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 static R3410_ec_params *gost_nid2params(int nid)
  27 {
  28     R3410_ec_params *params;
  29
  30     /* Map tc26-2012 256-bit parameters to cp-2001 parameters */
  31     switch (nid) {
  32         case NID_id_tc26_gost_3410_2012_256_paramSetB:
  33             nid = NID_id_GostR3410_2001_CryptoPro_A_ParamSet;
  34             break;
  35         case NID_id_tc26_gost_3410_2012_256_paramSetC:
  36             nid = NID_id_GostR3410_2001_CryptoPro_B_ParamSet;
  37             break;
  38         case NID_id_tc26_gost_3410_2012_256_paramSetD:
  39             nid = NID_id_GostR3410_2001_CryptoPro_C_ParamSet;
  40     }
  41
  42     /* Search nid in 2012 paramset */
  43     params = R3410_2012_512_paramset;
  44     while (params->nid != NID_undef) {
  45         if (params->nid == nid)
  46             return params;
  47         params++;
  48     }
  49
  50     /* Search nid in 2001 paramset */
  51     params = R3410_2001_paramset;
  52     while (params->nid != NID_undef) {
  53         if (params->nid == nid)
  54             return params;
  55         params++;
  56     }
  57
  58     return NULL;
  59 }
  60
  61 /*
  62  * Fills EC_KEY structure hidden in the app_data field of DSA structure
  63  * with parameter information, extracted from parameter array in
  64  * params.c file.
  65  *
  66  * Also fils DSA->q field with copy of EC_GROUP order field to make
  67  * DSA_size function work
  68  */
  69 int fill_GOST_EC_params(EC_KEY *eckey, int nid)
  70 {
  71     R3410_ec_params *params = gost_nid2params(nid);
  72     EC_GROUP *grp = NULL;
  73     EC_POINT *P = NULL;
  74     BIGNUM *p = NULL, *q = NULL, *a = NULL, *b = NULL, *x = NULL, *y =
  75         NULL, *cofactor = NULL;
  76     BN_CTX *ctx;
  77     int ok = 0;
  78
  79     if (!eckey || !params) {
  80         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, GOST_R_UNSUPPORTED_PARAMETER_SET);
  81         return 0;
  82     }
  83
  84     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
  85         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
  86         return 0;
  87     }
  88
  89     BN_CTX_start(ctx);
  90     p = BN_CTX_get(ctx);
  91     a = BN_CTX_get(ctx);
  92     b = BN_CTX_get(ctx);
  93     x = BN_CTX_get(ctx);
  94     y = BN_CTX_get(ctx);
  95     q = BN_CTX_get(ctx);
  96     cofactor = BN_CTX_get(ctx);
  97     if (!p || !a || !b || !x || !y || !q || !cofactor) {
  98         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
  99         goto end;
 100     }
 101
 102     if (!BN_hex2bn(&p, params->p)
 103         || !BN_hex2bn(&a, params->a)
 104         || !BN_hex2bn(&b, params->b)
 105         || !BN_hex2bn(&cofactor, params->cofactor)) {
 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(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, cofactor)) {
 131         GOSTerr(GOST_F_FILL_GOST_EC_PARAMS, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 132         goto end;
 133     }
 134     EC_GROUP_set_curve_name(grp, 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 ECDSA_SIG structure
 152  *
 153  */
 154 ECDSA_SIG *gost_ec_sign(const unsigned char *dgst, int dlen, EC_KEY *eckey)
 155 {
 156     ECDSA_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_secure_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 = BN_lebin2bn(dgst, dlen, NULL);
 179     newsig = ECDSA_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(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     new_s = BN_dup(s);
 280     new_r = BN_dup(r);
 281     if (!new_s || !new_r) {
 282         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_SIGN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 283         goto err;
 284     }
 285     ECDSA_SIG_set0(newsig, new_r, new_s);
 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         ECDSA_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                    ECDSA_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, *z1 = NULL, *z2 = NULL;
 312     const BIGNUM *sig_s = NULL, *sig_r = NULL;
 313     BIGNUM *X = NULL, *tmp = NULL;
 314     EC_POINT *C = NULL;
 315     const EC_POINT *pub_key = NULL;
 316     int ok = 0;
 317
 318     OPENSSL_assert(dgst != NULL && sig != NULL && group != NULL);
 319
 320     if (!(ctx = BN_CTX_new())) {
 321         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 322         return 0;
 323     }
 324
 325     BN_CTX_start(ctx);
 326     order = BN_CTX_get(ctx);
 327     e = BN_CTX_get(ctx);
 328     z1 = BN_CTX_get(ctx);
 329     z2 = BN_CTX_get(ctx);
 330     tmp = BN_CTX_get(ctx);
 331     X = BN_CTX_get(ctx);
 332     R = BN_CTX_get(ctx);
 333     v = BN_CTX_get(ctx);
 334     if (!order || !e || !z1 || !z2 || !tmp || !X || !R || !v) {
 335         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 336         goto err;
 337     }
 338
 339     pub_key = EC_KEY_get0_public_key(ec);
 340     if (!pub_key || !EC_GROUP_get_order(group, order, ctx)) {
 341         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 342         goto err;
 343     }
 344
 345     ECDSA_SIG_get0(sig, &sig_r, &sig_s);
 346
 347     if (BN_is_zero(sig_s) || BN_is_zero(sig_r) ||
 348         (BN_cmp(sig_s, order) >= 1) || (BN_cmp(sig_r, order) >= 1)) {
 349         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_PARTS_GREATER_THAN_Q);
 350         goto err;
 351
 352     }
 353
 354     OPENSSL_assert(dgst_len == 32 || dgst_len == 64);
 355     md = BN_lebin2bn(dgst, dgst_len, NULL);
 356     if (!md || !BN_mod(e, md, order, ctx)) {
 357         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 358         goto err;
 359     }
 360 #ifdef DEBUG_SIGN
 361     fprintf(stderr, "digest as bignum: ");
 362     BN_print_fp(stderr, md);
 363     fprintf(stderr, "\ndigest mod q: ");
 364     BN_print_fp(stderr, e);
 365 #endif
 366     if (BN_is_zero(e) && !BN_one(e)) {
 367         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 368         goto err;
 369     }
 370     v = BN_mod_inverse(v, e, order, ctx);
 371     if (!v || !BN_mod_mul(z1, sig_s, v, order, ctx)
 372         || !BN_sub(tmp, order, sig_r)
 373         || !BN_mod_mul(z2, tmp, v, order, ctx)) {
 374         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 375         goto err;
 376     }
 377 #ifdef DEBUG_SIGN
 378     fprintf(stderr, "\nInverted digest value: ");
 379     BN_print_fp(stderr, v);
 380     fprintf(stderr, "\nz1: ");
 381     BN_print_fp(stderr, z1);
 382     fprintf(stderr, "\nz2: ");
 383     BN_print_fp(stderr, z2);
 384 #endif
 385     C = EC_POINT_new(group);
 386     if (!C) {
 387         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 388         goto err;
 389     }
 390     if (!EC_POINT_mul(group, C, z1, pub_key, z2, ctx)) {
 391         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 392         goto err;
 393     }
 394     if (!EC_POINT_get_affine_coordinates(group, C, X, NULL, ctx)) {
 395         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_EC_LIB);
 396         goto err;
 397     }
 398     if (!BN_mod(R, X, order, ctx)) {
 399         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 400         goto err;
 401     }
 402 #ifdef DEBUG_SIGN
 403     fprintf(stderr, "\nX=");
 404     BN_print_fp(stderr, X);
 405     fprintf(stderr, "\nX mod q=");
 406     BN_print_fp(stderr, R);
 407     fprintf(stderr, "\n");
 408 #endif
 409     if (BN_cmp(R, sig_r) != 0) {
 410         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_VERIFY, GOST_R_SIGNATURE_MISMATCH);
 411     } else {
 412         ok = 1;
 413     }
 414  err:
 415     if (C)
 416         EC_POINT_free(C);
 417     BN_CTX_end(ctx);
 418     BN_CTX_free(ctx);
 419     if (md)
 420         BN_free(md);
 421     return ok;
 422 }
 423
 424 /*
 425  * Computes GOST R 34.10-2001 public key
 426  * or GOST R 34.10-2012 public key
 427  *
 428  */
 429 int gost_ec_compute_public(EC_KEY *ec)
 430 {
 431     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 432     EC_POINT *pub_key = NULL;
 433     const BIGNUM *priv_key = NULL;
 434     BN_CTX *ctx = NULL;
 435     int ok = 0;
 436
 437     if (!group) {
 438         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, GOST_R_KEY_IS_NOT_INITIALIZED);
 439         return 0;
 440     }
 441
 442     ctx = BN_CTX_secure_new();
 443     if (!ctx) {
 444         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 445         return 0;
 446     }
 447
 448     BN_CTX_start(ctx);
 449     priv_key = EC_KEY_get0_private_key(ec);
 450     if (!priv_key) {
 451         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 452         goto err;
 453     }
 454
 455     pub_key = EC_POINT_new(group);
 456     if (!pub_key) {
 457         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 458         goto err;
 459     }
 460
 461     if (!EC_POINT_mul(group, pub_key, priv_key, NULL, NULL, ctx)) {
 462         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 463         goto err;
 464     }
 465     if (!EC_KEY_set_public_key(ec, pub_key)) {
 466         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_COMPUTE_PUBLIC, ERR_R_EC_LIB);
 467         goto err;
 468     }
 469     ok = 1;
 470  err:
 471     if (pub_key)
 472         EC_POINT_free(pub_key);
 473     BN_CTX_end(ctx);
 474     BN_CTX_free(ctx);
 475     return ok;
 476 }
 477
 478 /*
 479  *
 480  * Generates GOST R 34.10-2001
 481  * or GOST R 34.10-2012 keypair
 482  *
 483  */
 484 int gost_ec_keygen(EC_KEY *ec)
 485 {
 486     BIGNUM *order = NULL, *d = NULL;
 487     const EC_GROUP *group = (ec) ? EC_KEY_get0_group(ec) : NULL;
 488     int ok = 0;
 489
 490     if (!group) {
 491         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 492         return 0;
 493     }
 494
 495     order = BN_new();
 496     d = BN_secure_new();
 497     if (!order || !d) {
 498         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 499         goto end;
 500     }
 501
 502     if (!EC_GROUP_get_order(group, order, NULL)) {
 503         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 504         goto end;
 505     }
 506
 507     do {
 508         if (!BN_rand_range(d, order)) {
 509             GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, GOST_R_RNG_ERROR);
 510             goto end;
 511         }
 512     }
 513     while (BN_is_zero(d));
 514
 515     if (!EC_KEY_set_private_key(ec, d)) {
 516         GOSTerr(GOST_F_GOST_EC_KEYGEN, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 517         goto end;
 518     }
 519
 520     ok = 1;
 521  end:
 522     if (d)
 523         BN_free(d);
 524     if (order)
 525         BN_free(order);
 526
 527     return (ok) ? gost_ec_compute_public(ec) : 0;
 528 }