chiark / gitweb /
Move buf stuff to Catacomb library.
[tripe] / keyexch.c
index c17f4009f95d54f9c199bdfbb31ee50666ebed94..f4125da2e90308932a781427099c496b7bba477a 100644 (file)
--- a/keyexch.c
+++ b/keyexch.c
@@ -1,6 +1,6 @@
 /* -*-c-*-
  *
- * $Id: keyexch.c,v 1.4 2001/06/22 19:40:36 mdw Exp $
+ * $Id: keyexch.c,v 1.9 2003/07/13 11:53:14 mdw Exp $
  *
  * Key exchange protocol
  *
 /*----- Revision history --------------------------------------------------* 
  *
  * $Log: keyexch.c,v $
+ * Revision 1.9  2003/07/13 11:53:14  mdw
+ * Add protocol commentary.
+ *
+ * Revision 1.8  2003/07/13 11:19:49  mdw
+ * Incopatible protocol fix!  Include message type code under MAC tag to prevent
+ * cut-and-paste from key-exchange messages to general packet transport.
+ *
+ * Revision 1.7  2003/05/17 11:01:28  mdw
+ * Handle flags on challenge timers correctly to prevent confusing the event
+ * list.
+ *
+ * Revision 1.6  2003/04/06 10:26:35  mdw
+ * Report peer name on decrypt errors.
+ *
+ * Revision 1.5  2002/01/13 14:54:40  mdw
+ * Patch up zero-knowledge property by passing an encrypted log with a
+ * challenge, so that the prover can verify that the challenge is good.
+ *
  * Revision 1.4  2001/06/22 19:40:36  mdw
  * Support expiry of other peers' public keys.
  *
 
 #include "tripe.h"
 
+/*----- Brief protocol overview -------------------------------------------*
+ *
+ * Let %$G$% be a cyclic group; let %$g$% be a generator of %$G$%, and let
+ * %$q$% be the order of %$G$%; for a key %$K$%, let %$E_K(\cdot)$% denote
+ * application of the symmetric packet protocol to a message; let
+ * %$H(\cdot)$% be the random oracle.  Let $\alpha \inr \{0,\ldots,q - 1\}$%
+ * be Alice's private key; let %$a = g^\alpha$% be her public key; let %$b$%
+ * be Bob's public key.
+ *
+ * At the beginning of the session, Alice chooses
+ *
+ *   %$\rho_A \inr \{0, \ldots q - 1\}$%
+ *
+ * We also have:
+ *
+ * %$r_A = g^{\rho_A}$%                        Alice's challenge
+ * %$c_A = H(\cookie{cookie}, r_A)$%   Alice's cookie
+ * %$v_A = \rho_A \xor H(\cookie{expected-reply}, r_A, r_B, b^{\rho_A})$%
+ *                                     Alice's challenge check value
+ * %$r_B^\alpha = a^{\rho_B}$%         Alice's reply
+ * %$K = r_B^{\rho_A} = r_B^{\rho_A} = g^{\rho_A\rho_B}$%
+ *                                     Alice and Bob's shared secret key
+ * %$w_A = H(\cookie{switch-request}, c_A, c_B)$%
+ *                                     Alice's switch request value
+ * %$u_A = H(\cookie{switch-confirm}, c_A, c_B)$%
+ *                                     Alice's switch confirm value
+ *
+ * The messages are then:
+ *
+ * %$\cookie{kx-pre-challenge}, r_A$%
+ *     Initial greeting.  In state @KXS_CHAL@.
+ *
+ * %$\cookie{kx-cookie}, r_A, c_B$%
+ *     My table is full but I got your message.
+ *
+ * %$\cookie{kx-challenge}, r_A, c_B, v_A$%
+ *     Here's a full challenge for you to answer.
+ *
+ * %$\cookie{kx-reply}, c_A, c_B, v_A, E_K(r_B^\alpha))$%
+ *     Challenge accpeted: here's the answer.  Commit to my challenge.  Move
+ *     to @KXS_COMMIT@.
+ *
+ * %$\cookie{kx-switch}, c_A, c_B, E_K(r_B^\alpha, w_A))$%
+ *     Reply received: here's my reply.  Committed; send data; move to
+ *     @KXS_SWITCH@.
+ *
+ * %$\cookie{kx-switch-ok}, E_K(u_A))$%
+ *     Switch received.  Committed; send data; move to @KXS_SWITCH@.
+ */ 
+
 /*----- Tunable parameters ------------------------------------------------*/
 
-#define T_VALID MIN(2)
-#define T_RETRY SEC(10)
+#define T_VALID MIN(2)                 /* Challenge validity period */
+#define T_RETRY SEC(10)                        /* Challenge retransmit interval */
 
 #define ISVALID(kx, now) ((now) < (kx)->t_valid)
 
@@ -76,6 +144,31 @@ static void hashmp(HASH_CTX *r, mp *m)
   HASH(r, BBASE(&b), BLEN(&b));
 }
 
+/* --- @mpcrypt@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = the destination integer
+ *             @mp *x@ = the plaintext/ciphertext integer
+ *             @size_t sz@ = the expected size of the plaintext
+ *             @const octet *k@ = pointer to key material
+ *             @size_t ksz@ = size of the key
+ *
+ * Returns:    The encrypted/decrypted integer.
+ *
+ * Use:                Encrypts (or decrypts) a multiprecision integer using another
+ *             multiprecision integer as the key.  This is a slightly grotty
+ *             way to do this, but it's easier than the alternatives.
+ */
+
+static mp *mpcrypt(mp *d, mp *x, size_t sz, const octet *k, size_t ksz)
+{
+  MGF_CTX m;
+
+  MGF_INIT(&m, k, ksz, 0);
+  mp_storeb(x, buf_t, sz);
+  MGF_CRYPT(&m, buf_t, buf_t, sz);
+  return (mp_loadb(d, buf_t, sz));
+}
+
 /* --- @timer@ --- *
  *
  * Arguments:  @struct timeval *tv@ = the current time
@@ -145,6 +238,7 @@ static void kxc_destroy(kxchal *kxc)
     sel_rmtimer(&kxc->t);
   mp_drop(kxc->c);
   mp_drop(kxc->r);
+  mp_drop(kxc->ck);
   ks_drop(kxc->ks);
   DESTROY(kxc);
 }
@@ -164,6 +258,7 @@ static void kxc_stoptimer(kxchal *kxc)
 {
   if (kxc->f & KXF_TIMER)
     sel_rmtimer(&kxc->t);
+  kxc->f &= ~KXF_TIMER;
 }
 
 /* --- @kxc_new@ --- *
@@ -194,6 +289,7 @@ static kxchal *kxc_new(keyexch *kx)
   kxc = CREATE(kxchal);
   kxc->c = 0;
   kxc->r = 0;
+  kxc->ck = 0;
   kxc->ks = 0;
   kxc->kx = kx;
   kxc->f = 0;
@@ -277,7 +373,7 @@ static void kxc_answer(keyexch *kx, kxchal *kxc)
   else
     buf_put(b, kx->hc, HASHSZ);
   buf_put(b, kxc->hc, HASHSZ);
-  buf_put(b, kxc->hrx, HASHSZ);
+  buf_putmp(b, kxc->ck);
 
   /* --- Maybe send an actual reply, if we have one --- */
 
@@ -289,7 +385,7 @@ static void kxc_answer(keyexch *kx, kxchal *kxc)
     buf_init(&bb, buf_i, sizeof(buf_i));
     buf_putmp(&bb, kxc->r);
     buf_flip(&bb);
-    ks_encrypt(kxc->ks, &bb, b);
+    ks_encrypt(kxc->ks, MSG_KEYEXCH | KX_REPLY, &bb, b);
   }
 
   /* --- Update the statistics --- */
@@ -316,18 +412,20 @@ static void kxc_answer(keyexch *kx, kxchal *kxc)
  *
  * Arguments:  @keyexch *kx@ = pointer to key exchange context
  *             @mp *c@ = a challenge
- *             @const octet *hrx@ = the supplied expected-reply hash
+ *             @mp *ck@ = the supplied expected-reply check value
  *
  * Returns:    A pointer to the reply, or null if the reply-hash was wrong.
  *
  * Use:                Computes replies to challenges.
  */
 
-static mp *getreply(keyexch *kx, mp *c, const octet *hrx)
+static mp *getreply(keyexch *kx, mp *c, mp *ck)
 {
   mp *r = mpmont_exp(&mg, MP_NEW, c, kpriv.x);
+  mp *a;
   HASH_CTX h;
-  octet buf[HASHSZ];
+  octet buf[HASHSZ];  
+  int ok;
 
   HASH_INIT(&h);
   HASH_STRING(&h, "tripe-expected-reply");
@@ -335,16 +433,24 @@ static mp *getreply(keyexch *kx, mp *c, const octet *hrx)
   hashmp(&h, kx->c);
   hashmp(&h, r);
   HASH_DONE(&h, buf);
+
+  a = mpcrypt(MP_NEW, ck, mp_octets(kpriv.dp.q), buf, sizeof(buf));
   IF_TRACING(T_KEYEXCH, IF_TRACING(T_CRYPTO, {
     trace(T_CRYPTO, "crypto: computed reply = %s", mpstr(r));
     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: computed reply hash", buf, HASHSZ);
+    trace(T_CRYPTO, "crypto: recovered log = %s", mpstr(a));
   }))
-  if (memcmp(buf, hrx, HASHSZ) != 0) {
-    a_warn("invalid expected-reply hash from `%s'", p_name(kx->p));
+  a = mpmont_exp(&mg, a, kpriv.dp.g, a);
+  ok = mp_eq(a, c);
+  if (!ok) {
+    a_warn("invalid expected-reply check from `%s'", p_name(kx->p));
+    IF_TRACING(T_KEYEXCH, IF_TRACING(T_CRYPTO, {
+      trace(T_CRYPTO, "crypto: computed challenge = %s", mpstr(a));
+    }))
     mp_drop(r);
-    return (0);
   }
-  return (r);
+  mp_drop(a);
+  return (ok ? r : 0);
 }
 
 /* --- @dochallenge@ --- *
@@ -360,10 +466,11 @@ static mp *getreply(keyexch *kx, mp *c, const octet *hrx)
 
 static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
 {
-  mp *c = 0;
-  const octet *hc = 0, *hrx = 0;
+  mp *c = 0, *ck = 0;
+  const octet *hc = 0;
   kxchal *kxc;
   HASH_CTX h;
+  octet buf[HASHSZ];
 
   /* --- Ensure that we're in a sensible state --- */
 
@@ -376,7 +483,7 @@ static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
 
   if ((c = buf_getmp(b)) == 0 ||
       (msg >= KX_COOKIE && (hc = buf_get(b, HASHSZ)) == 0) ||
-      (msg >= KX_CHAL && (hrx = buf_get(b, HASHSZ)) == 0) ||
+      (msg >= KX_CHAL && (ck = buf_getmp(b)) == 0) ||
       BLEFT(b)) {
     a_warn("malformed packet from `%s'", p_name(kx->p));
     goto bad;
@@ -385,7 +492,7 @@ static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
   IF_TRACING(T_KEYEXCH, IF_TRACING(T_CRYPTO, {
     trace(T_CRYPTO, "crypto: challenge = %s", mpstr(c));
     if (hc) trace_block(T_CRYPTO, "crypto: cookie", hc, HASHSZ);
-    if (hrx) trace_block(T_CRYPTO, "crypto: response hash", hrx, HASHSZ);
+    if (ck) trace(T_CRYPTO, "crypto: check value = %s", mpstr(ck));
   }))
 
   /* --- First, handle a bare challenge --- *
@@ -428,10 +535,10 @@ static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
      * it.
      */
 
-    if (!hrx)
+    if (!ck)
       kxc = kxc_new(kx);       
     else {
-      if ((r = getreply(kx, c, hrx)) == 0)
+      if ((r = getreply(kx, c, ck)) == 0)
        goto bad;
       kxc = kxc_new(kx);
       kxc->r = r;
@@ -452,11 +559,16 @@ static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
     hashmp(&h, kx->c);
     hashmp(&h, kxc->c);
     hashmp(&h, kx->rx);
-    HASH_DONE(&h, kxc->hrx);
+    HASH_DONE(&h, buf);
+    kxc->ck = mpcrypt(MP_NEW, kx->alpha, mp_octets(kpriv.dp.q),
+                     buf, sizeof(buf));
 
     /* --- Work out the shared key --- */
 
+    trace(T_CRYPTO, "debug: c = %s", mpstr(c));
+    trace(T_CRYPTO, "debug: alpha = %s", mpstr(kx->alpha));
     r = mpmont_exp(&mg, MP_NEW, c, kx->alpha);
+    trace(T_CRYPTO, "debug: r = %s", mpstr(r));
 
     /* --- Compute the switch messages --- */
 
@@ -476,7 +588,9 @@ static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
 
     IF_TRACING(T_KEYEXCH, IF_TRACING(T_CRYPTO, {
       trace_block(T_CRYPTO, "crypto: computed cookie", kxc->hc, HASHSZ);
-      trace_block(T_CRYPTO, "crypto: my reply hash", kxc->hrx, HASHSZ);
+      trace_block(T_CRYPTO, "crypto: expected-reply hash",
+                 buf, HASHSZ);
+      trace(T_CRYPTO, "crypto: my reply check = %s", mpstr(kxc->ck));
       trace(T_CRYPTO, "crypto: shared secret = %s", mpstr(r));
       trace_block(T_CRYPTO, "crypto: outbound switch request",
                  kxc->hswrq_out, HASHSZ);
@@ -496,15 +610,15 @@ static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
     buf_putmp(b, r); z = BLEN(b);
     assert(BOK(b));
 
-    kxc->ks = ks_gen(BBASE(b), x, y, z);
+    kxc->ks = ks_gen(BBASE(b), x, y, z, kx->p);
     mp_drop(r);
   }
 
   /* --- Answer the challenge if we need to --- */
 
-  if (hrx && !kxc->r) {
+  if (ck && !kxc->r) {
     mp *r;
-    if ((r = getreply(kx, c, hrx)) == 0)
+    if ((r = getreply(kx, c, ck)) == 0)
       goto bad;
     kxc->r = r;
   }
@@ -515,10 +629,12 @@ static int dochallenge(keyexch *kx, unsigned msg, buf *b)
 
 tidy:
   mp_drop(c);
+  mp_drop(ck);
   return (0);
 
 bad:
   mp_drop(c);
+  mp_drop(ck);
   return (-1);
 }
 
@@ -556,7 +672,7 @@ static void resend(keyexch *kx)
       buf_putmp(&bb, kxc->r);
       buf_put(&bb, kxc->hswrq_out, HASHSZ);
       buf_flip(&bb);
-      ks_encrypt(kxc->ks, &bb, b);
+      ks_encrypt(kxc->ks, MSG_KEYEXCH | KX_SWITCH, &bb, b);
       break;
     case KXS_SWITCH:
       T( trace(T_KEYEXCH, "keyexch: sending switch confirmation to `%s'",
@@ -566,7 +682,7 @@ static void resend(keyexch *kx)
       buf_init(&bb, buf_i, sizeof(buf_i));
       buf_put(&bb, kxc->hswok_out, HASHSZ);
       buf_flip(&bb);
-      ks_encrypt(kxc->ks, &bb, b);
+      ks_encrypt(kxc->ks, MSG_KEYEXCH | KX_SWITCHOK, &bb, b);
       break;
     default:
       abort();
@@ -585,9 +701,10 @@ static void resend(keyexch *kx)
 /* --- @matchreply@ --- *
  *
  * Arguments:  @keyexch *kx@ = pointer to key exchange context
+ *             @unsigned ty@ = type of incoming message
  *             @const octet *hc_in@ = a hash of his challenge
  *             @const octet *hc_out@ = a hash of my challenge (cookie)
- *             @const octet *krx@ = his expected-reply hash (optional)
+ *             @mp *ck@ = his expected-reply hash (optional)
  *             @buf *b@ = encrypted remainder of the packet
  *
  * Returns:    A pointer to the challenge block if OK, or null on failure.
@@ -598,8 +715,8 @@ static void resend(keyexch *kx)
  *             challenge is returned.
  */
 
-static kxchal *matchreply(keyexch *kx, const octet *hc_in,
-                         const octet *hc_out, const octet *hrx, buf *b)
+static kxchal *matchreply(keyexch *kx, unsigned ty, const octet *hc_in,
+                         const octet *hc_out, mp *ck, buf *b)
 {
   kxchal *kxc;
   buf bb;
@@ -610,7 +727,7 @@ static kxchal *matchreply(keyexch *kx, const octet *hc_in,
   IF_TRACING(T_KEYEXCH, IF_TRACING(T_CRYPTO, {
     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: challenge", hc_in, HASHSZ);
     trace_block(T_CRYPTO, "crypto: cookie", hc_out, HASHSZ);
-    if (hrx) trace_block(T_CRYPTO, "crypto: response hash", hrx, HASHSZ);
+    if (ck) trace(T_CRYPTO, "crypto: check value = %s", mpstr(ck));
   }))
   if (memcmp(hc_out, kx->hc, HASHSZ) != 0) {
     a_warn("incorrect cookie from `%s'", p_name(kx->p));
@@ -624,11 +741,11 @@ static kxchal *matchreply(keyexch *kx, const octet *hc_in,
   /* --- Maybe compute a reply for the challenge --- */
 
   if (!kxc->r) {
-    if (!hrx) {
+    if (!ck) {
       a_warn("unexpected switch request from `%s'", p_name(kx->p));
       goto bad;
     }
-    if ((r = getreply(kx, kxc->c, hrx)) == 0)
+    if ((r = getreply(kx, kxc->c, ck)) == 0)
       goto bad;
     kxc->r = r;
     r = 0;
@@ -637,7 +754,7 @@ static kxchal *matchreply(keyexch *kx, const octet *hc_in,
   /* --- Decrypt the rest of the packet --- */
 
   buf_init(&bb, buf_o, sizeof(buf_o));
-  if (ks_decrypt(kxc->ks, b, &bb)) {
+  if (ks_decrypt(kxc->ks, ty, b, &bb)) {
     a_warn("failed to decrypt reply from `%s'", p_name(kx->p));
     goto bad;
   }
@@ -702,7 +819,8 @@ static void commit(keyexch *kx, kxchal *kxc)
 
 static int doreply(keyexch *kx, buf *b)
 {
-  const octet *hc_in, *hc_out, *hrx;
+  const octet *hc_in, *hc_out;
+  mp *ck = 0;
   kxchal *kxc;
 
   if (kx->s != KXS_CHAL && kx->s != KXS_COMMIT) {
@@ -711,11 +829,12 @@ static int doreply(keyexch *kx, buf *b)
   }
   if ((hc_in = buf_get(b, HASHSZ)) == 0 ||
       (hc_out = buf_get(b, HASHSZ)) == 0 ||
-      (hrx = buf_get(b, HASHSZ)) == 0) {
+      (ck = buf_getmp(b)) == 0) {
     a_warn("invalid reply packet from `%s'", p_name(kx->p));
     goto bad;
   }
-  if ((kxc = matchreply(kx, hc_in, hc_out, hrx, b)) == 0)
+  if ((kxc = matchreply(kx, MSG_KEYEXCH | KX_REPLY,
+                       hc_in, hc_out, ck, b)) == 0)
     goto bad;
   if (BLEFT(b)) {
     a_warn("invalid reply packet from `%s'", p_name(kx->p));
@@ -729,6 +848,7 @@ static int doreply(keyexch *kx, buf *b)
   return (0);
 
 bad:
+  mp_drop(ck);
   return (-1);
 }
 
@@ -752,7 +872,8 @@ static int doswitch(keyexch *kx, buf *b)
     a_warn("invalid switch request from `%s'", p_name(kx->p));
     goto bad;
   }
-  if ((kxc = matchreply(kx, hc_in, hc_out, 0, b)) == 0)
+  if ((kxc = matchreply(kx, MSG_KEYEXCH | KX_SWITCH,
+                       hc_in, hc_out, 0, b)) == 0)
     goto bad;
   if ((hswrq = buf_get(b, HASHSZ)) == 0 || BLEFT(b)) {
     a_warn("invalid switch request from `%s'", p_name(kx->p));
@@ -803,7 +924,7 @@ static int doswitchok(keyexch *kx, buf *b)
   }
   kxc = kx->r[0];
   buf_init(&bb, buf_o, sizeof(buf_o));
-  if (ks_decrypt(kxc->ks, b, &bb)) {
+  if (ks_decrypt(kxc->ks, MSG_KEYEXCH | KX_SWITCHOK, b, &bb)) {
     a_warn("failed to decrypt switch confirmation from `%s'", p_name(kx->p));
     goto bad;
   }