gost_ec_sign.c

   1 /**********************************************************************
   2  *                        gost_ec_sign.c                              *
   3  *             Copyright (c) 2005-2013 Cryptocom LTD                  *
   4  *         This file is distributed under the same license as OpenSSL *
   5  *                                                                    *
   6  *          Implementation of GOST R 34.10-2001                       *
   7  *          Requires OpenSSL 1.0.0+ for compilation                   *
   8  **********************************************************************/
   9 #include "gost_lcl.h"
  10 #include <string.h>
  11 #include <openssl/rand.h>
  12 #include <openssl/ecdsa.h>
  13 #include <openssl/err.h>
  14 #include "e_gost_err.h"
  15 #ifdef DEBUG_SIGN
  16 extern
  17 void dump_signature(const char *message, const unsigned char *buffer,
  18                     size_t len);
  19 void dump_dsa_sig(const char *message, ECDSA_SIG *sig);
  20 #else
  21
  22 # define dump_signature(a,b,c)
  23 # define dump_dsa_sig(a,b)
  24 #endif
  25
  26 /* Convert little-endian byte array into bignum */
  27 BIGNUM *hashsum2bn(const unsigned char *dgst, int len)
  28 {
  29     unsigned char buf[64];
  30     int i;
  31
  32     if (len > sizeof(buf))
  33         return NULL;
  34
  35     for (i = 0; i < len; i++) {
  36         buf[len - i - 1] = dgst[i];
  37     }
  38     return BN_bin2bn(buf, len, NULL);
  39 }
  40
  41 static R3410_ec_params *gost_nid2params(int nid)
  42 {
  43     R3410_ec_params *params;
  44
  45     /* Map tc26-2012 256-bit parameters to cp-2001 parameters */
  46     switch (nid) {
  47         case NID_id_tc26_gost_3410_2012_256_paramSetB:
  48             nid = NID_id_GostR3410_2001_CryptoPro_A_ParamSet;
  49             break;
  50         case NID_id_tc26_gost_3410_2012_256_paramSetC:
  51             nid = NID_id_GostR3410_2001_CryptoPro_B_ParamSet;
  52             break;
  53         case NID_id_tc26_gost_3410_2012_256_paramSetD:
  54             nid = NID_id_GostR3410_2001_CryptoPro_C_ParamSet;
  55     }
  56
  57     /* Search nid in 2012 paramset */
  58     params = R3410_2012_512_paramset;
  59     while (params->nid != NID_undef) {
  60         if (params->nid == nid)
  61             return params;
  62         params++;
  63     }
  64
  65     /* Search nid in 2001 paramset */
  66     params = R3410_2001_paramset;
  67     while (params->nid != NID_undef) {
  68         if (params->nid == nid)
  69             return params;
  70         params++;
  71     }
  72
  73     return NULL;
  74 }
  75
  76 /*
  77  * Fills EC_KEY structure hidden in the app_data field of DSA structure
  78  * with parameter information, extracted from parameter array in
  79  * params.c file.
  80  *
  81  * Also fils DSA->q field with copy of EC_GROUP order field to make
  82  * DSA_size function work
  83  */
  84 int fill_GOST_EC_params(EC_KEY *eckey, int nid)
  85 {
  86     R3410_ec_params *params = gost_nid2params(nid);
  87     EC_GROUP *grp = NULL;
  88     EC_POINT *P = NULL;
  89     BIGNUM *p = NULL, *q = NULL, *a = NULL, *b = NULL, *x = NULL, *y =
  90         NULL, *cofactor = NULL;
  91     BN_CTX *ctx;
  92     int ok = 0;
  93
  94     if (!eckey || !params) {
  95         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, GOST_R_UNSUPPORTED_PARAMETER_SET);
  96         return 0;
  97     }
  98
  99     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 100         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 101         return 0;
 102     }
 103
 104     BN_CTX_start(ctx);
 105     p = BN_CTX_get(ctx);
 106     a = BN_CTX_get(ctx);
 107     b = BN_CTX_get(ctx);
 108     x = BN_CTX_get(ctx);
 109     y = BN_CTX_get(ctx);
 110     q = BN_CTX_get(ctx);
 111     cofactor = BN_CTX_get(ctx);
 112     if (!p || !a || !b || !x || !y || !q || !cofactor) {
 113         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 114         goto end;
 115     }
 116
 117     if (!BN_hex2bn(&p, params->p)
 118         || !BN_hex2bn(&a, params->a)
 119         || !BN_hex2bn(&b, params->b)
 120         || !BN_hex2bn(&cofactor, params->cofactor)) {
 121         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 122         goto end;
 123     }
 124
 125     grp = EC_GROUP_new_curve_GFp(p, a, b, ctx);
 126     if (!grp) {
 127         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 128         goto end;
 129     }
 130
 131     P = EC_POINT_new(grp);
 132     if (!P) {
 133         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 134         goto end;
 135     }
 136
 137     if (!BN_hex2bn(&x, params->x)
 138         || !BN_hex2bn(&y, params->y)
 139         || !EC_POINT_set_affine_coordinates(grp, P, x, y, ctx)
 140         || !BN_hex2bn(&q, params->q)) {
 141         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 142         goto end;
 143     }
 144
 145     if (!EC_GROUP_set_generator(grp, P, q, cofactor)) {
 146         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 147         goto end;
 148     }
 149     EC_GROUP_set_curve_name(grp, nid);
 150     if (!EC_KEY_set_group(eckey, grp)) {
 151         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 152         goto end;
 153     }
 154     ok = 1;
 155  end:
 156     if (P)
 157         EC_POINT_free(P);
 158     if (grp)
 159         EC_GROUP_free(grp);
 160     BN_CTX_end(ctx);
 161     BN_CTX_free(ctx);
 162     return ok;
 163 }
 164
 165 /*
 166  * Computes gost_ec signature as ECDSA_SIG structure
 167  *
 168  */
 169 ECDSA_SIG *gost_ec_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, EC_KEY *eckey)
 170 {
 171     ECDSA_SIG *newsig = NULL, *ret = NULL;
 172     BIGNUM *md = NULL;
 173     BIGNUM *order = NULL;
 174     const EC_GROUP *group;
 175     const BIGNUM *priv_key;
 176     BIGNUM *r = NULL, *s = NULL, *X = NULL, *tmp = NULL, *tmp2 = NULL,
 177         *k = NULL, *e = NULL;
 178
 179     BIGNUM *new_r = NULL, *new_s = NULL;
 180
 181     EC_POINT *C = NULL;
 182     BN_CTX *ctx;
 183
 184     OPENSSL_assert(dgst != NULL && eckey != NULL);
 185
 186     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 187         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 188         return NULL;
 189     }
 190
 191     BN_CTX_start(ctx);
 192     OPENSSL_assert(dlen == 32 || dlen == 64);
 193     md = hashsum2bn(dgst, dlen);
 194     newsig = ECDSA_SIG_new();
 195     if (!newsig || !md) {
 196         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 197         goto err;
 198     }
 199     group = EC_KEY_get0_group(eckey);
 200     if (!group) {
 201         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 202         goto err;
 203     }
 204     order = BN_CTX_get(ctx);
 205     if (!order || !EC_GROUP_get_order(group, order, ctx)) {
 206         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 207         goto err;
 208     }
 209     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(eckey);
 210     if (!priv_key) {
 211         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 212         goto err;
 213     }
 214     e = BN_CTX_get(ctx);
 215     if (!e || !BN_mod(e, md, order, ctx)) {
 216         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 217         goto err;
 218     }
 219 #ifdef DEBUG_SIGN
 220     fprintf(stderr, "digest as bignum=");
 221     BN_print_fp(stderr, md);
 222     fprintf(stderr, "\ndigest mod q=");
 223     BN_print_fp(stderr, e);
 224     fprintf(stderr, "\n");
 225 #endif
 226     if (BN_is_zero(e)) {
 227         BN_one(e);
 228     }
 229     k = BN_CTX_get(ctx);
 230     C = EC_POINT_new(group);
 231     if (!k || !C) {
 232         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 233         goto err;
 234     }
 235
 236     do {
 237         do {
 238             if (!BN_rand_range(k, order)) {
 239                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, GOST_R_RNG_ERROR);
 240                 goto err;
 241             }
 242             /*
 243              * To avoid timing information leaking the length of k,
 244              * compute C*k using an equivalent scalar of fixed bit-length */
 245             if (!BN_add(k, k, order)
 246                 || (BN_num_bits(k) <= BN_num_bits(order)
 247                     && !BN_add(k, k, order))) {
 248                 goto err;
 249             }
 250             if (!EC_POINT_mul(group, C, k, NULL, NULL, ctx)) {
 251                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_EC_LIB);
 252                 goto err;
 253             }
 254             if (!X)
 255                 X = BN_CTX_get(ctx);
 256             if (!r)
 257                 r = BN_CTX_get(ctx);
 258             if (!X || !r) {
 259                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 260                 goto err;
 261             }
 262             if (!EC_POINT_get_affine_coordinates(group, C, X, NULL, ctx)) {
 263                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_EC_LIB);
 264                 goto err;
 265             }
 266
 267             if (!BN_nnmod(r, X, order, ctx)) {
 268                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 269                 goto err;
 270             }
 271         }
 272         while (BN_is_zero(r));
 273         /* s =  (r*priv_key+k*e) mod order */
 274         if (!tmp)
 275             tmp = BN_CTX_get(ctx);
 276         if (!tmp2)
 277             tmp2 = BN_CTX_get(ctx);
 278         if (!s)
 279             s = BN_CTX_get(ctx);
 280         if (!tmp || !tmp2 || !s) {
 281             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 282             goto err;
 283         }
 284
 285         if (!BN_mod_mul(tmp, priv_key, r, order, ctx)
 286             || !BN_mod_mul(tmp2, k, e, order, ctx)
 287             || !BN_mod_add(s, tmp, tmp2, order, ctx)) {
 288             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 289             goto err;
 290         }
 291     }
 292     while (BN_is_zero(s));
 293
 294     new_s = BN_dup(s);
 295     new_r = BN_dup(r);
 296     if (!new_s || !new_r) {
 297         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 298         goto err;
 299     }
 300     ECDSA_SIG_set0(newsig, new_r, new_s);
 301
 302     ret = newsig;
 303  err:
 304     BN_CTX_end(ctx);
 305     BN_CTX_free(ctx);
 306     if (C)
 307         EC_POINT_free(C);
 308     if (md)
 309         BN_free(md);
 310     if (!ret && newsig) {
 311         ECDSA_SIG_free(newsig);
 312     }
 313     return ret;
 314 }
 315
 316 /*
 317  * Verifies gost ec signature
 318  *
 319  */
 320 int gost_ec_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 321                    ECDSA_SIG *sig, EC_KEY *ec)
 322 {
 323     BN_CTX *ctx;
 324     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 325     BIGNUM *order;
 326     BIGNUM *md = NULL, *e = NULL, *R = NULL, *v = NULL, *z1 = NULL, *z2 = NULL;
 327     const BIGNUM *sig_s = NULL, *sig_r = NULL;
 328     BIGNUM *X = NULL, *tmp = NULL;
 329     EC_POINT *C = NULL;
 330     const EC_POINT *pub_key = NULL;
 331     int ok = 0;
 332
 333     OPENSSL_assert(dgst != NULL && sig != NULL && group != NULL);
 334
 335     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 336         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 337         return 0;
 338     }
 339
 340     BN_CTX_start(ctx);
 341     order = BN_CTX_get(ctx);
 342     e = BN_CTX_get(ctx);
 343     z1 = BN_CTX_get(ctx);
 344     z2 = BN_CTX_get(ctx);
 345     tmp = BN_CTX_get(ctx);
 346     X = BN_CTX_get(ctx);
 347     R = BN_CTX_get(ctx);
 348     v = BN_CTX_get(ctx);
 349     if (!order || !e || !z1 || !z2 || !tmp || !X || !R || !v) {
 350         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 351         goto err;
 352     }
 353
 354     pub_key = EC_KEY_get0_public_key(ec);
 355     if (!pub_key || !EC_GROUP_get_order(group, order, ctx)) {
 356         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 357         goto err;
 358     }
 359
 360     ECDSA_SIG_get0(sig, &sig_r, &sig_s);
 361
 362     if (BN_is_zero(sig_s) || BN_is_zero(sig_r) ||
 363         (BN_cmp(sig_s, order) >= 1) || (BN_cmp(sig_r, order) >= 1)) {
 364         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_PARTS_GREATER_THAN_Q);
 365         goto err;
 366
 367     }
 368
 369     OPENSSL_assert(dgst_len == 32 || dgst_len == 64);
 370     md = hashsum2bn(dgst, dgst_len);
 371     if (!md || !BN_mod(e, md, order, ctx)) {
 372         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 373         goto err;
 374     }
 375 #ifdef DEBUG_SIGN
 376     fprintf(stderr, "digest as bignum: ");
 377     BN_print_fp(stderr, md);
 378     fprintf(stderr, "\ndigest mod q: ");
 379     BN_print_fp(stderr, e);
 380 #endif
 381     if (BN_is_zero(e) && !BN_one(e)) {
 382         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 383         goto err;
 384     }
 385     v = BN_mod_inverse(v, e, order, ctx);
 386     if (!v || !BN_mod_mul(z1, sig_s, v, order, ctx)
 387         || !BN_sub(tmp, order, sig_r)
 388         || !BN_mod_mul(z2, tmp, v, order, ctx)) {
 389         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 390         goto err;
 391     }
 392 #ifdef DEBUG_SIGN
 393     fprintf(stderr, "\nInverted digest value: ");
 394     BN_print_fp(stderr, v);
 395     fprintf(stderr, "\nz1: ");
 396     BN_print_fp(stderr, z1);
 397     fprintf(stderr, "\nz2: ");
 398     BN_print_fp(stderr, z2);
 399 #endif
 400     C = EC_POINT_new(group);
 401     if (!C) {
 402         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 403         goto err;
 404     }
 405     if (!EC_POINT_mul(group, C, z1, pub_key, z2, ctx)) {
 406         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 407         goto err;
 408     }
 409     if (!EC_POINT_get_affine_coordinates(group, C, X, NULL, ctx)) {
 410         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 411         goto err;
 412     }
 413     if (!BN_mod(R, X, order, ctx)) {
 414         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 415         goto err;
 416     }
 417 #ifdef DEBUG_SIGN
 418     fprintf(stderr, "\nX=");
 419     BN_print_fp(stderr, X);
 420     fprintf(stderr, "\nX mod q=");
 421     BN_print_fp(stderr, R);
 422     fprintf(stderr, "\n");
 423 #endif
 424     if (BN_cmp(R, sig_r) != 0) {
 425         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_MISMATCH);
 426     } else {
 427         ok = 1;
 428     }
 429  err:
 430     if (C)
 431         EC_POINT_free(C);
 432     BN_CTX_end(ctx);
 433     BN_CTX_free(ctx);
 434     if (md)
 435         BN_free(md);
 436     return ok;
 437 }
 438
 439 /*
 440  * Computes GOST R 34.10-2001 public key
 441  * or GOST R 34.10-2012 public key
 442  *
 443  */
 444 int gost_ec_compute_public(EC_KEY *ec)
 445 {
 446     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 447     EC_POINT *pub_key = NULL;
 448     const BIGNUM *priv_key = NULL;
 449     BN_CTX *ctx = NULL;
 450     int ok = 0;
 451
 452     if (!group) {
 453         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, GOST_R_KEY_IS_NOT_INITIALIZED);
 454         return 0;
 455     }
 456
 457     ctx = BN_CTX_new();
 458     if (!ctx) {
 459         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 460         return 0;
 461     }
 462
 463     BN_CTX_start(ctx);
 464     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(ec);
 465     if (!priv_key) {
 466         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 467         goto err;
 468     }
 469
 470     pub_key = EC_POINT_new(group);
 471     if (!pub_key) {
 472         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 473         goto err;
 474     }
 475
 476     if (!EC_POINT_mul(group, pub_key, priv_key, NULL, NULL, ctx)) {
 477         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 478         goto err;
 479     }
 480     if (!EC_KEY_set_public_key(ec, pub_key)) {
 481         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 482         goto err;
 483     }
 484     ok = 1;
 485  err:
 486     if (pub_key)
 487         EC_POINT_free(pub_key);
 488     BN_CTX_end(ctx);
 489     BN_CTX_free(ctx);
 490     return ok;
 491 }
 492
 493 /*
 494  *
 495  * Generates GOST R 34.10-2001
 496  * or GOST R 34.10-2012 keypair
 497  *
 498  */
 499 int gost_ec_keygen(EC_KEY *ec)
 500 {
 501     BIGNUM *order = NULL, *d = NULL;
 502     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 503     int ok = 0;
 504
 505     if (!group) {
 506         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 507         return 0;
 508     }
 509
 510     order = BN_new();
 511     d = BN_new();
 512     if (!order || !d) {
 513         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 514         goto end;
 515     }
 516
 517     if (!EC_GROUP_get_order(group, order, NULL)) {
 518         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 519         goto end;
 520     }
 521
 522     do {
 523         if (!BN_rand_range(d, order)) {
 524             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, GOST_R_RNG_ERROR);
 525             goto end;
 526         }
 527     }
 528     while (BN_is_zero(d));
 529
 530     if (!EC_KEY_set_private_key(ec, d)) {
 531         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 532         goto end;
 533     }
 534
 535     ok = 1;
 536  end:
 537     if (d)
 538         BN_free(d);
 539     if (order)
 540         BN_free(order);
 541
 542     return (ok) ? gost_ec_compute_public(ec) : 0;
 543 }