handshake.go

   1 /*
   2 govpn -- high-performance secure virtual private network daemon
   3 Copyright (C) 2014 Sergey Matveev <stargrave@stargrave.org>
   4
   5 This program is free software: you can redistribute it and/or modify
   6 it under the terms of the GNU General Public License as published by
   7 the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
   8 (at your option) any later version.
   9
  10 This program is distributed in the hope that it will be useful,
  11 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  13 GNU General Public License for more details.
  14
  15 You should have received a copy of the GNU General Public License
  16 along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  17 */
  18
  19 package main
  20
  21 import (
  22         "crypto/rand"
  23         "crypto/subtle"
  24         "encoding/binary"
  25         "fmt"
  26         "net"
  27         "time"
  28
  29         "golang.org/x/crypto/curve25519"
  30         "golang.org/x/crypto/poly1305"
  31         "golang.org/x/crypto/salsa20"
  32         "golang.org/x/crypto/salsa20/salsa"
  33 )
  34
  35 type Handshake struct {
  36         addr     *net.UDPAddr
  37         lastPing time.Time
  38         rNonce   *[8]byte
  39         dhPriv   *[32]byte // own private DH key
  40         key      *[32]byte // handshake encryption key
  41         rServer  *[8]byte  // random string for authentication
  42         rClient  *[8]byte
  43         sServer  *[32]byte // secret string for main key calculation
  44         sClient  *[32]byte
  45 }
  46
  47 func KeyFromSecrets(server, client []byte) *[32]byte {
  48         k := new([32]byte)
  49         for i := 0; i < 32; i++ {
  50                 k[i] = server[i] ^ client[i]
  51         }
  52         return k
  53 }
  54
  55 // Check if it is valid handshake-related message
  56 // Minimal size and last 16 zero bytes
  57 func isValidHandshakePkt(pkt []byte) bool {
  58         if len(pkt) < 24 {
  59                 return false
  60         }
  61         for i := len(pkt) - poly1305.TagSize; i < len(pkt); i++ {
  62                 if pkt[i] != '\x00' {
  63                         return false
  64                 }
  65         }
  66         return true
  67 }
  68
  69 func (h *Handshake) rNonceNext() []byte {
  70         nonce := make([]byte, 8)
  71         nonceCurrent, _ := binary.Uvarint(h.rNonce[:])
  72         binary.PutUvarint(nonce, nonceCurrent+1)
  73         return nonce
  74 }
  75
  76 func dhPrivGen() *[32]byte {
  77         dh := new([32]byte)
  78         if _, err := rand.Read(dh[:]); err != nil {
  79                 panic("Can not read random for DH private key")
  80         }
  81         return dh
  82 }
  83
  84 func dhKeyGen(priv, pub *[32]byte) *[32]byte {
  85         key := new([32]byte)
  86         curve25519.ScalarMult(key, priv, pub)
  87         salsa.HSalsa20(key, new([16]byte), key, &salsa.Sigma)
  88         return key
  89 }
  90
  91 func HandshakeStart(conn *net.UDPConn, addr *net.UDPAddr, key *[32]byte) *Handshake {
  92         state := Handshake{}
  93         state.addr = addr
  94         state.lastPing = time.Now()
  95
  96         state.dhPriv = dhPrivGen()
  97         dhPub := new([32]byte)
  98         curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, state.dhPriv)
  99
 100         state.rNonce = new([8]byte)
 101         if _, err := rand.Read(state.rNonce[:]); err != nil {
 102                 panic("Can not read random for handshake nonce")
 103         }
 104         enc := make([]byte, 32)
 105         salsa20.XORKeyStream(enc, dhPub[:], state.rNonce[:], key)
 106
 107         if _, err := conn.WriteTo(
 108                 append(state.rNonce[:],
 109                         append(enc, make([]byte, poly1305.TagSize)...)...), addr); err != nil {
 110                 panic(err)
 111         }
 112         return &state
 113 }
 114
 115 func (h *Handshake) Server(conn *net.UDPConn, key *[32]byte, data []byte) *Peer {
 116         switch len(data) {
 117         case 56: // R + ENC(PSK, dh_client_pub) + NULLs
 118                 fmt.Print("[HS1]")
 119                 if h.rNonce != nil {
 120                         fmt.Print("[S?]")
 121                         return nil
 122                 }
 123
 124                 // Generate private DH key
 125                 h.dhPriv = dhPrivGen()
 126                 dhPub := new([32]byte)
 127                 curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, h.dhPriv)
 128
 129                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 130                 dec := new([32]byte)
 131                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[8:8+32], data[:8], key)
 132                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 133
 134                 // Compute nonce and encrypt our public key
 135                 h.rNonce = new([8]byte)
 136                 copy(h.rNonce[:], data[:8])
 137
 138                 encPub := make([]byte, 32)
 139                 salsa20.XORKeyStream(encPub, dhPub[:], h.rNonceNext(), key)
 140
 141                 // Generate R* and encrypt them
 142                 h.rServer = new([8]byte)
 143                 if _, err := rand.Read(h.rServer[:]); err != nil {
 144                         panic("Can not read random for handshake random key")
 145                 }
 146                 h.sServer = new([32]byte)
 147                 if _, err := rand.Read(h.sServer[:]); err != nil {
 148                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 149                 }
 150                 encRs := make([]byte, 8+32)
 151                 salsa20.XORKeyStream(encRs, append(h.rServer[:], h.sServer[:]...), h.rNonce[:], h.key)
 152
 153                 // Send that to client
 154                 if _, err := conn.WriteTo(
 155                         append(encPub,
 156                                 append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...)...), h.addr); err != nil {
 157                         panic(err)
 158                 }
 159                 fmt.Print("[OK]")
 160         case 64: // ENC(K, RS + RC + SC) + NULLs
 161                 fmt.Print("[HS3]")
 162                 if (h.rNonce == nil) || (h.rClient != nil) {
 163                         fmt.Print("[S?]")
 164                         return nil
 165                 }
 166
 167                 // Decrypt Rs compare rServer
 168                 decRs := make([]byte, 8+8+32)
 169                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[:8+8+32], h.rNonceNext(), h.key)
 170                 if res := subtle.ConstantTimeCompare(decRs[:8], h.rServer[:]); res != 1 {
 171                         fmt.Print("[rS?]")
 172                         return nil
 173                 }
 174
 175                 // Send final answer to client
 176                 enc := make([]byte, 8)
 177                 salsa20.XORKeyStream(enc, decRs[8:8+8], make([]byte, 8), h.key)
 178                 if _, err := conn.WriteTo(append(enc, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 179                         panic(err)
 180                 }
 181
 182                 // Switch peer
 183                 peer := Peer{addr: h.addr, nonceOur: 0, nonceRecv: 0}
 184                 peer.key = KeyFromSecrets(h.sServer[:], decRs[8+8:])
 185                 fmt.Print("[OK]")
 186                 return &peer
 187         default:
 188                 fmt.Print("[HS?]")
 189         }
 190         return nil
 191 }
 192
 193 func (h *Handshake) Client(conn *net.UDPConn, key *[32]byte, data []byte) *Peer {
 194         switch len(data) {
 195         case 88: // ENC(PSK, dh_server_pub) + ENC(K, RS + SS) + NULLs
 196                 fmt.Print("[HS2]")
 197                 if h.key != nil {
 198                         fmt.Print("[S?]")
 199                         return nil
 200                 }
 201
 202                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 203                 dec := new([32]byte)
 204                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[:32], h.rNonceNext(), key)
 205                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 206
 207                 // Decrypt Rs
 208                 decRs := make([]byte, 8+32)
 209                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[32:32+8+32], h.rNonce[:], h.key)
 210                 h.rServer = new([8]byte)
 211                 copy(h.rServer[:], decRs[:8])
 212                 h.sServer = new([32]byte)
 213                 copy(h.sServer[:], decRs[8:])
 214
 215                 // Generate R* and encrypt them
 216                 h.rClient = new([8]byte)
 217                 if _, err := rand.Read(h.rClient[:]); err != nil {
 218                         panic("Can not read random for handshake random key")
 219                 }
 220                 h.sClient = new([32]byte)
 221                 if _, err := rand.Read(h.sClient[:]); err != nil {
 222                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 223                 }
 224                 encRs := make([]byte, 8+8+32)
 225                 salsa20.XORKeyStream(encRs,
 226                         append(h.rServer[:],
 227                                 append(h.rClient[:], h.sClient[:]...)...), h.rNonceNext(), h.key)
 228
 229                 // Send that to server
 230                 if _, err := conn.WriteTo(append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 231                         panic(err)
 232                 }
 233                 fmt.Print("[OK]")
 234         case 24: // ENC(K, RC) + NULLs
 235                 fmt.Print("[HS4]")
 236                 if h.key == nil {
 237                         fmt.Print("[S?]")
 238                         return nil
 239                 }
 240
 241                 // Decrypt rClient
 242                 dec := make([]byte, 8)
 243                 salsa20.XORKeyStream(dec, data[:8], make([]byte, 8), h.key)
 244                 if res := subtle.ConstantTimeCompare(dec, h.rClient[:]); res != 1 {
 245                         fmt.Print("[rC?]")
 246                         return nil
 247                 }
 248
 249                 // Switch peer
 250                 peer := Peer{addr: h.addr, nonceOur: 1, nonceRecv: 0}
 251                 peer.key = KeyFromSecrets(h.sServer[:], h.sClient[:])
 252                 fmt.Print("[OK]")
 253                 return &peer
 254         default:
 255                 fmt.Print("[HS?]")
 256         }
 257         return nil
 258 }