chiark - git - mdw - tripe/blob - server/keyset.c

   1 /* -*-c-*-
   2  *
   3  * Handling of symmetric keysets
   4  *
   5  * (c) 2001 Straylight/Edgeware
   6  */
   7
   8 /*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
   9  *
  10  * This file is part of Trivial IP Encryption (TrIPE).
  11  *
  12  * TrIPE is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  14  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  15  * (at your option) any later version.
  16  *
  17  * TrIPE is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  23  * along with TrIPE; if not, write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA.
  25  */
  26
  27 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
  28
  29 #include "tripe.h"
  30
  31 /*----- Tunable parameters ------------------------------------------------*/
  32
  33 #define T_EXP MIN(60)                   /* Expiry time for a key */
  34 #define T_REGEN MIN(45)                 /* Regeneration time for a key */
  35
  36 /*----- Handy macros ------------------------------------------------------*/
  37
  38 #define KEYOK(ks, now) ((ks)->sz_exp > 0 && (ks)->t_exp > now)
  39
  40 #define SEQSZ 4                         /* Size of sequence number packet */
  41
  42 /*----- Low-level packet encryption and decryption ------------------------*/
  43
  44 /* --- Encrypted data format --- *
  45  *
  46  * Let %$p_i$% be the %$i$%-th plaintext message, with type %$t$%.  We first
  47  * compute
  48  *
  49  *   %$c_i = \mathcal{E}\textrm{-CBC}_{K_{\text{E}}}(p_i)$%
  50  *
  51  * as the CBC-ciphertext of %$p_i$%, and then
  52  *
  53  *   %$\sigma_i = \mathcal{T}_{K_{\text{M}}}(t, i, c_i)$%
  54  *
  55  * as a MAC on the %%\emph{ciphertext}%%.  The message sent is then the pair
  56  * %$(\sigma_i, c_i)$%.  This construction is provably secure in the NM-CCA
  57  * sense (assuming that the cipher is IND-CPA, and the MAC is SUF-CMA)
  58  * [Bellare and Namprempre].
  59  *
  60  * This also ensures that, assuming the key is good, we have a secure channel
  61  * [Krawczyk].  Actually, [Krawczyk] shows that, if the cipher is either a
  62  * simple stream cipher or a block cipher in CBC mode, we can use the MAC-
  63  * then-encrypt scheme and still have a secure channel.  However, I like the
  64  * NM-CCA guarantee from [Bellare and Namprempre].  I'm less worried about
  65  * the Horton Principle [Wagner and Schneier].
  66  */
  67
  68 /* --- @doencrypt@ --- *
  69  *
  70  * Arguments:   @keyset *ks@ = pointer to keyset to use
  71  *              @unsigned ty@ = type of message this is
  72  *              @buf *b@ = pointer to an input buffer
  73  *              @buf *bb@ = pointer to an output buffer
  74  *
  75  * Returns:     Zero if OK; @KSERR_REGEN@ if it's time to generate new keys.
  76  *              Also returns zero if there was insufficient buffer space, but
  77  *              the buffer is broken in this case.
  78  *
  79  * Use:         Encrypts a message with the given key.  We assume that the
  80  *              keyset is OK to use.
  81  */
  82
  83 static int doencrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
  84 {
  85   ghash *h;
  86   gcipher *c = ks->cout;
  87   const octet *p = BCUR(b);
  88   size_t sz = BLEFT(b);
  89   octet *qmac, *qseq, *qiv, *qpk;
  90   uint32 oseq;
  91   size_t ivsz = GC_CLASS(c)->blksz;
  92   size_t tagsz = ks->tagsz;
  93   size_t osz, nsz;
  94   octet t[4];
  95   int rc = 0;
  96
  97   /* --- Allocate the required buffer space --- */
  98
  99   if (buf_ensure(bb, tagsz + SEQSZ + ivsz + sz))
 100     return (0); /* Caution! */
 101   qmac = BCUR(bb); qseq = qmac + tagsz; qiv = qseq + SEQSZ; qpk = qiv + ivsz;
 102   BSTEP(bb, tagsz + SEQSZ + ivsz + sz);
 103   STORE32(t, ty);
 104
 105   oseq = ks->oseq++; STORE32(qseq, oseq);
 106   IF_TRACING(T_KEYSET, {
 107     trace(T_KEYSET, "keyset: encrypting packet %lu using keyset %u",
 108           (unsigned long)oseq, ks->seq);
 109     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: plaintext packet", p, sz);
 110   })
 111
 112   /* --- Encrypt the packet --- */
 113
 114   if (ivsz) {
 115     rand_get(RAND_GLOBAL, qiv, ivsz);
 116     GC_SETIV(c, qiv);
 117     IF_TRACING(T_KEYSET, {
 118       trace_block(T_CRYPTO, "crypto: initialization vector", qiv, ivsz);
 119     })
 120   }
 121   GC_ENCRYPT(c, p, qpk, sz);
 122   IF_TRACING(T_KEYSET, {
 123     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: encrypted packet", qpk, sz);
 124   })
 125
 126   /* --- Now compute the MAC --- */
 127
 128   if (tagsz) {
 129     h = GM_INIT(ks->mout);
 130     GH_HASH(h, t, sizeof(t));
 131     GH_HASH(h, qseq, SEQSZ + ivsz + sz);
 132     memcpy(qmac, GH_DONE(h, 0), tagsz);
 133     GH_DESTROY(h);
 134     IF_TRACING(T_KEYSET, {
 135       trace_block(T_CRYPTO, "crypto: computed MAC", qmac, tagsz);
 136     })
 137   }
 138
 139   /* --- Deduct the packet size from the key's data life --- */
 140
 141   osz = ks->sz_exp;
 142   if (osz > sz)
 143     nsz = osz - sz;
 144   else
 145     nsz = 0;
 146   if (osz >= ks->sz_regen && ks->sz_regen > nsz) {
 147     T( trace(T_KEYSET, "keyset: keyset %u data regen limit exceeded -- "
 148              "forcing exchange", ks->seq); )
 149     rc = KSERR_REGEN;
 150   }
 151   ks->sz_exp = nsz;
 152   return (rc);
 153 }
 154
 155 /* --- @dodecrypt@ --- *
 156  *
 157  * Arguments:   @keyset *ks@ = pointer to keyset to use
 158  *              @unsigned ty@ = expected type code
 159  *              @buf *b@ = pointer to an input buffer
 160  *              @buf *bb@ = pointer to an output buffer
 161  *              @uint32 *seq@ = where to store the sequence number
 162  *
 163  * Returns:     Zero on success; @KSERR_DECRYPT@ on failure.
 164  *
 165  * Use:         Attempts to decrypt a message with the given key.  No other
 166  *              checking (e.g., sequence number checks) is performed.  We
 167  *              assume that the keyset is OK to use, and that there is
 168  *              sufficient output buffer space reserved.  If the decryption
 169  *              is successful, the buffer pointer is moved past the decrypted
 170  *              packet, and the packet's sequence number is stored in @*seq@.
 171  */
 172
 173 static int dodecrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb, uint32 *seq)
 174 {
 175   const octet *pmac, *piv, *pseq, *ppk;
 176   size_t psz = BLEFT(b);
 177   size_t sz;
 178   octet *q = BCUR(bb);
 179   ghash *h;
 180   gcipher *c = ks->cin;
 181   size_t ivsz = GC_CLASS(c)->blksz;
 182   size_t tagsz = ks->tagsz;
 183   octet *mac;
 184   int eq;
 185   octet t[4];
 186
 187   /* --- Break up the packet into its components --- */
 188
 189   if (psz < ivsz + SEQSZ + tagsz) {
 190     T( trace(T_KEYSET, "keyset: block too small for keyset %u", ks->seq); )
 191     return (KSERR_MALFORMED);
 192   }
 193   sz = psz - ivsz - SEQSZ - tagsz;
 194   pmac = BCUR(b); pseq = pmac + tagsz; piv = pseq + SEQSZ; ppk = piv + ivsz;
 195   STORE32(t, ty);
 196
 197   IF_TRACING(T_KEYSET, {
 198     trace(T_KEYSET, "keyset: decrypting using keyset %u", ks->seq);
 199     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: ciphertext packet", ppk, sz);
 200   })
 201
 202   /* --- Verify the MAC on the packet --- */
 203
 204   if (tagsz) {
 205     h = GM_INIT(ks->min);
 206     GH_HASH(h, t, sizeof(t));
 207     GH_HASH(h, pseq, SEQSZ + ivsz + sz);
 208     mac = GH_DONE(h, 0);
 209     eq = !memcmp(mac, pmac, tagsz);
 210     IF_TRACING(T_KEYSET, {
 211       trace_block(T_CRYPTO, "crypto: computed MAC", mac, tagsz);
 212     })
 213     GH_DESTROY(h);
 214     if (!eq) {
 215       IF_TRACING(T_KEYSET, {
 216         trace(T_KEYSET, "keyset: incorrect MAC: decryption failed");
 217         trace_block(T_CRYPTO, "crypto: expected MAC", pmac, tagsz);
 218       })
 219       return (KSERR_DECRYPT);
 220     }
 221   }
 222
 223   /* --- Decrypt the packet --- */
 224
 225   if (ivsz) {
 226     GC_SETIV(c, piv);
 227     IF_TRACING(T_KEYSET, {
 228       trace_block(T_CRYPTO, "crypto: initialization vector", piv, ivsz);
 229     })
 230   }
 231   GC_DECRYPT(c, ppk, q, sz);
 232   if (seq)
 233     *seq = LOAD32(pseq);
 234   IF_TRACING(T_KEYSET, {
 235     trace(T_KEYSET, "keyset: decrypted OK (sequence = %lu)",
 236           (unsigned long)LOAD32(pseq));
 237     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: decrypted packet", q, sz);
 238   })
 239   BSTEP(bb, sz);
 240   return (0);
 241 }
 242
 243 /*----- Operations on a single keyset -------------------------------------*/
 244
 245 /* --- @ks_drop@ --- *
 246  *
 247  * Arguments:   @keyset *ks@ = pointer to a keyset
 248  *
 249  * Returns:     ---
 250  *
 251  * Use:         Decrements a keyset's reference counter.  If the counter hits
 252  *              zero, the keyset is freed.
 253  */
 254
 255 void ks_drop(keyset *ks)
 256 {
 257   if (--ks->ref)
 258     return;
 259   GC_DESTROY(ks->cin);
 260   GC_DESTROY(ks->cout);
 261   GM_DESTROY(ks->min);
 262   GM_DESTROY(ks->mout);
 263   DESTROY(ks);
 264 }
 265
 266 /* --- @ks_gen@ --- *
 267  *
 268  * Arguments:   @const void *k@ = pointer to key material
 269  *              @size_t x, y, z@ = offsets into key material (see below)
 270  *              @peer *p@ = pointer to peer information
 271  *
 272  * Returns:     A pointer to the new keyset.
 273  *
 274  * Use:         Derives a new keyset from the given key material.  The
 275  *              offsets @x@, @y@ and @z@ separate the key material into three
 276  *              parts.  Between the @k@ and @k + x@ is `my' contribution to
 277  *              the key material; between @k + x@ and @k + y@ is `your'
 278  *              contribution; and between @k + y@ and @k + z@ is a shared
 279  *              value we made together.  These are used to construct two
 280  *              pairs of symmetric keys.  Each pair consists of an encryption
 281  *              key and a message authentication key.  One pair is used for
 282  *              outgoing messages, the other for incoming messages.
 283  *
 284  *              The new key is marked so that it won't be selected for output
 285  *              by @ksl_encrypt@.  You can still encrypt data with it by
 286  *              calling @ks_encrypt@ directly.
 287  */
 288
 289 keyset *ks_gen(const void *k, size_t x, size_t y, size_t z, peer *p)
 290 {
 291   ghash *h;
 292   const octet *hh;
 293   keyset *ks = CREATE(keyset);
 294   time_t now = time(0);
 295   const octet *pp = k;
 296   T( static unsigned seq = 0; )
 297
 298   T( trace(T_KEYSET, "keyset: adding new keyset %u", seq); )
 299
 300   /* --- Construct the various keys --- *
 301    *
 302    * This is done with macros, because it's quite tedious.
 303    */
 304
 305 #define MINE GH_HASH(h, pp, x)
 306 #define YOURS GH_HASH(h, pp + x, y - x)
 307 #define OURS GH_HASH(h, pp + y, z - y)
 308
 309 #define HASH_in MINE; YOURS; OURS
 310 #define HASH_out YOURS; MINE; OURS
 311 #define INIT_c(k) GC_INIT(algs.c, (k), algs.cksz)
 312 #define INIT_m(k) GM_KEY(algs.m, (k), algs.mksz)
 313 #define STR_c "encryption"
 314 #define STR_m "integrity"
 315 #define STR_in "incoming"
 316 #define STR_out "outgoing"
 317
 318 #define SETKEY(a, dir) do {                                             \
 319   h = GH_INIT(algs.h);                                                  \
 320   HASH_STRING(h, "tripe-" STR_##a);                                     \
 321   HASH_##dir;                                                           \
 322   hh = GH_DONE(h, 0);                                                   \
 323   IF_TRACING(T_KEYSET, {                                                \
 324     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: " STR_##dir " key " STR_##a,         \
 325                 hh, algs.a##ksz);                                       \
 326   })                                                                    \
 327   ks->a##dir = INIT_##a(hh);                                            \
 328   GH_DESTROY(h);                                                        \
 329 } while (0)
 330
 331   SETKEY(c, in); SETKEY(c, out);
 332   SETKEY(m, in); SETKEY(m, out);
 333
 334 #undef MINE
 335 #undef YOURS
 336 #undef OURS
 337 #undef STR_c
 338 #undef STR_m
 339 #undef STR_in
 340 #undef STR_out
 341 #undef INIT_c
 342 #undef INIT_m
 343 #undef HASH_in
 344 #undef HASH_out
 345 #undef SETKEY
 346
 347   T( ks->seq = seq++; )
 348   ks->ref = 1;
 349   ks->t_exp = now + T_EXP;
 350   ks->sz_exp = algs.expsz;
 351   ks->sz_regen = algs.expsz/2;
 352   ks->oseq = 0;
 353   seq_reset(&ks->iseq);
 354   ks->next = 0;
 355   ks->p = p;
 356   ks->f = KSF_LISTEN;
 357   ks->tagsz = algs.tagsz;
 358   return (ks);
 359 }
 360
 361 /* --- @ks_tregen@ --- *
 362  *
 363  * Arguments:   @keyset *ks@ = pointer to a keyset
 364  *
 365  * Returns:     The time at which moves ought to be made to replace this key.
 366  */
 367
 368 time_t ks_tregen(keyset *ks) { return (ks->t_exp - T_EXP + T_REGEN); }
 369
 370 /* --- @ks_activate@ --- *
 371  *
 372  * Arguments:   @keyset *ks@ = pointer to a keyset
 373  *
 374  * Returns:     ---
 375  *
 376  * Use:         Activates a keyset, so that it can be used for encrypting
 377  *              outgoing messages.
 378  */
 379
 380 void ks_activate(keyset *ks)
 381 {
 382   if (ks->f & KSF_LISTEN) {
 383     T( trace(T_KEYSET, "keyset: activating keyset %u", ks->seq); )
 384     ks->f &= ~KSF_LISTEN;
 385   }
 386 }
 387
 388 /* --- @ks_encrypt@ --- *
 389  *
 390  * Arguments:   @keyset *ks@ = pointer to a keyset
 391  *              @unsigned ty@ = message type
 392  *              @buf *b@ = pointer to input buffer
 393  *              @buf *bb@ = pointer to output buffer
 394  *
 395  * Returns:     Zero if successful; @KSERR_REGEN@ if we should negotiate a
 396  *              new key; @KSERR_NOKEYS@ if the key is not usable.  Also
 397  *              returns zero if there was insufficient buffer (but the output
 398  *              buffer is broken in this case).
 399  *
 400  * Use:         Encrypts a block of data using the key.  Note that the `key
 401  *              ought to be replaced' notification is only ever given once
 402  *              for each key.  Also note that this call forces a keyset to be
 403  *              used even if it's marked as not for data output.
 404  */
 405
 406 int ks_encrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
 407 {
 408   time_t now = time(0);
 409
 410   if (!KEYOK(ks, now)) {
 411     buf_break(bb);
 412     return (KSERR_NOKEYS);
 413   }
 414   return (doencrypt(ks, ty, b, bb));
 415 }
 416
 417 /* --- @ks_decrypt@ --- *
 418  *
 419  * Arguments:   @keyset *ks@ = pointer to a keyset
 420  *              @unsigned ty@ = expected type code
 421  *              @buf *b@ = pointer to an input buffer
 422  *              @buf *bb@ = pointer to an output buffer
 423  *
 424  * Returns:     Zero on success; @KSERR_...@ on failure.  Also returns
 425  *              zero if there was insufficient buffer (but the output buffer
 426  *              is broken in this case).
 427  *
 428  * Use:         Attempts to decrypt a message using a given key.  Note that
 429  *              requesting decryption with a key directly won't clear a
 430  *              marking that it's not for encryption.
 431  */
 432
 433 int ks_decrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
 434 {
 435   time_t now = time(0);
 436   uint32 seq;
 437   int err;
 438
 439   if (!KEYOK(ks, now)) return (KSERR_DECRYPT);
 440   if (buf_ensure(bb, BLEN(b))) return (0);
 441   if ((err = dodecrypt(ks, ty, b, bb, &seq)) != 0) return (err);
 442   if (seq_check(&ks->iseq, seq, "SYMM")) return (KSERR_SEQ);
 443   return (0);
 444 }
 445
 446 /*----- Keyset list handling ----------------------------------------------*/
 447
 448 /* --- @ksl_free@ --- *
 449  *
 450  * Arguments:   @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
 451  *
 452  * Returns:     ---
 453  *
 454  * Use:         Frees (releases references to) all of the keys in a keyset.
 455  */
 456
 457 void ksl_free(keyset **ksroot)
 458 {
 459   keyset *ks, *ksn;
 460   for (ks = *ksroot; ks; ks = ksn) {
 461     ksn = ks->next;
 462     ks->f &= ~KSF_LINK;
 463     ks_drop(ks);
 464   }
 465 }
 466
 467 /* --- @ksl_link@ --- *
 468  *
 469  * Arguments:   @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
 470  *              @keyset *ks@ = pointer to a keyset
 471  *
 472  * Returns:     ---
 473  *
 474  * Use:         Links a keyset into a list.  A keyset can only be on one list
 475  *              at a time.  Bad things happen otherwise.
 476  */
 477
 478 void ksl_link(keyset **ksroot, keyset *ks)
 479 {
 480   assert(!(ks->f & KSF_LINK));
 481   ks->next = *ksroot;
 482   *ksroot = ks;
 483   ks->f |= KSF_LINK;
 484   ks->ref++;
 485 }
 486
 487 /* --- @ksl_prune@ --- *
 488  *
 489  * Arguments:   @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
 490  *
 491  * Returns:     ---
 492  *
 493  * Use:         Prunes the keyset list by removing keys which mustn't be used
 494  *              any more.
 495  */
 496
 497 void ksl_prune(keyset **ksroot)
 498 {
 499   time_t now = time(0);
 500
 501   while (*ksroot) {
 502     keyset *ks = *ksroot;
 503
 504     if (ks->t_exp <= now) {
 505       T( trace(T_KEYSET, "keyset: expiring keyset %u (time limit reached)",
 506                ks->seq); )
 507       goto kill;
 508     } else if (ks->sz_exp == 0) {
 509       T( trace(T_KEYSET, "keyset: expiring keyset %u (data limit reached)",
 510                ks->seq); )
 511       goto kill;
 512     } else {
 513       ksroot = &ks->next;
 514       continue;
 515     }
 516
 517   kill:
 518     *ksroot = ks->next;
 519     ks->f &= ~KSF_LINK;
 520     ks_drop(ks);
 521   }
 522 }
 523
 524 /* --- @ksl_encrypt@ --- *
 525  *
 526  * Arguments:   @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
 527  *              @unsigned ty@ = message type
 528  *              @buf *b@ = pointer to input buffer
 529  *              @buf *bb@ = pointer to output buffer
 530  *
 531  * Returns:     Zero if successful; @KSERR_REGEN@ if it's time to negotiate a
 532  *              new key; @KSERR_NOKEYS@ if there are no suitable keys
 533  *              available.  Also returns zero if there was insufficient
 534  *              buffer space (but the output buffer is broken in this case).
 535  *
 536  * Use:         Encrypts a packet.
 537  */
 538
 539 int ksl_encrypt(keyset **ksroot, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
 540 {
 541   time_t now = time(0);
 542   keyset *ks = *ksroot;
 543
 544   for (;;) {
 545     if (!ks) {
 546       T( trace(T_KEYSET, "keyset: no suitable keysets found"); )
 547       buf_break(bb);
 548       return (KSERR_NOKEYS);
 549     }
 550     if (KEYOK(ks, now) && !(ks->f & KSF_LISTEN))
 551       break;
 552     ks = ks->next;
 553   }
 554
 555   return (doencrypt(ks, ty, b, bb));
 556 }
 557
 558 /* --- @ksl_decrypt@ --- *
 559  *
 560  * Arguments:   @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
 561  *              @unsigned ty@ = expected type code
 562  *              @buf *b@ = pointer to input buffer
 563  *              @buf *bb@ = pointer to output buffer
 564  *
 565  * Returns:     Zero on success; @KSERR_DECRYPT@ on failure.  Also returns
 566  *              zero if there was insufficient buffer (but the output buffer
 567  *              is broken in this case).
 568  *
 569  * Use:         Decrypts a packet.
 570  */
 571
 572 int ksl_decrypt(keyset **ksroot, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
 573 {
 574   time_t now = time(0);
 575   keyset *ks;
 576   uint32 seq;
 577   int err;
 578
 579   if (buf_ensure(bb, BLEN(b)))
 580     return (0);
 581
 582   for (ks = *ksroot; ks; ks = ks->next) {
 583     if (!KEYOK(ks, now))
 584       continue;
 585     if ((err = dodecrypt(ks, ty, b, bb, &seq)) == 0) {
 586       if (ks->f & KSF_LISTEN) {
 587         T( trace(T_KEYSET, "keyset: implicitly activating keyset %u",
 588                  ks->seq); )
 589         ks->f &= ~KSF_LISTEN;
 590       }
 591       if (seq_check(&ks->iseq, seq, "SYMM"))
 592         return (KSERR_SEQ);
 593       else
 594         return (0);
 595     }
 596     if (err != KSERR_DECRYPT) return (err);
 597   }
 598   T( trace(T_KEYSET, "keyset: no matching keys, or incorrect MAC"); )
 599   return (KSERR_DECRYPT);
 600 }
 601
 602 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/