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 = 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
 164     BIGNUM *new_r = NULL, *new_s = NULL;
 165
 166     EC_POINT *C = NULL;
 167     BN_CTX *ctx;
 168
 169     OPENSSL_assert(dgst != NULL && eckey != NULL);
 170
 171     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 172         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 173         return NULL;
 174     }
 175
 176     BN_CTX_start(ctx);
 177     OPENSSL_assert(dlen == 32 || dlen == 64);
 178     md = hashsum2bn(dgst, dlen);
 179     newsig = DSA_SIG_new();
 180     if (!newsig || !md) {
 181         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 182         goto err;
 183     }
 184     group = EC_KEY_get0_group(eckey);
 185     if (!group) {
 186         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 187         goto err;
 188     }
 189     order = BN_CTX_get(ctx);
 190     if (!order || !EC_GROUP_get_order(group, order, ctx)) {
 191         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 192         goto err;
 193     }
 194     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(eckey);
 195     if (!priv_key) {
 196         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 197         goto err;
 198     }
 199     e = BN_CTX_get(ctx);
 200     if (!e || !BN_mod(e, md, order, ctx)) {
 201         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 202         goto err;
 203     }
 204 #ifdef DEBUG_SIGN
 205     fprintf(stderr, "digest as bignum=");
 206     BN_print_fp(stderr, md);
 207     fprintf(stderr, "\ndigest mod q=");
 208     BN_print_fp(stderr, e);
 209     fprintf(stderr, "\n");
 210 #endif
 211     if (BN_is_zero(e)) {
 212         BN_one(e);
 213     }
 214     k = BN_CTX_get(ctx);
 215     C = EC_POINT_new(group);
 216     if (!k || !C) {
 217         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 218         goto err;
 219     }
 220
 221     do {
 222         do {
 223             if (!BN_rand_range(k, order)) {
 224                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, GOST_R_RNG_ERROR);
 225                 goto err;
 226             }
 227             /*
 228              * To avoid timing information leaking the length of k,
 229              * compute C*k using an equivalent scalar of fixed bit-length */
 230             if (!BN_add(k, k, order)
 231                 || (BN_num_bits(k) <= BN_num_bits(order)
 232                     && !BN_add(k, k, order))) {
 233                 goto err;
 234             }
 235             if (!EC_POINT_mul(group, C, k, NULL, NULL, ctx)) {
 236                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_EC_LIB);
 237                 goto err;
 238             }
 239             if (!X)
 240                 X = BN_CTX_get(ctx);
 241             if (!r)
 242                 r = BN_CTX_get(ctx);
 243             if (!X || !r) {
 244                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 245                 goto err;
 246             }
 247             if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp(group, C, X, NULL, ctx)) {
 248                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_EC_LIB);
 249                 goto err;
 250             }
 251
 252             if (!BN_nnmod(r, X, order, ctx)) {
 253                 GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 254                 goto err;
 255             }
 256         }
 257         while (BN_is_zero(r));
 258         /* s =  (r*priv_key+k*e) mod order */
 259         if (!tmp)
 260             tmp = BN_CTX_get(ctx);
 261         if (!tmp2)
 262             tmp2 = BN_CTX_get(ctx);
 263         if (!s)
 264             s = BN_CTX_get(ctx);
 265         if (!tmp || !tmp2 || !s) {
 266             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 267             goto err;
 268         }
 269
 270         if (!BN_mod_mul(tmp, priv_key, r, order, ctx)
 271             || !BN_mod_mul(tmp2, k, e, order, ctx)
 272             || !BN_mod_add(s, tmp, tmp2, order, ctx)) {
 273             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 274             goto err;
 275         }
 276     }
 277     while (BN_is_zero(s));
 278
 279     DSA_SIG_get0(&new_r, &new_s, newsig);
 280     new_s = BN_dup(s);
 281     new_r = BN_dup(r);
 282     if (!new_s || !new_r) {
 283         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 284         goto err;
 285     }
 286
 287     ret = newsig;
 288  err:
 289     BN_CTX_end(ctx);
 290     BN_CTX_free(ctx);
 291     if (C)
 292         EC_POINT_free(C);
 293     if (md)
 294         BN_free(md);
 295     if (!ret && newsig) {
 296         DSA_SIG_free(newsig);
 297     }
 298     return ret;
 299 }
 300
 301 /*
 302  * Verifies gost ec signature
 303  *
 304  */
 305 int gost_ec_verify(const unsigned char *dgst, int dgst_len,
 306                    DSA_SIG *sig, EC_KEY *ec)
 307 {
 308     BN_CTX *ctx;
 309     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 310     BIGNUM *order;
 311     BIGNUM *md = NULL, *e = NULL, *R = NULL, *v = NULL,
 312         *z1 = NULL, *z2 = NULL;
 313     BIGNUM *sig_s = NULL, *sig_r = NULL;
 314     BIGNUM *X = NULL, *tmp = NULL;
 315     EC_POINT *C = NULL;
 316     const EC_POINT *pub_key = NULL;
 317     int ok = 0;
 318
 319     OPENSSL_assert(dgst != NULL && sig != NULL && group != NULL);
 320
 321     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 322         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 323         return 0;
 324     }
 325
 326     BN_CTX_start(ctx);
 327     order = BN_CTX_get(ctx);
 328     e = BN_CTX_get(ctx);
 329     z1 = BN_CTX_get(ctx);
 330     z2 = BN_CTX_get(ctx);
 331     tmp = BN_CTX_get(ctx);
 332     X = BN_CTX_get(ctx);
 333     R = BN_CTX_get(ctx);
 334     v = BN_CTX_get(ctx);
 335     if (!order || !e || !z1 || !z2 || !tmp || !X || !R || !v) {
 336         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 337         goto err;
 338     }
 339
 340     pub_key = EC_KEY_get0_public_key(ec);
 341     if (!pub_key || !EC_GROUP_get_order(group, order, ctx)) {
 342         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 343         goto err;
 344     }
 345
 346     DSA_SIG_get0(&sig_r, &sig_s, sig);
 347
 348     if (BN_is_zero(sig_s) || BN_is_zero(sig_r) ||
 349         (BN_cmp(sig_s, order) >= 1) || (BN_cmp(sig_r, order) >= 1)) {
 350         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_PARTS_GREATER_THAN_Q);
 351         goto err;
 352
 353     }
 354
 355     OPENSSL_assert(dgst_len == 32 || dgst_len == 64);
 356     md = hashsum2bn(dgst, dgst_len);
 357     if (!md || !BN_mod(e, md, order, ctx)) {
 358         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 359         goto err;
 360     }
 361 #ifdef DEBUG_SIGN
 362     fprintf(stderr, "digest as bignum: ");
 363     BN_print_fp(stderr, md);
 364     fprintf(stderr, "\ndigest mod q: ");
 365     BN_print_fp(stderr, e);
 366 #endif
 367     if (BN_is_zero(e) && !BN_one(e)) {
 368         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 369         goto err;
 370     }
 371     v = BN_mod_inverse(v, e, order, ctx);
 372     if (!v || !BN_mod_mul(z1, sig_s, v, order, ctx)
 373         || !BN_sub(tmp, order, sig_r)
 374         || !BN_mod_mul(z2, tmp, v, order, ctx)) {
 375         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 376         goto err;
 377     }
 378 #ifdef DEBUG_SIGN
 379     fprintf(stderr, "\nInverted digest value: ");
 380     BN_print_fp(stderr, v);
 381     fprintf(stderr, "\nz1: ");
 382     BN_print_fp(stderr, z1);
 383     fprintf(stderr, "\nz2: ");
 384     BN_print_fp(stderr, z2);
 385 #endif
 386     C = EC_POINT_new(group);
 387     if (!C) {
 388         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 389         goto err;
 390     }
 391     if (!EC_POINT_mul(group, C, z1, pub_key, z2, ctx)) {
 392         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 393         goto err;
 394     }
 395     if (!EC_POINT_get_affine_coordinates_GFp(group, C, X, NULL, ctx)) {
 396         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 397         goto err;
 398     }
 399     if (!BN_mod(R, X, order, ctx)) {
 400         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 401         goto err;
 402     }
 403 #ifdef DEBUG_SIGN
 404     fprintf(stderr, "\nX=");
 405     BN_print_fp(stderr, X);
 406     fprintf(stderr, "\nX mod q=");
 407     BN_print_fp(stderr, R);
 408     fprintf(stderr, "\n");
 409 #endif
 410     if (BN_cmp(R, sig_r) != 0) {
 411         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_MISMATCH);
 412     } else {
 413         ok = 1;
 414     }
 415  err:
 416     if (C)
 417         EC_POINT_free(C);
 418     BN_CTX_end(ctx);
 419     BN_CTX_free(ctx);
 420     if (md)
 421         BN_free(md);
 422     return ok;
 423 }
 424
 425 /*
 426  * Computes GOST R 34.10-2001 public key
 427  * or GOST R 34.10-2012 public key
 428  *
 429  */
 430 int gost_ec_compute_public(EC_KEY *ec)
 431 {
 432     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 433     EC_POINT *pub_key = NULL;
 434     const BIGNUM *priv_key = NULL;
 435     BN_CTX *ctx = NULL;
 436     int ok = 0;
 437
 438     if (!group) {
 439         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, GOST_R_KEY_IS_NOT_INITIALIZED);
 440         return 0;
 441     }
 442
 443     ctx = BN_CTX_new();
 444     if (!ctx) {
 445         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 446         return 0;
 447     }
 448
 449     BN_CTX_start(ctx);
 450     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(ec);
 451     if (!priv_key) {
 452         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 453         goto err;
 454     }
 455
 456     pub_key = EC_POINT_new(group);
 457     if (!pub_key) {
 458         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 459         goto err;
 460     }
 461
 462     if (!EC_POINT_mul(group, pub_key, priv_key, NULL, NULL, ctx)) {
 463         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 464         goto err;
 465     }
 466     if (!EC_KEY_set_public_key(ec, pub_key)) {
 467         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 468         goto err;
 469     }
 470     ok = 1;
 471  err:
 472     if (pub_key)
 473         EC_POINT_free(pub_key);
 474     BN_CTX_end(ctx);
 475     BN_CTX_free(ctx);
 476     return ok;
 477 }
 478
 479 /*
 480  *
 481  * Generates GOST R 34.10-2001
 482  * or GOST R 34.10-2012 keypair
 483  *
 484  */
 485 int gost_ec_keygen(EC_KEY *ec)
 486 {
 487     BIGNUM *order = NULL, *d = NULL;
 488     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 489     int ok = 0;
 490
 491     if (!group) {
 492         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 493         return 0;
 494     }
 495
 496     order = BN_new();
 497     d = BN_new();
 498     if (!order || !d) {
 499         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 500         goto end;
 501     }
 502
 503     if (!EC_GROUP_get_order(group, order, NULL)) {
 504         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 505         goto end;
 506     }
 507
 508     do {
 509         if (!BN_rand_range(d, order)) {
 510             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, GOST_R_RNG_ERROR);
 511             goto end;
 512         }
 513     }
 514     while (BN_is_zero(d));
 515
 516     if (!EC_KEY_set_private_key(ec, d)) {
 517         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 518         goto end;
 519     }
 520
 521     ok = 1;
 522  end:
 523     if (d)
 524         BN_free(d);
 525     if (order)
 526         BN_free(order);
 527
 528     return (ok) ? gost_ec_compute_public(ec) : 0;
 529 }