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 package main
  19
  20 import (
  21         "crypto/rand"
  22         "crypto/subtle"
  23         "encoding/binary"
  24         "fmt"
  25         "net"
  26         "time"
  27
  28         "code.google.com/p/go.crypto/curve25519"
  29         "code.google.com/p/go.crypto/poly1305"
  30         "code.google.com/p/go.crypto/salsa20"
  31         "code.google.com/p/go.crypto/salsa20/salsa"
  32 )
  33
  34 type Handshake struct {
  35         addr     *net.UDPAddr
  36         lastPing time.Time
  37         rNonce   *[8]byte
  38         dhPriv   *[32]byte // own private DH key
  39         key      *[32]byte // handshake encryption key
  40         rServer  *[8]byte  // random string for authentication
  41         rClient  *[8]byte
  42         sServer  *[32]byte // secret string for main key calculation
  43         sClient  *[32]byte
  44 }
  45
  46 func KeyFromSecrets(server, client []byte) *[32]byte {
  47         k := new([32]byte)
  48         for i := 0; i < 32; i++ {
  49                 k[i] = server[i] ^ client[i]
  50         }
  51         return k
  52 }
  53
  54 // Check if it is valid handshake-related message
  55 // Minimal size and last 16 zero bytes
  56 func isValidHandshakePkt(pkt []byte) bool {
  57         if len(pkt) < 24 {
  58                 return false
  59         }
  60         for i := len(pkt) - poly1305.TagSize; i < len(pkt); i++ {
  61                 if pkt[i] != '\x00' {
  62                         return false
  63                 }
  64         }
  65         return true
  66 }
  67
  68 func (h *Handshake) rNonceNext() []byte {
  69         nonce := make([]byte, 8)
  70         nonceCurrent, _ := binary.Uvarint(h.rNonce[:])
  71         binary.PutUvarint(nonce, nonceCurrent+1)
  72         return nonce
  73 }
  74
  75 func dhPrivGen() *[32]byte {
  76         dh := new([32]byte)
  77         if _, err := rand.Read(dh[:]); err != nil {
  78                 panic("Can not read random for DH private key")
  79         }
  80         return dh
  81 }
  82
  83 func dhKeyGen(priv, pub *[32]byte) *[32]byte {
  84         key := new([32]byte)
  85         curve25519.ScalarMult(key, priv, pub)
  86         salsa.HSalsa20(key, new([16]byte), key, &salsa.Sigma)
  87         return key
  88 }
  89
  90 func HandshakeStart(conn *net.UDPConn, addr *net.UDPAddr, key *[32]byte) *Handshake {
  91         state := Handshake{}
  92         state.addr = addr
  93         state.lastPing = time.Now()
  94
  95         state.dhPriv = dhPrivGen()
  96         dhPub := new([32]byte)
  97         curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, state.dhPriv)
  98
  99         state.rNonce = new([8]byte)
 100         if _, err := rand.Read(state.rNonce[:]); err != nil {
 101                 panic("Can not read random for handshake nonce")
 102         }
 103         enc := make([]byte, 32)
 104         salsa20.XORKeyStream(enc, dhPub[:], state.rNonce[:], key)
 105
 106         if _, err := conn.WriteTo(
 107                 append(state.rNonce[:],
 108                         append(enc, make([]byte, poly1305.TagSize)...)...), addr); err != nil {
 109                 panic(err)
 110         }
 111         return &state
 112 }
 113
 114 func (h *Handshake) Server(conn *net.UDPConn, key *[32]byte, data []byte) *Peer {
 115         switch len(data) {
 116         case 56: // R + ENC(PSK, dh_client_pub) + NULLs
 117                 fmt.Print("[HS1]")
 118                 if h.rNonce != nil {
 119                         fmt.Print("[S?]")
 120                         return nil
 121                 }
 122
 123                 // Generate private DH key
 124                 h.dhPriv = dhPrivGen()
 125                 dhPub := new([32]byte)
 126                 curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, h.dhPriv)
 127
 128                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 129                 dec := new([32]byte)
 130                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[8:8+32], data[:8], key)
 131                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 132
 133                 // Compute nonce and encrypt our public key
 134                 h.rNonce = new([8]byte)
 135                 copy(h.rNonce[:], data[:8])
 136
 137                 encPub := make([]byte, 32)
 138                 salsa20.XORKeyStream(encPub, dhPub[:], h.rNonceNext(), key)
 139
 140                 // Generate R* and encrypt them
 141                 h.rServer = new([8]byte)
 142                 if _, err := rand.Read(h.rServer[:]); err != nil {
 143                         panic("Can not read random for handshake random key")
 144                 }
 145                 h.sServer = new([32]byte)
 146                 if _, err := rand.Read(h.sServer[:]); err != nil {
 147                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 148                 }
 149                 encRs := make([]byte, 8+32)
 150                 salsa20.XORKeyStream(encRs, append(h.rServer[:], h.sServer[:]...), h.rNonce[:], h.key)
 151
 152                 // Send that to client
 153                 if _, err := conn.WriteTo(
 154                         append(encPub,
 155                                 append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...)...), h.addr); err != nil {
 156                         panic(err)
 157                 }
 158                 fmt.Print("[OK]")
 159         case 64: // ENC(K, RS + RC + SC) + NULLs
 160                 fmt.Print("[HS3]")
 161                 if (h.rNonce == nil) || (h.rClient != nil) {
 162                         fmt.Print("[S?]")
 163                         return nil
 164                 }
 165
 166                 // Decrypt Rs compare rServer
 167                 decRs := make([]byte, 8+8+32)
 168                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[:8+8+32], h.rNonceNext(), h.key)
 169                 if res := subtle.ConstantTimeCompare(decRs[:8], h.rServer[:]); res != 1 {
 170                         fmt.Print("[rS?]")
 171                         return nil
 172                 }
 173
 174                 // Send final answer to client
 175                 enc := make([]byte, 8)
 176                 salsa20.XORKeyStream(enc, decRs[8:8+8], make([]byte, 8), h.key)
 177                 if _, err := conn.WriteTo(append(enc, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 178                         panic(err)
 179                 }
 180
 181                 // Switch peer
 182                 peer := Peer{addr: h.addr, nonceOur: 0, nonceRecv: 0}
 183                 peer.key = KeyFromSecrets(h.sServer[:], decRs[8+8:])
 184                 fmt.Print("[OK]")
 185                 return &peer
 186         default:
 187                 fmt.Print("[HS?]")
 188         }
 189         return nil
 190 }
 191
 192 func (h *Handshake) Client(conn *net.UDPConn, key *[32]byte, data []byte) *Peer {
 193         switch len(data) {
 194         case 88: // ENC(PSK, dh_server_pub) + ENC(K, RS + SS) + NULLs
 195                 fmt.Print("[HS2]")
 196                 if h.key != nil {
 197                         fmt.Print("[S?]")
 198                         return nil
 199                 }
 200
 201                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 202                 dec := new([32]byte)
 203                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[:32], h.rNonceNext(), key)
 204                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 205
 206                 // Decrypt Rs
 207                 decRs := make([]byte, 8+32)
 208                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[32:32+8+32], h.rNonce[:], h.key)
 209                 h.rServer = new([8]byte)
 210                 copy(h.rServer[:], decRs[:8])
 211                 h.sServer = new([32]byte)
 212                 copy(h.sServer[:], decRs[8:])
 213
 214                 // Generate R* and encrypt them
 215                 h.rClient = new([8]byte)
 216                 if _, err := rand.Read(h.rClient[:]); err != nil {
 217                         panic("Can not read random for handshake random key")
 218                 }
 219                 h.sClient = new([32]byte)
 220                 if _, err := rand.Read(h.sClient[:]); err != nil {
 221                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 222                 }
 223                 encRs := make([]byte, 8+8+32)
 224                 salsa20.XORKeyStream(encRs,
 225                         append(h.rServer[:],
 226                                 append(h.rClient[:], h.sClient[:]...)...), h.rNonceNext(), h.key)
 227
 228                 // Send that to server
 229                 if _, err := conn.WriteTo(append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 230                         panic(err)
 231                 }
 232                 fmt.Print("[OK]")
 233         case 24: // ENC(K, RC) + NULLs
 234                 fmt.Print("[HS4]")
 235                 if h.key == nil {
 236                         fmt.Print("[S?]")
 237                         return nil
 238                 }
 239
 240                 // Decrypt rClient
 241                 dec := make([]byte, 8)
 242                 salsa20.XORKeyStream(dec, data[:8], make([]byte, 8), h.key)
 243                 if res := subtle.ConstantTimeCompare(dec, h.rClient[:]); res != 1 {
 244                         fmt.Print("[rC?]")
 245                         return nil
 246                 }
 247
 248                 // Switch peer
 249                 peer := Peer{addr: h.addr, nonceOur: 1, nonceRecv: 0}
 250                 peer.key = KeyFromSecrets(h.sServer[:], h.sClient[:])
 251                 fmt.Print("[OK]")
 252                 return &peer
 253         default:
 254                 fmt.Print("[HS?]")
 255         }
 256         return nil
 257 }