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