]> git.meshlink.io Git - meshlink/blob - src/sptps.c
Merge branch 'everbase' of chicago.everbase.net:meshlink/meshlink into everbase
[meshlink] / src / sptps.c
1 /*
2     sptps.c -- Simple Peer-to-Peer Security
3     Copyright (C) 2014 Guus Sliepen <guus@meshlink.io>
4
5     This program is free software; you can redistribute it and/or modify
6     it under the terms of the GNU General Public License as published by
7     the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
8     (at your option) any later version.
9
10     This program is distributed in the hope that it will be useful,
11     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
13     GNU General Public License for more details.
14
15     You should have received a copy of the GNU General Public License along
16     with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
17     51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA.
18 */
19
20 #include "system.h"
21
22 #include "chacha-poly1305/chacha-poly1305.h"
23 #include "crypto.h"
24 #include "ecdh.h"
25 #include "ecdsa.h"
26 #include "logger.h"
27 #include "prf.h"
28 #include "sptps.h"
29
30 unsigned int sptps_replaywin = 16;
31
32 /*
33    Nonce MUST be exchanged first (done)
34    Signatures MUST be done over both nonces, to guarantee the signature is fresh
35    Otherwise: if ECDHE key of one side is compromised, it can be reused!
36
37    Add explicit tag to beginning of structure to distinguish the client and server when signing. (done)
38
39    Sign all handshake messages up to ECDHE kex with long-term public keys. (done)
40
41    HMACed KEX finished message to prevent downgrade attacks and prove you have the right key material (done by virtue of ECDSA over the whole ECDHE exchange?)
42
43    Explicit close message needs to be added.
44
45    Maybe do add some alert messages to give helpful error messages? Not more than TLS sends.
46
47    Use counter mode instead of OFB. (done)
48
49    Make sure ECC operations are fixed time (aka prevent side-channel attacks).
50 */
51
52 void sptps_log_quiet(sptps_t *s, int s_errno, const char *format, va_list ap) {
53 }
54
55 void sptps_log_stderr(sptps_t *s, int s_errno, const char *format, va_list ap) {
56         vfprintf(stderr, format, ap);
57         fputc('\n', stderr);
58 }
59
60 void (*sptps_log)(sptps_t *s, int s_errno, const char *format, va_list ap) = sptps_log_stderr;
61
62 // Log an error message.
63 static bool error(sptps_t *s, int s_errno, const char *format, ...) {
64         if(format) {
65                 va_list ap;
66                 va_start(ap, format);
67                 sptps_log(s, s_errno, format, ap);
68                 va_end(ap);
69         }
70
71         errno = s_errno;
72         return false;
73 }
74
75 static void warning(sptps_t *s, const char *format, ...) {
76         va_list ap;
77         va_start(ap, format);
78         sptps_log(s, 0, format, ap);
79         va_end(ap);
80 }
81
82 // Send a record (datagram version, accepts all record types, handles encryption and authentication).
83 static bool send_record_priv_datagram(sptps_t *s, uint8_t type, const void *data, uint16_t len) {
84         char buffer[len + 21UL];
85
86         // Create header with sequence number, length and record type
87         uint32_t seqno = s->outseqno++;
88         uint32_t netseqno = ntohl(seqno);
89
90         memcpy(buffer, &netseqno, 4);
91         buffer[4] = type;
92         memcpy(buffer + 5, data, len);
93
94         if(s->outstate) {
95                 // If first handshake has finished, encrypt and HMAC
96                 chacha_poly1305_encrypt(s->outcipher, seqno, buffer + 4, len + 1, buffer + 4, NULL);
97                 return s->send_data(s->handle, type, buffer, len + 21UL);
98         } else {
99                 // Otherwise send as plaintext
100                 return s->send_data(s->handle, type, buffer, len + 5UL);
101         }
102 }
103 // Send a record (private version, accepts all record types, handles encryption and authentication).
104 static bool send_record_priv(sptps_t *s, uint8_t type, const void *data, uint16_t len) {
105         if(s->datagram)
106                 return send_record_priv_datagram(s, type, data, len);
107
108         char buffer[len + 19UL];
109
110         // Create header with sequence number, length and record type
111         uint32_t seqno = s->outseqno++;
112         uint16_t netlen = htons(len);
113
114         memcpy(buffer, &netlen, 2);
115         buffer[2] = type;
116         memcpy(buffer + 3, data, len);
117
118         if(s->outstate) {
119                 // If first handshake has finished, encrypt and HMAC
120                 chacha_poly1305_encrypt(s->outcipher, seqno, buffer + 2, len + 1, buffer + 2, NULL);
121                 return s->send_data(s->handle, type, buffer, len + 19UL);
122         } else {
123                 // Otherwise send as plaintext
124                 return s->send_data(s->handle, type, buffer, len + 3UL);
125         }
126 }
127
128 // Send an application record.
129 bool sptps_send_record(sptps_t *s, uint8_t type, const void *data, uint16_t len) {
130         // Sanity checks: application cannot send data before handshake is finished,
131         // and only record types 0..127 are allowed.
132         if(!s->outstate)
133                 return error(s, EINVAL, "Handshake phase not finished yet");
134
135         if(type >= SPTPS_HANDSHAKE)
136                 return error(s, EINVAL, "Invalid application record type");
137
138         return send_record_priv(s, type, data, len);
139 }
140
141 // Send a Key EXchange record, containing a random nonce and an ECDHE public key.
142 static bool send_kex(sptps_t *s) {
143         size_t keylen = ECDH_SIZE;
144
145         // Make room for our KEX message, which we will keep around since send_sig() needs it.
146         if(s->mykex)
147                 return false;
148         s->mykex = realloc(s->mykex, 1 + 32 + keylen);
149         if(!s->mykex)
150                 return error(s, errno, strerror(errno));
151
152         // Set version byte to zero.
153         s->mykex[0] = SPTPS_VERSION;
154
155         // Create a random nonce.
156         randomize(s->mykex + 1, 32);
157
158         // Create a new ECDH public key.
159         if(!(s->ecdh = ecdh_generate_public(s->mykex + 1 + 32)))
160                 return error(s, EINVAL, "Failed to generate ECDH public key");
161
162         return send_record_priv(s, SPTPS_HANDSHAKE, s->mykex, 1 + 32 + keylen);
163 }
164
165 // Send a SIGnature record, containing an ECDSA signature over both KEX records.
166 static bool send_sig(sptps_t *s) {
167         size_t keylen = ECDH_SIZE;
168         size_t siglen = ecdsa_size(s->mykey);
169
170         // Concatenate both KEX messages, plus tag indicating if it is from the connection originator, plus label
171         char msg[(1 + 32 + keylen) * 2 + 1 + s->labellen];
172         char sig[siglen];
173
174         msg[0] = s->initiator;
175         memcpy(msg + 1, s->mykex, 1 + 32 + keylen);
176         memcpy(msg + 1 + 33 + keylen, s->hiskex, 1 + 32 + keylen);
177         memcpy(msg + 1 + 2 * (33 + keylen), s->label, s->labellen);
178
179         // Sign the result.
180         if(!ecdsa_sign(s->mykey, msg, sizeof msg, sig))
181                 return error(s, EINVAL, "Failed to sign SIG record");
182
183         // Send the SIG exchange record.
184         return send_record_priv(s, SPTPS_HANDSHAKE, sig, sizeof sig);
185 }
186
187 // Generate key material from the shared secret created from the ECDHE key exchange.
188 static bool generate_key_material(sptps_t *s, const char *shared, size_t len) {
189         // Initialise cipher and digest structures if necessary
190         if(!s->outstate) {
191                 s->incipher = chacha_poly1305_init();
192                 s->outcipher = chacha_poly1305_init();
193                 if(!s->incipher || !s->outcipher)
194                         return error(s, EINVAL, "Failed to open cipher");
195         }
196
197         // Allocate memory for key material
198         size_t keylen = 2 * CHACHA_POLY1305_KEYLEN;
199
200         s->key = realloc(s->key, keylen);
201         if(!s->key)
202                 return error(s, errno, strerror(errno));
203
204         // Create the HMAC seed, which is "key expansion" + session label + server nonce + client nonce
205         char seed[s->labellen + 64 + 13];
206         strcpy(seed, "key expansion");
207         if(s->initiator) {
208                 memcpy(seed + 13, s->mykex + 1, 32);
209                 memcpy(seed + 45, s->hiskex + 1, 32);
210         } else {
211                 memcpy(seed + 13, s->hiskex + 1, 32);
212                 memcpy(seed + 45, s->mykex + 1, 32);
213         }
214         memcpy(seed + 77, s->label, s->labellen);
215
216         // Use PRF to generate the key material
217         if(!prf(shared, len, seed, s->labellen + 64 + 13, s->key, keylen))
218                 return error(s, EINVAL, "Failed to generate key material");
219
220         return true;
221 }
222
223 // Send an ACKnowledgement record.
224 static bool send_ack(sptps_t *s) {
225         return send_record_priv(s, SPTPS_HANDSHAKE, "", 0);
226 }
227
228 // Receive an ACKnowledgement record.
229 static bool receive_ack(sptps_t *s, const char *data, uint16_t len) {
230         if(len)
231                 return error(s, EIO, "Invalid ACK record length");
232
233         if(s->initiator) {
234                 if(!chacha_poly1305_set_key(s->incipher, s->key))
235                         return error(s, EINVAL, "Failed to set counter");
236         } else {
237                 if(!chacha_poly1305_set_key(s->incipher, s->key + CHACHA_POLY1305_KEYLEN))
238                         return error(s, EINVAL, "Failed to set counter");
239         }
240
241         free(s->key);
242         s->key = NULL;
243         s->instate = true;
244
245         return true;
246 }
247
248 // Receive a Key EXchange record, respond by sending a SIG record.
249 static bool receive_kex(sptps_t *s, const char *data, uint16_t len) {
250         // Verify length of the HELLO record
251         if(len != 1 + 32 + ECDH_SIZE)
252                 return error(s, EIO, "Invalid KEX record length");
253
254         // Ignore version number for now.
255
256         // Make a copy of the KEX message, send_sig() and receive_sig() need it
257         if(s->hiskex)
258                 return error(s, EINVAL, "Received a second KEX message before first has been processed");
259         s->hiskex = realloc(s->hiskex, len);
260         if(!s->hiskex)
261                 return error(s, errno, strerror(errno));
262
263         memcpy(s->hiskex, data, len);
264
265         return send_sig(s);
266 }
267
268 // Receive a SIGnature record, verify it, if it passed, compute the shared secret and calculate the session keys.
269 static bool receive_sig(sptps_t *s, const char *data, uint16_t len) {
270         size_t keylen = ECDH_SIZE;
271         size_t siglen = ecdsa_size(s->hiskey);
272
273         // Verify length of KEX record.
274         if(len != siglen)
275                 return error(s, EIO, "Invalid KEX record length");
276
277         // Concatenate both KEX messages, plus tag indicating if it is from the connection originator
278         char msg[(1 + 32 + keylen) * 2 + 1 + s->labellen];
279
280         msg[0] = !s->initiator;
281         memcpy(msg + 1, s->hiskex, 1 + 32 + keylen);
282         memcpy(msg + 1 + 33 + keylen, s->mykex, 1 + 32 + keylen);
283         memcpy(msg + 1 + 2 * (33 + keylen), s->label, s->labellen);
284
285         // Verify signature.
286         if(!ecdsa_verify(s->hiskey, msg, sizeof msg, data))
287                 return error(s, EIO, "Failed to verify SIG record");
288
289         // Compute shared secret.
290         char shared[ECDH_SHARED_SIZE];
291         if(!ecdh_compute_shared(s->ecdh, s->hiskex + 1 + 32, shared))
292                 return error(s, EINVAL, "Failed to compute ECDH shared secret");
293         s->ecdh = NULL;
294
295         // Generate key material from shared secret.
296         if(!generate_key_material(s, shared, sizeof shared))
297                 return false;
298
299         free(s->mykex);
300         free(s->hiskex);
301
302         s->mykex = NULL;
303         s->hiskex = NULL;
304
305         // Send cipher change record
306         if(s->outstate && !send_ack(s))
307                 return false;
308
309         // TODO: only set new keys after ACK has been set/received
310         if(s->initiator) {
311                 if(!chacha_poly1305_set_key(s->outcipher, s->key + CHACHA_POLY1305_KEYLEN))
312                         return error(s, EINVAL, "Failed to set key");
313         } else {
314                 if(!chacha_poly1305_set_key(s->outcipher, s->key))
315                         return error(s, EINVAL, "Failed to set key");
316         }
317
318         return true;
319 }
320
321 // Force another Key EXchange (for testing purposes).
322 bool sptps_force_kex(sptps_t *s) {
323         if(!s->outstate || s->state != SPTPS_SECONDARY_KEX)
324                 return error(s, EINVAL, "Cannot force KEX in current state");
325
326         s->state = SPTPS_KEX;
327         return send_kex(s);
328 }
329
330 // Receive a handshake record.
331 static bool receive_handshake(sptps_t *s, const char *data, uint16_t len) {
332         // Only a few states to deal with handshaking.
333         switch(s->state) {
334                 case SPTPS_SECONDARY_KEX:
335                         // We receive a secondary KEX request, first respond by sending our own.
336                         if(!send_kex(s))
337                                 return false;
338                 case SPTPS_KEX:
339                         // We have sent our KEX request, we expect our peer to sent one as well.
340                         if(!receive_kex(s, data, len))
341                                 return false;
342                         s->state = SPTPS_SIG;
343                         return true;
344                 case SPTPS_SIG:
345                         // If we already sent our secondary public ECDH key, we expect the peer to send his.
346                         if(!receive_sig(s, data, len))
347                                 return false;
348                         if(s->outstate)
349                                 s->state = SPTPS_ACK;
350                         else {
351                                 s->outstate = true;
352                                 if(!receive_ack(s, NULL, 0))
353                                         return false;
354                                 s->receive_record(s->handle, SPTPS_HANDSHAKE, NULL, 0);
355                                 s->state = SPTPS_SECONDARY_KEX;
356                         }
357
358                         return true;
359                 case SPTPS_ACK:
360                         // We expect a handshake message to indicate transition to the new keys.
361                         if(!receive_ack(s, data, len))
362                                 return false;
363                         s->receive_record(s->handle, SPTPS_HANDSHAKE, NULL, 0);
364                         s->state = SPTPS_SECONDARY_KEX;
365                         return true;
366                 // TODO: split ACK into a VERify and ACK?
367                 default:
368                         return error(s, EIO, "Invalid session state %d", s->state);
369         }
370 }
371
372 // Check datagram for valid HMAC
373 bool sptps_verify_datagram(sptps_t *s, const void *data, size_t len) {
374         if(len < 21)
375                 return error(s, EIO, "Received short packet in sptps_verify_datagram");
376
377         if (!s->instate)
378                 return error(s, EIO, "SPTPS state not ready to verify this datagram");
379
380         uint32_t seqno;
381         memcpy(&seqno, data, 4);
382         seqno = ntohl(seqno);
383         // TODO: check whether seqno makes sense, to avoid CPU intensive decrypt
384
385         char buffer[len];
386         size_t outlen;
387         return chacha_poly1305_decrypt(s->incipher, seqno, data + 4, len - 4, buffer, &outlen);
388 }
389
390 // Receive incoming data, datagram version.
391 static bool sptps_receive_data_datagram(sptps_t *s, const void *vdata, size_t len) {
392         const char *data = vdata;
393
394         if(len < 21)
395                 return error(s, EIO, "Received short packet in sptps_receive_data_datagram");
396
397         if (!s->instate)
398                 return error(s, EIO, "SPTPS state not ready to verify this datagram");
399
400         uint32_t seqno;
401         memcpy(&seqno, data, 4);
402         seqno = ntohl(seqno);
403
404         if(!s->instate) {
405                 if(seqno != s->inseqno)
406                         return error(s, EIO, "Invalid packet seqno: %d != %d", seqno, s->inseqno);
407
408                 s->inseqno = seqno + 1;
409
410                 uint8_t type = data[4];
411
412                 if(type != SPTPS_HANDSHAKE)
413                         return error(s, EIO, "Application record received before handshake finished");
414
415                 return receive_handshake(s, data + 5, len - 5);
416         }
417
418         // Decrypt
419
420         char buffer[len];
421
422         size_t outlen;
423
424         if(!chacha_poly1305_decrypt(s->incipher, seqno, data + 4, len - 4, buffer, &outlen))
425                 return error(s, EIO, "Failed to decrypt and verify packet");
426
427         // Replay protection using a sliding window of configurable size.
428         // s->inseqno is expected sequence number
429         // seqno is received sequence number
430         // s->late[] is a circular buffer, a 1 bit means a packet has not been received yet
431         // The circular buffer contains bits for sequence numbers from s->inseqno - s->replaywin * 8 to (but excluding) s->inseqno.
432         if(s->replaywin) {
433                 if(seqno != s->inseqno) {
434                         if(seqno >= s->inseqno + s->replaywin * 8) {
435                                 // TODO: Prevent packets that jump far ahead of the queue from causing many others to be dropped.
436                                 warning(s, "Lost %d packets\n", seqno - s->inseqno);
437                                 // Mark all packets in the replay window as being late.
438                                 memset(s->late, 255, s->replaywin);
439                         } else if (seqno < s->inseqno) {
440                                 // If the sequence number is farther in the past than the bitmap goes, or if the packet was already received, drop it.
441                                 if((s->inseqno >= s->replaywin * 8 && seqno < s->inseqno - s->replaywin * 8) || !(s->late[(seqno / 8) % s->replaywin] & (1 << seqno % 8)))
442                                         return error(s, EIO, "Received late or replayed packet, seqno %d, last received %d\n", seqno, s->inseqno);
443                         } else {
444                                 // We missed some packets. Mark them in the bitmap as being late.
445                                 for(int i = s->inseqno; i < seqno; i++)
446                                         s->late[(i / 8) % s->replaywin] |= 1 << i % 8;
447                         }
448                 }
449
450                 // Mark the current packet as not being late.
451                 s->late[(seqno / 8) % s->replaywin] &= ~(1 << seqno % 8);
452         }
453
454         if(seqno >= s->inseqno)
455                 s->inseqno = seqno + 1;
456
457         if(!s->inseqno)
458                 s->received = 0;
459         else
460                 s->received++;
461
462         // Append a NULL byte for safety.
463         buffer[len - 20] = 0;
464
465         uint8_t type = buffer[0];
466
467         if(type < SPTPS_HANDSHAKE) {
468                 if(!s->instate)
469                         return error(s, EIO, "Application record received before handshake finished");
470                 if(!s->receive_record(s->handle, type, buffer + 1, len - 21))
471                         abort();
472         } else if(type == SPTPS_HANDSHAKE) {
473                 if(!receive_handshake(s, buffer + 1, len - 21))
474                         abort();
475         } else {
476                 return error(s, EIO, "Invalid record type %d", type);
477         }
478
479         return true;
480 }
481
482 // Receive incoming data. Check if it contains a complete record, if so, handle it.
483 bool sptps_receive_data(sptps_t *s, const void *data, size_t len) {
484         if(!s->state)
485                 return error(s, EIO, "Invalid session state zero");
486
487         if(s->datagram)
488                 return sptps_receive_data_datagram(s, data, len);
489
490         while(len) {
491                 // First read the 2 length bytes.
492                 if(s->buflen < 2) {
493                         size_t toread = 2 - s->buflen;
494                         if(toread > len)
495                                 toread = len;
496
497                         memcpy(s->inbuf + s->buflen, data, toread);
498
499                         s->buflen += toread;
500                         len -= toread;
501                         data += toread;
502
503                         // Exit early if we don't have the full length.
504                         if(s->buflen < 2)
505                                 return true;
506
507                         // Get the length bytes
508
509                         memcpy(&s->reclen, s->inbuf, 2);
510                         s->reclen = ntohs(s->reclen);
511
512                         // If we have the length bytes, ensure our buffer can hold the whole request.
513                         s->inbuf = realloc(s->inbuf, s->reclen + 19UL);
514                         if(!s->inbuf)
515                                 return error(s, errno, strerror(errno));
516
517                         // Exit early if we have no more data to process.
518                         if(!len)
519                                 return true;
520                 }
521
522                 // Read up to the end of the record.
523                 size_t toread = s->reclen + (s->instate ? 19UL : 3UL) - s->buflen;
524                 if(toread > len)
525                         toread = len;
526
527                 memcpy(s->inbuf + s->buflen, data, toread);
528                 s->buflen += toread;
529                 len -= toread;
530                 data += toread;
531
532                 // If we don't have a whole record, exit.
533                 if(s->buflen < s->reclen + (s->instate ? 19UL : 3UL))
534                         return true;
535
536                 // Update sequence number.
537
538                 uint32_t seqno = s->inseqno++;
539
540                 // Check HMAC and decrypt.
541                 if(s->instate) {
542                         if(!chacha_poly1305_decrypt(s->incipher, seqno, s->inbuf + 2UL, s->reclen + 17UL, s->inbuf + 2UL, NULL))
543                                 return error(s, EINVAL, "Failed to decrypt and verify record");
544                 }
545
546                 // Append a NULL byte for safety.
547                 s->inbuf[s->reclen + 3UL] = 0;
548
549                 uint8_t type = s->inbuf[2];
550
551                 if(type < SPTPS_HANDSHAKE) {
552                         if(!s->instate)
553                                 return error(s, EIO, "Application record received before handshake finished");
554                         if(!s->receive_record(s->handle, type, s->inbuf + 3, s->reclen))
555                                 return false;
556                 } else if(type == SPTPS_HANDSHAKE) {
557                         if(!receive_handshake(s, s->inbuf + 3, s->reclen))
558                                 return false;
559                 } else {
560                         return error(s, EIO, "Invalid record type %d", type);
561                 }
562
563                 s->buflen = 0;
564         }
565
566         return true;
567 }
568
569 // Start a SPTPS session.
570 bool sptps_start(sptps_t *s, void *handle, bool initiator, bool datagram, ecdsa_t *mykey, ecdsa_t *hiskey, const char *label, size_t labellen, send_data_t send_data, receive_record_t receive_record) {
571         // Initialise struct sptps
572         memset(s, 0, sizeof *s);
573
574         s->handle = handle;
575         s->initiator = initiator;
576         s->datagram = datagram;
577         s->mykey = mykey;
578         s->hiskey = hiskey;
579         s->replaywin = sptps_replaywin;
580         if(s->replaywin) {
581                 s->late = malloc(s->replaywin);
582                 if(!s->late)
583                         return error(s, errno, strerror(errno));
584                 memset(s->late, 0, s->replaywin);
585         }
586
587         s->label = malloc(labellen);
588         if(!s->label)
589                 return error(s, errno, strerror(errno));
590
591         if(!datagram) {
592                 s->inbuf = malloc(7);
593                 if(!s->inbuf)
594                         return error(s, errno, strerror(errno));
595                 s->buflen = 0;
596         }
597
598         memcpy(s->label, label, labellen);
599         s->labellen = labellen;
600
601         s->send_data = send_data;
602         s->receive_record = receive_record;
603
604         // Do first KEX immediately
605         s->state = SPTPS_KEX;
606         return send_kex(s);
607 }
608
609 // Stop a SPTPS session.
610 bool sptps_stop(sptps_t *s) {
611         // Clean up any resources.
612         chacha_poly1305_exit(s->incipher);
613         chacha_poly1305_exit(s->outcipher);
614         ecdh_free(s->ecdh);
615         free(s->inbuf);
616         free(s->mykex);
617         free(s->hiskex);
618         free(s->key);
619         free(s->label);
620         free(s->late);
621         memset(s, 0, sizeof *s);
622         return true;
623 }