sshdss.c

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