chiark / gitweb /
Great reorganization.
[tripe] / server / keyset.c
diff --git a/server/keyset.c b/server/keyset.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..bb2397f
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,598 @@
+/* -*-c-*-
+ *
+ * $Id$
+ *
+ * Handling of symmetric keysets
+ *
+ * (c) 2001 Straylight/Edgeware
+ */
+
+/*----- Licensing notice --------------------------------------------------* 
+ *
+ * This file is part of Trivial IP Encryption (TrIPE).
+ *
+ * TrIPE is free software; you can redistribute it and/or modify
+ * it under the terms of the GNU General Public License as published by
+ * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
+ * (at your option) any later version.
+ * 
+ * TrIPE is distributed in the hope that it will be useful,
+ * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+ * GNU General Public License for more details.
+ * 
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License
+ * along with TrIPE; if not, write to the Free Software Foundation,
+ * Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA.
+ */
+
+/*----- Header files ------------------------------------------------------*/
+
+#include "tripe.h"
+
+/*----- Tunable parameters ------------------------------------------------*/
+
+/* --- Note on size limits --- *
+ *
+ * For a 64-bit block cipher (e.g., Blowfish), the probability of a collision
+ * occurring after 32 MB is less than %$2^{-21}$%, and the probability of a
+ * collision occurring after 64 MB is less than %$2^{-19}$%.  These could be
+ * adjusted dependent on the encryption scheme, but it's too much pain.
+ */
+
+#define T_EXP MIN(60)                  /* Expiry time for a key */
+#define T_REGEN MIN(45)                        /* Regeneration time for a key */
+#define SZ_EXP MEG(64)                 /* Expiry data size for a key */
+#define SZ_REGEN MEG(32)               /* Data size threshold for regen */
+
+/*----- Handy macros ------------------------------------------------------*/
+
+#define KEYOK(ks, now) ((ks)->sz_exp > 0 && (ks)->t_exp > now)
+
+#define SEQSZ 4                                /* Size of sequence number packet */
+
+/*----- Low-level packet encryption and decryption ------------------------*/
+
+/* --- Encrypted data format --- *
+ *
+ * Let %$p_i$% be the %$i$%-th plaintext message, with type %$t$%.  We first
+ * compute 
+ *
+ *   %$c_i = \mathcal{E}\textrm{-CBC}_{K_{\text{E}}}(p_i)$%
+ *
+ * as the CBC-ciphertext of %$p_i$%, and then
+ *
+ *   %$\sigma_i = \mathcal{T}_{K_{\text{M}}}(t, i, c_i)$%
+ *
+ * as a MAC on the %%\emph{ciphertext}%%.  The message sent is then the pair
+ * %$(\sigma_i, c_i)$%.  This construction is provably secure in the NM-CCA
+ * sense (assuming that the cipher is IND-CPA, and the MAC is SUF-CMA)
+ * [Bellare and Namprempre].
+ *
+ * This also ensures that, assuming the key is good, we have a secure channel
+ * [Krawczyk].  Actually, [Krawczyk] shows that, if the cipher is either a
+ * simple stream cipher or a block cipher in CBC mode, we can use the MAC-
+ * then-encrypt scheme and still have a secure channel.  However, I like the
+ * NM-CCA guarantee from [Bellare and Namprempre].  I'm less worried about
+ * the Horton Principle [Wagner and Schneier].
+ */
+
+/* --- @doencrypt@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset *ks@ = pointer to keyset to use
+ *             @unsigned ty@ = type of message this is
+ *             @buf *b@ = pointer to an input buffer
+ *             @buf *bb@ = pointer to an output buffer
+ *
+ * Returns:    Zero if OK, nonzero if a new key is required.
+ *
+ * Use:                Encrypts a message with the given key.  We assume that the
+ *             keyset is OK to use.
+ */
+
+static int doencrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
+{
+  ghash *h;
+  gcipher *c = ks->cout;
+  const octet *p = BCUR(b);
+  size_t sz = BLEFT(b);
+  octet *qmac, *qseq, *qiv, *qpk;
+  uint32 oseq;
+  size_t ivsz = GC_CLASS(c)->blksz;
+  size_t tagsz = ks->tagsz;
+  size_t osz, nsz;
+  octet t[4];
+  int rc = 0;
+
+  /* --- Allocate the required buffer space --- */
+
+  if (buf_ensure(bb, tagsz + SEQSZ + ivsz + sz))
+    return (0); /* Caution! */
+  qmac = BCUR(bb); qseq = qmac + tagsz; qiv = qseq + SEQSZ; qpk = qiv + ivsz;
+  BSTEP(bb, tagsz + SEQSZ + ivsz + sz);
+  STORE32(t, ty);
+
+  oseq = ks->oseq++; STORE32(qseq, oseq);
+  IF_TRACING(T_KEYSET, {
+    trace(T_KEYSET, "keyset: encrypting packet %lu using keyset %u",
+         (unsigned long)oseq, ks->seq);
+    trace_block(T_CRYPTO, "crypto: plaintext packet", p, sz);
+  })
+
+  /* --- Encrypt the packet --- */
+
+  if (ivsz) {
+    rand_get(RAND_GLOBAL, qiv, ivsz);
+    GC_SETIV(c, qiv);
+    IF_TRACING(T_KEYSET, {
+      trace_block(T_CRYPTO, "crypto: initialization vector", qiv, ivsz);
+    })
+  }
+  GC_ENCRYPT(c, p, qpk, sz);
+  IF_TRACING(T_KEYSET, {
+    trace_block(T_CRYPTO, "crypto: encrypted packet", qpk, sz);
+  })
+
+  /* --- Now compute the MAC --- */
+
+  if (tagsz) {
+    h = GM_INIT(ks->mout);
+    GH_HASH(h, t, sizeof(t));
+    GH_HASH(h, qseq, SEQSZ + ivsz + sz);
+    memcpy(qmac, GH_DONE(h, 0), tagsz);
+    GH_DESTROY(h);
+    IF_TRACING(T_KEYSET, {
+      trace_block(T_CRYPTO, "crypto: computed MAC", qmac, tagsz);
+    })
+  }
+
+  /* --- Deduct the packet size from the key's data life --- */
+
+  osz = ks->sz_exp;
+  if (osz > sz)
+    nsz = osz - sz;
+  else
+    nsz = 0;
+  if (osz >= SZ_REGEN && nsz < SZ_REGEN) {
+    T( trace(T_KEYSET, "keyset: keyset %u data regen limit exceeded -- "
+            "forcing exchange", ks->seq); )
+    rc = -1;
+  }
+  ks->sz_exp = nsz;
+  return (rc);  
+}
+
+/* --- @dodecrypt@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset *ks@ = pointer to keyset to use
+ *             @unsigned ty@ = expected type code
+ *             @buf *b@ = pointer to an input buffer
+ *             @buf *bb@ = pointer to an output buffer
+ *             @uint32 *seq@ = where to store the sequence number
+ *
+ * Returns:    Zero if OK, nonzero if it failed.
+ *
+ * Use:                Attempts to decrypt a message with the given key.  No other
+ *             checking (e.g., sequence number checks) is performed.  We
+ *             assume that the keyset is OK to use, and that there is
+ *             sufficient output buffer space reserved.  If the decryption
+ *             is successful, the buffer pointer is moved past the decrypted
+ *             packet, and the packet's sequence number is stored in @*seq@.
+ */
+
+static int dodecrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb, uint32 *seq)
+{
+  const octet *pmac, *piv, *pseq, *ppk;
+  size_t psz = BLEFT(b);
+  size_t sz;
+  octet *q = BCUR(bb);
+  ghash *h;
+  gcipher *c = ks->cin;
+  size_t ivsz = GC_CLASS(c)->blksz;
+  size_t tagsz = ks->tagsz;
+  octet *mac;
+  int eq;
+  octet t[4];
+
+  /* --- Break up the packet into its components --- */
+
+  if (psz < ivsz + SEQSZ + tagsz) {
+    T( trace(T_KEYSET, "keyset: block too small for keyset %u", ks->seq); )
+    return (-1);
+  }
+  sz = psz - ivsz - SEQSZ - tagsz;
+  pmac = BCUR(b); pseq = pmac + tagsz; piv = pseq + SEQSZ; ppk = piv + ivsz;
+  STORE32(t, ty);
+
+  IF_TRACING(T_KEYSET, {
+    trace(T_KEYSET, "keyset: decrypting using keyset %u", ks->seq);
+    trace_block(T_CRYPTO, "crypto: ciphertext packet", ppk, sz);
+  })
+
+  /* --- Verify the MAC on the packet --- */
+
+  if (tagsz) {
+    h = GM_INIT(ks->min);
+    GH_HASH(h, t, sizeof(t));
+    GH_HASH(h, pseq, SEQSZ + ivsz + sz);
+    mac = GH_DONE(h, 0);
+    eq = !memcmp(mac, pmac, tagsz);
+    IF_TRACING(T_KEYSET, {
+      trace_block(T_CRYPTO, "crypto: computed MAC", mac, tagsz);
+    })
+    GH_DESTROY(h);
+    if (!eq) {
+      IF_TRACING(T_KEYSET, {
+       trace(T_KEYSET, "keyset: incorrect MAC: decryption failed");
+       trace_block(T_CRYPTO, "crypto: expected MAC", pmac, tagsz);
+      })
+      return (-1);
+    }
+  }
+
+  /* --- Decrypt the packet --- */
+
+  if (ivsz) {
+    GC_SETIV(c, piv);
+    IF_TRACING(T_KEYSET, {
+      trace_block(T_CRYPTO, "crypto: initialization vector", piv, ivsz);
+    })
+  }
+  GC_DECRYPT(c, ppk, q, sz);
+  if (seq)
+    *seq = LOAD32(pseq);
+  IF_TRACING(T_KEYSET, {
+    trace(T_KEYSET, "keyset: decrypted OK (sequence = %lu)",
+         (unsigned long)LOAD32(pseq));
+    trace_block(T_CRYPTO, "crypto: decrypted packet", q, sz);
+  })
+  BSTEP(bb, sz);
+  return (0);
+}
+
+/*----- Operations on a single keyset -------------------------------------*/
+
+/* --- @ks_drop@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset *ks@ = pointer to a keyset
+ *
+ * Returns:    ---
+ *
+ * Use:                Decrements a keyset's reference counter.  If the counter hits
+ *             zero, the keyset is freed.
+ */
+
+void ks_drop(keyset *ks)
+{
+  if (--ks->ref)
+    return;
+  GC_DESTROY(ks->cin);
+  GC_DESTROY(ks->cout);
+  GM_DESTROY(ks->min);
+  GM_DESTROY(ks->mout);
+  DESTROY(ks);
+}
+
+/* --- @ks_gen@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @const void *k@ = pointer to key material
+ *             @size_t x, y, z@ = offsets into key material (see below)
+ *             @peer *p@ = pointer to peer information 
+ *
+ * Returns:    A pointer to the new keyset.
+ *
+ * Use:                Derives a new keyset from the given key material.  The
+ *             offsets @x@, @y@ and @z@ separate the key material into three
+ *             parts.  Between the @k@ and @k + x@ is `my' contribution to
+ *             the key material; between @k + x@ and @k + y@ is `your'
+ *             contribution; and between @k + y@ and @k + z@ is a shared
+ *             value we made together.  These are used to construct two
+ *             pairs of symmetric keys.  Each pair consists of an encryption
+ *             key and a message authentication key.  One pair is used for
+ *             outgoing messages, the other for incoming messages.
+ *
+ *             The new key is marked so that it won't be selected for output
+ *             by @ksl_encrypt@.  You can still encrypt data with it by
+ *             calling @ks_encrypt@ directly.
+ */
+
+keyset *ks_gen(const void *k, size_t x, size_t y, size_t z, peer *p)
+{
+  ghash *h;
+  const octet *hh;
+  keyset *ks = CREATE(keyset);
+  time_t now = time(0);
+  const octet *pp = k;
+  T( static unsigned seq = 0; )
+
+  T( trace(T_KEYSET, "keyset: adding new keyset %u", seq); )
+
+  /* --- Construct the various keys --- *
+   *
+   * This is done with macros, because it's quite tedious.
+   */
+
+#define MINE GH_HASH(h, pp, x)
+#define YOURS GH_HASH(h, pp + x, y - x)
+#define OURS GH_HASH(h, pp + y, z - y)
+
+#define HASH_in MINE; YOURS; OURS
+#define HASH_out YOURS; MINE; OURS
+#define INIT_c(k) GC_INIT(algs.c, (k), algs.cksz)
+#define INIT_m(k) GM_KEY(algs.m, (k), algs.mksz)
+#define STR_c "encryption"
+#define STR_m "integrity"
+#define STR_in "incoming"
+#define STR_out "outgoing"
+
+#define SETKEY(a, dir) do {                                            \
+  h = GH_INIT(algs.h);                                                 \
+  HASH_STRING(h, "tripe-" STR_##a);                                    \
+  HASH_##dir;                                                          \
+  hh = GH_DONE(h, 0);                                                  \
+  IF_TRACING(T_KEYSET, {                                               \
+    trace_block(T_CRYPTO, "crypto: " STR_##dir " key " STR_##a,                \
+               hh, algs.a##ksz);                                       \
+  })                                                                   \
+  ks->a##dir = INIT_##a(hh);                                           \
+  GH_DESTROY(h);                                                       \
+} while (0)
+
+  SETKEY(c, in); SETKEY(c, out);
+  SETKEY(m, in); SETKEY(m, out);
+
+#undef MINE
+#undef YOURS
+#undef OURS
+#undef STR_c
+#undef STR_m
+#undef STR_in
+#undef STR_out
+#undef INIT_c
+#undef INIT_m
+#undef HASH_in
+#undef HASH_out
+#undef SETKEY
+
+  T( ks->seq = seq++; )
+  ks->ref = 1;
+  ks->t_exp = now + T_EXP;
+  ks->sz_exp = SZ_EXP;
+  ks->oseq = 0;
+  seq_reset(&ks->iseq);
+  ks->next = 0;
+  ks->p = p;
+  ks->f = KSF_LISTEN;
+  ks->tagsz = algs.tagsz;
+  return (ks);
+}
+
+/* --- @ks_tregen@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset *ks@ = pointer to a keyset
+ *
+ * Returns:    The time at which moves ought to be made to replace this key.
+ */
+
+time_t ks_tregen(keyset *ks) { return (ks->t_exp - T_EXP + T_REGEN); }
+
+/* --- @ks_activate@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset *ks@ = pointer to a keyset
+ *
+ * Returns:    ---
+ *
+ * Use:                Activates a keyset, so that it can be used for encrypting
+ *             outgoing messages.
+ */
+
+void ks_activate(keyset *ks)
+{
+  if (ks->f & KSF_LISTEN) {
+    T( trace(T_KEYSET, "keyset: activating keyset %u", ks->seq); )
+    ks->f &= ~KSF_LISTEN;
+  }
+}
+
+/* --- @ks_encrypt@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset *ks@ = pointer to a keyset
+ *             @unsigned ty@ = message type
+ *             @buf *b@ = pointer to input buffer
+ *             @buf *bb@ = pointer to output buffer
+ *
+ * Returns:    Zero if OK, nonzero if the key needs replacing.  If the
+ *             encryption failed, the output buffer is broken and zero is
+ *             returned.
+ *
+ * Use:                Encrypts a block of data using the key.  Note that the `key
+ *             ought to be replaced' notification is only ever given once
+ *             for each key.  Also note that this call forces a keyset to be
+ *             used even if it's marked as not for data output.
+ */
+
+int ks_encrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
+{
+  time_t now = time(0);
+
+  if (!KEYOK(ks, now)) {
+    buf_break(bb);
+    return (0);
+  }
+  return (doencrypt(ks, ty, b, bb));
+}
+
+/* --- @ks_decrypt@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset *ks@ = pointer to a keyset
+ *             @unsigned ty@ = expected type code
+ *             @buf *b@ = pointer to an input buffer
+ *             @buf *bb@ = pointer to an output buffer
+ *
+ * Returns:    Zero on success, or nonzero if there was some problem.
+ *
+ * Use:                Attempts to decrypt a message using a given key.  Note that
+ *             requesting decryption with a key directly won't clear a
+ *             marking that it's not for encryption.
+ */
+
+int ks_decrypt(keyset *ks, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
+{
+  time_t now = time(0);
+  uint32 seq;
+
+  if (!KEYOK(ks, now) ||
+      buf_ensure(bb, BLEN(b)) ||
+      dodecrypt(ks, ty, b, bb, &seq) ||
+      seq_check(&ks->iseq, seq, "SYMM"))
+    return (-1);
+  return (0);
+}
+
+/*----- Keyset list handling ----------------------------------------------*/
+
+/* --- @ksl_free@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
+ *
+ * Returns:    ---
+ *
+ * Use:                Frees (releases references to) all of the keys in a keyset.
+ */
+
+void ksl_free(keyset **ksroot)
+{
+  keyset *ks, *ksn;
+  for (ks = *ksroot; ks; ks = ksn) {
+    ksn = ks->next;
+    ks->f &= ~KSF_LINK;
+    ks_drop(ks);
+  }
+}
+
+/* --- @ksl_link@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
+ *             @keyset *ks@ = pointer to a keyset
+ *
+ * Returns:    ---
+ *
+ * Use:                Links a keyset into a list.  A keyset can only be on one list
+ *             at a time.  Bad things happen otherwise.
+ */
+
+void ksl_link(keyset **ksroot, keyset *ks)
+{
+  assert(!(ks->f & KSF_LINK));
+  ks->next = *ksroot;
+  *ksroot = ks;
+  ks->f |= KSF_LINK;
+  ks->ref++;
+}
+
+/* --- @ksl_prune@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
+ *
+ * Returns:    ---
+ *
+ * Use:                Prunes the keyset list by removing keys which mustn't be used
+ *             any more.
+ */
+
+void ksl_prune(keyset **ksroot)
+{
+  time_t now = time(0);
+
+  while (*ksroot) {
+    keyset *ks = *ksroot;
+
+    if (ks->t_exp <= now) {
+      T( trace(T_KEYSET, "keyset: expiring keyset %u (time limit reached)",
+              ks->seq); )
+      goto kill;
+    } else if (ks->sz_exp == 0) {
+      T( trace(T_KEYSET, "keyset: expiring keyset %u (data limit reached)",
+              ks->seq); )
+      goto kill;
+    } else {
+      ksroot = &ks->next;
+      continue;
+    }
+
+  kill:
+    *ksroot = ks->next;
+    ks->f &= ~KSF_LINK;
+    ks_drop(ks);
+  }
+}
+
+/* --- @ksl_encrypt@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
+ *             @unsigned ty@ = message type
+ *             @buf *b@ = pointer to input buffer
+ *             @buf *bb@ = pointer to output buffer
+ *
+ * Returns:    Nonzero if a new key is needed.
+ *
+ * Use:                Encrypts a packet.
+ */
+
+int ksl_encrypt(keyset **ksroot, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
+{
+  time_t now = time(0);
+  keyset *ks = *ksroot;
+
+  for (;;) {
+    if (!ks) {
+      T( trace(T_KEYSET, "keyset: no suitable keysets found"); )
+      buf_break(bb);
+      return (-1);
+    }
+    if (KEYOK(ks, now) && !(ks->f & KSF_LISTEN))
+      break;
+    ks = ks->next;
+  }
+
+  return (doencrypt(ks, ty, b, bb));
+}
+
+/* --- @ksl_decrypt@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @keyset **ksroot@ = pointer to keyset list head
+ *             @unsigned ty@ = expected type code
+ *             @buf *b@ = pointer to input buffer
+ *             @buf *bb@ = pointer to output buffer
+ *
+ * Returns:    Nonzero if the packet couldn't be decrypted.
+ *
+ * Use:                Decrypts a packet.
+ */
+
+int ksl_decrypt(keyset **ksroot, unsigned ty, buf *b, buf *bb)
+{
+  time_t now = time(0);
+  keyset *ks;
+  uint32 seq;
+
+  if (buf_ensure(bb, BLEN(b)))
+    return (-1);
+
+  for (ks = *ksroot; ks; ks = ks->next) {
+    if (!KEYOK(ks, now))
+      continue;
+    if (!dodecrypt(ks, ty, b, bb, &seq)) {
+      if (ks->f & KSF_LISTEN) {
+       T( trace(T_KEYSET, "keyset: implicitly activating keyset %u",
+                ks->seq); )
+       ks->f &= ~KSF_LISTEN;
+      }
+      return (seq_check(&ks->iseq, seq, "SYMM"));
+    }
+  }
+  T( trace(T_KEYSET, "keyset: no matching keys, or incorrect MAC"); )
+  return (-1);
+}
+
+/*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/