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, DSA_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     /* Search nid in 2012 paramset */
  46     params = R3410_2012_512_paramset;
  47     while (params->nid != NID_undef) {
  48         if (params->nid == nid)
  49             return params;
  50         params++;
  51     }
  52
  53     /* Search nid in 2001 paramset */
  54     params = R3410_2001_paramset;
  55     while (params->nid != NID_undef) {
  56         if (params->nid == nid)
  57             return params;
  58         params++;
  59     }
  60
  61     return NULL;
  62 }
  63
  64 /*
  65  * Fills EC_KEY structure hidden in the app_data field of DSA structure
  66  * with parameter information, extracted from parameter array in
  67  * params.c file.
  68  *
  69  * Also fils DSA->q field with copy of EC_GROUP order field to make
  70  * DSA_size function work
  71  */
  72 int fill_GOST_EC_params(EC_KEY *eckey, int nid)
  73 {
  74     R3410_ec_params *params = gost_nid2params(nid);
  75     EC_GROUP *grp = NULL;
  76     EC_POINT *P = NULL;
  77     BIGNUM *p = NULL, *q = NULL, *a = NULL, *b = NULL, *x = NULL, *y =
  78         NULL, *cofactor = NULL;
  79     BN_CTX *ctx;
  80     int ok = 0;
  81
  82     if (!eckey || !params) {
  83         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, GOST_R_UNSUPPORTED_PARAMETER_SET);
  84         return 0;
  85     }
  86
  87     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
  88         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
  89         return 0;
  90     }
  91
  92     BN_CTX_start(ctx);
  93     p = BN_CTX_get(ctx);
  94     a = BN_CTX_get(ctx);
  95     b = BN_CTX_get(ctx);
  96     x = BN_CTX_get(ctx);
  97     y = BN_CTX_get(ctx);
  98     q = BN_CTX_get(ctx);
  99     cofactor = BN_CTX_get(ctx);
 100     if (!p || !a || !b || !x || !y || !q || !cofactor) {
 101         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 102         goto end;
 103     }
 104
 105     if (!BN_hex2bn(&p, params->p)
 106         || !BN_hex2bn(&a, params->a)
 107         || !BN_hex2bn(&b, params->b)
 108         || !BN_hex2bn(&cofactor, params->cofactor)) {
 109         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 110         goto end;
 111     }
 112
 113     grp = EC_GROUP_new_curve_GFp(p, a, b, ctx);
 114     if (!grp) {
 115         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 116         goto end;
 117     }
 118
 119     P = EC_POINT_new(grp);
 120     if (!P) {
 121         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 122         goto end;
 123     }
 124
 125     if (!BN_hex2bn(&x, params->x)
 126         || !BN_hex2bn(&y, params->y)
 127         || !EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(grp, P, x, y, ctx)
 128         || !BN_hex2bn(&q, params->q)) {
 129         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 130         goto end;
 131     }
 132
 133     if (!EC_GROUP_set_generator(grp, P, q, cofactor)) {
 134         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 135         goto end;
 136     }
 137     EC_GROUP_set_curve_name(grp, params->nid);
 138     if (!EC_KEY_set_group(eckey, grp)) {
 139         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 140         goto end;
 141     }
 142     ok = 1;
 143  end:
 144     if (P)
 145         EC_POINT_free(P);
 146     if (grp)
 147         EC_GROUP_free(grp);
 148     BN_CTX_end(ctx);
 149     BN_CTX_free(ctx);
 150     return ok;
 151 }
 152
 153 /*
 154  * Computes gost_ec signature as DSA_SIG structure
 155  *
 156  */
 157 DSA_SIG *gost_ec_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, EC_KEY *eckey)
 158 {
 159     DSA_SIG *newsig = NULL, *ret = NULL;
 160     BIGNUM *md = NULL;
 161     BIGNUM *order = NULL;
 162     const EC_GROUP *group;
 163     const BIGNUM *priv_key;
 164     BIGNUM *r = NULL, *s = NULL, *X = NULL, *tmp = NULL, *tmp2 = NULL,
 165         *k = NULL, *e = NULL;
 166
 167     BIGNUM *new_r = NULL, *new_s = NULL;
 168
 169     EC_POINT *C = NULL;
 170     BN_CTX *ctx;
 171
 172     OPENSSL_assert(dgst != NULL && eckey != NULL);
 173
 174     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 175         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 176         return NULL;
 177     }
 178
 179     BN_CTX_start(ctx);
 180     OPENSSL_assert(dlen == 32 || dlen == 64);
 181     md = hashsum2bn(dgst, dlen);
 182     newsig = DSA_SIG_new();
 183     if (!newsig || !md) {
 184         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 185         goto err;
 186     }
 187     group = EC_KEY_get0_group(eckey);
 188     if (!group) {
 189         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 190         goto err;
 191     }
 192     order = BN_CTX_get(ctx);
 193     if (!order || !EC_GROUP_get_order(group, order, ctx)) {
 194         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 195         goto err;
 196     }
 197     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(eckey);
 198     if (!priv_key) {
 199         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 200         goto err;
 201     }
 202     e = BN_CTX_get(ctx);
 203     if (!e || !BN_mod(e, md, order, ctx)) {
 204         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 205         goto err;
 206     }
 207 #ifdef DEBUG_SIGN
 208     fprintf(stderr, "digest as bignum=");
 209     BN_print_fp(stderr, md);
 210     fprintf(stderr, "\ndigest mod q=");
 211     BN_print_fp(stderr, e);
 212     fprintf(stderr, "\n");
 213 #endif
 214     if (BN_is_zero(e)) {
 215         BN_one(e);
 216     }
 217     k = BN_CTX_get(ctx);
 218     C = EC_POINT_new(group);
 219     if (!k || !C) {
 220         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 221         goto err;
 222     }
 223
 224     do {
 225         do {
 226             if (!BN_rand_range(k, order)) {
 227                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, GOST_R_RNG_ERROR);
 228                 goto err;
 229             }
 230             /*
 231              * To avoid timing information leaking the length of k,
 232              * compute C*k using an equivalent scalar of fixed bit-length */
 233             if (!BN_add(k, k, order)
 234                 || (BN_num_bits(k) <= BN_num_bits(order)
 235                     && !BN_add(k, k, order))) {
 236                 goto err;
 237             }
 238             if (!EC_POINT_mul(group, C, k, NULL, NULL, ctx)) {
 239                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_EC_LIB);
 240                 goto err;
 241             }
 242             if (!X)
 243                 X = BN_CTX_get(ctx);
 244             if (!r)
 245                 r = BN_CTX_get(ctx);
 246             if (!X || !r) {
 247                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 248                 goto err;
 249             }
 250             if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp(group, C, X, NULL, ctx)) {
 251                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_EC_LIB);
 252                 goto err;
 253             }
 254
 255             if (!BN_nnmod(r, X, order, ctx)) {
 256                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 257                 goto err;
 258             }
 259         }
 260         while (BN_is_zero(r));
 261         /* s =  (r*priv_key+k*e) mod order */
 262         if (!tmp)
 263             tmp = BN_CTX_get(ctx);
 264         if (!tmp2)
 265             tmp2 = BN_CTX_get(ctx);
 266         if (!s)
 267             s = BN_CTX_get(ctx);
 268         if (!tmp || !tmp2 || !s) {
 269             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 270             goto err;
 271         }
 272
 273         if (!BN_mod_mul(tmp, priv_key, r, order, ctx)
 274             || !BN_mod_mul(tmp2, k, e, order, ctx)
 275             || !BN_mod_add(s, tmp, tmp2, order, ctx)) {
 276             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 277             goto err;
 278         }
 279     }
 280     while (BN_is_zero(s));
 281
 282     new_s = BN_dup(s);
 283     new_r = BN_dup(r);
 284     if (!new_s || !new_r) {
 285         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 286         goto err;
 287     }
 288     DSA_SIG_set0(newsig, new_r, new_s);
 289
 290     ret = newsig;
 291  err:
 292     BN_CTX_end(ctx);
 293     BN_CTX_free(ctx);
 294     if (C)
 295         EC_POINT_free(C);
 296     if (md)
 297         BN_free(md);
 298     if (!ret && newsig) {
 299         DSA_SIG_free(newsig);
 300     }
 301     return ret;
 302 }
 303
 304 /*
 305  * Verifies gost ec signature
 306  *
 307  */
 308 int gost_ec_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 309                    DSA_SIG *sig, EC_KEY *ec)
 310 {
 311     BN_CTX *ctx;
 312     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 313     BIGNUM *order;
 314     BIGNUM *md = NULL, *e = NULL, *R = NULL, *v = NULL, *z1 = NULL, *z2 = NULL;
 315     const BIGNUM *sig_s = NULL, *sig_r = NULL;
 316     BIGNUM *X = NULL, *tmp = NULL;
 317     EC_POINT *C = NULL;
 318     const EC_POINT *pub_key = NULL;
 319     int ok = 0;
 320
 321     OPENSSL_assert(dgst != NULL && sig != NULL && group != NULL);
 322
 323     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 324         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 325         return 0;
 326     }
 327
 328     BN_CTX_start(ctx);
 329     order = BN_CTX_get(ctx);
 330     e = BN_CTX_get(ctx);
 331     z1 = BN_CTX_get(ctx);
 332     z2 = BN_CTX_get(ctx);
 333     tmp = BN_CTX_get(ctx);
 334     X = BN_CTX_get(ctx);
 335     R = BN_CTX_get(ctx);
 336     v = BN_CTX_get(ctx);
 337     if (!order || !e || !z1 || !z2 || !tmp || !X || !R || !v) {
 338         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 339         goto err;
 340     }
 341
 342     pub_key = EC_KEY_get0_public_key(ec);
 343     if (!pub_key || !EC_GROUP_get_order(group, order, ctx)) {
 344         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 345         goto err;
 346     }
 347
 348     DSA_SIG_get0(sig, &sig_r, &sig_s);
 349
 350     if (BN_is_zero(sig_s) || BN_is_zero(sig_r) ||
 351         (BN_cmp(sig_s, order) >= 1) || (BN_cmp(sig_r, order) >= 1)) {
 352         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_PARTS_GREATER_THAN_Q);
 353         goto err;
 354
 355     }
 356
 357     OPENSSL_assert(dgst_len == 32 || dgst_len == 64);
 358     md = hashsum2bn(dgst, dgst_len);
 359     if (!md || !BN_mod(e, md, order, ctx)) {
 360         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 361         goto err;
 362     }
 363 #ifdef DEBUG_SIGN
 364     fprintf(stderr, "digest as bignum: ");
 365     BN_print_fp(stderr, md);
 366     fprintf(stderr, "\ndigest mod q: ");
 367     BN_print_fp(stderr, e);
 368 #endif
 369     if (BN_is_zero(e) && !BN_one(e)) {
 370         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 371         goto err;
 372     }
 373     v = BN_mod_inverse(v, e, order, ctx);
 374     if (!v || !BN_mod_mul(z1, sig_s, v, order, ctx)
 375         || !BN_sub(tmp, order, sig_r)
 376         || !BN_mod_mul(z2, tmp, v, order, ctx)) {
 377         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 378         goto err;
 379     }
 380 #ifdef DEBUG_SIGN
 381     fprintf(stderr, "\nInverted digest value: ");
 382     BN_print_fp(stderr, v);
 383     fprintf(stderr, "\nz1: ");
 384     BN_print_fp(stderr, z1);
 385     fprintf(stderr, "\nz2: ");
 386     BN_print_fp(stderr, z2);
 387 #endif
 388     C = EC_POINT_new(group);
 389     if (!C) {
 390         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 391         goto err;
 392     }
 393     if (!EC_POINT_mul(group, C, z1, pub_key, z2, ctx)) {
 394         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 395         goto err;
 396     }
 397     if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp(group, C, X, NULL, ctx)) {
 398         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 399         goto err;
 400     }
 401     if (!BN_mod(R, X, order, ctx)) {
 402         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 403         goto err;
 404     }
 405 #ifdef DEBUG_SIGN
 406     fprintf(stderr, "\nX=");
 407     BN_print_fp(stderr, X);
 408     fprintf(stderr, "\nX mod q=");
 409     BN_print_fp(stderr, R);
 410     fprintf(stderr, "\n");
 411 #endif
 412     if (BN_cmp(R, sig_r) != 0) {
 413         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_MISMATCH);
 414     } else {
 415         ok = 1;
 416     }
 417  err:
 418     if (C)
 419         EC_POINT_free(C);
 420     BN_CTX_end(ctx);
 421     BN_CTX_free(ctx);
 422     if (md)
 423         BN_free(md);
 424     return ok;
 425 }
 426
 427 /*
 428  * Computes GOST R 34.10-2001 public key
 429  * or GOST R 34.10-2012 public key
 430  *
 431  */
 432 int gost_ec_compute_public(EC_KEY *ec)
 433 {
 434     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 435     EC_POINT *pub_key = NULL;
 436     const BIGNUM *priv_key = NULL;
 437     BN_CTX *ctx = NULL;
 438     int ok = 0;
 439
 440     if (!group) {
 441         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, GOST_R_KEY_IS_NOT_INITIALIZED);
 442         return 0;
 443     }
 444
 445     ctx = BN_CTX_new();
 446     if (!ctx) {
 447         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 448         return 0;
 449     }
 450
 451     BN_CTX_start(ctx);
 452     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(ec);
 453     if (!priv_key) {
 454         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 455         goto err;
 456     }
 457
 458     pub_key = EC_POINT_new(group);
 459     if (!pub_key) {
 460         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 461         goto err;
 462     }
 463
 464     if (!EC_POINT_mul(group, pub_key, priv_key, NULL, NULL, ctx)) {
 465         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 466         goto err;
 467     }
 468     if (!EC_KEY_set_public_key(ec, pub_key)) {
 469         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 470         goto err;
 471     }
 472     ok = 1;
 473  err:
 474     if (pub_key)
 475         EC_POINT_free(pub_key);
 476     BN_CTX_end(ctx);
 477     BN_CTX_free(ctx);
 478     return ok;
 479 }
 480
 481 /*
 482  *
 483  * Generates GOST R 34.10-2001
 484  * or GOST R 34.10-2012 keypair
 485  *
 486  */
 487 int gost_ec_keygen(EC_KEY *ec)
 488 {
 489     BIGNUM *order = NULL, *d = NULL;
 490     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 491     int ok = 0;
 492
 493     if (!group) {
 494         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 495         return 0;
 496     }
 497
 498     order = BN_new();
 499     d = BN_new();
 500     if (!order || !d) {
 501         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 502         goto end;
 503     }
 504
 505     if (!EC_GROUP_get_order(group, order, NULL)) {
 506         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 507         goto end;
 508     }
 509
 510     do {
 511         if (!BN_rand_range(d, order)) {
 512             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, GOST_R_RNG_ERROR);
 513             goto end;
 514         }
 515     }
 516     while (BN_is_zero(d));
 517
 518     if (!EC_KEY_set_private_key(ec, d)) {
 519         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 520         goto end;
 521     }
 522
 523     ok = 1;
 524  end:
 525     if (d)
 526         BN_free(d);
 527     if (order)
 528         BN_free(order);
 529
 530     return (ok) ? gost_ec_compute_public(ec) : 0;
 531 }