freeswan/pluto/elgamal.c

   1 /* elgamal.c  -  ElGamal Public Key encryption
   2  *      Copyright (C) 1998 Free Software Foundation, Inc.
   3  *
   4  * For a description of the algorithm, see:
   5  *   Bruce Schneier: Applied Cryptography. John Wiley & Sons, 1996.
   6  *   ISBN 0-471-11709-9. Pages 476 ff.
   7  *
   8  * This file is part of GnuPG.
   9  *
  10  * GnuPG is free software; you can redistribute it and/or modify
  11  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  12  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  13  * (at your option) any later version.
  14  *
  15  * GnuPG is distributed in the hope that it will be useful,
  16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  18  * GNU General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  21  * along with this program; if not, write to the Free Software
  22  * Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA
  23  */
  24
  25 #ifdef PLUTO
  26 #include <gmp.h>
  27 #include <freeswan.h>
  28 #include "constants.h"
  29 #include "defs.h"
  30 #include "log.h"
  31 #include "rnd.h"
  32 #include "gcryptfix.h"
  33 #else /*! PLUTO */
  34 /* #include <config.h> */
  35 #endif /* !PLUTO */
  36
  37 #include <stdio.h>
  38 #include <stdlib.h>
  39 #include <string.h>
  40
  41 #ifndef PLUTO
  42 /* #include "util.h" */
  43 /* #include "mpi.h" */
  44 /* #include "cipher.h" */
  45 #endif
  46
  47 #include "elgamal.h"
  48
  49 typedef struct {
  50     MPI p;          /* prime */
  51     MPI g;          /* group generator */
  52     MPI y;          /* g^x mod p */
  53 } ELG_public_key;
  54
  55
  56 typedef struct {
  57     MPI p;          /* prime */
  58     MPI g;          /* group generator */
  59     MPI y;          /* g^x mod p */
  60     MPI x;          /* secret exponent */
  61 } ELG_secret_key;
  62
  63
  64 static void test_keys( ELG_secret_key *sk, unsigned nbits );
  65 static MPI gen_k( MPI p );
  66 static void generate( ELG_secret_key *sk, unsigned nbits, MPI **factors );
  67 static int  check_secret_key( ELG_secret_key *sk );
  68 static void encrypt(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_public_key *pkey );
  69 static void decrypt(MPI output, MPI a, MPI b, ELG_secret_key *skey );
  70 static void sign(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_secret_key *skey);
  71 static int  verify(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_public_key *pkey);
  72
  73
  74 static void
  75 progress( int c )
  76 {
  77     fputc( c, stderr );
  78 }
  79
  80
  81 static void
  82 test_keys( ELG_secret_key *sk, unsigned nbits )
  83 {
  84     ELG_public_key pk;
  85     MPI test = mpi_alloc( 0 );
  86     MPI out1_a = mpi_alloc( nbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
  87     MPI out1_b = mpi_alloc( nbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
  88     MPI out2 = mpi_alloc( nbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
  89
  90     pk.p = sk->p;
  91     pk.g = sk->g;
  92     pk.y = sk->y;
  93
  94     /*mpi_set_bytes( test, nbits, get_random_byte, 0 );*/
  95     {   char *p = get_random_bits( nbits, 0, 0 );
  96         mpi_set_buffer( test, p, (nbits+7)/8, 0 );
  97         m_free(p);
  98     }
  99
 100     encrypt( out1_a, out1_b, test, &pk );
 101     decrypt( out2, out1_a, out1_b, sk );
 102     if( mpi_cmp( test, out2 ) )
 103         log_fatal("ElGamal operation: encrypt, decrypt failed\n");
 104
 105     sign( out1_a, out1_b, test, sk );
 106     if( !verify( out1_a, out1_b, test, &pk ) )
 107         log_fatal("ElGamal operation: sign, verify failed\n");
 108
 109     mpi_free( test );
 110     mpi_free( out1_a );
 111     mpi_free( out1_b );
 112     mpi_free( out2 );
 113 }
 114
 115
 116 /****************
 117  * generate a random secret exponent k from prime p, so
 118  * that k is relatively prime to p-1
 119  */
 120 static MPI
 121 gen_k( MPI p )
 122 {
 123     MPI k = mpi_alloc_secure( 0 );
 124     MPI temp = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(p) );
 125     MPI p_1 = mpi_copy(p);
 126     unsigned int nbits = mpi_get_nbits(p);
 127     unsigned int nbytes = (nbits+7)/8;
 128     char *rndbuf = NULL;
 129
 130     if( DBG_CIPHER )
 131         log_debug("choosing a random k ");
 132     mpi_sub_ui( p_1, p, 1);
 133     for(;;) {
 134         if( DBG_CIPHER )
 135             progress('.');
 136         if( !rndbuf || nbits < 32 ) {
 137             m_free(rndbuf);
 138             rndbuf = get_random_bits( nbits, 1, 1 );
 139         }
 140         else { /* change only some of the higher bits */
 141             /* we could imporove this by directly requesting more memory
 142              * at the first call to get_random_bits() and use this the here
 143              * maybe it is easier to do this directly in random.c */
 144             char *pp = get_random_bits( 32, 1, 1 );
 145             memcpy( rndbuf,pp, 4 );
 146             m_free(pp);
 147         }
 148         mpi_set_buffer( k, rndbuf, nbytes, 0 );
 149
 150         for(;;) {
 151             /* make sure that the number is of the exact lenght */
 152             if( mpi_test_bit( k, nbits-1 ) )
 153                 mpi_set_highbit( k, nbits-1 );
 154             else {
 155                 mpi_set_highbit( k, nbits-1 );
 156                 mpi_clear_bit( k, nbits-1 );
 157             }
 158             if( !(mpi_cmp( k, p_1 ) < 0) ) {  /* check: k < (p-1) */
 159                 if( DBG_CIPHER )
 160                     progress('+');
 161                 break; /* no  */
 162             }
 163             if( !(mpi_cmp_ui( k, 0 ) > 0) ) { /* check: k > 0 */
 164                 if( DBG_CIPHER )
 165                     progress('-');
 166                 break; /* no */
 167             }
 168             if( mpi_gcd( temp, k, p_1 ) )
 169                 goto found;  /* okay, k is relatively prime to (p-1) */
 170             mpi_add_ui( k, k, 1 );
 171         }
 172     }
 173   found:
 174     m_free(rndbuf);
 175     if( DBG_CIPHER )
 176         progress('\n');
 177     mpi_free(p_1);
 178     mpi_free(temp);
 179
 180     return k;
 181 }
 182
 183 /****************
 184  * Generate a key pair with a key of size NBITS
 185  * Returns: 2 structures filles with all needed values
 186  *          and an array with n-1 factors of (p-1)
 187  */
 188 static void
 189 generate(  ELG_secret_key *sk, unsigned nbits, MPI **ret_factors )
 190 {
 191     MPI p;    /* the prime */
 192     MPI p_min1;
 193     MPI g;
 194     MPI x;    /* the secret exponent */
 195     MPI y;
 196     MPI temp;
 197     unsigned qbits;
 198     byte *rndbuf;
 199
 200     p_min1 = mpi_alloc( (nbits+BITS_PER_MPI_LIMB-1)/BITS_PER_MPI_LIMB );
 201     temp   = mpi_alloc( (nbits+BITS_PER_MPI_LIMB-1)/BITS_PER_MPI_LIMB );
 202     if( nbits < 512 )
 203         qbits = 120;
 204     else if( nbits <= 1024 )
 205         qbits = 160;
 206     else if( nbits <= 2048 )
 207         qbits = 200;
 208     else
 209         qbits = 240;
 210     g = mpi_alloc(1);
 211     p = generate_elg_prime( 0, nbits, qbits, g, ret_factors );
 212     mpi_sub_ui(p_min1, p, 1);
 213
 214
 215     /* select a random number which has these properties:
 216      *   0 < x < p-1
 217      * This must be a very good random number because this is the
 218      * secret part.  The prime is public and may be shared anyway,
 219      * so a random generator level of 1 is used for the prime.
 220      */
 221     x = mpi_alloc_secure( nbits/BITS_PER_MPI_LIMB );
 222     if( DBG_CIPHER )
 223         log_debug("choosing a random x ");
 224     rndbuf = NULL;
 225     do {
 226         if( DBG_CIPHER )
 227             progress('.');
 228         if( rndbuf ) { /* change only some of the higher bits */
 229             if( nbits < 16 ) {/* should never happen ... */
 230                 m_free(rndbuf);
 231                 rndbuf = get_random_bits( nbits, 2, 1 );
 232             }
 233             else {
 234                 char *r = get_random_bits( 16, 2, 1 );
 235                 memcpy(rndbuf, r, 16/8 );
 236                 m_free(r);
 237             }
 238         }
 239         else
 240             rndbuf = get_random_bits( nbits, 2, 1 );
 241         mpi_set_buffer( x, rndbuf, (nbits+7)/8, 0 );
 242         mpi_clear_highbit( x, nbits+1 );
 243     } while( !( mpi_cmp_ui( x, 0 )>0 && mpi_cmp( x, p_min1 )<0 ) );
 244     m_free(rndbuf);
 245
 246     y = mpi_alloc(nbits/BITS_PER_MPI_LIMB);
 247     mpi_powm( y, g, x, p );
 248
 249     if( DBG_CIPHER ) {
 250         progress('\n');
 251         log_mpidump("elg  p= ", p );
 252         log_mpidump("elg  g= ", g );
 253         log_mpidump("elg  y= ", y );
 254         log_mpidump("elg  x= ", x );
 255     }
 256
 257     /* copy the stuff to the key structures */
 258     sk->p = p;
 259     sk->g = g;
 260     sk->y = y;
 261     sk->x = x;
 262
 263     /* now we can test our keys (this should never fail!) */
 264     test_keys( sk, nbits - 64 );
 265
 266     mpi_free( p_min1 );
 267     mpi_free( temp   );
 268 }
 269
 270
 271 /****************
 272  * Test whether the secret key is valid.
 273  * Returns: if this is a valid key.
 274  */
 275 static int
 276 check_secret_key( ELG_secret_key *sk )
 277 {
 278     int rc;
 279     MPI y = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(sk->y) );
 280
 281     mpi_powm( y, sk->g, sk->x, sk->p );
 282     rc = !mpi_cmp( y, sk->y );
 283     mpi_free( y );
 284     return rc;
 285 }
 286
 287
 288 static void
 289 encrypt(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_public_key *pkey )
 290 {
 291     MPI k;
 292
 293     /* Note: maybe we should change the interface, so that it
 294      * is possible to check that input is < p and return an
 295      * error code.
 296      */
 297
 298     k = gen_k( pkey->p );
 299     mpi_powm( a, pkey->g, k, pkey->p );
 300     /* b = (y^k * input) mod p
 301      *   = ((y^k mod p) * (input mod p)) mod p
 302      * and because input is < p
 303      *   = ((y^k mod p) * input) mod p
 304      */
 305     mpi_powm( b, pkey->y, k, pkey->p );
 306     mpi_mulm( b, b, input, pkey->p );
 307   #if 0
 308     if( DBG_CIPHER ) {
 309         log_mpidump("elg encrypted y= ", pkey->y);
 310         log_mpidump("elg encrypted p= ", pkey->p);
 311         log_mpidump("elg encrypted k= ", k);
 312         log_mpidump("elg encrypted M= ", input);
 313         log_mpidump("elg encrypted a= ", a);
 314         log_mpidump("elg encrypted b= ", b);
 315     }
 316   #endif
 317     mpi_free(k);
 318 }
 319
 320
 321
 322
 323 static void
 324 decrypt(MPI output, MPI a, MPI b, ELG_secret_key *skey )
 325 {
 326     MPI t1 = mpi_alloc_secure( mpi_get_nlimbs( skey->p ) );
 327
 328     /* output = b/(a^x) mod p */
 329
 330     mpi_powm( t1, a, skey->x, skey->p );
 331     mpi_invm( t1, t1, skey->p );
 332     mpi_mulm( output, b, t1, skey->p );
 333   #if 0
 334     if( DBG_CIPHER ) {
 335         log_mpidump("elg decrypted x= ", skey->x);
 336         log_mpidump("elg decrypted p= ", skey->p);
 337         log_mpidump("elg decrypted a= ", a);
 338         log_mpidump("elg decrypted b= ", b);
 339         log_mpidump("elg decrypted M= ", output);
 340     }
 341   #endif
 342     mpi_free(t1);
 343 }
 344
 345
 346 /****************
 347  * Make an Elgamal signature out of INPUT
 348  */
 349
 350 static void
 351 sign(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_secret_key *skey )
 352 {
 353     MPI k;
 354     MPI t   = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
 355     MPI inv = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
 356     MPI p_1 = mpi_copy(skey->p);
 357
 358    /*
 359     * b = (t * inv) mod (p-1)
 360     * b = (t * inv(k,(p-1),(p-1)) mod (p-1)
 361     * b = (((M-x*a) mod (p-1)) * inv(k,(p-1),(p-1))) mod (p-1)
 362     *
 363     */
 364     mpi_sub_ui(p_1, p_1, 1);
 365     k = gen_k( skey->p );
 366     mpi_powm( a, skey->g, k, skey->p );
 367     mpi_mul(t, skey->x, a );
 368     mpi_subm(t, input, t, p_1 );
 369     while( mpi_is_neg(t) )
 370         mpi_add(t, t, p_1);
 371     mpi_invm(inv, k, p_1 );
 372     mpi_mulm(b, t, inv, p_1 );
 373
 374   #if 0
 375     if( DBG_CIPHER ) {
 376         log_mpidump("elg sign p= ", skey->p);
 377         log_mpidump("elg sign g= ", skey->g);
 378         log_mpidump("elg sign y= ", skey->y);
 379         log_mpidump("elg sign x= ", skey->x);
 380         log_mpidump("elg sign k= ", k);
 381         log_mpidump("elg sign M= ", input);
 382         log_mpidump("elg sign a= ", a);
 383         log_mpidump("elg sign b= ", b);
 384     }
 385   #endif
 386     mpi_free(k);
 387     mpi_free(t);
 388     mpi_free(inv);
 389     mpi_free(p_1);
 390 }
 391
 392
 393 /****************
 394  * Returns true if the signature composed of A and B is valid.
 395  */
 396 static int
 397 verify(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_public_key *pkey )
 398 {
 399     int rc;
 400     MPI t1;
 401     MPI t2;
 402     MPI base[4];
 403     MPI exp[4];
 404
 405     if( !(mpi_cmp_ui( a, 0 ) > 0 && mpi_cmp( a, pkey->p ) < 0) )
 406         return 0; /* assertion  0 < a < p  failed */
 407
 408     t1 = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
 409     t2 = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
 410
 411   #if 0
 412     /* t1 = (y^a mod p) * (a^b mod p) mod p */
 413     mpi_powm( t1, pkey->y, a, pkey->p );
 414     mpi_powm( t2, a, b, pkey->p );
 415     mpi_mulm( t1, t1, t2, pkey->p );
 416
 417     /* t2 = g ^ input mod p */
 418     mpi_powm( t2, pkey->g, input, pkey->p );
 419
 420     rc = !mpi_cmp( t1, t2 );
 421   #elif 0
 422     /* t1 = (y^a mod p) * (a^b mod p) mod p */
 423     base[0] = pkey->y; exp[0] = a;
 424     base[1] = a;       exp[1] = b;
 425     base[2] = NULL;    exp[2] = NULL;
 426     mpi_mulpowm( t1, base, exp, pkey->p );
 427
 428     /* t2 = g ^ input mod p */
 429     mpi_powm( t2, pkey->g, input, pkey->p );
 430
 431     rc = !mpi_cmp( t1, t2 );
 432   #else
 433     /* t1 = g ^ - input * y ^ a * a ^ b  mod p */
 434     mpi_invm(t2, pkey->g, pkey->p );
 435     base[0] = t2     ; exp[0] = input;
 436     base[1] = pkey->y; exp[1] = a;
 437     base[2] = a;       exp[2] = b;
 438     base[3] = NULL;    exp[3] = NULL;
 439     mpi_mulpowm( t1, base, exp, pkey->p );
 440     rc = !mpi_cmp_ui( t1, 1 );
 441
 442   #endif
 443
 444     mpi_free(t1);
 445     mpi_free(t2);
 446     return rc;
 447 }
 448
 449 /*********************************************
 450  **************  interface  ******************
 451  *********************************************/
 452
 453 int
 454 elg_generate( int algo, unsigned nbits, MPI *skey, MPI **retfactors )
 455 {
 456     ELG_secret_key sk;
 457
 458     if( !is_ELGAMAL(algo) )
 459         return G10ERR_PUBKEY_ALGO;
 460
 461     generate( &sk, nbits, retfactors );
 462     skey[0] = sk.p;
 463     skey[1] = sk.g;
 464     skey[2] = sk.y;
 465     skey[3] = sk.x;
 466     return 0;
 467 }
 468
 469
 470 int
 471 elg_check_secret_key( int algo, MPI *skey )
 472 {
 473     ELG_secret_key sk;
 474
 475     if( !is_ELGAMAL(algo) )
 476         return G10ERR_PUBKEY_ALGO;
 477     if( !skey[0] || !skey[1] || !skey[2] || !skey[3] )
 478         return G10ERR_BAD_MPI;
 479
 480     sk.p = skey[0];
 481     sk.g = skey[1];
 482     sk.y = skey[2];
 483     sk.x = skey[3];
 484     if( !check_secret_key( &sk ) )
 485         return G10ERR_BAD_SECKEY;
 486
 487     return 0;
 488 }
 489
 490
 491
 492 int
 493 elg_encrypt( int algo, MPI *resarr, MPI data, MPI *pkey )
 494 {
 495     ELG_public_key pk;
 496
 497     if( !is_ELGAMAL(algo) )
 498         return G10ERR_PUBKEY_ALGO;
 499     if( !data || !pkey[0] || !pkey[1] || !pkey[2] )
 500         return G10ERR_BAD_MPI;
 501
 502     pk.p = pkey[0];
 503     pk.g = pkey[1];
 504     pk.y = pkey[2];
 505     resarr[0] = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs( pk.p ) );
 506     resarr[1] = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs( pk.p ) );
 507     encrypt( resarr[0], resarr[1], data, &pk );
 508     return 0;
 509 }
 510
 511 int
 512 elg_decrypt( int algo, MPI *result, MPI *data, MPI *skey )
 513 {
 514     ELG_secret_key sk;
 515
 516     if( !is_ELGAMAL(algo) )
 517         return G10ERR_PUBKEY_ALGO;
 518     if( !data[0] || !data[1]
 519         || !skey[0] || !skey[1] || !skey[2] || !skey[3] )
 520         return G10ERR_BAD_MPI;
 521
 522     sk.p = skey[0];
 523     sk.g = skey[1];
 524     sk.y = skey[2];
 525     sk.x = skey[3];
 526     *result = mpi_alloc_secure( mpi_get_nlimbs( sk.p ) );
 527     decrypt( *result, data[0], data[1], &sk );
 528     return 0;
 529 }
 530
 531 int
 532 elg_sign( int algo, MPI *resarr, MPI data, MPI *skey )
 533 {
 534     ELG_secret_key sk;
 535
 536     if( !is_ELGAMAL(algo) )
 537         return G10ERR_PUBKEY_ALGO;
 538     if( !data || !skey[0] || !skey[1] || !skey[2] || !skey[3] )
 539         return G10ERR_BAD_MPI;
 540
 541     sk.p = skey[0];
 542     sk.g = skey[1];
 543     sk.y = skey[2];
 544     sk.x = skey[3];
 545     resarr[0] = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs( sk.p ) );
 546     resarr[1] = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs( sk.p ) );
 547     sign( resarr[0], resarr[1], data, &sk );
 548     return 0;
 549 }
 550
 551 int
 552 elg_verify( int algo, MPI hash, MPI *data, MPI *pkey,
 553                     int (*cmp)(void *, MPI) UNUSED, void *opaquev UNUSED)
 554 {
 555     ELG_public_key pk;
 556
 557     if( !is_ELGAMAL(algo) )
 558         return G10ERR_PUBKEY_ALGO;
 559     if( !data[0] || !data[1] || !hash
 560         || !pkey[0] || !pkey[1] || !pkey[2] )
 561         return G10ERR_BAD_MPI;
 562
 563     pk.p = pkey[0];
 564     pk.g = pkey[1];
 565     pk.y = pkey[2];
 566     if( !verify( data[0], data[1], hash, &pk ) )
 567         return G10ERR_BAD_SIGN;
 568     return 0;
 569 }
 570
 571
 572
 573 unsigned
 574 elg_get_nbits( int algo, MPI *pkey )
 575 {
 576     if( !is_ELGAMAL(algo) )
 577         return 0;
 578     return mpi_get_nbits( pkey[0] );
 579 }
 580
 581
 582 /****************
 583  * Return some information about the algorithm.  We need algo here to
 584  * distinguish different flavors of the algorithm.
 585  * Returns: A pointer to string describing the algorithm or NULL if
 586  *          the ALGO is invalid.
 587  * Usage: Bit 0 set : allows signing
 588  *            1 set : allows encryption
 589  * NOTE: This function allows signing also for ELG-E, which is not
 590  * okay but a bad hack to allow to work with old gpg keys. The real check
 591  * is done in the gnupg ocde depending on the packet version.
 592  */
 593 const char *
 594 elg_get_info( int algo, int *npkey, int *nskey, int *nenc, int *nsig,
 595                                                          int *use )
 596 {
 597     *npkey = 3;
 598     *nskey = 4;
 599     *nenc = 2;
 600     *nsig = 2;
 601
 602     switch( algo ) {
 603       case PUBKEY_ALGO_ELGAMAL:
 604         *use = PUBKEY_USAGE_SIG|PUBKEY_USAGE_ENC;
 605         return "ELG";
 606       case PUBKEY_ALGO_ELGAMAL_E:
 607         *use = PUBKEY_USAGE_SIG|PUBKEY_USAGE_ENC;
 608         return "ELG-E";
 609       default: *use = 0; return NULL;
 610     }
 611 }
 612
 613