OpenSSL  1.0.1c
 All Classes Files Functions Variables Typedefs Enumerations Enumerator Macros
jpake.c
Go to the documentation of this file.
1 #include "jpake.h"
2 
3 #include <openssl/crypto.h>
4 #include <openssl/sha.h>
5 #include <openssl/err.h>
6 #include <memory.h>
7 
8 /*
9  * In the definition, (xa, xb, xc, xd) are Alice's (x1, x2, x3, x4) or
10  * Bob's (x3, x4, x1, x2). If you see what I mean.
11  */
12 
13 typedef struct
14  {
15  char *name; /* Must be unique */
16  char *peer_name;
20  BIGNUM *gxc; /* Alice's g^{x3} or Bob's g^{x1} */
21  BIGNUM *gxd; /* Alice's g^{x4} or Bob's g^{x2} */
23 
24 struct JPAKE_CTX
25  {
27  BIGNUM *secret; /* The shared secret */
29  BIGNUM *xa; /* Alice's x1 or Bob's x3 */
30  BIGNUM *xb; /* Alice's x2 or Bob's x4 */
31  BIGNUM *key; /* The calculated (shared) key */
32  };
33 
34 static void JPAKE_ZKP_init(JPAKE_ZKP *zkp)
35  {
36  zkp->gr = BN_new();
37  zkp->b = BN_new();
38  }
39 
40 static void JPAKE_ZKP_release(JPAKE_ZKP *zkp)
41  {
42  BN_free(zkp->b);
43  BN_free(zkp->gr);
44  }
45 
46 /* Two birds with one stone - make the global name as expected */
47 #define JPAKE_STEP_PART_init JPAKE_STEP2_init
48 #define JPAKE_STEP_PART_release JPAKE_STEP2_release
49 
51  {
52  p->gx = BN_new();
53  JPAKE_ZKP_init(&p->zkpx);
54  }
55 
57  {
58  JPAKE_ZKP_release(&p->zkpx);
59  BN_free(p->gx);
60  }
61 
63  {
66  }
67 
69  {
72  }
73 
74 static void JPAKE_CTX_init(JPAKE_CTX *ctx, const char *name,
75  const char *peer_name, const BIGNUM *p,
76  const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
77  const BIGNUM *secret)
78  {
79  ctx->p.name = OPENSSL_strdup(name);
80  ctx->p.peer_name = OPENSSL_strdup(peer_name);
81  ctx->p.p = BN_dup(p);
82  ctx->p.g = BN_dup(g);
83  ctx->p.q = BN_dup(q);
84  ctx->secret = BN_dup(secret);
85 
86  ctx->p.gxc = BN_new();
87  ctx->p.gxd = BN_new();
88 
89  ctx->xa = BN_new();
90  ctx->xb = BN_new();
91  ctx->key = BN_new();
92  ctx->ctx = BN_CTX_new();
93  }
94 
95 static void JPAKE_CTX_release(JPAKE_CTX *ctx)
96  {
97  BN_CTX_free(ctx->ctx);
98  BN_clear_free(ctx->key);
99  BN_clear_free(ctx->xb);
100  BN_clear_free(ctx->xa);
101 
102  BN_free(ctx->p.gxd);
103  BN_free(ctx->p.gxc);
104 
105  BN_clear_free(ctx->secret);
106  BN_free(ctx->p.q);
107  BN_free(ctx->p.g);
108  BN_free(ctx->p.p);
109  OPENSSL_free(ctx->p.peer_name);
110  OPENSSL_free(ctx->p.name);
111 
112  memset(ctx, '\0', sizeof *ctx);
113  }
114 
115 JPAKE_CTX *JPAKE_CTX_new(const char *name, const char *peer_name,
116  const BIGNUM *p, const BIGNUM *g, const BIGNUM *q,
117  const BIGNUM *secret)
118  {
119  JPAKE_CTX *ctx = OPENSSL_malloc(sizeof *ctx);
120 
121  JPAKE_CTX_init(ctx, name, peer_name, p, g, q, secret);
122 
123  return ctx;
124  }
125 
127  {
128  JPAKE_CTX_release(ctx);
129  OPENSSL_free(ctx);
130  }
131 
132 static void hashlength(SHA_CTX *sha, size_t l)
133  {
134  unsigned char b[2];
135 
136  OPENSSL_assert(l <= 0xffff);
137  b[0] = l >> 8;
138  b[1] = l&0xff;
139  SHA1_Update(sha, b, 2);
140  }
141 
142 static void hashstring(SHA_CTX *sha, const char *string)
143  {
144  size_t l = strlen(string);
145 
146  hashlength(sha, l);
147  SHA1_Update(sha, string, l);
148  }
149 
150 static void hashbn(SHA_CTX *sha, const BIGNUM *bn)
151  {
152  size_t l = BN_num_bytes(bn);
153  unsigned char *bin = OPENSSL_malloc(l);
154 
155  hashlength(sha, l);
156  BN_bn2bin(bn, bin);
157  SHA1_Update(sha, bin, l);
158  OPENSSL_free(bin);
159  }
160 
161 /* h=hash(g, g^r, g^x, name) */
162 static void zkp_hash(BIGNUM *h, const BIGNUM *zkpg, const JPAKE_STEP_PART *p,
163  const char *proof_name)
164  {
165  unsigned char md[SHA_DIGEST_LENGTH];
166  SHA_CTX sha;
167 
168  /*
169  * XXX: hash should not allow moving of the boundaries - Java code
170  * is flawed in this respect. Length encoding seems simplest.
171  */
172  SHA1_Init(&sha);
173  hashbn(&sha, zkpg);
175  hashbn(&sha, p->zkpx.gr);
176  hashbn(&sha, p->gx);
177  hashstring(&sha, proof_name);
178  SHA1_Final(md, &sha);
180  }
181 
182 /*
183  * Prove knowledge of x
184  * Note that p->gx has already been calculated
185  */
186 static void generate_zkp(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
187  const BIGNUM *zkpg, JPAKE_CTX *ctx)
188  {
189  BIGNUM *r = BN_new();
190  BIGNUM *h = BN_new();
191  BIGNUM *t = BN_new();
192 
193  /*
194  * r in [0,q)
195  * XXX: Java chooses r in [0, 2^160) - i.e. distribution not uniform
196  */
197  BN_rand_range(r, ctx->p.q);
198  /* g^r */
199  BN_mod_exp(p->zkpx.gr, zkpg, r, ctx->p.p, ctx->ctx);
200 
201  /* h=hash... */
202  zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.name);
203 
204  /* b = r - x*h */
205  BN_mod_mul(t, x, h, ctx->p.q, ctx->ctx);
206  BN_mod_sub(p->zkpx.b, r, t, ctx->p.q, ctx->ctx);
207 
208  /* cleanup */
209  BN_free(t);
210  BN_free(h);
211  BN_free(r);
212  }
213 
214 static int verify_zkp(const JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *zkpg,
215  JPAKE_CTX *ctx)
216  {
217  BIGNUM *h = BN_new();
218  BIGNUM *t1 = BN_new();
219  BIGNUM *t2 = BN_new();
220  BIGNUM *t3 = BN_new();
221  int ret = 0;
222 
223  zkp_hash(h, zkpg, p, ctx->p.peer_name);
224 
225  /* t1 = g^b */
226  BN_mod_exp(t1, zkpg, p->zkpx.b, ctx->p.p, ctx->ctx);
227  /* t2 = (g^x)^h = g^{hx} */
228  BN_mod_exp(t2, p->gx, h, ctx->p.p, ctx->ctx);
229  /* t3 = t1 * t2 = g^{hx} * g^b = g^{hx+b} = g^r (allegedly) */
230  BN_mod_mul(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
231 
232  /* verify t3 == g^r */
233  if(BN_cmp(t3, p->zkpx.gr) == 0)
234  ret = 1;
235  else
237 
238  /* cleanup */
239  BN_free(t3);
240  BN_free(t2);
241  BN_free(t1);
242  BN_free(h);
243 
244  return ret;
245  }
246 
247 static void generate_step_part(JPAKE_STEP_PART *p, const BIGNUM *x,
248  const BIGNUM *g, JPAKE_CTX *ctx)
249  {
250  BN_mod_exp(p->gx, g, x, ctx->p.p, ctx->ctx);
251  generate_zkp(p, x, g, ctx);
252  }
253 
254 /* Generate each party's random numbers. xa is in [0, q), xb is in [1, q). */
255 static void genrand(JPAKE_CTX *ctx)
256  {
257  BIGNUM *qm1;
258 
259  /* xa in [0, q) */
260  BN_rand_range(ctx->xa, ctx->p.q);
261 
262  /* q-1 */
263  qm1 = BN_new();
264  BN_copy(qm1, ctx->p.q);
265  BN_sub_word(qm1, 1);
266 
267  /* ... and xb in [0, q-1) */
268  BN_rand_range(ctx->xb, qm1);
269  /* [1, q) */
270  BN_add_word(ctx->xb, 1);
271 
272  /* cleanup */
273  BN_free(qm1);
274  }
275 
277  {
278  genrand(ctx);
279  generate_step_part(&send->p1, ctx->xa, ctx->p.g, ctx);
280  generate_step_part(&send->p2, ctx->xb, ctx->p.g, ctx);
281 
282  return 1;
283  }
284 
285 /* g^x is a legal value */
286 static int is_legal(const BIGNUM *gx, const JPAKE_CTX *ctx)
287  {
288  BIGNUM *t;
289  int res;
290 
291  if(BN_is_negative(gx) || BN_is_zero(gx) || BN_cmp(gx, ctx->p.p) >= 0)
292  return 0;
293 
294  t = BN_new();
295  BN_mod_exp(t, gx, ctx->p.q, ctx->p.p, ctx->ctx);
296  res = BN_is_one(t);
297  BN_free(t);
298 
299  return res;
300  }
301 
302 int JPAKE_STEP1_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP1 *received)
303  {
304  if(!is_legal(received->p1.gx, ctx))
305  {
307  return 0;
308  }
309 
310  if(!is_legal(received->p2.gx, ctx))
311  {
313  return 0;
314  }
315 
316  /* verify their ZKP(xc) */
317  if(!verify_zkp(&received->p1, ctx->p.g, ctx))
318  {
320  return 0;
321  }
322 
323  /* verify their ZKP(xd) */
324  if(!verify_zkp(&received->p2, ctx->p.g, ctx))
325  {
327  return 0;
328  }
329 
330  /* g^xd != 1 */
331  if(BN_is_one(received->p2.gx))
332  {
334  return 0;
335  }
336 
337  /* Save the bits we need for later */
338  BN_copy(ctx->p.gxc, received->p1.gx);
339  BN_copy(ctx->p.gxd, received->p2.gx);
340 
341  return 1;
342  }
343 
344 
346  {
347  BIGNUM *t1 = BN_new();
348  BIGNUM *t2 = BN_new();
349 
350  /*
351  * X = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
352  * t1 = g^xa
353  */
354  BN_mod_exp(t1, ctx->p.g, ctx->xa, ctx->p.p, ctx->ctx);
355  /* t2 = t1 * g^{xc} = g^{xa} * g^{xc} = g^{xa + xc} */
356  BN_mod_mul(t2, t1, ctx->p.gxc, ctx->p.p, ctx->ctx);
357  /* t1 = t2 * g^{xd} = g^{xa + xc + xd} */
358  BN_mod_mul(t1, t2, ctx->p.gxd, ctx->p.p, ctx->ctx);
359  /* t2 = xb * s */
360  BN_mod_mul(t2, ctx->xb, ctx->secret, ctx->p.q, ctx->ctx);
361 
362  /*
363  * ZKP(xb * s)
364  * XXX: this is kinda funky, because we're using
365  *
366  * g' = g^{xa + xc + xd}
367  *
368  * as the generator, which means X is g'^{xb * s}
369  * X = t1^{t2} = t1^{xb * s} = g^{(xa + xc + xd) * xb * s}
370  */
371  generate_step_part(send, t2, t1, ctx);
372 
373  /* cleanup */
374  BN_free(t1);
375  BN_free(t2);
376 
377  return 1;
378  }
379 
380 /* gx = g^{xc + xa + xb} * xd * s */
381 static int compute_key(JPAKE_CTX *ctx, const BIGNUM *gx)
382  {
383  BIGNUM *t1 = BN_new();
384  BIGNUM *t2 = BN_new();
385  BIGNUM *t3 = BN_new();
386 
387  /*
388  * K = (gx/g^{xb * xd * s})^{xb}
389  * = (g^{(xc + xa + xb) * xd * s - xb * xd *s})^{xb}
390  * = (g^{(xa + xc) * xd * s})^{xb}
391  * = g^{(xa + xc) * xb * xd * s}
392  * [which is the same regardless of who calculates it]
393  */
394 
395  /* t1 = (g^{xd})^{xb} = g^{xb * xd} */
396  BN_mod_exp(t1, ctx->p.gxd, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
397  /* t2 = -s = q-s */
398  BN_sub(t2, ctx->p.q, ctx->secret);
399  /* t3 = t1^t2 = g^{-xb * xd * s} */
400  BN_mod_exp(t3, t1, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
401  /* t1 = gx * t3 = X/g^{xb * xd * s} */
402  BN_mod_mul(t1, gx, t3, ctx->p.p, ctx->ctx);
403  /* K = t1^{xb} */
404  BN_mod_exp(ctx->key, t1, ctx->xb, ctx->p.p, ctx->ctx);
405 
406  /* cleanup */
407  BN_free(t3);
408  BN_free(t2);
409  BN_free(t1);
410 
411  return 1;
412  }
413 
414 int JPAKE_STEP2_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP2 *received)
415  {
416  BIGNUM *t1 = BN_new();
417  BIGNUM *t2 = BN_new();
418  int ret = 0;
419 
420  /*
421  * g' = g^{xc + xa + xb} [from our POV]
422  * t1 = xa + xb
423  */
424  BN_mod_add(t1, ctx->xa, ctx->xb, ctx->p.q, ctx->ctx);
425  /* t2 = g^{t1} = g^{xa+xb} */
426  BN_mod_exp(t2, ctx->p.g, t1, ctx->p.p, ctx->ctx);
427  /* t1 = g^{xc} * t2 = g^{xc + xa + xb} */
428  BN_mod_mul(t1, ctx->p.gxc, t2, ctx->p.p, ctx->ctx);
429 
430  if(verify_zkp(received, t1, ctx))
431  ret = 1;
432  else
434 
435  compute_key(ctx, received->gx);
436 
437  /* cleanup */
438  BN_free(t2);
439  BN_free(t1);
440 
441  return ret;
442  }
443 
444 static void quickhashbn(unsigned char *md, const BIGNUM *bn)
445  {
446  SHA_CTX sha;
447 
448  SHA1_Init(&sha);
449  hashbn(&sha, bn);
450  SHA1_Final(md, &sha);
451  }
452 
454  {}
455 
457  {
458  quickhashbn(send->hhk, ctx->key);
459  SHA1(send->hhk, sizeof send->hhk, send->hhk);
460 
461  return 1;
462  }
463 
464 int JPAKE_STEP3A_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3A *received)
465  {
466  unsigned char hhk[SHA_DIGEST_LENGTH];
467 
468  quickhashbn(hhk, ctx->key);
469  SHA1(hhk, sizeof hhk, hhk);
470  if(memcmp(hhk, received->hhk, sizeof hhk))
471  {
473  return 0;
474  }
475  return 1;
476  }
477 
479  {}
480 
482  {}
483 
485  {
486  quickhashbn(send->hk, ctx->key);
487 
488  return 1;
489  }
490 
491 int JPAKE_STEP3B_process(JPAKE_CTX *ctx, const JPAKE_STEP3B *received)
492  {
493  unsigned char hk[SHA_DIGEST_LENGTH];
494 
495  quickhashbn(hk, ctx->key);
496  if(memcmp(hk, received->hk, sizeof hk))
497  {
499  return 0;
500  }
501  return 1;
502  }
503 
505  {}
506 
508  {
509  return ctx->key;
510  }
511