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