEP1_release(JPAKE_STEP1 *s1)
  70     {
  71     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p2);
  72     JPAKE_STEP_PART_release(&s1->p1);
  73     }
  74
  75 static void JPAKE_CTX_init(JPAKE_CTX *ctx, const char *name,
  76                            const char *peer_name, const BIGNUM *p,
  77                            const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
  78                            const BIGNUM *secret)
  79     {
  80     ctx->p.name = OPENSSL_strdup(name);
  81     ctx->p.peer_name = OPENSSL_strdup(peer_name);
  82     ctx->p.p = BN_dup(p);
  83     ctx->p.g = BN_dup(g);
  84     ctx->p.q = BN_dup(q);
  85     ctx->secret = BN_dup(secret);
  86
  87     ctx->p.gxc = BN_new();
  88     ctx->p.gxd = BN_new();
  89
  90     ctx->xa = BN_new();
  91     ctx->xb = BN_new();
  92     ctx->key = BN_new();
  93     ctx->ctx = BN_CTX_new();
  94     }
  95
  96 static void JPAKE_CTX_release(JPAKE_CTX *ctx)
  97     {
  98     BN_CTX_free(ctx->ctx);
  99     BN_clear_free(ctx->key);
 100     BN_clear_free(ctx->xb);
 101     BN_clear_free(ctx->xa);
 102
 103     BN_free(ctx->p.gxd);
 104     BN_free(ctx->p.gxc);
 105
 106     BN_clear_free(ctx->secret);
 107     BN_free(ctx->p.q);
 108     BN_free(ctx->p.g);
 109     BN_free(ctx->p.p);
 110     OPENSSL_free(ctx->p.peer_name);
 111     OPENSSL_free(ctx->p.name);
 112
 113     memset(ctx, '\0', sizeof *ctx);
 114     }
 115
 116 JPAKE_CTX *JPAKE_CTX_new(const char *name, const char *peer_name,
 117                          const BIGNUM *p, const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
 118                          const BIGNUM *secret)
 119     {
 120     JPAKE_CTX *ctx = OPENSSL_malloc(sizeof *ctx);
 121
 122     JPAKE_CTX_init(ctx, name, peer_name, p, g, q, secret);
 123
 124     return ctx;
 125     }
 126
 127 void JPAKE_CTX_free(JPAKE_CTX *ctx)
 128     {
 129     JPAKE_CTX_release(ctx);
 130     OPENSSL_free(ctx);
 131     }
 132
 133 static void hashlength(SHA_CTX *sha, size_t l)
 134     {
 135     unsigned char b[2];
 136
 137     assert(l <= 0xffff);
 138     b[0] = l >> 8;
 139     b[1] = l&0xff;
 140     SHA1_Update(sha, b, 2);
 141     }
 142
 143 static void hashstring(SHA_CTX *sha, const char *string)
 144     {
 145     size_t l = strlen(string);
 146
 147     hashlength(sha, l);
 148     SHA1_Update(sha, string, l);
 149     }
 150
 151 static void hashbn(SHA_CTX *sha, const BIGNUM *bn)
 152     {
 153     size_t l = BN_num_bytes(bn);
 154     unsigned char *bin = OPENSSL_malloc(l);
 155
 156     hashlength(sha, l);
 157     BN_bn2bin(bn, bin);
 158     SHA1_Update(sha, bin, l);
 159     OPENSSL_free(bin);
 160     }
 161
 162 /* h=hash(g, g^r, g^x, name) */
 163 static void zkp_hash(BIGNUM *h, const BIGNUM *zkpg, const JPAKE_STEP_PART *p,
 164                      const char *proof_name)
 165     {
 166     unsigned char md[SHA_DIGEST_LENGTH];
 167     SHA_CTX sha;
 168
 169    /*
 170     * XXX: hash should not allow moving of the boundaries - Java code
 171     * is flawed in this respect. Length encoding seems simplest.
 172     */
 173     SHA1_Init(&sha);
 174     hashbn(&sha, zkpg);
 175     assert(!BN_is_zero(p->zkpx.gr));
 176     hashbn(&sha, p->zkpx.gr);
 177     hashbn(&sha, p->gx);
 178     hashstring(&sha, proof_name);
 179     SHA1_Final(md, &sha);
 180     BN_bin2bn(md, SHA_DIGEST_LENGTH, h);
 181     }
 182
 183 /*
 184  * Prove knowledge of x
 185  * Note that p->gx has already been calculated
 186  */
 187 static void generate_zkp(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 188                          const BIGNUM *zkpg, JPAKE_CTX *ctx)
 189     {
 190     BIGNUM *r = BN_new();
 191     BIGNUM *h = BN_new();
 192     BIGNUM *t = BN_new();
 193
 194    /*
 195     * r in [0,q)
 196     * XXX: Java chooses r in [0, 2^160) - i.e. distribution not uniform
 197     */
 198     BN_rand_range(r, ctx->p.q);
 199    /* g^r */
 200     BN_mod_exp(p->zkpx.gr, zkpg, r, ctx->p.p, ctx->ctx);
 201
 202    /* h=hash... */
 203     zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.name);
 204
 205    /* b = r - x*h */
 206     BN_mod_mul(t, x, h, ctx->p.q, ctx->ctx);
 207     BN_mod_sub(p->zkpx.b, r, t, ctx->p.q, ctx->ctx);
 208
 209    /* cleanup */
 210     BN_free(t);
 211     BN_free(h);
 212     BN_free(r);
 213     }
 214
 215 static int verify_zkp(const JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *zkpg,
 216                       JPAKE_CTX *ctx)
 217     {
 218     BIGNUM *h = BN_new();
 219     BIGNUM *t1 = BN_new();
 220     BIGNUM *t2 = BN_new();
 221     BIGNUM *t3 = BN_new();
 222     int ret = 0;
 223
 224     zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.peer_name);
 225
 226    /* t1 = g^b */
 227     BN_mod_exp(t1, zkpg, p->zkpx.b, ctx->p.p, ctx->ctx);
 228    /* t2 = (g^x)^h = g^{hx} */
 229     BN_mod_exp(t2, p->gx, h, ctx->p.p, ctx->ctx);
 230    /* t3 = t1 * t2 = g^{hx} * g^b = g^{hx+b} = g^r (allegedly) */
 231     BN_mod_mul(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 232
 233    /* verify t3 == g^r */
 234     if(BN_cmp(t3, p->zkpx.gr) == 0)
 235         ret = 1;
 236     else
 237         JPAKEerr(JPAKE_F_VERIFY_ZKP, JPAKE_R_ZKP_VERIFY_FAILED);
 238
 239    /* cleanup */
 240     BN_free(t3);
 241     BN_free(t2);
 242     BN_free(t1);
 243     BN_free(h);
 244
 245     return ret;
 246     }
 247
 248 static void generate_step_part(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
 249                                const BIGNUM *g, JPAKE_CTX *ctx)
 250     {
 251     BN_mod_exp(p->gx, g, x, ctx->p.p, ctx->ctx);
 252     generate_zkp(p, x, g, ctx);
 253     }
 254
 255 /* Generate each party's random numbers. xa is in [0, q), xb is in [1, q). */
 256 static void genrand(JPAKE_CTX *ctx)
 257     {
 258     BIGNUM *qm1;
 259
 260    /* xa in [0, q) */
 261     BN_rand_range(ctx->xa, ctx->p.q);
 262
 263    /* q-1 */
 264     qm1 = BN_new();
 265     BN_copy(qm1, ctx->p.q);
 266     BN_sub_word(qm1, 1);
 267
 268    /* ... and xb in [0, q-1) */
 269     BN_rand_range(ctx->xb, qm1);
 270    /* [1, q) */
 271     BN_add_word(ctx->xb, 1);
 272
 273    /* cleanup */
 274     BN_free(qm1);
 275     }
 276
 277 int JPAKE_STEP1_generate(JPAKE_STEP1 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 278     {
 279     genrand(ctx);
 280     generate_step_part(&send->p1, ctx->xa, ctx->p.g, ctx);
 281     generate_step_part(&send->p2, ctx->xb, ctx->p.g, ctx);
 282
 283     return 1;
 284     }
 285
 286 int JPAKE_STEP1_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP1 *received)
 287     {
 288    /* verify their ZKP(xc) */
 289     if(!verify_zkp(&received->p1, ctx->p.g, ctx))
 290         {
 291         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X3_FAILED);
 292         return 0;
 293         }
 294
 295    /* verify their ZKP(xd) */
 296     if(!verify_zkp(&received->p2, ctx->p.g, ctx))
 297         {
 298         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_X4_FAILED);
 299         return 0;
 300         }
 301
 302    /* g^xd != 1 */
 303     if(BN_is_one(received->p2.gx))
 304         {
 305         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP1_PROCESS, JPAKE_R_G_TO_THE_X4_IS_ONE);
 306         return 0;
 307         }
 308
 309    /* Save the bits we need for later */
 310     BN_copy(ctx->p.gxc, received->p1.gx);
 311     BN_copy(ctx->p.gxd, received->p2.gx);
 312
 313     return 1;
 314     }
 315
 316
 317 int JPAKE_STEP2_generate(JPAKE_STEP2 *send, JPAKE_CTX *ctx)
 318     {
 319     BIGNUM *t1 = BN_new();
 320     BIGNUM *t2 = BN_new();
 321
 322    /*
 323     * X = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 324     * t1 = g^xa
 325     */
 326     BN_mod_exp(t1, ctx->p.g, ctx->xa, ctx->p.p, ctx->ctx);
 327    /* t2 = t1 * g^{xc} = g^{xa} * g^{xc} = g^{xa + xc} */
 328     BN_mod_mul(t2, t1, ctx->p.gxc, ctx->p.p, ctx->ctx);
 329    /* t1 = t2 * g^{xd} = g^{xa + xc + xd} */
 330     BN_mod_mul(t1, t2, ctx->p.gxd, ctx->p.p, ctx->ctx);
 331    /* t2 = xb * s */
 332     BN_mod_mul(t2, ctx->xb, ctx->secret, ctx->p.q, ctx->ctx);
 333
 334    /*
 335     * ZKP(xb * s)
 336     * XXX: this is kinda funky, because we're using
 337     *
 338     * g' = g^{xa + xc + xd}
 339     *
 340     * as the generator, which means X is g'^{xb * s}
 341     * X = t1^{t2} = t1^{xb * s} = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
 342     */
 343     generate_step_part(send, t2, t1, ctx);
 344
 345    /* cleanup */
 346     BN_free(t1);
 347     BN_free(t2);
 348
 349     return 1;
 350     }
 351
 352 /* gx = g^{xc + xa + xb} * xd * s */
 353 static int compute_key(JPAKE_CTX *ctx, const BIGNUM *gx)
 354     {
 355     BIGNUM *t1 = BN_new();
 356     BIGNUM *t2 = BN_new();
 357     BIGNUM *t3 = BN_new();
 358
 359    /*
 360     * K = (gx/g^{xb * xd * s})^{xb}
 361     *   = (g^{(xc + xa + xb) * xd * s - xb * xd *s})^{xb}
 362     *   = (g^{(xa + xc) * xd * s})^{xb}
 363     *   = g^{(xa + xc) * xb * xd * s}
 364     * [which is the same regardless of who calculates it]
 365     */
 366
 367    /* t1 = (g^{xd})^{xb} = g^{xb * xd} */
 368     BN_mod_exp(t1, ctx->p.gxd, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 369    /* t2 = -s = q-s */
 370     BN_sub(t2, ctx->p.q, ctx->secret);
 371    /* t3 = t1^t2 = g^{-xb * xd * s} */
 372     BN_mod_exp(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 373    /* t1 = gx * t3 = X/g^{xb * xd * s} */
 374     BN_mod_mul(t1, gx, t3, ctx->p.p, ctx->ctx);
 375    /* K = t1^{xb} */
 376     BN_mod_exp(ctx->key, t1, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
 377
 378    /* cleanup */
 379     BN_free(t3);
 380     BN_free(t2);
 381     BN_free(t1);
 382
 383     return 1;
 384     }
 385
 386 int JPAKE_STEP2_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP2 *received)
 387     {
 388     BIGNUM *t1 = BN_new();
 389     BIGNUM *t2 = BN_new();
 390     int ret = 0;
 391
 392    /*
 393     * g' = g^{xc + xa + xb} [from our POV]
 394     * t1 = xa + xb
 395     */
 396     BN_mod_add(t1, ctx->xa, ctx->xb, ctx->p.q, ctx->ctx);
 397    /* t2 = g^{t1} = g^{xa+xb} */
 398     BN_mod_exp(t2, ctx->p.g, t1, ctx->p.p, ctx->ctx);
 399    /* t1 = g^{xc} * t2 = g^{xc + xa + xb} */
 400     BN_mod_mul(t1, ctx->p.gxc, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
 401
 402     if(verify_zkp(received, t1, ctx))
 403         ret = 1;
 404     else
 405         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP2_PROCESS, JPAKE_R_VERIFY_B_FAILED);
 406
 407     compute_key(ctx, received->gx);
 408
 409    /* cleanup */
 410     BN_free(t2);
 411     BN_free(t1);
 412
 413     return ret;
 414     }
 415
 416 static void quickhashbn(unsigned char *md, const BIGNUM *bn)
 417     {
 418     SHA_CTX sha;
 419
 420     SHA1_Init(&sha);
 421     hashbn(&sha, bn);
 422     SHA1_Final(md, &sha);
 423     }
 424
 425 void JPAKE_STEP3A_init(JPAKE_STEP3A *s3a)
 426     {}
 427
 428 int JPAKE_STEP3A_generate(JPAKE_STEP3A *send, JPAKE_CTX *ctx)
 429     {
 430     quickhashbn(send->hhk, ctx->key);
 431     SHA1(send->hhk, sizeof send->hhk, send->hhk);
 432
 433     return 1;
 434     }
 435
 436 int JPAKE_STEP3A_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3A *received)
 437     {
 438     unsigned char hhk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 439
 440     quickhashbn(hhk, ctx->key);
 441     SHA1(hhk, sizeof hhk, hhk);
 442     if(memcmp(hhk, received->hhk, sizeof hhk))
 443         {
 444         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3A_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 445         return 0;
 446         }
 447     return 1;
 448     }
 449
 450 void JPAKE_STEP3A_release(JPAKE_STEP3A *s3a)
 451     {}
 452
 453 void JPAKE_STEP3B_init(JPAKE_STEP3B *s3b)
 454     {}
 455
 456 int JPAKE_STEP3B_generate(JPAKE_STEP3B *send, JPAKE_CTX *ctx)
 457     {
 458     quickhashbn(send->hk, ctx->key);
 459
 460     return 1;
 461     }
 462
 463 int JPAKE_STEP3B_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3B *received)
 464     {
 465     unsigned char hk[SHA_DIGEST_LENGTH];
 466
 467     quickhashbn(hk, ctx->key);
 468     if(memcmp(hk, received->hk, sizeof hk))
 469         {
 470         JPAKEerr(JPAKE_F_JPAKE_STEP3B_PROCESS, JPAKE_R_HASH_OF_KEY_MISMATCH);
 471         return 0;
 472         }
 473     return 1;
 474     }
 475
 476 void JPAKE_STEP3B_release(JPAKE_STEP3B *s3b)
 477     {}
 478
 479 const BIGNUM *JPAKE_get_shared_key(JPAKE_CTX *ctx)
 480     {
 481     return ctx->key;
 482     }
 483