gost_gost2015.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2020 Dmitry Belyavskiy <beldmit@gmail.com>
   3  *
   4  * Contents licensed under the terms of the OpenSSL license
   5  * See https://www.openssl.org/source/license.html for details
   6  */
   7 #include "gost_lcl.h"
   8 #include "gost_gost2015.h"
   9 #include "gost_grasshopper_defines.h"
  10 #include "gost_grasshopper_math.h"
  11 #include "e_gost_err.h"
  12 #include <string.h>
  13 #include <openssl/rand.h>
  14
  15 int gost2015_final_call(EVP_CIPHER_CTX *ctx, EVP_MD_CTX *omac_ctx, size_t mac_size,
  16     unsigned char *encrypted_mac,
  17     int (*do_cipher) (EVP_CIPHER_CTX *ctx,
  18     unsigned char *out,
  19     const unsigned char *in,
  20     size_t inl))
  21 {
  22     unsigned char calculated_mac[KUZNYECHIK_MAC_MAX_SIZE];
  23     memset(calculated_mac, 0, KUZNYECHIK_MAC_MAX_SIZE);
  24
  25     if (EVP_CIPHER_CTX_encrypting(ctx)) {
  26         EVP_DigestSignFinal(omac_ctx, calculated_mac, &mac_size);
  27
  28         if (do_cipher(ctx, encrypted_mac, calculated_mac, mac_size) <= 0) {
  29             return -1;
  30         }
  31     } else {
  32         unsigned char expected_mac[KUZNYECHIK_MAC_MAX_SIZE];
  33
  34         memset(expected_mac, 0, KUZNYECHIK_MAC_MAX_SIZE);
  35         EVP_DigestSignFinal(omac_ctx, calculated_mac, &mac_size);
  36
  37         if (do_cipher(ctx, expected_mac, encrypted_mac, mac_size) <= 0) {
  38             return -1;
  39         }
  40
  41         if (CRYPTO_memcmp(expected_mac, calculated_mac, mac_size) != 0)
  42             return -1;
  43     }
  44     return 0;
  45 }
  46
  47 /*
  48  * UKM = iv|kdf_seed
  49  * */
  50 #define MAX_GOST2015_UKM_SIZE 16
  51 #define KDF_SEED_SIZE 8
  52 int gost2015_get_asn1_params(const ASN1_TYPE *params, size_t ukm_size,
  53     unsigned char *iv, size_t ukm_offset, unsigned char *kdf_seed)
  54 {
  55     int iv_len = 16;
  56     GOST2015_CIPHER_PARAMS *gcp = NULL;
  57
  58     unsigned char *p = NULL;
  59
  60     memset(iv, 0, iv_len);
  61
  62     /* Проверяем тип params */
  63     if (ASN1_TYPE_get(params) != V_ASN1_SEQUENCE) {
  64         GOSTerr(GOST_F_GOST2015_GET_ASN1_PARAMS, GOST_R_INVALID_CIPHER_PARAMS);
  65         return 0;
  66     }
  67
  68     p = params->value.sequence->data;
  69     /* Извлекаем структуру параметров */
  70     gcp = d2i_GOST2015_CIPHER_PARAMS(NULL, (const unsigned char **)&p, params->value.sequence->length);
  71     if (gcp == NULL) {
  72         GOSTerr(GOST_F_GOST2015_GET_ASN1_PARAMS, GOST_R_INVALID_CIPHER_PARAMS);
  73         return 0;
  74     }
  75
  76     /* Проверяем длину синхропосылки */
  77     if (gcp->ukm->length != (int)ukm_size) {
  78         GOSTerr(GOST_F_GOST2015_GET_ASN1_PARAMS, GOST_R_INVALID_CIPHER_PARAMS);
  79         GOST2015_CIPHER_PARAMS_free(gcp);
  80         return 0;
  81     }
  82
  83     memcpy(iv, gcp->ukm->data, ukm_offset);
  84     memcpy(kdf_seed, gcp->ukm->data+ukm_offset, KDF_SEED_SIZE);
  85
  86     GOST2015_CIPHER_PARAMS_free(gcp);
  87     return 1;
  88 }
  89
  90 int gost2015_set_asn1_params(ASN1_TYPE *params,
  91     const unsigned char *iv, size_t iv_size, const unsigned char *kdf_seed)
  92 {
  93     GOST2015_CIPHER_PARAMS *gcp = GOST2015_CIPHER_PARAMS_new();
  94     int ret = 0, len = 0;
  95
  96     ASN1_OCTET_STRING *os = NULL;
  97     unsigned char ukm_buf[MAX_GOST2015_UKM_SIZE];
  98     unsigned char *buf = NULL;
  99
 100     if (gcp == NULL) {
 101         GOSTerr(GOST_F_GOST2015_SET_ASN1_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 102         return 0;
 103     }
 104
 105     memcpy(ukm_buf, iv, iv_size);
 106     memcpy(ukm_buf+iv_size, kdf_seed, KDF_SEED_SIZE);
 107
 108     if (ASN1_STRING_set(gcp->ukm, ukm_buf, iv_size + KDF_SEED_SIZE) == 0) {
 109         GOSTerr(GOST_F_GOST2015_SET_ASN1_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 110         goto end;
 111     }
 112
 113     len = i2d_GOST2015_CIPHER_PARAMS(gcp, &buf);
 114
 115     if (len <= 0
 116        || (os = ASN1_OCTET_STRING_new()) == NULL
 117        || ASN1_OCTET_STRING_set(os, buf, len) == 0) {
 118         goto end;
 119   }
 120
 121     ASN1_TYPE_set(params, V_ASN1_SEQUENCE, os);
 122     ret = 1;
 123
 124 end:
 125     OPENSSL_free(buf);
 126     if (ret <= 0 && os)
 127         ASN1_OCTET_STRING_free(os);
 128
 129     GOST2015_CIPHER_PARAMS_free(gcp);
 130     return ret;
 131 }
 132
 133 int gost2015_process_unprotected_attributes(
 134     STACK_OF(X509_ATTRIBUTE) *attrs,
 135     int encryption, size_t mac_len, unsigned char *final_tag)
 136 {
 137     if (encryption == 0) /*Decrypting*/ {
 138         ASN1_OCTET_STRING *osExpectedMac = X509at_get0_data_by_OBJ(attrs,
 139             OBJ_txt2obj(OID_GOST_CMS_MAC, 1), -3, V_ASN1_OCTET_STRING);
 140
 141         if (!osExpectedMac || osExpectedMac->length != (int)mac_len)
 142             return -1;
 143
 144         memcpy(final_tag, osExpectedMac->data, osExpectedMac->length);
 145     } else {
 146         if (attrs == NULL)
 147             return -1;
 148         return (X509at_add1_attr_by_OBJ(&attrs,
 149                OBJ_txt2obj(OID_GOST_CMS_MAC, 1),
 150                V_ASN1_OCTET_STRING, final_tag,
 151                mac_len) == NULL) ? -1 : 1;
 152     }
 153     return 1;
 154 }
 155
 156 int gost2015_acpkm_omac_init(int nid, int enc, const unsigned char *inkey,
 157                              EVP_MD_CTX *omac_ctx,
 158                              unsigned char *outkey, unsigned char *kdf_seed)
 159 {
 160     int ret = 0;
 161     unsigned char keys[64];
 162     const EVP_MD *md = EVP_get_digestbynid(nid);
 163     EVP_PKEY *mac_key;
 164
 165     if (md == NULL)
 166         return 0;
 167
 168     if (enc) {
 169         if (RAND_bytes(kdf_seed, 8) != 1)
 170             return 0;
 171     }
 172
 173     if (gost_kdftree2012_256(keys, 64, inkey, 32,
 174        (const unsigned char *)"kdf tree", 8, kdf_seed, 8, 1) <= 0)
 175         return 0;
 176
 177     mac_key = EVP_PKEY_new_mac_key(nid, NULL, keys+32, 32);
 178
 179     if (mac_key == NULL)
 180         goto end;
 181
 182     if (EVP_DigestInit_ex(omac_ctx, md, NULL) <= 0 ||
 183        EVP_DigestSignInit(omac_ctx, NULL, md, NULL, mac_key) <= 0)
 184         goto end;
 185
 186     memcpy(outkey, keys, 32);
 187
 188     ret = 1;
 189 end:
 190     EVP_PKEY_free(mac_key);
 191     OPENSSL_cleanse(keys, sizeof(keys));
 192
 193     return ret;
 194 }
 195
 196 int init_zero_kdf_seed(unsigned char *kdf_seed)
 197 {
 198     int is_zero_kdfseed = 1, i;
 199     for (i = 0; i < 8; i++) {
 200         if (kdf_seed[i] != 0)
 201             is_zero_kdfseed = 0;
 202     }
 203
 204     return is_zero_kdfseed ? RAND_bytes(kdf_seed, 8) : 1;
 205 }
 206
 207 void gost_mgm128_init(mgm128_context *ctx, void *key, block128_f block, mul128_f mul_gf, int blen)
 208 {
 209     memset(ctx, 0, sizeof(*ctx));
 210     ctx->block = block;
 211     ctx->mul_gf = mul_gf;
 212     ctx->key = key;
 213     ctx->blocklen = blen;
 214
 215     /* some precalculations place here
 216      *
 217      */
 218 }
 219
 220 int gost_mgm128_setiv(mgm128_context *ctx, const unsigned char *iv,
 221                          size_t len)
 222 {
 223     ctx->len.u[0] = 0;          /* AAD length */
 224     ctx->len.u[1] = 0;          /* message length */
 225     ctx->ares = 0;
 226     ctx->mres = 0;
 227
 228     ctx->ACi.u[0] = 0;
 229     ctx->ACi.u[1] = 0;
 230
 231     memcpy(ctx->nonce.c, iv, ctx->blocklen);
 232     ctx->nonce.c[0] &= 0x7f;    /* IV - random vector, but 1st bit should be 0 */
 233     return 1;
 234 }
 235
 236 int gost_mgm128_aad(mgm128_context *ctx, const unsigned char *aad,
 237                       size_t len)
 238 {
 239     size_t i;
 240     unsigned int n;
 241     uint64_t alen = ctx->len.u[0];
 242     block128_f block = ctx->block;
 243     mul128_f mul_gf = ctx->mul_gf;
 244     void *key = ctx->key;
 245     int bl = ctx->blocklen;
 246
 247     if (ctx->len.u[1]) {
 248         GOSTerr(GOST_F_GOST_MGM128_AAD,
 249                 GOST_R_BAD_ORDER);
 250         return -2;
 251     }
 252
 253     if (alen == 0) {
 254         ctx->nonce.c[0] |= 0x80;
 255         (*block) (ctx->nonce.c, ctx->Zi.c, key);    // Z_1 = E_K(1 || nonce)
 256     }
 257
 258     alen += len;
 259     if (alen > (U64(1) << (bl * 4 - 3)) ||      // < 2^(n/2)  (len stores in bytes)
 260         (sizeof(len) == 8 && alen < len)) {
 261             GOSTerr(GOST_F_GOST_MGM128_AAD,
 262                     GOST_R_DATA_TOO_LARGE);
 263             return -1;
 264         }
 265     ctx->len.u[0] = alen;
 266
 267     n = ctx->ares;
 268     if (n) {
 269         /* Finalize partial_data */
 270         while (n && len) {
 271             ctx->ACi.c[n] = *(aad++);
 272             --len;
 273             n = (n + 1) % bl;
 274         }
 275         if (n == 0) {
 276             (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                   // H_i = E_K(Z_i)
 277             mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, ctx->ACi.u);              // H_i (x) A_i
 278             grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,    // acc XOR
 279               (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 280             inc_counter(ctx->Zi.c, bl / 2);                              // Z_{i+1} = incr_l(Z_i)
 281         } else {
 282             ctx->ares = n;
 283             return 0;
 284         }
 285     }
 286     while (len >= bl) {
 287         (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                       // H_i = E_K(Z_i)
 288         mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, (uint64_t *)aad);             // H_i (x) A_i
 289         grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,        // acc XOR
 290             (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 291         inc_counter(ctx->Zi.c, bl / 2);                                  // Z_{i+1} = incr_l(Z_i)
 292         aad += bl;
 293         len -= bl;
 294     }
 295     if (len) {
 296         n = (unsigned int)len;
 297         for (i = 0; i < len; ++i)
 298             ctx->ACi.c[i] = aad[i];
 299     }
 300
 301     ctx->ares = n;
 302     return 0;
 303 }
 304
 305 int gost_mgm128_encrypt(mgm128_context *ctx, const unsigned char *in,
 306                           unsigned char *out, size_t len)
 307 {
 308     size_t i;
 309     unsigned int n, mres;
 310     uint64_t alen = ctx->len.u[0];
 311     uint64_t mlen = ctx->len.u[1];
 312     block128_f block = ctx->block;
 313     mul128_f mul_gf = ctx->mul_gf;
 314     void *key = ctx->key;
 315     int bl = ctx->blocklen;
 316
 317     if (mlen == 0) {
 318         ctx->nonce.c[0] &= 0x7f;
 319         (*block) (ctx->nonce.c, ctx->Yi.c, key);    // Y_1 = E_K(0 || nonce)
 320     }
 321
 322     mlen += len;
 323
 324     if (mlen > (U64(1) << (bl * 4 - 3)) ||     // < 2^(n/2)  (len stores in bytes)
 325         (sizeof(len) == 8 && mlen < len) ||
 326         (mlen + alen) > (U64(1) << (bl * 4 - 3))) {
 327             GOSTerr(GOST_F_GOST_MGM128_ENCRYPT,
 328                     GOST_R_DATA_TOO_LARGE);
 329             return -1;
 330         }
 331     ctx->len.u[1] = mlen;
 332
 333     mres = ctx->mres;
 334
 335     if (ctx->ares) {
 336         /* First call to encrypt finalizes AAD */
 337         memset(ctx->ACi.c + ctx->ares, 0, bl - ctx->ares);
 338         (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                   // H_i = E_K(Z_i)
 339         mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, ctx->ACi.u);              // H_i (x) A_i
 340         grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,    // acc XOR
 341             (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 342         inc_counter(ctx->Zi.c, bl / 2);                         // Z_{i+1} = incr_l(Z_i)
 343
 344         ctx->ares = 0;
 345     }
 346
 347     n = mres % bl;
 348     // TODO: full blocks
 349     for (i = 0; i < len; ++i) {
 350         if (n == 0) {
 351             (*block) (ctx->Yi.c, ctx->EKi.c, key);          // E_K(Y_i)
 352             inc_counter(ctx->Yi.c + bl / 2, bl / 2);        // Y_i = incr_r(Y_{i-1})
 353         }
 354         ctx->ACi.c[n] = out[i] = in[i] ^ ctx->EKi.c[n];     // C_i = P_i (xor) E_K(Y_i)
 355         mres = n = (n + 1) % bl;
 356         if (n == 0) {
 357             (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                   // H_i = E_K(Z_i)
 358             mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, ctx->ACi.u);              // H_i (x) C_i
 359             grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,    // acc XOR
 360                 (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 361             inc_counter(ctx->Zi.c, bl / 2);                         // Z_{i+1} = incr_l(Z_i)
 362         }
 363     }
 364
 365     ctx->mres = mres;
 366     return 0;
 367 }
 368
 369 int gost_mgm128_decrypt(mgm128_context *ctx, const unsigned char *in,
 370                           unsigned char *out, size_t len)
 371 {
 372     size_t i;
 373     unsigned int n, mres;
 374     uint64_t alen = ctx->len.u[0];
 375     uint64_t mlen = ctx->len.u[1];
 376     block128_f block = ctx->block;
 377     mul128_f mul_gf = ctx->mul_gf;
 378     void *key = ctx->key;
 379     int bl = ctx->blocklen;
 380
 381     if (mlen == 0) {
 382         ctx->nonce.c[0] &= 0x7f;
 383         (*block) (ctx->nonce.c, ctx->Yi.c, key);  // Y_1 = E_K(0 || nonce)
 384     }
 385
 386     mlen += len;
 387     if (mlen > (U64(1) << (bl * 4 - 3)) ||     // < 2^(n/2)  (len stores in bytes)
 388         (sizeof(len) == 8 && mlen < len) ||
 389         (mlen + alen) > (U64(1) << (bl * 4 - 3))) {
 390             GOSTerr(GOST_F_GOST_MGM128_DECRYPT,
 391                     GOST_R_DATA_TOO_LARGE);
 392             return -1;
 393         }
 394     ctx->len.u[1] = mlen;
 395
 396     mres = ctx->mres;
 397
 398     if (ctx->ares) {
 399         /* First call to encrypt finalizes AAD */
 400         memset(ctx->ACi.c + ctx->ares, 0, bl - ctx->ares);
 401         (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                   // H_i = E_K(Z_i)
 402         mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, ctx->ACi.u);              // H_i (x) A_i
 403         grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,    // acc XOR
 404             (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 405         inc_counter(ctx->Zi.c, bl / 2);                         // Z_{i+1} = incr_l(Z_i)
 406
 407         ctx->ares = 0;
 408     }
 409
 410     n = mres % bl;
 411     // TODO: full blocks
 412     for (i = 0; i < len; ++i) {
 413         uint8_t c;
 414         if (n == 0) {
 415             (*block) (ctx->Yi.c, ctx->EKi.c, key);      // E_K(Y_i)
 416             inc_counter(ctx->Yi.c + bl / 2, bl / 2);    // Y_i = incr_r(Y_{i-1})
 417         }
 418         ctx->ACi.c[n] = c = in[i];
 419         out[i] = c ^ ctx->EKi.c[n];             // P_i = C_i (xor) E_K(Y_i)
 420         mres = n = (n + 1) % bl;
 421         if (n == 0) {
 422             (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                   // H_i = E_K(Z_i)
 423             mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, ctx->ACi.u);              // H_i (x) C_i
 424             grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,    // acc XOR
 425                 (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 426             inc_counter(ctx->Zi.c, bl / 2);                         // Z_{i+1} = incr_l(Z_i)
 427         }
 428     }
 429
 430     ctx->mres = mres;
 431     return 0;
 432 }
 433
 434 int gost_mgm128_finish(mgm128_context *ctx, const unsigned char *tag,
 435                          size_t len)
 436 {
 437     uint64_t alen = ctx->len.u[0] << 3;
 438     uint64_t clen = ctx->len.u[1] << 3;
 439     block128_f block = ctx->block;
 440     mul128_f mul_gf = ctx->mul_gf;
 441     void *key = ctx->key;
 442     int bl = ctx->blocklen;
 443
 444     if (ctx->mres || ctx->ares) {
 445         /* First call to encrypt finalizes AAD/ENC */
 446         memset(ctx->ACi.c + ctx->ares + ctx->mres, 0, bl - (ctx->ares + ctx->mres));
 447         (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                   // H_i = E_K(Z_i)
 448         mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, ctx->ACi.u);              // H_i (x) [A_i or C_i]
 449         grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,    // acc XOR
 450             (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 451         inc_counter(ctx->Zi.c, bl / 2);                         // Z_{i+1} = incr_l(Z_i)
 452     }
 453
 454 #ifdef L_ENDIAN
 455     alen = BSWAP64(alen);
 456     clen = BSWAP64(clen);
 457 #endif
 458     if (bl == 16) {
 459         ctx->len.u[0] = alen;
 460         ctx->len.u[1] = clen;
 461     } else {
 462         // TODO: check for big-endian
 463         ctx->len.u[0] = (alen >> 32) | clen;
 464         ctx->len.u[1] = 0;
 465     }
 466
 467     (*block) (ctx->Zi.c, ctx->Hi.c, key);                   // H_i = E_K(Z_i)
 468     mul_gf(ctx->mul.u, ctx->Hi.u, ctx->len.u);              // H_i (x) (len(A) || len(C))
 469     grasshopper_plus128((grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u,    // acc XOR
 470             (grasshopper_w128_t*)ctx->sum.u, (grasshopper_w128_t*)ctx->mul.u);
 471     (*block) (ctx->sum.c, ctx->tag.c, key);                 // E_K(sum)
 472
 473     if (tag && len <= sizeof(ctx->tag))
 474         return CRYPTO_memcmp(ctx->tag.c, tag, len);         // MSB_S(E_K(sum))
 475     else
 476         return -1;
 477 }
 478
 479 void gost_mgm128_tag(mgm128_context *ctx, unsigned char *tag, size_t len)
 480 {
 481     gost_mgm128_finish(ctx, NULL, 0);
 482     memcpy(tag, ctx->tag.c,
 483            len <= sizeof(ctx->tag.c) ? len : sizeof(ctx->tag.c));
 484 }