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