g10/t-stutter.c

   1 /* t-stutter.c - Test the stutter exploit.
   2  * Copyright (C) 2016 g10 Code GmbH
   3  *
   4  * This file is part of GnuPG.
   5  *
   6  * GnuPG is free software; you can redistribute it and/or modify
   7  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   8  * the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or
   9  * (at your option) any later version.
  10  *
  11  * GnuPG is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14  * GNU General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  17  * along with this program; if not, see <https://www.gnu.org/licenses/>.
  18  */
  19
  20 /* This test is based on the paper: "An Attack on CFB Mode Encryption
  21  * as Used by OpenPGP."  This attack uses a padding oracle to decrypt
  22  * the first two bytes of each block (which are normally 16 bytes
  23  * large).  Concretely, if an attacker can use this attack if it can
  24  * sense whether the quick integrity check failed.  See RFC 4880,
  25  * Section 5.7 for an explanation of this quick check.
  26  *
  27  * The concrete attack, as described in the paper, only works for
  28  * PKT_ENCRYPTED packets; it does not work for PKT_ENCRYPTED_MDC
  29  * packets, which use a slightly different CFB mode (they don't
  30  * include a sync after the IV).  But, small modifications should
  31  * allow the attack to work for PKT_ENCRYPTED_MDC packets.
  32  *
  33  * The cost of this attack is 2^15 + i * 2^15 oracle queries, where i
  34  * is the number of blocks the attack wants to decrypt.  This attack
  35  * is completely unfeasible when gpg is used interactively, but it
  36  * could work when used as a service.
  37  *
  38  * How to generate a test message:
  39  *
  40  *   $ echo 0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz | \
  41  *         gpg --disable-mdc -z 0 -c  > msg.asc
  42  *   $ gpg --list-packets msg.asc
  43  *   # Make sure the encryption packet contains a literal packet (without
  44  *   # any nesting).
  45  *   $ gpgsplit msg.asc
  46  *   $ gpg --show-session-key -d msg.asc
  47  *   $ ./t-stutter --debug SESSION_KEY 000002-009.encrypted
  48  */
  49
  50 #include <config.h>
  51 #include <errno.h>
  52 #include <ctype.h>
  53
  54 #include "gpg.h"
  55 #include "main.h"
  56 #include "../common/types.h"
  57 #include "util.h"
  58 #include "dek.h"
  59 #include "../common/logging.h"
  60
  61 static void
  62 log_hexdump (byte *buffer, int length)
  63 {
  64   int written = 0;
  65
  66   fprintf (stderr, "%d bytes:\n", length);
  67   while (length > 0)
  68     {
  69       int have = length > 16 ? 16 : length;
  70       int i;
  71       char formatted[2 * have + 1];
  72       char text[have + 1];
  73
  74       fprintf (stderr, "%-8d ", written);
  75       bin2hex (buffer, have, formatted);
  76       for (i = 0; i < 16; i ++)
  77         {
  78           if (i % 2 == 0)
  79             fputc (' ', stderr);
  80           if (i % 8 == 0)
  81             fputc (' ', stderr);
  82
  83           if (i < have)
  84             fwrite (&formatted[2 * i], 2, 1, stderr);
  85           else
  86             fwrite ("  ", 2, 1, stderr);
  87         }
  88
  89       for (i = 0; i < have; i ++)
  90         if (isprint (buffer[i]))
  91           text[i] = buffer[i];
  92         else
  93           text[i] = '.';
  94       text[i] = 0;
  95
  96       fprintf (stderr, "    ");
  97       if (strlen (text) > 8)
  98         {
  99           fwrite (text, 8, 1, stderr);
 100           fputc (' ', stderr);
 101           fwrite (&text[8], strlen (text) - 8, 1, stderr);
 102         }
 103       else
 104         fwrite (text, strlen (text), 1, stderr);
 105       fputc ('\n', stderr);
 106
 107       buffer += have;
 108       length -= have;
 109       written += have;
 110     }
 111
 112   return;
 113 }
 114
 115 static char *
 116 hexstr (const byte *bytes)
 117 {
 118   static int i;
 119   static char bufs[100][7];
 120
 121   i ++;
 122   if (i == 100)
 123     i = 0;
 124
 125   sprintf (bufs[i], "0x%02X%02X", bytes[0], bytes[1]);
 126   return bufs[i];
 127 }
 128 \f
 129 /* xor the two bytes starting at A with the two bytes starting at B
 130    and return the result.  */
 131 static byte *
 132 bufxor2 (const byte *a, const byte *b)
 133 {
 134   static int i;
 135   static char bufs[100][2];
 136
 137   i ++;
 138   if (i == 100)
 139     i = 0;
 140
 141   bufs[i][0] = a[0] ^ b[0];
 142   bufs[i][1] = a[1] ^ b[1];
 143   return bufs[i];
 144 }
 145 \f
 146 /* The session key stays constant.  */
 147 static DEK dek;
 148 int blocksize;
 149
 150 /* Decode the session key, which is in the format output by gpg
 151    --show-session-key.  */
 152 static void
 153 parse_session_key (char *session_key)
 154 {
 155   char *tail;
 156   char *p = session_key;
 157
 158   errno = 0;
 159   dek.algo = strtol (p, &tail, 10);
 160   if (errno || (tail && *tail != ':'))
 161     log_fatal ("Invalid session key specification.  "
 162                "Expected: cipher-id:HEXADECIMAL-CHRACTERS\n");
 163
 164   /* Skip the ':'.  */
 165   p = tail + 1;
 166
 167   if (strlen (p) % 2 != 0)
 168     log_fatal ("Session key must consist of an even number of hexadecimal characters.\n");
 169
 170   dek.keylen = strlen (p) / 2;
 171   log_assert (dek.keylen <= sizeof (dek.key));
 172
 173   if (hex2bin (p, dek.key, dek.keylen) == -1)
 174     log_fatal ("Session key must only contain hexadecimal characters\n");
 175
 176   blocksize = openpgp_cipher_get_algo_blklen (dek.algo);
 177   if ( !blocksize || blocksize > 16 )
 178     log_fatal ("unsupported blocksize %u\n", blocksize );
 179
 180   return;
 181 }
 182 \f
 183 /* The ciphertext, the plaintext as decrypted by the good session key,
 184    and the cfb stream (derived from the ciphertext and the
 185    plaintext).  */
 186 static int msg_len;
 187 static byte *msg;
 188 static byte *msg_plaintext;
 189 static byte *msg_cfb;
 190
 191 /* Whether we need to resynchronize the CFB after writing the random
 192    data (this is the case for encrypted packets, but not encrypted and
 193    integrity protected packets).  */
 194 static int sync;
 195
 196 static int
 197 block_offset (int i)
 198 {
 199   int extra = 0;
 200
 201   log_assert (i >= 1);
 202   /* Make sure blocksize has been initialized.  */
 203   log_assert (blocksize);
 204
 205   if (i > 2)
 206     {
 207       i -= 2;
 208       extra = blocksize + 2;
 209     }
 210   return (i - 1) * blocksize + extra;
 211 }
 212
 213 /* Return the ith block from TEXT.  The first block is labeled 1.
 214    Note: consistent with the OpenPGP message format, the second block
 215    (i=2) is just 2 bytes.  */
 216 static byte *
 217 block (byte *text, int len, int i)
 218 {
 219   int offset = block_offset (i);
 220
 221   log_assert (offset < len);
 222   return &text[offset];
 223 }
 224 \f
 225 /* Return true if the quick integrity check passes.  Also, if
 226    PLAINTEXTP is not NULL, return the decrypted plaintext in
 227    *PLAINTEXTP.  If CFBP is not NULL, return the CFB byte stream in
 228    *CFBP.  */
 229 static int
 230 oracle (int debug, byte *ciphertext, int len, byte **plaintextp, byte **cfbp)
 231 {
 232   int rc = 0;
 233   unsigned nprefix;
 234   gcry_cipher_hd_t cipher_hd = NULL;
 235   byte *plaintext = NULL;
 236   byte *cfb = NULL;
 237
 238   /* Make sure DEK was initialized.  */
 239   log_assert (dek.algo);
 240   log_assert (dek.keylen);
 241   log_assert (blocksize);
 242
 243   nprefix = blocksize;
 244   if (len < nprefix + 2)
 245     {
 246        /* An invalid message.  We can't check that during parsing
 247           because we may not know the used cipher then.  */
 248       rc = gpg_error (GPG_ERR_INV_PACKET);
 249       goto leave;
 250     }
 251
 252   rc = openpgp_cipher_open (&cipher_hd, dek.algo,
 253                             GCRY_CIPHER_MODE_CFB,
 254                             (! sync /* ed->mdc_method || dek.algo >= 100 */ ?
 255                              0 : GCRY_CIPHER_ENABLE_SYNC));
 256   if (rc)
 257     log_fatal ("Failed to open cipher: %s\n", gpg_strerror (rc));
 258
 259   rc = gcry_cipher_setkey (cipher_hd, dek.key, dek.keylen);
 260   if (gpg_err_code (rc) == GPG_ERR_WEAK_KEY)
 261     {
 262       log_info ("WARNING: message was encrypted with"
 263                 " a weak key in the symmetric cipher.\n");
 264       rc=0;
 265     }
 266   else if( rc )
 267     log_fatal ("key setup failed: %s\n", gpg_strerror (rc));
 268
 269   gcry_cipher_setiv (cipher_hd, NULL, 0);
 270
 271   if (debug)
 272     {
 273       log_debug ("Encrypted data:\n");
 274       log_hexdump(ciphertext, len);
 275     }
 276   plaintext = xmalloc_clear (len);
 277   gcry_cipher_decrypt (cipher_hd, plaintext, blocksize + 2,
 278                        ciphertext, blocksize + 2);
 279   gcry_cipher_sync (cipher_hd);
 280   if (len > blocksize+2)
 281     gcry_cipher_decrypt (cipher_hd,
 282                          &plaintext[blocksize+2], len-(blocksize+2),
 283                          &ciphertext[blocksize+2], len-(blocksize+2));
 284
 285   if (debug)
 286     {
 287       log_debug ("Decrypted data:\n");
 288       log_hexdump (plaintext, len);
 289       log_debug ("R_{b-1,b} = %s\n", hexstr (&plaintext[blocksize - 2]));
 290       log_debug ("R_{b+1,b+2} = %s\n", hexstr (&plaintext[blocksize]));
 291     }
 292
 293   if (cfbp || debug)
 294     {
 295       int i;
 296       cfb = xmalloc (len);
 297       for (i = 0; i < len; i ++)
 298         cfb[i] = plaintext[i] ^ ciphertext[i];
 299
 300       log_assert (len >= blocksize + 2);
 301
 302       if (debug)
 303         {
 304           log_debug ("cfb:\n");
 305           log_hexdump (cfb, len);
 306
 307           log_debug ("E_k([C_1]_{1,2}) = C_2 xor R (%s xor %s) = %s\n",
 308                     hexstr (&ciphertext[blocksize]),
 309                     hexstr (&plaintext[blocksize]),
 310                     hexstr (bufxor2 (&ciphertext[blocksize],
 311                                      &plaintext[blocksize])));
 312           if (len >= blocksize + 4)
 313             log_debug ("D = Ek([C1]_{3-b} || C_2)_{1-2} (%s) xor C2 (%s) xor E_k(0)_{b-1,b} (%s) = %s\n",
 314                        hexstr (&cfb[blocksize + 2]),
 315                        hexstr (&ciphertext[blocksize]),
 316                        hexstr (&cfb[blocksize - 2]),
 317                        hexstr (bufxor2 (bufxor2 (&cfb[blocksize + 2],
 318                                                  &ciphertext[blocksize]),
 319                                         &cfb[blocksize - 2])));
 320         }
 321     }
 322
 323   if (plaintext[nprefix-2] != plaintext[nprefix]
 324       || plaintext[nprefix-1] != plaintext[nprefix+1])
 325     {
 326       rc = gpg_error (GPG_ERR_BAD_KEY);
 327       goto leave;
 328     }
 329
 330  leave:
 331   if (! rc && plaintextp)
 332     *plaintextp = plaintext;
 333   else
 334     xfree (plaintext);
 335
 336   if (! rc && cfbp)
 337     *cfbp = cfb;
 338   else
 339     xfree (cfb);
 340
 341   if (cipher_hd)
 342     gcry_cipher_close (cipher_hd);
 343   return rc;
 344 }
 345
 346 /* Query the oracle with D=D for block B.  */
 347 static int
 348 oracle_test (unsigned int d, int b, int debug)
 349 {
 350   byte probe[blocksize + 2];
 351
 352   log_assert (d < 256 * 256);
 353
 354   if (b == 1)
 355     memcpy (probe, &msg[2], blocksize);
 356   else
 357     memcpy (probe, block (msg, msg_len, b), blocksize);
 358
 359   probe[blocksize] = d >> 8;
 360   probe[blocksize + 1] = d & 0xff;
 361
 362   if (debug)
 363     log_debug ("oracle (0x%04X):\n", d);
 364
 365   return oracle (debug, probe, blocksize + 2, NULL, NULL) == 0;
 366 }
 367
 368 int
 369 main (int argc, char *argv[])
 370 {
 371   int i;
 372   int debug = 0;
 373   char *filename = NULL;
 374   int help = 0;
 375
 376   byte *raw_data;
 377   int raw_data_len;
 378
 379   int failed = 0;
 380
 381   for (i = 1; i < argc; i ++)
 382     {
 383       if (strcmp (argv[i], "--debug") == 0)
 384         debug = 1;
 385       else if (! blocksize)
 386         parse_session_key (argv[i]);
 387       else if (! filename)
 388         filename = argv[i];
 389       else
 390         {
 391           help = 1;
 392           break;
 393         }
 394     }
 395
 396   if (! blocksize && ! filename && (filename = getenv ("srcdir")))
 397     /* Try defaults.  */
 398     {
 399       parse_session_key ("9:9274A8EC128E850C6DDDF9EAC68BFA84FC7BC05F340DA41D78C93D0640C7C503");
 400       filename = xasprintf ("%s/t-stutter-data.asc", filename);
 401     }
 402
 403   if (help || ! blocksize || ! filename)
 404     log_fatal ("Usage: %s [--debug] SESSION_KEY ENCRYPTED_PKT\n", argv[0]);
 405
 406   /* Don't read more than a KB.  */
 407   raw_data_len = 1024;
 408   raw_data = xmalloc (raw_data_len);
 409
 410   {
 411     FILE *fp;
 412     int r;
 413
 414     fp = fopen (filename, "r");
 415     if (! fp)
 416       log_fatal ("Opening %s: %s\n", filename, strerror (errno));
 417     r = fread (raw_data, 1, raw_data_len, fp);
 418     fclose (fp);
 419
 420     /* We need at least the random data, the encrypted and literal
 421        packets' headers and some body.  */
 422     if (r < (blocksize + 2 /* Random data.  */
 423              + 2 * blocksize /* Header + some plaintext.  */))
 424       log_fatal ("Not enough data (need at least %d bytes of plain text): %s.\n",
 425                  blocksize + 2, strerror (errno));
 426     raw_data_len = r;
 427
 428     if (debug)
 429       {
 430         log_debug ("First few bytes of the raw data:\n");
 431         log_hexdump (raw_data, raw_data_len > 8 ? 8 : raw_data_len);
 432       }
 433   }
 434
 435   /* Parse the packet's header.  */
 436   {
 437     int ctb = raw_data[0];
 438     int new_format = ctb & (1 << 7);
 439     int pkttype = (ctb & ((1 << 5) - 1)) >> (new_format ? 0 : 2);
 440     int hdrlen;
 441
 442     if (new_format)
 443       {
 444         if (debug)
 445           log_debug ("len encoded: 0x%x (%d)\n", raw_data[1], raw_data[1]);
 446         if (raw_data[1] < 192)
 447           hdrlen = 2;
 448         else if (raw_data[1] < 224)
 449           hdrlen = 3;
 450         else if (raw_data[1] == 255)
 451           hdrlen = 5;
 452         else
 453           hdrlen = 2;
 454       }
 455     else
 456       {
 457         int lentype = ctb & 0x3;
 458         if (lentype == 0)
 459           hdrlen = 2;
 460         else if (lentype == 1)
 461           hdrlen = 3;
 462         else if (lentype == 2)
 463           hdrlen = 5;
 464         else
 465           /* Indeterminate.  */
 466           hdrlen = 1;
 467       }
 468
 469     if (debug)
 470       log_debug ("ctb = %x; %s format, hdrlen: %d, packet: %s\n",
 471                  ctb, new_format ? "new" : "old",
 472                  hdrlen,
 473                  pkttype_str (pkttype));
 474
 475     if (! (pkttype == PKT_ENCRYPTED || pkttype == PKT_ENCRYPTED_MDC))
 476       log_fatal ("%s does not contain an encrypted packet, but a %s.\n",
 477                  filename, pkttype_str (pkttype));
 478
 479     if (pkttype == PKT_ENCRYPTED_MDC)
 480       {
 481         /* The first byte following the header is the version, which
 482            is 1.  */
 483         log_assert (raw_data[hdrlen] == 1);
 484         hdrlen ++;
 485         sync = 0;
 486       }
 487     else
 488       sync = 1;
 489
 490     msg = &raw_data[hdrlen];
 491     msg_len = raw_data_len - hdrlen;
 492   }
 493
 494   log_assert (msg_len >= blocksize + 2);
 495
 496   {
 497     /* This can at least partially be guessed.  So we just assume that
 498        it is known.  */
 499     int d;
 500     int found;
 501     const byte *m1;
 502     byte e_k_zero[2];
 503
 504     if (oracle (debug, msg, msg_len, &msg_plaintext, &msg_cfb) == 0)
 505       {
 506         if (debug)
 507           log_debug ("Session key appears to be good.\n");
 508       }
 509     else
 510       log_fatal ("Session key is bad!\n");
 511
 512     m1 = &msg_plaintext[blocksize + 2];
 513     if (debug)
 514       log_debug ("First two bytes of plaintext are: %02X (%c) %02X (%c)\n",
 515                  m1[0], isprint (m1[0]) ? m1[0] : '?',
 516                  m1[1], isprint (m1[1]) ? m1[1] : '?');
 517
 518     for (d = 0; d < 256 * 256; d ++)
 519       if ((found = oracle_test (d, 1, 0)))
 520         break;
 521
 522     if (! found)
 523       log_fatal ("Failed to find d!\n");
 524
 525     if (debug)
 526       oracle_test (d, 1, 1);
 527
 528     if (debug)
 529       log_debug ("D = %d (%x) looks good.\n", d, d);
 530
 531     {
 532       byte *c2 = block (msg, msg_len, 2);
 533       byte D[2] = { d >> 8, d & 0xFF };
 534       byte *c3 = block (msg, msg_len, 3);
 535
 536       memcpy (e_k_zero,
 537               bufxor2 (bufxor2 (c2, D),
 538                        bufxor2 (c3, m1)),
 539               sizeof (e_k_zero));
 540
 541       if (debug)
 542         {
 543           log_debug ("C2 = %s\n", hexstr (c2));
 544           log_debug ("D = %s\n", hexstr (D));
 545           log_debug ("C3 = %s\n", hexstr (c3));
 546           log_debug ("M = %s\n", hexstr (m1));
 547           log_debug ("E_k([C1]_{3-b} || C_2) = C3 xor M1 = %s\n",
 548                      hexstr (bufxor2 (c3, m1)));
 549           log_debug ("E_k(0)_{b-1,b} = %s\n", hexstr (e_k_zero));
 550         }
 551     }
 552
 553     /* Figure out the first 2 bytes of M2... (offset 16 & 17 of the
 554        plain text assuming the blocksize == 16 or bytes 34 & 35 of the
 555        decrypted cipher text, i.e., C4).  */
 556     for (i = 1; block_offset (i + 3) + 2 <= msg_len; i ++)
 557       {
 558         byte e_k_prime[2];
 559         byte m[2];
 560         byte *ct = block (msg, msg_len, i + 2);
 561         byte *pt = block (msg_plaintext, msg_len, 2 + i + 1);
 562
 563         for (d = 0; d < 256 * 256; d ++)
 564           if (oracle_test (d, i + 2, 0))
 565             {
 566               found = 1;
 567               break;
 568             }
 569
 570         if (! found)
 571           log_fatal ("Failed to find a valid d for block %d\n", i);
 572
 573         if (debug)
 574           log_debug ("Block %d: oracle: D = %04X passes integrity check\n",
 575                      i, d);
 576
 577         {
 578           byte D[2] = { d >> 8, d & 0xFF };
 579           memcpy (e_k_prime,
 580                   bufxor2 (bufxor2 (&ct[blocksize - 2], D), e_k_zero),
 581                   sizeof (e_k_prime));
 582
 583           memcpy (m, bufxor2 (e_k_prime, block (msg, msg_len, i + 3)),
 584                   sizeof (m));
 585         }
 586
 587         if (debug)
 588           log_debug ("=> block %d starting at %zd starts with: "
 589                      "%s (%c%c)\n",
 590                      i, (size_t) pt - (size_t) msg_plaintext,
 591                      hexstr (m),
 592                      isprint (m[0]) ? m[0] : '?', isprint (m[1]) ? m[1] : '?');
 593
 594         if (m[0] != pt[0] || m[1] != pt[1])
 595           {
 596             log_debug ("oracle attack failed!  Expected %s (%c%c), got %s\n",
 597                        hexstr (pt),
 598                        isprint (pt[0]) ? pt[0] : '?',
 599                        isprint (pt[1]) ? pt[1] : '?',
 600                        hexstr (m));
 601             failed = 1;
 602           }
 603       }
 604
 605     if (i == 1)
 606       log_fatal ("Message is too short, nothing to test.\n");
 607   }
 608
 609   xfree (filename);
 610   return failed;
 611 }