README

   1                                  GoVPN
   2                                  =====
   3 SYNOPSIS
   4
   5 govpn is simple high-performance secure virtual private network daemon.
   6 It uses DH-EKE for mutual zero-knowledge authentication and
   7 authenticated encrypted transport.
   8
   9 DESCRIPTION
  10
  11 All packets captured on network interface are encrypted, authenticated
  12 and sent to remote server, that writes them to his interface, and vice
  13 versa. Client and server use pre-shared authentication key (PSK).
  14 Because of stateless UDP nature, after some timeout of inactivity peers
  15 forget about each other and have to retry handshake process again. As a
  16 rule, there are enough time-to-time traffic in ordinary Ethernet
  17 networks to heartbeat connection.
  18
  19 Handshake is used to mutually authenticate peers, exchange common secret
  20 per-session encryption key and checks UDP transport availability.
  21
  22 Because of UDP and authentication overhead: each packet grows in size
  23 during transmission, so you have to lower you maximum transmission unit
  24 (MTU) on network interface.
  25
  26 High security and high performance are the goals for that daemon. It
  27 uses fast cryptography algorithms with 128bit security margin, strong
  28 mutual zero-knowledge authentication and perfect-forward secrecy
  29 property. An attacker can not know anything from captured traffic, even
  30 if pre-shared key is compromised.
  31
  32 COMPARISON TO OpenVPN
  33
  34 * Higher performance
  35 * Perfect-forward secrecy (if long-term pre-shared keys are compromised,
  36   no captured traffic can be decrypted anyway)
  37 * Mutual two-side authentication (noone will send real network interface
  38   data unless the other side is authenticated)
  39 * Zero-knowledge authentication (pre-shared key is not transmitted in
  40   any form between the peers, not even it's hash value)
  41 * Fast handshake
  42
  43 CONSOLE OUTPUT LEGEND
  44
  45 B -- bad UDP packet (some system error)
  46 T -- bad tag on packet (MiTM, unordered packet)
  47 R -- invalid sequence number (MiTM, unordered packet)
  48 [HS?] -- unknown handshake message
  49 w -- successful write to remote peer
  50 r -- successful read from remote peer
  51 [HS1], [HS2], [HS3], [HS4] -- handshake packet stage
  52 [rS?] -- invalid server's random authentication number received (MiTM, bad PSK)
  53 [rC?] -- invalid client's random authentication number received (MiTM, bad PSK)
  54 [S?] -- invalid handshake stage is trying to perform (MiTM, duplicate packet)
  55 [OK] -- handshake's stage passed
  56
  57 TECHNICAL INTERNALS
  58
  59 Encryption: Salsa20
  60 Message authentication: Poly1305
  61 Password authenticated key agreement: Curve25519 based DH-EKE
  62 Packet overhead: 24 bytes per packet
  63 Handshake overhead: 4 UDP (2 from client, 2 from server) packets,
  64                     232 bytes total payload
  65
  66                            Transport protocol
  67
  68     SERIAL + ENC(KEY, SERIAL, DATA) + AUTH(SERIAL + ENC_DATA)
  69
  70 where SERIAL is message serial number. Odds are reserved for
  71 client->server, evens are for server->client. SERIAL is used as a nonce
  72 for DATA encryption: encryption key is different during each handshake,
  73 so (key, nonce) pair is always used once.
  74
  75 We generate Salsa20's output using this key and nonce for each message:
  76 * first 256 bits are used as a one-time key for Poly1305 authentication
  77 * next 256 bits of output are ignored
  78 * and all remaining ones XORed with the data, encrypting it
  79
  80                            Handshake protocol
  81      ┌──────┐                                  ┌──────┐
  82      │Client│                                  │Server│
  83      └──┬───┘                                  └──┬───┘
  84         │────┐
  85         │    │ R=rand(64bit); CPrivKey=rand(256bit)
  86         │<───┘
  87         │                                         │
  88         │         R, enc(PSK, R, CPubKey)         │
  89         │ ────────────────────────────────────────>
  90         │                                         │
  91         │                                         │────┐
  92         │                                         │    │ SPrivKey=rand(256bit)
  93         │                                         │<───┘
  94         │                                         │
  95         │                                         │────┐
  96         │                                         │    │ K=DH(SPrivKey, CPubKey)
  97         │                                         │<───┘
  98         │                                         │
  99         │                                         │────┐
 100         │                                         │    │ RS=rand(64bit); SS=rand(256bit)
 101         │                                         │<───┘
 102         │                                         │
 103         │ enc(PSK, R+1, SPubKey); enc(K, R, RS+SS)│
 104         │ <────────────────────────────────────────
 105         │                                         │
 106         │────┐                                    │
 107         │    │ K=DH(CPrivKey, SPubKey)            │
 108         │<───┘                                    │
 109         │                                         │
 110         │────┐                                    │
 111         │    │ RC=rand(64bit); SC=rand(256bit)    │
 112         │<───┘                                    │
 113         │                                         │
 114         │          enc(K, R+1, RS+RC+SC)          │
 115         │ ────────────────────────────────────────>
 116         │                                         │
 117         │                                         │────┐
 118         │                                         │    │ compare(RS)
 119         │                                         │<───┘
 120         │                                         │
 121         │                                         │────┐
 122         │                                         │    │ MasterKey=SS XOR SC
 123         │                                         │<───┘
 124         │                                         │
 125         │             enc(K, 0x00, RC)            │
 126         │ <────────────────────────────────────────
 127         │                                         │
 128         │────┐                                    │
 129         │    │ compare(RC)                        │
 130         │<───┘                                    │
 131         │                                         │
 132         │────┐                                    │
 133         │    │ MasterKey=SS XOR SC                │
 134         │<───┘                                    │
 135      ┌──┴───┐                                  ┌──┴───┐
 136      │Client│                                  │Server│
 137      └──────┘                                  └──────┘
 138
 139 * client generates CPubKey, random 64bit R that is used as a nonce
 140   for encryption
 141 * R + enc(PSK, R, CPubKey) + NULLs -> Server [56 bytes]
 142 * server remembers clients address, decrypt CPubKey, generates
 143   SPrivKey/SPubKey, computes common shared key K (based on
 144   CPubKey and SPrivKey), generates 64bit random number RS and
 145   256bit random SS. PSK-encryption uses incremented R (from previous
 146   message) for nonce
 147 * enc(PSK, SPubKey) + enc(K, RS + SS) + NULLs -> Client [88 bytes]
 148 * client decrypt SPubKey, computes K, decrypts RS, SS with key K,
 149   remembers SS, generates 64bit random number RC and 256bit random SC,
 150 * enc(K, RS + RC + SC) + NULLs -> Server [64 bytes]
 151 * server decrypt RS, RC, SC with key K, compares RS with it's own one
 152   send before, computes final main encryption key S = SS XOR SC
 153 * ENC(K, RC) + NULLs -> Client [24 bytes]
 154 * server switches to the new client
 155 * client decrypts RC and compares with it's own generated one, computes
 156   final main encryption key S
 157
 158 Where PSK is 256bit pre-shared key, NULLs are 16 null-bytes. R* are
 159 required for handshake randomization and two-way authentication. K key
 160 is used only during handshake. NULLs are required to differentiate
 161 common transport protocol messages from handshake ones. DH public keys
 162 can be trivially derived from private ones.
 163
 164
 165 RELATED DOCUMENTS
 166
 167 * http://cr.yp.to/ecdh.html
 168 * http://cr.yp.to/snuffle.html
 169 * http://cr.yp.to/mac.html
 170 * http://grouper.ieee.org/groups/1363/passwdPK/contributions/jablon.pdf
 171 * Applied Cryptography (C) 1996 Bruce Schneier
 172
 173 TODO
 174
 175 * Move decryption and encryption processes into goroutines
 176 * Add identity management (client can send it's identification, server has
 177   on-disk id↔key plaintext database)
 178 * Implement alternative Secure Remote Password protocol (it is much slower,
 179   technically has more code, but human memorized passwords can be used
 180   instead of keys)
 181
 182 LICENCE
 183
 184 This program is free software: you can redistribute it and/or modify
 185 it under the terms of the GNU General Public License as published by
 186 the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
 187 any later version.
 188
 189 This program is distributed in the hope that it will be useful,
 190 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
 191 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
 192 GNU General Public License for more details.