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. It runs under GNU/Linux and FreeBSD.
   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 or timeouted UDP packet (maybe network is inactive)
  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 EXAMPLE USAGE
  58
  59 Let's assume that there is some insecure link between your computer and
  60 WiFi-reachable gateway. You have got preconfigured wlan0 network
  61 interface with 192.168.0/24 network. You want to create virtual
  62 encrypted and authenticated 172.16.0/24 network and use it as a default
  63 transport. MTU for that wlan0 is 1500 bytes. GoVPN will say that maximum
  64 MTU for the link is 1476, however it does not take in account TAP's
  65 Ethernet frame header length, that in my case is 14 bytes long (1476 - 14).
  66
  67     gateway% ip addr add 192.168.0.1/24 dev wlan0
  68     gateway% tunctl -t tap10
  69     gateway% ip link set mtu 1462 dev tap10
  70     gateway% ip addr add 172.16.0.1/24 dev tap10
  71     gateway% ip link set up dev tap10
  72     gateway% govpn -key KEY -iface tap10 -bind 192.168.0.1:1194
  73
  74     pc% ip addr add 192.168.0.2/24 dev wlan0
  75     pc% tunctl -t tap10
  76     pc% ip link set mtu 1462 dev tap10
  77     pc% ip addr add 172.16.0.2/24 dev tap10
  78     pc% ip link set up dev tap10
  79     pc% ip route add default via 172.16.0.1
  80     pc% while :; do govpn -key KEY -iface tap10 -remote 192.168.0.1:1194; done
  81
  82 If client won't finish handshake during -timeout, then it will exit.
  83 If no packets are received from remote side during timeout, then daemon
  84 will stop sending packets to the client and client will exit. In every
  85 cases you have to rehandshake again.
  86
  87 TECHNICAL INTERNALS
  88
  89 Encryption: Salsa20
  90 Message authentication: Poly1305
  91 Password authenticated key agreement: Curve25519 based DH-EKE
  92 Packet overhead: 24 bytes per packet
  93 Handshake overhead: 4 UDP (2 from client, 2 from server) packets,
  94                     232 bytes total payload
  95
  96                            Transport protocol
  97
  98     SERIAL + ENC(KEY, SERIAL, DATA) + AUTH(SERIAL + ENC_DATA)
  99
 100 where SERIAL is message serial number. Odds are reserved for
 101 client->server, evens are for server->client. SERIAL is used as a nonce
 102 for DATA encryption: encryption key is different during each handshake,
 103 so (key, nonce) pair is always used once.
 104
 105 We generate Salsa20's output using this key and nonce for each message:
 106 * first 256 bits are used as a one-time key for Poly1305 authentication
 107 * next 256 bits of output are ignored
 108 * and all remaining ones XORed with the data, encrypting it
 109
 110                            Handshake protocol
 111      ┌──────┐                                  ┌──────┐
 112      │Client│                                  │Server│
 113      └──┬───┘                                  └──┬───┘
 114         │────┐
 115         │    │ R=rand(64bit); CPrivKey=rand(256bit)
 116         │<───┘
 117         │                                         │
 118         │         R, enc(PSK, R, CPubKey)         │
 119         │ ────────────────────────────────────────>
 120         │                                         │
 121         │                                         │────┐
 122         │                                         │    │ SPrivKey=rand(256bit)
 123         │                                         │<───┘
 124         │                                         │
 125         │                                         │────┐
 126         │                                         │    │ K=DH(SPrivKey, CPubKey)
 127         │                                         │<───┘
 128         │                                         │
 129         │                                         │────┐
 130         │                                         │    │ RS=rand(64bit); SS=rand(256bit)
 131         │                                         │<───┘
 132         │                                         │
 133         │ enc(PSK, R+1, SPubKey); enc(K, R, RS+SS)│
 134         │ <────────────────────────────────────────
 135         │                                         │
 136         │────┐                                    │
 137         │    │ K=DH(CPrivKey, SPubKey)            │
 138         │<───┘                                    │
 139         │                                         │
 140         │────┐                                    │
 141         │    │ RC=rand(64bit); SC=rand(256bit)    │
 142         │<───┘                                    │
 143         │                                         │
 144         │          enc(K, R+1, RS+RC+SC)          │
 145         │ ────────────────────────────────────────>
 146         │                                         │
 147         │                                         │────┐
 148         │                                         │    │ compare(RS)
 149         │                                         │<───┘
 150         │                                         │
 151         │                                         │────┐
 152         │                                         │    │ MasterKey=SS XOR SC
 153         │                                         │<───┘
 154         │                                         │
 155         │             enc(K, 0x00, RC)            │
 156         │ <────────────────────────────────────────
 157         │                                         │
 158         │────┐                                    │
 159         │    │ compare(RC)                        │
 160         │<───┘                                    │
 161         │                                         │
 162         │────┐                                    │
 163         │    │ MasterKey=SS XOR SC                │
 164         │<───┘                                    │
 165      ┌──┴───┐                                  ┌──┴───┐
 166      │Client│                                  │Server│
 167      └──────┘                                  └──────┘
 168
 169 * client generates CPubKey, random 64bit R that is used as a nonce
 170   for encryption
 171 * R + enc(PSK, R, CPubKey) + NULLs -> Server [56 bytes]
 172 * server remembers clients address, decrypt CPubKey, generates
 173   SPrivKey/SPubKey, computes common shared key K (based on
 174   CPubKey and SPrivKey), generates 64bit random number RS and
 175   256bit random SS. PSK-encryption uses incremented R (from previous
 176   message) for nonce
 177 * enc(PSK, SPubKey) + enc(K, RS + SS) + NULLs -> Client [88 bytes]
 178 * client decrypt SPubKey, computes K, decrypts RS, SS with key K,
 179   remembers SS, generates 64bit random number RC and 256bit random SC,
 180 * enc(K, RS + RC + SC) + NULLs -> Server [64 bytes]
 181 * server decrypt RS, RC, SC with key K, compares RS with it's own one
 182   send before, computes final main encryption key S = SS XOR SC
 183 * ENC(K, RC) + NULLs -> Client [24 bytes]
 184 * server switches to the new client
 185 * client decrypts RC and compares with it's own generated one, computes
 186   final main encryption key S
 187
 188 Where PSK is 256bit pre-shared key, NULLs are 16 null-bytes. R* are
 189 required for handshake randomization and two-way authentication. K key
 190 is used only during handshake. NULLs are required to differentiate
 191 common transport protocol messages from handshake ones. DH public keys
 192 can be trivially derived from private ones.
 193
 194
 195 RELATED DOCUMENTS
 196
 197 * http://cr.yp.to/ecdh.html
 198 * http://cr.yp.to/snuffle.html
 199 * http://cr.yp.to/mac.html
 200 * http://grouper.ieee.org/groups/1363/passwdPK/contributions/jablon.pdf
 201 * Applied Cryptography (C) 1996 Bruce Schneier
 202
 203 TODO
 204
 205 * Move decryption and encryption processes into goroutines
 206 * Add identity management (client can send it's identification, server has
 207   on-disk id↔key plaintext database)
 208 * Implement alternative Secure Remote Password protocol (it is much slower,
 209   technically has more code, but human memorized passwords can be used
 210   instead of keys)
 211
 212 LICENCE
 213
 214 This program is free software: you can redistribute it and/or modify
 215 it under the terms of the GNU General Public License as published by
 216 the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
 217 any later version.
 218
 219 This program is distributed in the hope that it will be useful,
 220 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
 221 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
 222 GNU General Public License for more details.