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(const char **data, int *datalen,
  41                       const char **p, int *length)
  42 {
  43     *p = NULL;
  44     if (*datalen < 4)
  45         return;
  46     *length = toint(GET_32BIT(*data));
  47     if (*length < 0)
  48         return;
  49     *datalen -= 4;
  50     *data += 4;
  51     if (*datalen < *length)
  52         return;
  53     *p = *data;
  54     *data += *length;
  55     *datalen -= *length;
  56 }
  57 static Bignum getmp(const char **data, int *datalen)
  58 {
  59     const char *p;
  60     int length;
  61     Bignum b;
  62
  63     getstring(data, datalen, &p, &length);
  64     if (!p)
  65         return NULL;
  66     if (p[0] & 0x80)
  67         return NULL;                   /* negative mp */
  68     b = bignum_from_bytes((const unsigned char *)p, length);
  69     return b;
  70 }
  71
  72 static Bignum get160(const char **data, int *datalen)
  73 {
  74     Bignum b;
  75
  76     if (*datalen < 20)
  77         return NULL;
  78
  79     b = bignum_from_bytes((const unsigned char *)*data, 20);
  80     *data += 20;
  81     *datalen -= 20;
  82
  83     return b;
  84 }
  85
  86 static void dss_freekey(void *key);    /* forward reference */
  87
  88 static void *dss_newkey(const char *data, int len)
  89 {
  90     const char *p;
  91     int slen;
  92     struct dss_key *dss;
  93
  94     dss = snew(struct dss_key);
  95     getstring(&data, &len, &p, &slen);
  96
  97 #ifdef DEBUG_DSS
  98     {
  99         int i;
 100         printf("key:");
 101         for (i = 0; i < len; i++)
 102             printf("  %02x", (unsigned char) (data[i]));
 103         printf("\n");
 104     }
 105 #endif
 106
 107     if (!p || slen != 7 || memcmp(p, "ssh-dss", 7)) {
 108         sfree(dss);
 109         return NULL;
 110     }
 111     dss->p = getmp(&data, &len);
 112     dss->q = getmp(&data, &len);
 113     dss->g = getmp(&data, &len);
 114     dss->y = getmp(&data, &len);
 115     dss->x = NULL;
 116
 117     if (!dss->p || !dss->q || !dss->g || !dss->y ||
 118         !bignum_cmp(dss->q, Zero) || !bignum_cmp(dss->p, Zero)) {
 119         /* Invalid key. */
 120         dss_freekey(dss);
 121         return NULL;
 122     }
 123
 124     return dss;
 125 }
 126
 127 static void dss_freekey(void *key)
 128 {
 129     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 130     if (dss->p)
 131         freebn(dss->p);
 132     if (dss->q)
 133         freebn(dss->q);
 134     if (dss->g)
 135         freebn(dss->g);
 136     if (dss->y)
 137         freebn(dss->y);
 138     if (dss->x)
 139         freebn(dss->x);
 140     sfree(dss);
 141 }
 142
 143 static char *dss_fmtkey(void *key)
 144 {
 145     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 146     char *p;
 147     int len, i, pos, nibbles;
 148     static const char hex[] = "0123456789abcdef";
 149     if (!dss->p)
 150         return NULL;
 151     len = 8 + 4 + 1;                   /* 4 x "0x", punctuation, \0 */
 152     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->p) + 15) / 16;
 153     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->q) + 15) / 16;
 154     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->g) + 15) / 16;
 155     len += 4 * (bignum_bitcount(dss->y) + 15) / 16;
 156     p = snewn(len, char);
 157     if (!p)
 158         return NULL;
 159
 160     pos = 0;
 161     pos += sprintf(p + pos, "0x");
 162     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->p)) / 4;
 163     if (nibbles < 1)
 164         nibbles = 1;
 165     for (i = nibbles; i--;)
 166         p[pos++] =
 167             hex[(bignum_byte(dss->p, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 168     pos += sprintf(p + pos, ",0x");
 169     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->q)) / 4;
 170     if (nibbles < 1)
 171         nibbles = 1;
 172     for (i = nibbles; i--;)
 173         p[pos++] =
 174             hex[(bignum_byte(dss->q, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 175     pos += sprintf(p + pos, ",0x");
 176     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->g)) / 4;
 177     if (nibbles < 1)
 178         nibbles = 1;
 179     for (i = nibbles; i--;)
 180         p[pos++] =
 181             hex[(bignum_byte(dss->g, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 182     pos += sprintf(p + pos, ",0x");
 183     nibbles = (3 + bignum_bitcount(dss->y)) / 4;
 184     if (nibbles < 1)
 185         nibbles = 1;
 186     for (i = nibbles; i--;)
 187         p[pos++] =
 188             hex[(bignum_byte(dss->y, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF];
 189     p[pos] = '\0';
 190     return p;
 191 }
 192
 193 static int dss_verifysig(void *key, const char *sig, int siglen,
 194                          const char *data, int datalen)
 195 {
 196     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 197     const char *p;
 198     int slen;
 199     char hash[20];
 200     Bignum r, s, w, gu1p, yu2p, gu1yu2p, u1, u2, sha, v;
 201     int ret;
 202
 203     if (!dss->p)
 204         return 0;
 205
 206 #ifdef DEBUG_DSS
 207     {
 208         int i;
 209         printf("sig:");
 210         for (i = 0; i < siglen; i++)
 211             printf("  %02x", (unsigned char) (sig[i]));
 212         printf("\n");
 213     }
 214 #endif
 215     /*
 216      * Commercial SSH (2.0.13) and OpenSSH disagree over the format
 217      * of a DSA signature. OpenSSH is in line with RFC 4253:
 218      * it uses a string "ssh-dss", followed by a 40-byte string
 219      * containing two 160-bit integers end-to-end. Commercial SSH
 220      * can't be bothered with the header bit, and considers a DSA
 221      * signature blob to be _just_ the 40-byte string containing
 222      * the two 160-bit integers. We tell them apart by measuring
 223      * the length: length 40 means the commercial-SSH bug, anything
 224      * else is assumed to be RFC-compliant.
 225      */
 226     if (siglen != 40) {                /* bug not present; read admin fields */
 227         getstring(&sig, &siglen, &p, &slen);
 228         if (!p || slen != 7 || memcmp(p, "ssh-dss", 7)) {
 229             return 0;
 230         }
 231         sig += 4, siglen -= 4;         /* skip yet another length field */
 232     }
 233     r = get160(&sig, &siglen);
 234     s = get160(&sig, &siglen);
 235     if (!r || !s) {
 236         if (r)
 237             freebn(r);
 238         if (s)
 239             freebn(s);
 240         return 0;
 241     }
 242
 243     if (!bignum_cmp(s, Zero)) {
 244         freebn(r);
 245         freebn(s);
 246         return 0;
 247     }
 248
 249     /*
 250      * Step 1. w <- s^-1 mod q.
 251      */
 252     w = modinv(s, dss->q);
 253     if (!w) {
 254         freebn(r);
 255         freebn(s);
 256         return 0;
 257     }
 258
 259     /*
 260      * Step 2. u1 <- SHA(message) * w mod q.
 261      */
 262     SHA_Simple(data, datalen, (unsigned char *)hash);
 263     p = hash;
 264     slen = 20;
 265     sha = get160(&p, &slen);
 266     u1 = modmul(sha, w, dss->q);
 267
 268     /*
 269      * Step 3. u2 <- r * w mod q.
 270      */
 271     u2 = modmul(r, w, dss->q);
 272
 273     /*
 274      * Step 4. v <- (g^u1 * y^u2 mod p) mod q.
 275      */
 276     gu1p = modpow(dss->g, u1, dss->p);
 277     yu2p = modpow(dss->y, u2, dss->p);
 278     gu1yu2p = modmul(gu1p, yu2p, dss->p);
 279     v = modmul(gu1yu2p, One, dss->q);
 280
 281     /*
 282      * Step 5. v should now be equal to r.
 283      */
 284
 285     ret = !bignum_cmp(v, r);
 286
 287     freebn(w);
 288     freebn(sha);
 289     freebn(u1);
 290     freebn(u2);
 291     freebn(gu1p);
 292     freebn(yu2p);
 293     freebn(gu1yu2p);
 294     freebn(v);
 295     freebn(r);
 296     freebn(s);
 297
 298     return ret;
 299 }
 300
 301 static unsigned char *dss_public_blob(void *key, int *len)
 302 {
 303     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 304     int plen, qlen, glen, ylen, bloblen;
 305     int i;
 306     unsigned char *blob, *p;
 307
 308     plen = (bignum_bitcount(dss->p) + 8) / 8;
 309     qlen = (bignum_bitcount(dss->q) + 8) / 8;
 310     glen = (bignum_bitcount(dss->g) + 8) / 8;
 311     ylen = (bignum_bitcount(dss->y) + 8) / 8;
 312
 313     /*
 314      * string "ssh-dss", mpint p, mpint q, mpint g, mpint y. Total
 315      * 27 + sum of lengths. (five length fields, 20+7=27).
 316      */
 317     bloblen = 27 + plen + qlen + glen + ylen;
 318     blob = snewn(bloblen, unsigned char);
 319     p = blob;
 320     PUT_32BIT(p, 7);
 321     p += 4;
 322     memcpy(p, "ssh-dss", 7);
 323     p += 7;
 324     PUT_32BIT(p, plen);
 325     p += 4;
 326     for (i = plen; i--;)
 327         *p++ = bignum_byte(dss->p, i);
 328     PUT_32BIT(p, qlen);
 329     p += 4;
 330     for (i = qlen; i--;)
 331         *p++ = bignum_byte(dss->q, i);
 332     PUT_32BIT(p, glen);
 333     p += 4;
 334     for (i = glen; i--;)
 335         *p++ = bignum_byte(dss->g, i);
 336     PUT_32BIT(p, ylen);
 337     p += 4;
 338     for (i = ylen; i--;)
 339         *p++ = bignum_byte(dss->y, i);
 340     assert(p == blob + bloblen);
 341     *len = bloblen;
 342     return blob;
 343 }
 344
 345 static unsigned char *dss_private_blob(void *key, int *len)
 346 {
 347     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 348     int xlen, bloblen;
 349     int i;
 350     unsigned char *blob, *p;
 351
 352     xlen = (bignum_bitcount(dss->x) + 8) / 8;
 353
 354     /*
 355      * mpint x, string[20] the SHA of p||q||g. Total 4 + xlen.
 356      */
 357     bloblen = 4 + xlen;
 358     blob = snewn(bloblen, unsigned char);
 359     p = blob;
 360     PUT_32BIT(p, xlen);
 361     p += 4;
 362     for (i = xlen; i--;)
 363         *p++ = bignum_byte(dss->x, i);
 364     assert(p == blob + bloblen);
 365     *len = bloblen;
 366     return blob;
 367 }
 368
 369 static void *dss_createkey(const unsigned char *pub_blob, int pub_len,
 370                            const unsigned char *priv_blob, int priv_len)
 371 {
 372     struct dss_key *dss;
 373     const char *pb = (const char *) priv_blob;
 374     const char *hash;
 375     int hashlen;
 376     SHA_State s;
 377     unsigned char digest[20];
 378     Bignum ytest;
 379
 380     dss = dss_newkey((char *) pub_blob, pub_len);
 381     if (!dss)
 382         return NULL;
 383     dss->x = getmp(&pb, &priv_len);
 384     if (!dss->x) {
 385         dss_freekey(dss);
 386         return NULL;
 387     }
 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(const unsigned char **blob, int *len)
 421 {
 422     const char **b = (const char **) blob;
 423     struct dss_key *dss;
 424
 425     dss = snew(struct dss_key);
 426
 427     dss->p = getmp(b, len);
 428     dss->q = getmp(b, len);
 429     dss->g = getmp(b, len);
 430     dss->y = getmp(b, len);
 431     dss->x = getmp(b, len);
 432
 433     if (!dss->p || !dss->q || !dss->g || !dss->y || !dss->x ||
 434         !bignum_cmp(dss->q, Zero) || !bignum_cmp(dss->p, Zero)) {
 435         /* Invalid key. */
 436         dss_freekey(dss);
 437         return NULL;
 438     }
 439
 440     return dss;
 441 }
 442
 443 static int dss_openssh_fmtkey(void *key, unsigned char *blob, int len)
 444 {
 445     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 446     int bloblen, i;
 447
 448     bloblen =
 449         ssh2_bignum_length(dss->p) +
 450         ssh2_bignum_length(dss->q) +
 451         ssh2_bignum_length(dss->g) +
 452         ssh2_bignum_length(dss->y) +
 453         ssh2_bignum_length(dss->x);
 454
 455     if (bloblen > len)
 456         return bloblen;
 457
 458     bloblen = 0;
 459 #define ENC(x) \
 460     PUT_32BIT(blob+bloblen, ssh2_bignum_length((x))-4); bloblen += 4; \
 461     for (i = ssh2_bignum_length((x))-4; i-- ;) blob[bloblen++]=bignum_byte((x),i);
 462     ENC(dss->p);
 463     ENC(dss->q);
 464     ENC(dss->g);
 465     ENC(dss->y);
 466     ENC(dss->x);
 467
 468     return bloblen;
 469 }
 470
 471 static int dss_pubkey_bits(const void *blob, int len)
 472 {
 473     struct dss_key *dss;
 474     int ret;
 475
 476     dss = dss_newkey((const char *) blob, len);
 477     if (!dss)
 478         return -1;
 479     ret = bignum_bitcount(dss->p);
 480     dss_freekey(dss);
 481
 482     return ret;
 483 }
 484
 485 Bignum *dss_gen_k(const char *id_string, Bignum modulus, Bignum private_key,
 486                   unsigned char *digest, int digest_len)
 487 {
 488     /*
 489      * The basic DSS signing algorithm is:
 490      *
 491      *  - invent a random k between 1 and q-1 (exclusive).
 492      *  - Compute r = (g^k mod p) mod q.
 493      *  - Compute s = k^-1 * (hash + x*r) mod q.
 494      *
 495      * This has the dangerous properties that:
 496      *
 497      *  - if an attacker in possession of the public key _and_ the
 498      *    signature (for example, the host you just authenticated
 499      *    to) can guess your k, he can reverse the computation of s
 500      *    and work out x = r^-1 * (s*k - hash) mod q. That is, he
 501      *    can deduce the private half of your key, and masquerade
 502      *    as you for as long as the key is still valid.
 503      *
 504      *  - since r is a function purely of k and the public key, if
 505      *    the attacker only has a _range of possibilities_ for k
 506      *    it's easy for him to work through them all and check each
 507      *    one against r; he'll never be unsure of whether he's got
 508      *    the right one.
 509      *
 510      *  - if you ever sign two different hashes with the same k, it
 511      *    will be immediately obvious because the two signatures
 512      *    will have the same r, and moreover an attacker in
 513      *    possession of both signatures (and the public key of
 514      *    course) can compute k = (hash1-hash2) * (s1-s2)^-1 mod q,
 515      *    and from there deduce x as before.
 516      *
 517      *  - the Bleichenbacher attack on DSA makes use of methods of
 518      *    generating k which are significantly non-uniformly
 519      *    distributed; in particular, generating a 160-bit random
 520      *    number and reducing it mod q is right out.
 521      *
 522      * For this reason we must be pretty careful about how we
 523      * generate our k. Since this code runs on Windows, with no
 524      * particularly good system entropy sources, we can't trust our
 525      * RNG itself to produce properly unpredictable data. Hence, we
 526      * use a totally different scheme instead.
 527      *
 528      * What we do is to take a SHA-512 (_big_) hash of the private
 529      * key x, and then feed this into another SHA-512 hash that
 530      * also includes the message hash being signed. That is:
 531      *
 532      *   proto_k = SHA512 ( SHA512(x) || SHA160(message) )
 533      *
 534      * This number is 512 bits long, so reducing it mod q won't be
 535      * noticeably non-uniform. So
 536      *
 537      *   k = proto_k mod q
 538      *
 539      * This has the interesting property that it's _deterministic_:
 540      * signing the same hash twice with the same key yields the
 541      * same signature.
 542      *
 543      * Despite this determinism, it's still not predictable to an
 544      * attacker, because in order to repeat the SHA-512
 545      * construction that created it, the attacker would have to
 546      * know the private key value x - and by assumption he doesn't,
 547      * because if he knew that he wouldn't be attacking k!
 548      *
 549      * (This trick doesn't, _per se_, protect against reuse of k.
 550      * Reuse of k is left to chance; all it does is prevent
 551      * _excessively high_ chances of reuse of k due to entropy
 552      * problems.)
 553      *
 554      * Thanks to Colin Plumb for the general idea of using x to
 555      * ensure k is hard to guess, and to the Cambridge University
 556      * Computer Security Group for helping to argue out all the
 557      * fine details.
 558      */
 559     SHA512_State ss;
 560     unsigned char digest512[64];
 561     Bignum proto_k, k;
 562
 563     /*
 564      * Hash some identifying text plus x.
 565      */
 566     SHA512_Init(&ss);
 567     SHA512_Bytes(&ss, id_string, strlen(id_string) + 1);
 568     sha512_mpint(&ss, private_key);
 569     SHA512_Final(&ss, digest512);
 570
 571     /*
 572      * Now hash that digest plus the message hash.
 573      */
 574     SHA512_Init(&ss);
 575     SHA512_Bytes(&ss, digest512, sizeof(digest512));
 576     SHA512_Bytes(&ss, digest, digest_len);
 577
 578     while (1) {
 579         SHA512_State ss2 = ss;         /* structure copy */
 580         SHA512_Final(&ss2, digest512);
 581
 582         smemclr(&ss2, sizeof(ss2));
 583
 584         /*
 585          * Now convert the result into a bignum, and reduce it mod q.
 586          */
 587         proto_k = bignum_from_bytes(digest512, 64);
 588         k = bigmod(proto_k, modulus);
 589         freebn(proto_k);
 590
 591         if (bignum_cmp(k, One) != 0 && bignum_cmp(k, Zero) != 0) {
 592             smemclr(&ss, sizeof(ss));
 593             smemclr(digest512, sizeof(digest512));
 594             return k;
 595         }
 596
 597         /* Very unlikely we get here, but if so, k was unsuitable. */
 598         freebn(k);
 599         /* Perturb the hash to think of a different k. */
 600         SHA512_Bytes(&ss, "x", 1);
 601         /* Go round and try again. */
 602     }
 603 }
 604
 605 static unsigned char *dss_sign(void *key, const char *data, int datalen,
 606                                int *siglen)
 607 {
 608     struct dss_key *dss = (struct dss_key *) key;
 609     Bignum k, gkp, hash, kinv, hxr, r, s;
 610     unsigned char digest[20];
 611     unsigned char *bytes;
 612     int nbytes, i;
 613
 614     SHA_Simple(data, datalen, digest);
 615
 616     k = dss_gen_k("DSA deterministic k generator", dss->q, dss->x,
 617                   digest, sizeof(digest));
 618     kinv = modinv(k, dss->q);          /* k^-1 mod q */
 619     assert(kinv);
 620
 621     /*
 622      * Now we have k, so just go ahead and compute the signature.
 623      */
 624     gkp = modpow(dss->g, k, dss->p);   /* g^k mod p */
 625     r = bigmod(gkp, dss->q);           /* r = (g^k mod p) mod q */
 626     freebn(gkp);
 627
 628     hash = bignum_from_bytes(digest, 20);
 629     hxr = bigmuladd(dss->x, r, hash);  /* hash + x*r */
 630     s = modmul(kinv, hxr, dss->q);     /* s = k^-1 * (hash + x*r) mod q */
 631     freebn(hxr);
 632     freebn(kinv);
 633     freebn(k);
 634     freebn(hash);
 635
 636     /*
 637      * Signature blob is
 638      *
 639      *   string  "ssh-dss"
 640      *   string  two 20-byte numbers r and s, end to end
 641      *
 642      * i.e. 4+7 + 4+40 bytes.
 643      */
 644     nbytes = 4 + 7 + 4 + 40;
 645     bytes = snewn(nbytes, unsigned char);
 646     PUT_32BIT(bytes, 7);
 647     memcpy(bytes + 4, "ssh-dss", 7);
 648     PUT_32BIT(bytes + 4 + 7, 40);
 649     for (i = 0; i < 20; i++) {
 650         bytes[4 + 7 + 4 + i] = bignum_byte(r, 19 - i);
 651         bytes[4 + 7 + 4 + 20 + i] = bignum_byte(s, 19 - i);
 652     }
 653     freebn(r);
 654     freebn(s);
 655
 656     *siglen = nbytes;
 657     return bytes;
 658 }
 659
 660 const struct ssh_signkey ssh_dss = {
 661     dss_newkey,
 662     dss_freekey,
 663     dss_fmtkey,
 664     dss_public_blob,
 665     dss_private_blob,
 666     dss_createkey,
 667     dss_openssh_createkey,
 668     dss_openssh_fmtkey,
 669     5 /* p,q,g,y,x */,
 670     dss_pubkey_bits,
 671     dss_verifysig,
 672     dss_sign,
 673     "ssh-dss",
 674     "dss"
 675 };