]> Cypherpunks.ru repositories - govpn.git/blob - doc/govpn.texi
[DOC] Remark about good PRNG requirement
[govpn.git] / doc / govpn.texi
1 \input texinfo
2 @setfilename govpn.info
3 @documentencoding UTF-8
4 @settitle GoVPN
5
6 @copying
7 @quotation
8 This program is free software: you can redistribute it and/or modify
9 it under the terms of the GNU General Public License as published by
10 the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
11 any later version.
12
13 This program is distributed in the hope that it will be useful,
14 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
16 GNU General Public License for more details.
17 @end quotation
18 @end copying
19
20 @node Top
21 @top GoVPN
22
23 This manual is for GoVPN -- simple secure free software virtual private
24 network (VPN) daemon, written entirely on Go programming language.
25
26 @menu
27 * Overview::
28 * News::
29 * Getting and building source code::
30 * Precautions::
31 * User manual::
32 * Developer manual::
33 * Reporting bugs::
34 * Copying conditions::
35 @end menu
36
37 @node Overview
38 @unnumbered Overview
39
40 GoVPN is simple secure virtual private network daemon. It uses
41 @url{https://en.wikipedia.org/wiki/Encrypted_key_exchange, Diffie-Hellman Encrypted Key Exchange}
42 (DH-EKE) for mutual zero-knowledge peers authentication and
43 authenticated encrypted data transport. It is written entirely on
44 @url{http://golang.org/, Go programming language}.
45
46 All packets captured on network interface are encrypted, authenticated
47 and sent to remote server, that writes them to his interface, and vice
48 versa. Client and server use pre-shared authentication key (PSK) and
49 128-bit identification key.
50
51 Because of stateless UDP nature, after some timeout of inactivity peers
52 forget about each other and have to retry handshake process again,
53 therefore background heartbeat process will be ran.
54
55 Handshake is used to mutually authenticate peers, exchange common secret
56 per-session encryption key and check UDP transport availability.
57
58 Because of UDP and authentication overhead: each packet grows in size
59 during transmission, so you have to lower you maximum transmission unit
60 (MTU) on virtual network interface.
61
62 High security is the goal for that daemon. It uses fast cryptography
63 algorithms with 128bit security margin, strong mutual zero-knowledge
64 authentication and perfect-forward secrecy property. An attacker can not
65 know anything about payload (except it's size and time) from captured
66 traffic, even if pre-shared key is compromised. Rehandshake is performed
67 by client every 4 GiB of transfered data.
68
69 Each client also has it's own identification key and server works with
70 all of them independently. Identification key is not secret, but it is
71 encrypted (obfuscated) during transmission.
72
73 The only platform specific requirement is TAP network interface support.
74 API to that kind of device is different, OS dependent and non portable.
75 So only a few operating systems is officially supported. Author has no
76 proprietary software to work with, so currently there is lack of either
77 popular Microsoft Windows or Apple OS X support.
78
79 @itemize @bullet
80 @item
81 Works with @url{https://en.wikipedia.org/wiki/TAP_(network_driver), TAP}
82 network interfaces on top of UDP entirely
83 @item
84 @url{https://www.gnu.org/, GNU}/Linux and
85 @url{http://www.freebsd.org/, FreeBSD} support
86 @item IPv6 compatible
87 @item Encrypted and authenticated transport
88 @item Relatively fast handshake
89 @item
90 @url{https://en.wikipedia.org/wiki/Replay_attack, Replay attack} protection
91 @item
92 @url{https://en.wikipedia.org/wiki/Forward_secrecy, Perfect forward secrecy}
93 (if long-term pre-shared keys are compromised, no captured traffic can
94 be decrypted anyway)
95 @item
96 Mutual two-side authentication (noone will send real network interface
97 data unless the other side is authenticated)
98 @item
99 @url{https://en.wikipedia.org/wiki/Zero-knowledge_password_proof, Zero knowledge}
100 authentication (pre-shared key is not transmitted in any form between
101 the peers, not even it's hash value)
102 @item Built-in rehandshake and heartbeat features
103 @item Several simultaneous clients support
104 @end itemize
105
106 @node News
107 @unnumbered News
108
109 @verbatiminclude ../NEWS
110
111 @node Getting and building source code
112 @unnumbered Getting and building source code
113
114 GoVPN is written on Go programming language, But
115 @url{https://www.gnu.org/software/make/, Make} program is recommended
116 also to be used. @url{https://www.gnu.org/software/texinfo/, Texinfo} is
117 used for building documentation. Also it depends on
118 @code{golang.org/x/crypto} Go libraries.
119
120 @include download.texi
121
122 You @strong{have to} verify downloaded archives integrity and check
123 their signature to be sure that you have got trusted, untampered
124 software. For integrity and authentication of downloaded binaries
125 @url{https://www.gnupg.org/, The GNU Privacy Guard} is used. You must
126 download signature provided with the tarball and run for example:
127
128 @example
129 gpg --verify govpn-1.5.tar.xz.sig govpn-1.5.tar.xz
130 @end example
131
132 For the very first time you must also import signing public keys. They
133 are provided below, but be sure that you are reading them from the
134 trusted source. Alternatively check this page from other sources and
135 look for the mailing list announcements.
136
137 You have to set up @code{$GOPATH} properly first. For example you can
138 clone the repository or decompress tarball and set path like this:
139
140 @example
141 % mkdir -p govpn/src
142 % git clone https://github.com/stargrave/govpn govpn/src/govpn
143 or
144 % tar xfC govpn-1.5.tar.xz govpn/src && mv govpn/src/govpn-1.5 govpn/src/govpn
145 % export GOPATH=$(pwd)/govpn:$GOPATH
146 @end example
147
148 After that you can just type @code{make} and all necessary Go libraries
149 will be installed and client/server binaries are built in the current
150 directory:
151
152 @example
153 % cd govpn/src/govpn
154 % make
155 [or gmake under FreeBSD]
156 @end example
157
158 @include pubkey.texi
159
160 @node Precautions
161 @unnumbered Precautions
162
163 The very important precaution is the @strong{cryptographically good}
164 pseudo random number generator. GoVPN uses native operating system PRNG
165 as entropy source. You have no way to check it's quality in closed
166 source code operating systems, so it is recommended not to use them if
167 you really needs security. Moreover it is possible that those OS leaks
168 information about possible PRNG states. And at least Apple OS X and
169 Microsoft Windows are already known to have weak CSPRNGs.
170
171 GoVPN could use it's own PRNG implementation like Fortuna, but it is
172 much easier to use the right OS, to use free software.
173
174 Also you should @strong{never} use one key for multiple clients. Salsa20
175 encryption is randomized in each session, but it depends again on PRNG.
176 If it fails, produces equal values at least once, then all you traffic
177 related to that key could be decrypted.
178
179 @node User manual
180 @unnumbered User manual
181
182 GoVPN is split into two pieces: client and server. Each of them work on
183 top of UDP and TAP virtual network interfaces. Client and server have
184 several common configuration command line options:
185
186 @table @asis
187 @item Timeout
188 Because of stateless UDP nature there is no way to know if
189 remote peer is dead, but after some timeout. Client and server
190 heartbeats each other every third part of heartbeat. Also this timeout
191 is the time when server purge his obsolete handshake and peers states.
192 @item Allowable nonce difference
193 To prevent replay attacks we just remembers
194 latest received nonce number from the remote peer and drops those who
195 has lower ones. Because UDP packets can be reordered during: that
196 behaviour can lead to dropping of not replayed ones. This options gives
197 ability to create some window of allows difference. That opens the door
198 for replay attacks for narrow time interval.
199 @item MTU
200 Maximum transmission unit.
201 @end table
202
203 Client needs to know his identification, path to the authentication key,
204 remote server's address, TAP interface name, and optional path to up and
205 down scripts, that will be executed after connection is either initiated
206 or terminated.
207
208 Server needs to know only the address to listen on and path to directory
209 containing peers information. This directory must contain subdirectories
210 with the names equal to client's identifications. Each of them must have
211 key file with corresponding authentication key, up.sh script that has to
212 print interface's name on the first line and optional down.sh.
213
214 @menu
215 * Example usage::
216 @end menu
217
218 @node Example usage
219 @section Example usage
220
221 Let's assume that there is some insecure link between your computer and
222 WiFi-reachable gateway. You have got preconfigured @code{wlan0} network
223 interface with 192.168.0/24 network. You want to create virtual
224 encrypted and authenticated 172.16.0/24 network and use it as a default
225 transport. MTU for that wlan0 is 1500 bytes. GoVPN will say that maximum
226 MTU for the link is 1476, however it does not take in account TAP's
227 Ethernet frame header length, that in my case is 14 bytes long (1476 - 14).
228
229 Do not forget about setting @code{GOMAXPROC} environment variable for
230 using more than one CPU.
231
232 GNU/Linux IPv4 client-server example:
233
234 @example
235 server% mkdir -p peers/CLIENTID
236 server% umask 066
237 server% echo MYLONG64HEXKEY > peers/CLIENTID/key
238 server% echo "#!/bin/sh" > peers/CLIENTID/up.sh
239 server% echo "echo tap10" > peers/CLIENTID/up.sh
240 server% chmod 500 peers/CLIENTID/up.sh
241 server% ip addr add 192.168.0.1/24 dev wlan0
242 server% tunctl -t tap10
243 server% ip link set mtu 1462 dev tap10
244 server% ip addr add 172.16.0.1/24 dev tap10
245 server% ip link set up dev tap10
246 server% GOMAXPROC=4 govpn-server -bind 192.168.0.1:1194
247 @end example
248
249 @example
250 client% umask 066
251 client% echo MYLONG64HEXKEY > key.txt
252 client% ip addr add 192.168.0.2/24 dev wlan0
253 client% tunctl -t tap10
254 client% ip link set mtu 1462 dev tap10
255 client% ip addr add 172.16.0.2/24 dev tap10
256 client% ip link set up dev tap10
257 client% ip route add default via 172.16.0.1
258 client% export GOMAXPROC=4
259 client% while :; do
260     govpn-client -key key.txt -id CLIENTID -iface tap10 -remote 192.168.0.1:1194
261 done
262 @end example
263
264 FreeBSD IPv6 client-server example:
265
266 @example
267 server% mkdir -p peers/CLIENTID
268 server% umask 066
269 server% echo MYLONG64HEXKEY > peers/CLIENTID/key
270 server% echo "#!/bin/sh" > 
271 server% cat > peers/CLIENTID/up.sh <<EOF
272 #!/bin/sh
273 $tap=$(ifconfig tap create)
274 ifconfig $tap inet6 fc00::1/96 mtu 1462 up
275 echo $tap
276 EOF
277 server% chmod 500 peers/CLIENTID/up.sh
278 server% ifconfig em0 inet6 fe80::1/64
279 server% GOMAXPROC=4 govpn-server -bind fe80::1%em0
280 @end example
281
282 @example
283 client% ifconfig me0 inet6 -ifdisabled auto_linklocal
284 client% ifconfig tap10
285 client% ifconfig tap10 inet6 fc00::2/96 mtu 1462 up
286 client% route -6 add default fc00::1
287 client% export GOMAXPROC=4
288 client% while :; do
289     govpn-client -key key.txt -id CLIENTID -iface tap10 -remote [fe80::1%me0]:1194
290 done
291 @end example
292
293 Example up-script:
294
295 @example
296 client% cat > up.sh <<EOF
297 #!/bin/sh
298 dhclient $1
299 rtsol $1
300 EOF
301 client% chmod +x up.sh
302 client% govpn -id CLIENTID -key key.txt -iface tap10 -remote [fe80::1%me0]:1194 -up ./up.sh
303 @end example
304
305 Client will exit if won't finish handshake during @code{-timeout}.
306 If no packets are received from remote side during timeout, then daemon
307 will stop sending packets to the client and client will exit. In all
308 cases you have to rehandshake again.
309
310 @node Developer manual
311 @unnumbered Developer manual
312
313 @table @asis
314 @item Nonce and identification encryption
315 @url{http://143.53.36.235:8080/tea.htm, XTEA}
316 @item Data encryption
317 @url{http://cr.yp.to/snuffle.html, Salsa20}
318 @item Message authentication
319 @url{http://cr.yp.to/mac.html, Poly1305}
320 @item Password authenticated key agreement
321 @url{http://cr.yp.to/ecdh.html, Curve25519} based DH-EKE
322 @item Packet overhead
323 24 bytes per packet
324 @item Handshake overhead
325 4 UDP (2 from client, 2 from server) packets, 240 bytes total payload
326 @end table
327
328 @menu
329 * Transport protocol::
330 * Handshake protocol::
331 @end menu
332
333 @node Transport protocol
334 @section Transport protocol
335
336 @verbatim
337 ENCn(SERIAL) + ENC(KEY, ENCn(SERIAL), DATA) +
338     AUTH(ENCn(SERIAL) + ENC(KEY, ENCn(SERIAL), DATA))
339 @end verbatim
340
341 Each transport message is indistinguishable from pseudo random noise.
342
343 @code{SERIAL} is message's serial number. Odds are reserved for
344 client(→server) messages, evens for server(→client) messages.
345
346 @code{ENCn} is XTEA block cipher algorithm used here as PRP (pseudo
347 random permutation) to randomize, obfuscate @code{SERIAL}. Plaintext
348 @code{SERIAL} state is kept in peers internal state, but encrypted
349 before transmission. XTEA is compact and fast enough. Salsa20 is PRF
350 function and requires much more code to create PRP from it. XTEA's
351 encryption key is the first 128-bit of Salsa20's output with established
352 common key and zero nonce (message nonces start from 1).
353
354 Encrypted @code{SERIAL} is used as a nonce for @code{DATA} encryption:
355 encryption key is different during each handshake, so (key, nonce) pair
356 is always used only once. @code{ENC} is Salsa20 cipher, with established
357 session @code{KEY} and encrypted @code{SERIAL} used as a nonce.
358
359 @code{AUTH} is Poly1305 authentication function. First 256 bits of
360 Salsa20 output are used as a one-time key for @code{AUTH}. Next 256 bits
361 of Salsa20 are ignored. All remaining output is XORed with the data,
362 encrypting it.
363
364 To prevent replay attacks we remember latest @code{SERIAL} from the
365 remote peer. If received message's @code{SERIAL} is not greater that the
366 saved one, then drop it. Optionally, because some UDP packets can be
367 reordered during transmission, we can allow some window for valid
368 serials with the @code{-noncediff} option. @code{-noncediff 10} with
369 current saved serial state equals to 78 allows messages with 68…78
370 serials. That time window can be used by attacker to replay packets, so
371 by default it equals to 1. However it can improve performance because of
372 rearranged UDP packets.
373
374 @node Handshake protocol
375 @section Handshake protocol
376
377 @verbatiminclude handshake.utxt
378
379 @enumerate
380 @item
381 client generates @code{CPubKey}, random 64bit @code{R} that is used as a
382 nonce for encryption, and an encrypted @code{R} with XTEA, where the key
383 equals to client's identity
384 @item
385 @verb{|R + enc(PSK, R, CPubKey) + xtea(ID, R) + NULL + NULLs -> Server|} [65 bytes]
386 @item
387 server remembers clients address, decrypt @code{CPubKey}, generates
388 @code{SPrivKey}/@code{SPubKey}, computes common shared key @code{K}
389 (based on @code{CPubKey} and @code{SPrivKey}), generates 64bit random
390 number @code{RS} and 256bit random @code{SS}. PSK-encryption uses
391 incremented @code{R} (from previous message) for nonce
392 @item
393 @verb{|enc(PSK, SPubKey) + enc(K, RS + SS) + NULLs -> Client|} [88 bytes]
394 @item
395 client decrypt @code{SPubKey}, computes @code{K}, decrypts @code{RS},
396 @code{SS} with key @code{K}, remembers @code{SS}, generates 64bit random
397 number @code{RC} and 256bit random @code{SC},
398 @item
399 @verb{|enc(K, RS + RC + SC) + NULLs -> Server|} [64 bytes]
400 @item
401 server decrypt @code{RS}, @code{RC}, @code{SC} with key @code{K},
402 compares @code{RS} with it's own one send before, computes final main
403 encryption key @code{S = SS XOR SC}
404 @item
405 @verb{|ENC(K, RC) + NULLs -> Client|} [24 bytes]
406 @item
407 server switches to the new client
408 @item
409 client decrypts @code{RC} and compares with it's own generated one,
410 computes final main encryption key @code{S}
411 @end enumerate
412
413 Where PSK is 256bit pre-shared key, @code{NULLs} are 16 null-bytes.
414 @code{R*} are required for handshake randomization and two-way
415 authentication. K key is used only during handshake. @code{NULLs} are
416 required to differentiate common transport protocol messages from
417 handshake ones. DH public keys can be trivially derived from private
418 ones.
419
420 @node Reporting bugs
421 @unnumbered Reporting bugs
422
423 Please send all your bug requests, patches and related questions to
424 @email{govpn-devel@@lists.cypherpunks.ru} mailing list.
425 Visit @url{https://lists.cypherpunks.ru/mailman/listinfo/govpn-devel}
426 for information about subscription options and archived messages access.
427
428 Development Git source code repository currently is located on:
429 @url{https://github.com/stargrave/govpn}.
430
431 @node Copying conditions
432 @unnumbered Copying conditions
433
434 @insertcopying
435
436 @bye