sshdss.c

   1 /*
   2  * Digital Signature Standard implementation for PuTTY.
   3  */
   4
   5 #include <stdio.h>
   6 #include <stdlib.h>
   7 #include <assert.h>
   8
   9 #include "ssh.h"
  10 #include "misc.h"
  11
  12 static void sha_mpint(SHA_State * s, Bignum b)
  13 {
  14     unsigned char lenbuf[4];
  15     int len;
  16     len = (bignum_bitcount(b) + 8) / 8;
  17     PUT_32BIT(lenbuf, len);
  18     SHA_Bytes(s, lenbuf, 4);
  19     while (len-- > 0) {
  20         lenbuf[0] = bignum_byte(b, len);
  21         SHA_Bytes(s, lenbuf, 1);
  22     }
  23     smemclr(lenbuf, sizeof(lenbuf));
  24 }
  25
  26 static void sha512_mpint(SHA512_State * s, Bignum b)
  27 {
  28     unsigned char lenbuf[4];
  29     int len;
  30     len = (bignum_bitcount(b) + 8) / 8;
  31     PUT_32BIT(lenbuf, len);
  32     SHA512_Bytes(s, lenbuf, 4);
  33     while (len-- > 0) {
  34         lenbuf[0] = bignum_byte(b, len);
  35         SHA512_Bytes(s, lenbuf, 1);
  36     }
  37     smemclr(lenbuf, sizeof(lenbuf));
  38 }
  39
  40 static void getstring(char **data, int *datalen, char **p, int *length)
  41 {
  42     *p = NULL;
  43     if (*datalen < 4)
  44         return;
  45     *length = toint(GET_32BIT(*data));
  46     if (*length < 0)
  47         return;
  48     *datalen -= 4;
  49     *data += 4;
  50     if (*datalen < *length)
  51         return;
  52     *p = *data;
  53     *data += *length;
  54     *datalen -= *length;
  55 }
  56 static Bignum getmp(char **data, int *datalen)
  57 {
  58     char *p;
  59     int length;
  60     Bignum b;
  61
  62     getstring(data, datalen, &p, &length);
  63     if (!p)
  64         return NULL;
  65     if (p[0] & 0x80)
  66         return NULL;                   /* negative mp */
  67     b = bignum_from_bytes((unsigned char *)p, length);
  68     return b;
  69 }
  70
  71 static Bignum get160(char **data, int *datalen)
  72 {
  73     Bignum b;
  74
  75     if (*datalen < 20)
  76         return NULL;
  77
  78     b = bignum_from_bytes((unsigned char *)*data, 20);
  79     *data += 20;
  80     *datalen -= 20;
  81
  82     return b;
  83 }
  84
  85 static void *dss_newkey(char *data, int len)
  86 {
  87     char *p;
  88     int slen;
  89     struct dss_key *dss;
  90
  91     dss = snew(struct dss_key);
  92     getstring(&data, &len, &p, &slen);
  93
  94 #ifdef DEBUG_DSS
  95     {
  96         int i;
  97         printf("key:");
  98         for (i = 0; i < len; i++)
  99             printf("  %02x", (unsigned char) (data[i]));
 100         printf("\n");
 101     }
 102 #endif
 103
 104     if (!p || slen != 7 || memcmp(p, "ssh-dss", 7)) {
 105         sfree(dss);
 106         return NULL;
 107     }
 108     dss->p = getmp(&data, &len);
 109     dss->q = getmp(&data, &len);
 110     dss->g = getmp(&data, &len);
 111     dss->y = getmp(&data, &len);
 112     dss->x = NULL;
 113
 114     return dss;
 115 }
 116
 117 static void dss_freekey(void *key)
 118 {
 119     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 120     if (dss->p)
 121         freebn(dss->p);
 122     if (dss->q)
 123         freebn(dss->q);
 124     if (dss->g)
 125         freebn(dss->g);
 126     if (dss->y)
 127         freebn(dss->y);
 128     if (dss->x)
 129         freebn(dss->x);
 130     sfree(dss);
 131 }
 132
 133 static char *dss_fmtkey(void *key)
 134 {
 135     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 136     char *p;
 137     int len, i, pos, nibbles;
 138     static const char hex[] = "0123456789abcdef";
 139     if (!dss->p)
 140         return NULL;
 141     len = 8 + 4 + 1;                   /* 4 x "0x", punctuation, \0 */
 142     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->p) + 15) / 16;
 143     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->q) + 15) / 16;
 144     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->g) + 15) / 16;
 145     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->y) + 15) / 16;
 146     p = snewn(len, char);
 147     if (!p)
 148         return NULL;
 149
 150     pos = 0;
 151     pos += sprintf(p + pos, "0x");
 152     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->p)) / 4;
 153     if (nibbles < 1)
 154         nibbles = 1;
 155     for (i = nibbles; i--;)
 156         p[pos++] =
 157             hex[(bignum_byte(dss->p, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 158     pos += sprintf(p + pos, ",0x");
 159     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->q)) / 4;
 160     if (nibbles < 1)
 161         nibbles = 1;
 162     for (i = nibbles; i--;)
 163         p[pos++] =
 164             hex[(bignum_byte(dss->q, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 165     pos += sprintf(p + pos, ",0x");
 166     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->g)) / 4;
 167     if (nibbles < 1)
 168         nibbles = 1;
 169     for (i = nibbles; i--;)
 170         p[pos++] =
 171             hex[(bignum_byte(dss->g, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 172     pos += sprintf(p + pos, ",0x");
 173     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->y)) / 4;
 174     if (nibbles < 1)
 175         nibbles = 1;
 176     for (i = nibbles; i--;)
 177         p[pos++] =
 178             hex[(bignum_byte(dss->y, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 179     p[pos] = '\0';
 180     return p;
 181 }
 182
 183 static char *dss_fingerprint(void *key)
 184 {
 185     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 186     struct MD5Context md5c;
 187     unsigned char digest[16], lenbuf[4];
 188     char buffer[16 * 3 + 40];
 189     char *ret;
 190     int numlen, i;
 191
 192     MD5Init(&md5c);
 193     MD5Update(&md5c, (unsigned char *)"\0\0\0\7ssh-dss", 11);
 194
 195 #define ADD_BIGNUM(bignum) \
 196     numlen = (bignum_bitcount(bignum)+8)/8; \
 197     PUT_32BIT(lenbuf, numlen); MD5Update(&md5c, lenbuf, 4); \
 198     for (i = numlen; i-- ;) { \
 199         unsigned char c = bignum_byte(bignum, i); \
 200         MD5Update(&md5c, &c, 1); \
 201     }
 202     ADD_BIGNUM(dss->p);
 203     ADD_BIGNUM(dss->q);
 204     ADD_BIGNUM(dss->g);
 205     ADD_BIGNUM(dss->y);
 206 #undef ADD_BIGNUM
 207
 208     MD5Final(digest, &md5c);
 209
 210     sprintf(buffer, "ssh-dss %d ", bignum_bitcount(dss->p));
 211     for (i = 0; i < 16; i++)
 212         sprintf(buffer + strlen(buffer), "%s%02x", i ? ":" : "",
 213                 digest[i]);
 214     ret = snewn(strlen(buffer) + 1, char);
 215     if (ret)
 216         strcpy(ret, buffer);
 217     return ret;
 218 }
 219
 220 static int dss_verifysig(void *key, char *sig, int siglen,
 221                          char *data, int datalen)
 222 {
 223     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 224     char *p;
 225     int slen;
 226     char hash[20];
 227     Bignum r, s, w, gu1p, yu2p, gu1yu2p, u1, u2, sha, v;
 228     int ret;
 229
 230     if (!dss->p)
 231         return 0;
 232
 233 #ifdef DEBUG_DSS
 234     {
 235         int i;
 236         printf("sig:");
 237         for (i = 0; i < siglen; i++)
 238             printf("  %02x", (unsigned char) (sig[i]));
 239         printf("\n");
 240     }
 241 #endif
 242     /*
 243      * Commercial SSH (2.0.13) and OpenSSH disagree over the format
 244      * of a DSA signature. OpenSSH is in line with RFC 4253:
 245      * it uses a string "ssh-dss", followed by a 40-byte string
 246      * containing two 160-bit integers end-to-end. Commercial SSH
 247      * can't be bothered with the header bit, and considers a DSA
 248      * signature blob to be _just_ the 40-byte string containing
 249      * the two 160-bit integers. We tell them apart by measuring
 250      * the length: length 40 means the commercial-SSH bug, anything
 251      * else is assumed to be RFC-compliant.
 252      */
 253     if (siglen != 40) {                /* bug not present; read admin fields */
 254         getstring(&sig, &siglen, &p, &slen);
 255         if (!p || slen != 7 || memcmp(p, "ssh-dss", 7)) {
 256             return 0;
 257         }
 258         sig += 4, siglen -= 4;         /* skip yet another length field */
 259     }
 260     r = get160(&sig, &siglen);
 261     s = get160(&sig, &siglen);
 262     if (!r || !s)
 263         return 0;
 264
 265     /*
 266      * Step 1. w <- s^-1 mod q.
 267      */
 268     w = modinv(s, dss->q);
 269
 270     /*
 271      * Step 2. u1 <- SHA(message) * w mod q.
 272      */
 273     SHA_Simple(data, datalen, (unsigned char *)hash);
 274     p = hash;
 275     slen = 20;
 276     sha = get160(&p, &slen);
 277     u1 = modmul(sha, w, dss->q);
 278
 279     /*
 280      * Step 3. u2 <- r * w mod q.
 281      */
 282     u2 = modmul(r, w, dss->q);
 283
 284     /*
 285      * Step 4. v <- (g^u1 * y^u2 mod p) mod q.
 286      */
 287     gu1p = modpow(dss->g, u1, dss->p);
 288     yu2p = modpow(dss->y, u2, dss->p);
 289     gu1yu2p = modmul(gu1p, yu2p, dss->p);
 290     v = modmul(gu1yu2p, One, dss->q);
 291
 292     /*
 293      * Step 5. v should now be equal to r.
 294      */
 295
 296     ret = !bignum_cmp(v, r);
 297
 298     freebn(w);
 299     freebn(sha);
 300     freebn(u1);
 301     freebn(u2);
 302     freebn(gu1p);
 303     freebn(yu2p);
 304     freebn(gu1yu2p);
 305     freebn(v);
 306     freebn(r);
 307     freebn(s);
 308
 309     return ret;
 310 }
 311
 312 static unsigned char *dss_public_blob(void *key, int *len)
 313 {
 314     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 315     int plen, qlen, glen, ylen, bloblen;
 316     int i;
 317     unsigned char *blob, *p;
 318
 319     plen = (bignum_bitcount(dss->p) + 8) / 8;
 320     qlen = (bignum_bitcount(dss->q) + 8) / 8;
 321     glen = (bignum_bitcount(dss->g) + 8) / 8;
 322     ylen = (bignum_bitcount(dss->y) + 8) / 8;
 323
 324     /*
 325      * string "ssh-dss", mpint p, mpint q, mpint g, mpint y. Total
 326      * 27 + sum of lengths. (five length fields, 20+7=27).
 327      */
 328     bloblen = 27 + plen + qlen + glen + ylen;
 329     blob = snewn(bloblen, unsigned char);
 330     p = blob;
 331     PUT_32BIT(p, 7);
 332     p += 4;
 333     memcpy(p, "ssh-dss", 7);
 334     p += 7;
 335     PUT_32BIT(p, plen);
 336     p += 4;
 337     for (i = plen; i--;)
 338         *p++ = bignum_byte(dss->p, i);
 339     PUT_32BIT(p, qlen);
 340     p += 4;
 341     for (i = qlen; i--;)
 342         *p++ = bignum_byte(dss->q, i);
 343     PUT_32BIT(p, glen);
 344     p += 4;
 345     for (i = glen; i--;)
 346         *p++ = bignum_byte(dss->g, i);
 347     PUT_32BIT(p, ylen);
 348     p += 4;
 349     for (i = ylen; i--;)
 350         *p++ = bignum_byte(dss->y, i);
 351     assert(p == blob + bloblen);
 352     *len = bloblen;
 353     return blob;
 354 }
 355
 356 static unsigned char *dss_private_blob(void *key, int *len)
 357 {
 358     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 359     int xlen, bloblen;
 360     int i;
 361     unsigned char *blob, *p;
 362
 363     xlen = (bignum_bitcount(dss->x) + 8) / 8;
 364
 365     /*
 366      * mpint x, string[20] the SHA of p||q||g. Total 4 + xlen.
 367      */
 368     bloblen = 4 + xlen;
 369     blob = snewn(bloblen, unsigned char);
 370     p = blob;
 371     PUT_32BIT(p, xlen);
 372     p += 4;
 373     for (i = xlen; i--;)
 374         *p++ = bignum_byte(dss->x, i);
 375     assert(p == blob + bloblen);
 376     *len = bloblen;
 377     return blob;
 378 }
 379
 380 static void *dss_createkey(unsigned char *pub_blob, int pub_len,
 381                            unsigned char *priv_blob, int priv_len)
 382 {
 383     struct dss_key *dss;
 384     char *pb = (char *) priv_blob;
 385     char *hash;
 386     int hashlen;
 387     SHA_State s;
 388     unsigned char digest[20];
 389     Bignum ytest;
 390
 391     dss = dss_newkey((char *) pub_blob, pub_len);
 392     dss->x = getmp(&pb, &priv_len);
 393
 394     /*
 395      * Check the obsolete hash in the old DSS key format.
 396      */
 397     hashlen = -1;
 398     getstring(&pb, &priv_len, &hash, &hashlen);
 399     if (hashlen == 20) {
 400         SHA_Init(&s);
 401         sha_mpint(&s, dss->p);
 402         sha_mpint(&s, dss->q);
 403         sha_mpint(&s, dss->g);
 404         SHA_Final(&s, digest);
 405         if (0 != memcmp(hash, digest, 20)) {
 406             dss_freekey(dss);
 407             return NULL;
 408         }
 409     }
 410
 411     /*
 412      * Now ensure g^x mod p really is y.
 413      */
 414     ytest = modpow(dss->g, dss->x, dss->p);
 415     if (0 != bignum_cmp(ytest, dss->y)) {
 416         dss_freekey(dss);
 417         freebn(ytest);
 418         return NULL;
 419     }
 420     freebn(ytest);
 421
 422     return dss;
 423 }
 424
 425 static void *dss_openssh_createkey(unsigned char **blob, int *len)
 426 {
 427     char **b = (char **) blob;
 428     struct dss_key *dss;
 429
 430     dss = snew(struct dss_key);
 431
 432     dss->p = getmp(b, len);
 433     dss->q = getmp(b, len);
 434     dss->g = getmp(b, len);
 435     dss->y = getmp(b, len);
 436     dss->x = getmp(b, len);
 437
 438     if (!dss->p || !dss->q || !dss->g || !dss->y || !dss->x) {
 439         freebn(dss->p);
 440         freebn(dss->q);
 441         freebn(dss->g);
 442         freebn(dss->y);
 443         freebn(dss->x);
 444         sfree(dss);
 445         return NULL;
 446     }
 447
 448     return dss;
 449 }
 450
 451 static int dss_openssh_fmtkey(void *key, unsigned char *blob, int len)
 452 {
 453     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 454     int bloblen, i;
 455
 456     bloblen =
 457         ssh2_bignum_length(dss->p) +
 458         ssh2_bignum_length(dss->q) +
 459         ssh2_bignum_length(dss->g) +
 460         ssh2_bignum_length(dss->y) +
 461         ssh2_bignum_length(dss->x);
 462
 463     if (bloblen > len)
 464         return bloblen;
 465
 466     bloblen = 0;
 467 #define ENC(x) \
 468     PUT_32BIT(blob+bloblen, ssh2_bignum_length((x))-4); bloblen += 4; \
 469     for (i = ssh2_bignum_length((x))-4; i-- ;) blob[bloblen++]=bignum_byte((x),i);
 470     ENC(dss->p);
 471     ENC(dss->q);
 472     ENC(dss->g);
 473     ENC(dss->y);
 474     ENC(dss->x);
 475
 476     return bloblen;
 477 }
 478
 479 static int dss_pubkey_bits(void *blob, int len)
 480 {
 481     struct dss_key *dss;
 482     int ret;
 483
 484     dss = dss_newkey((char *) blob, len);
 485     ret = bignum_bitcount(dss->p);
 486     dss_freekey(dss);
 487
 488     return ret;
 489 }
 490
 491 static unsigned char *dss_sign(void *key, char *data, int datalen, int *siglen)
 492 {
 493     /*
 494      * The basic DSS signing algorithm is:
 495      *
 496      *  - invent a random k between 1 and q-1 (exclusive).
 497      *  - Compute r = (g^k mod p) mod q.
 498      *  - Compute s = k^-1 * (hash + x*r) mod q.
 499      *
 500      * This has the dangerous properties that:
 501      *
 502      *  - if an attacker in possession of the public key _and_ the
 503      *    signature (for example, the host you just authenticated
 504      *    to) can guess your k, he can reverse the computation of s
 505      *    and work out x = r^-1 * (s*k - hash) mod q. That is, he
 506      *    can deduce the private half of your key, and masquerade
 507      *    as you for as long as the key is still valid.
 508      *
 509      *  - since r is a function purely of k and the public key, if
 510      *    the attacker only has a _range of possibilities_ for k
 511      *    it's easy for him to work through them all and check each
 512      *    one against r; he'll never be unsure of whether he's got
 513      *    the right one.
 514      *
 515      *  - if you ever sign two different hashes with the same k, it
 516      *    will be immediately obvious because the two signatures
 517      *    will have the same r, and moreover an attacker in
 518      *    possession of both signatures (and the public key of
 519      *    course) can compute k = (hash1-hash2) * (s1-s2)^-1 mod q,
 520      *    and from there deduce x as before.
 521      *
 522      *  - the Bleichenbacher attack on DSA makes use of methods of
 523      *    generating k which are significantly non-uniformly
 524      *    distributed; in particular, generating a 160-bit random
 525      *    number and reducing it mod q is right out.
 526      *
 527      * For this reason we must be pretty careful about how we
 528      * generate our k. Since this code runs on Windows, with no
 529      * particularly good system entropy sources, we can't trust our
 530      * RNG itself to produce properly unpredictable data. Hence, we
 531      * use a totally different scheme instead.
 532      *
 533      * What we do is to take a SHA-512 (_big_) hash of the private
 534      * key x, and then feed this into another SHA-512 hash that
 535      * also includes the message hash being signed. That is:
 536      *
 537      *   proto_k = SHA512 ( SHA512(x) || SHA160(message) )
 538      *
 539      * This number is 512 bits long, so reducing it mod q won't be
 540      * noticeably non-uniform. So
 541      *
 542      *   k = proto_k mod q
 543      *
 544      * This has the interesting property that it's _deterministic_:
 545      * signing the same hash twice with the same key yields the
 546      * same signature.
 547      *
 548      * Despite this determinism, it's still not predictable to an
 549      * attacker, because in order to repeat the SHA-512
 550      * construction that created it, the attacker would have to
 551      * know the private key value x - and by assumption he doesn't,
 552      * because if he knew that he wouldn't be attacking k!
 553      *
 554      * (This trick doesn't, _per se_, protect against reuse of k.
 555      * Reuse of k is left to chance; all it does is prevent
 556      * _excessively high_ chances of reuse of k due to entropy
 557      * problems.)
 558      *
 559      * Thanks to Colin Plumb for the general idea of using x to
 560      * ensure k is hard to guess, and to the Cambridge University
 561      * Computer Security Group for helping to argue out all the
 562      * fine details.
 563      */
 564     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 565     SHA512_State ss;
 566     unsigned char digest[20], digest512[64];
 567     Bignum proto_k, k, gkp, hash, kinv, hxr, r, s;
 568     unsigned char *bytes;
 569     int nbytes, i;
 570
 571     SHA_Simple(data, datalen, digest);
 572
 573     /*
 574      * Hash some identifying text plus x.
 575      */
 576     SHA512_Init(&ss);
 577     SHA512_Bytes(&ss, "DSA deterministic k generator", 30);
 578     sha512_mpint(&ss, dss->x);
 579     SHA512_Final(&ss, digest512);
 580
 581     /*
 582      * Now hash that digest plus the message hash.
 583      */
 584     SHA512_Init(&ss);
 585     SHA512_Bytes(&ss, digest512, sizeof(digest512));
 586     SHA512_Bytes(&ss, digest, sizeof(digest));
 587     SHA512_Final(&ss, digest512);
 588
 589     smemclr(&ss, sizeof(ss));
 590
 591     /*
 592      * Now convert the result into a bignum, and reduce it mod q.
 593      */
 594     proto_k = bignum_from_bytes(digest512, 64);
 595     k = bigmod(proto_k, dss->q);
 596     freebn(proto_k);
 597
 598     smemclr(digest512, sizeof(digest512));
 599
 600     /*
 601      * Now we have k, so just go ahead and compute the signature.
 602      */
 603     gkp = modpow(dss->g, k, dss->p);   /* g^k mod p */
 604     r = bigmod(gkp, dss->q);           /* r = (g^k mod p) mod q */
 605     freebn(gkp);
 606
 607     hash = bignum_from_bytes(digest, 20);
 608     kinv = modinv(k, dss->q);          /* k^-1 mod q */
 609     hxr = bigmuladd(dss->x, r, hash);  /* hash + x*r */
 610     s = modmul(kinv, hxr, dss->q);     /* s = k^-1 * (hash + x*r) mod q */
 611     freebn(hxr);
 612     freebn(kinv);
 613     freebn(hash);
 614
 615     /*
 616      * Signature blob is
 617      *
 618      *   string  "ssh-dss"
 619      *   string  two 20-byte numbers r and s, end to end
 620      *
 621      * i.e. 4+7 + 4+40 bytes.
 622      */
 623     nbytes = 4 + 7 + 4 + 40;
 624     bytes = snewn(nbytes, unsigned char);
 625     PUT_32BIT(bytes, 7);
 626     memcpy(bytes + 4, "ssh-dss", 7);
 627     PUT_32BIT(bytes + 4 + 7, 40);
 628     for (i = 0; i < 20; i++) {
 629         bytes[4 + 7 + 4 + i] = bignum_byte(r, 19 - i);
 630         bytes[4 + 7 + 4 + 20 + i] = bignum_byte(s, 19 - i);
 631     }
 632     freebn(r);
 633     freebn(s);
 634
 635     *siglen = nbytes;
 636     return bytes;
 637 }
 638
 639 const struct ssh_signkey ssh_dss = {
 640     dss_newkey,
 641     dss_freekey,
 642     dss_fmtkey,
 643     dss_public_blob,
 644     dss_private_blob,
 645     dss_createkey,
 646     dss_openssh_createkey,
 647     dss_openssh_fmtkey,
 648     dss_pubkey_bits,
 649     dss_fingerprint,
 650     dss_verifysig,
 651     dss_sign,
 652     "ssh-dss",
 653     "dss"
 654 };