src/crypto/tls/cipher_suites.go

   1 // Copyright 2010 The Go Authors. All rights reserved.
   2 // Use of this source code is governed by a BSD-style
   3 // license that can be found in the LICENSE file.
   4
   5 package tls
   6
   7 import (
   8         "crypto/aes"
   9         "crypto/cipher"
  10         "crypto/des"
  11         "crypto/hmac"
  12         "crypto/internal/boring"
  13         "crypto/rc4"
  14         "crypto/sha1"
  15         "crypto/sha256"
  16         "crypto/x509"
  17         "hash"
  18
  19         "golang_org/x/crypto/chacha20poly1305"
  20 )
  21
  22 // a keyAgreement implements the client and server side of a TLS key agreement
  23 // protocol by generating and processing key exchange messages.
  24 type keyAgreement interface {
  25         // On the server side, the first two methods are called in order.
  26
  27         // In the case that the key agreement protocol doesn't use a
  28         // ServerKeyExchange message, generateServerKeyExchange can return nil,
  29         // nil.
  30         generateServerKeyExchange(*Config, *Certificate, *clientHelloMsg, *serverHelloMsg) (*serverKeyExchangeMsg, error)
  31         processClientKeyExchange(*Config, *Certificate, *clientKeyExchangeMsg, uint16) ([]byte, error)
  32
  33         // On the client side, the next two methods are called in order.
  34
  35         // This method may not be called if the server doesn't send a
  36         // ServerKeyExchange message.
  37         processServerKeyExchange(*Config, *clientHelloMsg, *serverHelloMsg, *x509.Certificate, *serverKeyExchangeMsg) error
  38         generateClientKeyExchange(*Config, *clientHelloMsg, *x509.Certificate) ([]byte, *clientKeyExchangeMsg, error)
  39 }
  40
  41 const (
  42         // suiteECDH indicates that the cipher suite involves elliptic curve
  43         // Diffie-Hellman. This means that it should only be selected when the
  44         // client indicates that it supports ECC with a curve and point format
  45         // that we're happy with.
  46         suiteECDHE = 1 << iota
  47         // suiteECDSA indicates that the cipher suite involves an ECDSA
  48         // signature and therefore may only be selected when the server's
  49         // certificate is ECDSA. If this is not set then the cipher suite is
  50         // RSA based.
  51         suiteECDSA
  52         // suiteTLS12 indicates that the cipher suite should only be advertised
  53         // and accepted when using TLS 1.2.
  54         suiteTLS12
  55         // suiteSHA384 indicates that the cipher suite uses SHA384 as the
  56         // handshake hash.
  57         suiteSHA384
  58         // suiteDefaultOff indicates that this cipher suite is not included by
  59         // default.
  60         suiteDefaultOff
  61 )
  62
  63 // A cipherSuite is a specific combination of key agreement, cipher and MAC
  64 // function. All cipher suites currently assume RSA key agreement.
  65 type cipherSuite struct {
  66         id uint16
  67         // the lengths, in bytes, of the key material needed for each component.
  68         keyLen int
  69         macLen int
  70         ivLen  int
  71         ka     func(version uint16) keyAgreement
  72         // flags is a bitmask of the suite* values, above.
  73         flags  int
  74         cipher func(key, iv []byte, isRead bool) interface{}
  75         mac    func(version uint16, macKey []byte) macFunction
  76         aead   func(key, fixedNonce []byte) cipher.AEAD
  77 }
  78
  79 var cipherSuites = []*cipherSuite{
  80         // Ciphersuite order is chosen so that ECDHE comes before plain RSA and
  81         // AEADs are the top preference.
  82         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305, 32, 0, 12, ecdheRSAKA, suiteECDHE | suiteTLS12, nil, nil, aeadChaCha20Poly1305},
  83         {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305, 32, 0, 12, ecdheECDSAKA, suiteECDHE | suiteECDSA | suiteTLS12, nil, nil, aeadChaCha20Poly1305},
  84         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, 16, 0, 4, ecdheRSAKA, suiteECDHE | suiteTLS12, nil, nil, aeadAESGCM},
  85         {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, 16, 0, 4, ecdheECDSAKA, suiteECDHE | suiteECDSA | suiteTLS12, nil, nil, aeadAESGCM},
  86         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384, 32, 0, 4, ecdheRSAKA, suiteECDHE | suiteTLS12 | suiteSHA384, nil, nil, aeadAESGCM},
  87         {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384, 32, 0, 4, ecdheECDSAKA, suiteECDHE | suiteECDSA | suiteTLS12 | suiteSHA384, nil, nil, aeadAESGCM},
  88         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256, 16, 32, 16, ecdheRSAKA, suiteECDHE | suiteTLS12 | suiteDefaultOff, cipherAES, macSHA256, nil},
  89         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA, 16, 20, 16, ecdheRSAKA, suiteECDHE, cipherAES, macSHA1, nil},
  90         {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256, 16, 32, 16, ecdheECDSAKA, suiteECDHE | suiteECDSA | suiteTLS12 | suiteDefaultOff, cipherAES, macSHA256, nil},
  91         {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA, 16, 20, 16, ecdheECDSAKA, suiteECDHE | suiteECDSA, cipherAES, macSHA1, nil},
  92         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA, 32, 20, 16, ecdheRSAKA, suiteECDHE, cipherAES, macSHA1, nil},
  93         {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA, 32, 20, 16, ecdheECDSAKA, suiteECDHE | suiteECDSA, cipherAES, macSHA1, nil},
  94         {TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, 16, 0, 4, rsaKA, suiteTLS12, nil, nil, aeadAESGCM},
  95         {TLS_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384, 32, 0, 4, rsaKA, suiteTLS12 | suiteSHA384, nil, nil, aeadAESGCM},
  96         {TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256, 16, 32, 16, rsaKA, suiteTLS12 | suiteDefaultOff, cipherAES, macSHA256, nil},
  97         {TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA, 16, 20, 16, rsaKA, 0, cipherAES, macSHA1, nil},
  98         {TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA, 32, 20, 16, rsaKA, 0, cipherAES, macSHA1, nil},
  99         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA, 24, 20, 8, ecdheRSAKA, suiteECDHE, cipher3DES, macSHA1, nil},
 100         {TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA, 24, 20, 8, rsaKA, 0, cipher3DES, macSHA1, nil},
 101
 102         // RC4-based cipher suites are disabled by default.
 103         {TLS_RSA_WITH_RC4_128_SHA, 16, 20, 0, rsaKA, suiteDefaultOff, cipherRC4, macSHA1, nil},
 104         {TLS_ECDHE_RSA_WITH_RC4_128_SHA, 16, 20, 0, ecdheRSAKA, suiteECDHE | suiteDefaultOff, cipherRC4, macSHA1, nil},
 105         {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_RC4_128_SHA, 16, 20, 0, ecdheECDSAKA, suiteECDHE | suiteECDSA | suiteDefaultOff, cipherRC4, macSHA1, nil},
 106 }
 107
 108 func cipherRC4(key, iv []byte, isRead bool) interface{} {
 109         cipher, _ := rc4.NewCipher(key)
 110         return cipher
 111 }
 112
 113 func cipher3DES(key, iv []byte, isRead bool) interface{} {
 114         block, _ := des.NewTripleDESCipher(key)
 115         if isRead {
 116                 return cipher.NewCBCDecrypter(block, iv)
 117         }
 118         return cipher.NewCBCEncrypter(block, iv)
 119 }
 120
 121 func cipherAES(key, iv []byte, isRead bool) interface{} {
 122         block, _ := aes.NewCipher(key)
 123         if isRead {
 124                 return cipher.NewCBCDecrypter(block, iv)
 125         }
 126         return cipher.NewCBCEncrypter(block, iv)
 127 }
 128
 129 // macSHA1 returns a macFunction for the given protocol version.
 130 func macSHA1(version uint16, key []byte) macFunction {
 131         if version == VersionSSL30 {
 132                 mac := ssl30MAC{
 133                         h:   sha1.New(),
 134                         key: make([]byte, len(key)),
 135                 }
 136                 copy(mac.key, key)
 137                 return mac
 138         }
 139         h := sha1.New
 140         if !boring.Enabled {
 141                 h = newConstantTimeHash(h)
 142         }
 143         return tls10MAC{hmac.New(h, key)}
 144 }
 145
 146 // macSHA256 returns a SHA-256 based MAC. These are only supported in TLS 1.2
 147 // so the given version is ignored.
 148 func macSHA256(version uint16, key []byte) macFunction {
 149         return tls10MAC{hmac.New(sha256.New, key)}
 150 }
 151
 152 type macFunction interface {
 153         Size() int
 154         MAC(digestBuf, seq, header, data, extra []byte) []byte
 155 }
 156
 157 type aead interface {
 158         cipher.AEAD
 159
 160         // explicitIVLen returns the number of bytes used by the explicit nonce
 161         // that is included in the record. This is eight for older AEADs and
 162         // zero for modern ones.
 163         explicitNonceLen() int
 164 }
 165
 166 // fixedNonceAEAD wraps an AEAD and prefixes a fixed portion of the nonce to
 167 // each call.
 168 type fixedNonceAEAD struct {
 169         // nonce contains the fixed part of the nonce in the first four bytes.
 170         nonce [12]byte
 171         aead  cipher.AEAD
 172 }
 173
 174 func (f *fixedNonceAEAD) NonceSize() int        { return 8 }
 175 func (f *fixedNonceAEAD) Overhead() int         { return f.aead.Overhead() }
 176 func (f *fixedNonceAEAD) explicitNonceLen() int { return 8 }
 177
 178 func (f *fixedNonceAEAD) Seal(out, nonce, plaintext, additionalData []byte) []byte {
 179         copy(f.nonce[4:], nonce)
 180         return f.aead.Seal(out, f.nonce[:], plaintext, additionalData)
 181 }
 182
 183 func (f *fixedNonceAEAD) Open(out, nonce, plaintext, additionalData []byte) ([]byte, error) {
 184         copy(f.nonce[4:], nonce)
 185         return f.aead.Open(out, f.nonce[:], plaintext, additionalData)
 186 }
 187
 188 // xoredNonceAEAD wraps an AEAD by XORing in a fixed pattern to the nonce
 189 // before each call.
 190 type xorNonceAEAD struct {
 191         nonceMask [12]byte
 192         aead      cipher.AEAD
 193 }
 194
 195 func (f *xorNonceAEAD) NonceSize() int        { return 8 }
 196 func (f *xorNonceAEAD) Overhead() int         { return f.aead.Overhead() }
 197 func (f *xorNonceAEAD) explicitNonceLen() int { return 0 }
 198
 199 func (f *xorNonceAEAD) Seal(out, nonce, plaintext, additionalData []byte) []byte {
 200         for i, b := range nonce {
 201                 f.nonceMask[4+i] ^= b
 202         }
 203         result := f.aead.Seal(out, f.nonceMask[:], plaintext, additionalData)
 204         for i, b := range nonce {
 205                 f.nonceMask[4+i] ^= b
 206         }
 207
 208         return result
 209 }
 210
 211 func (f *xorNonceAEAD) Open(out, nonce, plaintext, additionalData []byte) ([]byte, error) {
 212         for i, b := range nonce {
 213                 f.nonceMask[4+i] ^= b
 214         }
 215         result, err := f.aead.Open(out, f.nonceMask[:], plaintext, additionalData)
 216         for i, b := range nonce {
 217                 f.nonceMask[4+i] ^= b
 218         }
 219
 220         return result, err
 221 }
 222
 223 type gcmtls interface {
 224         NewGCMTLS() (cipher.AEAD, error)
 225 }
 226
 227 func aeadAESGCM(key, fixedNonce []byte) cipher.AEAD {
 228         aes, err := aes.NewCipher(key)
 229         if err != nil {
 230                 panic(err)
 231         }
 232         var aead cipher.AEAD
 233         if aesTLS, ok := aes.(gcmtls); ok {
 234                 aead, err = aesTLS.NewGCMTLS()
 235         } else {
 236                 boring.Unreachable()
 237                 aead, err = cipher.NewGCM(aes)
 238         }
 239         if err != nil {
 240                 panic(err)
 241         }
 242
 243         ret := &fixedNonceAEAD{aead: aead}
 244         copy(ret.nonce[:], fixedNonce)
 245         return ret
 246 }
 247
 248 func aeadChaCha20Poly1305(key, fixedNonce []byte) cipher.AEAD {
 249         aead, err := chacha20poly1305.New(key)
 250         if err != nil {
 251                 panic(err)
 252         }
 253
 254         ret := &xorNonceAEAD{aead: aead}
 255         copy(ret.nonceMask[:], fixedNonce)
 256         return ret
 257 }
 258
 259 // ssl30MAC implements the SSLv3 MAC function, as defined in
 260 // www.mozilla.org/projects/security/pki/nss/ssl/draft302.txt section 5.2.3.1
 261 type ssl30MAC struct {
 262         h   hash.Hash
 263         key []byte
 264 }
 265
 266 func (s ssl30MAC) Size() int {
 267         return s.h.Size()
 268 }
 269
 270 var ssl30Pad1 = [48]byte{0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36, 0x36}
 271
 272 var ssl30Pad2 = [48]byte{0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c, 0x5c}
 273
 274 // MAC does not offer constant timing guarantees for SSL v3.0, since it's deemed
 275 // useless considering the similar, protocol-level POODLE vulnerability.
 276 func (s ssl30MAC) MAC(digestBuf, seq, header, data, extra []byte) []byte {
 277         padLength := 48
 278         if s.h.Size() == 20 {
 279                 padLength = 40
 280         }
 281
 282         s.h.Reset()
 283         s.h.Write(s.key)
 284         s.h.Write(ssl30Pad1[:padLength])
 285         s.h.Write(seq)
 286         s.h.Write(header[:1])
 287         s.h.Write(header[3:5])
 288         s.h.Write(data)
 289         digestBuf = s.h.Sum(digestBuf[:0])
 290
 291         s.h.Reset()
 292         s.h.Write(s.key)
 293         s.h.Write(ssl30Pad2[:padLength])
 294         s.h.Write(digestBuf)
 295         return s.h.Sum(digestBuf[:0])
 296 }
 297
 298 type constantTimeHash interface {
 299         hash.Hash
 300         ConstantTimeSum(b []byte) []byte
 301 }
 302
 303 // cthWrapper wraps any hash.Hash that implements ConstantTimeSum, and replaces
 304 // with that all calls to Sum. It's used to obtain a ConstantTimeSum-based HMAC.
 305 type cthWrapper struct {
 306         h constantTimeHash
 307 }
 308
 309 func (c *cthWrapper) Size() int                   { return c.h.Size() }
 310 func (c *cthWrapper) BlockSize() int              { return c.h.BlockSize() }
 311 func (c *cthWrapper) Reset()                      { c.h.Reset() }
 312 func (c *cthWrapper) Write(p []byte) (int, error) { return c.h.Write(p) }
 313 func (c *cthWrapper) Sum(b []byte) []byte         { return c.h.ConstantTimeSum(b) }
 314
 315 func newConstantTimeHash(h func() hash.Hash) func() hash.Hash {
 316         if boring.Enabled {
 317                 // The BoringCrypto SHA1 does not have a constant-time
 318                 // checksum function, so don't try to use it.
 319                 return h
 320         }
 321         return func() hash.Hash {
 322                 return &cthWrapper{h().(constantTimeHash)}
 323         }
 324 }
 325
 326 // tls10MAC implements the TLS 1.0 MAC function. RFC 2246, section 6.2.3.
 327 type tls10MAC struct {
 328         h hash.Hash
 329 }
 330
 331 func (s tls10MAC) Size() int {
 332         return s.h.Size()
 333 }
 334
 335 // MAC is guaranteed to take constant time, as long as
 336 // len(seq)+len(header)+len(data)+len(extra) is constant. extra is not fed into
 337 // the MAC, but is only provided to make the timing profile constant.
 338 func (s tls10MAC) MAC(digestBuf, seq, header, data, extra []byte) []byte {
 339         s.h.Reset()
 340         s.h.Write(seq)
 341         s.h.Write(header)
 342         s.h.Write(data)
 343         res := s.h.Sum(digestBuf[:0])
 344         if extra != nil {
 345                 s.h.Write(extra)
 346         }
 347         return res
 348 }
 349
 350 func rsaKA(version uint16) keyAgreement {
 351         return rsaKeyAgreement{}
 352 }
 353
 354 func ecdheECDSAKA(version uint16) keyAgreement {
 355         return &ecdheKeyAgreement{
 356                 isRSA:   false,
 357                 version: version,
 358         }
 359 }
 360
 361 func ecdheRSAKA(version uint16) keyAgreement {
 362         return &ecdheKeyAgreement{
 363                 isRSA:   true,
 364                 version: version,
 365         }
 366 }
 367
 368 // mutualCipherSuite returns a cipherSuite given a list of supported
 369 // ciphersuites and the id requested by the peer.
 370 func mutualCipherSuite(have []uint16, want uint16) *cipherSuite {
 371         for _, id := range have {
 372                 if id == want {
 373                         for _, suite := range cipherSuites {
 374                                 if suite.id == want {
 375                                         return suite
 376                                 }
 377                         }
 378                         return nil
 379                 }
 380         }
 381         return nil
 382 }
 383
 384 // A list of cipher suite IDs that are, or have been, implemented by this
 385 // package.
 386 //
 387 // Taken from https://www.iana.org/assignments/tls-parameters/tls-parameters.xml
 388 const (
 389         TLS_RSA_WITH_RC4_128_SHA                uint16 = 0x0005
 390         TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA           uint16 = 0x000a
 391         TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA            uint16 = 0x002f
 392         TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA            uint16 = 0x0035
 393         TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256         uint16 = 0x003c
 394         TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256         uint16 = 0x009c
 395         TLS_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384         uint16 = 0x009d
 396         TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_RC4_128_SHA        uint16 = 0xc007
 397         TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA    uint16 = 0xc009
 398         TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA    uint16 = 0xc00a
 399         TLS_ECDHE_RSA_WITH_RC4_128_SHA          uint16 = 0xc011
 400         TLS_ECDHE_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA     uint16 = 0xc012
 401         TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA      uint16 = 0xc013
 402         TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA      uint16 = 0xc014
 403         TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256 uint16 = 0xc023
 404         TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256   uint16 = 0xc027
 405         TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256   uint16 = 0xc02f
 406         TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 uint16 = 0xc02b
 407         TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384   uint16 = 0xc030
 408         TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384 uint16 = 0xc02c
 409         TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305    uint16 = 0xcca8
 410         TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305  uint16 = 0xcca9
 411
 412         // TLS_FALLBACK_SCSV isn't a standard cipher suite but an indicator
 413         // that the client is doing version fallback. See
 414         // https://tools.ietf.org/html/rfc7507.
 415         TLS_FALLBACK_SCSV uint16 = 0x5600
 416 )