handshake.go

   1 /*
   2 GoVPN -- simple secure free software virtual private network daemon
   3 Copyright (C) 2014-2015 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 govpn
  20
  21 import (
  22         "crypto/rand"
  23         "crypto/subtle"
  24         "encoding/binary"
  25         "log"
  26         "net"
  27         "path"
  28         "time"
  29
  30         "golang.org/x/crypto/curve25519"
  31         "golang.org/x/crypto/poly1305"
  32         "golang.org/x/crypto/salsa20"
  33         "golang.org/x/crypto/salsa20/salsa"
  34         "golang.org/x/crypto/xtea"
  35 )
  36
  37 type Handshake struct {
  38         addr     *net.UDPAddr
  39         LastPing time.Time
  40         Id       PeerId
  41         rNonce   *[8]byte
  42         dhPriv   *[32]byte      // own private DH key
  43         key      *[KeySize]byte // handshake encryption key
  44         rServer  *[8]byte       // random string for authentication
  45         rClient  *[8]byte
  46         sServer  *[32]byte // secret string for main key calculation
  47         sClient  *[32]byte
  48 }
  49
  50 func keyFromSecrets(server, client []byte) *[KeySize]byte {
  51         k := new([32]byte)
  52         for i := 0; i < 32; i++ {
  53                 k[i] = server[i] ^ client[i]
  54         }
  55         return k
  56 }
  57
  58 // Check if it is valid handshake-related message.
  59 // Minimal size and last 16 zero bytes.
  60 func IsValidHandshakePkt(pkt []byte) bool {
  61         if len(pkt) < 24 {
  62                 return false
  63         }
  64         for i := len(pkt) - poly1305.TagSize; i < len(pkt); i++ {
  65                 if pkt[i] != '\x00' {
  66                         return false
  67                 }
  68         }
  69         return true
  70 }
  71
  72 func (h *Handshake) rNonceNext() []byte {
  73         nonce := make([]byte, 8)
  74         nonceCurrent, _ := binary.Uvarint(h.rNonce[:])
  75         binary.PutUvarint(nonce, nonceCurrent+1)
  76         return nonce
  77 }
  78
  79 func dhPrivGen() *[32]byte {
  80         dh := new([32]byte)
  81         if _, err := rand.Read(dh[:]); err != nil {
  82                 panic("Can not read random for DH private key")
  83         }
  84         return dh
  85 }
  86
  87 func dhKeyGen(priv, pub *[32]byte) *[32]byte {
  88         key := new([32]byte)
  89         curve25519.ScalarMult(key, priv, pub)
  90         salsa.HSalsa20(key, new([16]byte), key, &salsa.Sigma)
  91         return key
  92 }
  93
  94 // Create new handshake state.
  95 func HandshakeNew(addr *net.UDPAddr) *Handshake {
  96         state := Handshake{
  97                 addr:     addr,
  98                 LastPing: time.Now(),
  99         }
 100         return &state
 101 }
 102
 103 // Start handshake's procedure from the client.
 104 // It is the entry point for starting the handshake procedure.
 105 // You have to specify outgoing conn address, remote's addr address,
 106 // our own identification and an encryption key. First handshake packet
 107 // will be sent immediately.
 108 func HandshakeStart(conn *net.UDPConn, addr *net.UDPAddr, id *PeerId, key *[32]byte) *Handshake {
 109         state := HandshakeNew(addr)
 110
 111         state.dhPriv = dhPrivGen()
 112         dhPub := new([32]byte)
 113         curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, state.dhPriv)
 114
 115         state.rNonce = new([8]byte)
 116         if _, err := rand.Read(state.rNonce[:]); err != nil {
 117                 panic("Can not read random for handshake nonce")
 118         }
 119         enc := make([]byte, 32)
 120         salsa20.XORKeyStream(enc, dhPub[:], state.rNonce[:], key)
 121
 122         ciph, err := xtea.NewCipher(id[:])
 123         if err != nil {
 124                 panic(err)
 125         }
 126         rEnc := make([]byte, xtea.BlockSize)
 127         ciph.Encrypt(rEnc, state.rNonce[:])
 128
 129         data := append(state.rNonce[:], enc...)
 130         data = append(data, rEnc...)
 131         data = append(data, '\x00')
 132         data = append(data, make([]byte, poly1305.TagSize)...)
 133
 134         if _, err := conn.WriteTo(data, addr); err != nil {
 135                 panic(err)
 136         }
 137         return state
 138 }
 139
 140 // Process handshake message on the server side.
 141 // This function is intended to be called on server's side.
 142 // Our outgoing conn connection and received data are required.
 143 // If this is the final handshake message, then new Peer object
 144 // will be created and used as a transport. If no mutually
 145 // authenticated Peer is ready, then return nil.
 146 func (h *Handshake) Server(conn *net.UDPConn, data []byte) *Peer {
 147         switch len(data) {
 148         case 65: // R + ENC(PSK, dh_client_pub) + xtea(ID, R) + NULL + NULLs
 149                 if h.rNonce != nil {
 150                         log.Println("Invalid handshake stage from", h.addr)
 151                         return nil
 152                 }
 153
 154                 // Try to determine client's ID
 155                 id := IDsCache.Find(data[:8], data[8+32:8+32+8])
 156                 if id == nil {
 157                         log.Println("Unknown identity from", h.addr)
 158                         return nil
 159                 }
 160                 key := KeyRead(path.Join(PeersPath, id.String(), "key"))
 161                 h.Id = *id
 162
 163                 // Generate private DH key
 164                 h.dhPriv = dhPrivGen()
 165                 dhPub := new([32]byte)
 166                 curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, h.dhPriv)
 167
 168                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 169                 dec := new([32]byte)
 170                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[8:8+32], data[:8], key)
 171                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 172
 173                 // Compute nonce and encrypt our public key
 174                 h.rNonce = new([8]byte)
 175                 copy(h.rNonce[:], data[:8])
 176
 177                 encPub := make([]byte, 32)
 178                 salsa20.XORKeyStream(encPub, dhPub[:], h.rNonceNext(), key)
 179
 180                 // Generate R* and encrypt them
 181                 h.rServer = new([8]byte)
 182                 if _, err := rand.Read(h.rServer[:]); err != nil {
 183                         panic("Can not read random for handshake random key")
 184                 }
 185                 h.sServer = new([32]byte)
 186                 if _, err := rand.Read(h.sServer[:]); err != nil {
 187                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 188                 }
 189                 encRs := make([]byte, 8+32)
 190                 salsa20.XORKeyStream(encRs, append(h.rServer[:], h.sServer[:]...), h.rNonce[:], h.key)
 191
 192                 // Send that to client
 193                 if _, err := conn.WriteTo(
 194                         append(encPub,
 195                                 append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...)...), h.addr); err != nil {
 196                         panic(err)
 197                 }
 198                 h.LastPing = time.Now()
 199         case 64: // ENC(K, RS + RC + SC) + NULLs
 200                 if (h.rNonce == nil) || (h.rClient != nil) {
 201                         log.Println("Invalid handshake stage from", h.addr)
 202                         return nil
 203                 }
 204
 205                 // Decrypted Rs compare rServer
 206                 decRs := make([]byte, 8+8+32)
 207                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[:8+8+32], h.rNonceNext(), h.key)
 208                 if subtle.ConstantTimeCompare(decRs[:8], h.rServer[:]) != 1 {
 209                         log.Println("Invalid server's random number with", h.addr)
 210                         return nil
 211                 }
 212
 213                 // Send final answer to client
 214                 enc := make([]byte, 8)
 215                 salsa20.XORKeyStream(enc, decRs[8:8+8], make([]byte, 8), h.key)
 216                 if _, err := conn.WriteTo(append(enc, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 217                         panic(err)
 218                 }
 219
 220                 // Switch peer
 221                 peer := newPeer(h.addr, h.Id, 0, keyFromSecrets(h.sServer[:], decRs[8+8:]))
 222                 h.LastPing = time.Now()
 223                 return peer
 224         default:
 225                 log.Println("Invalid handshake message from", h.addr)
 226         }
 227         return nil
 228 }
 229
 230 // Process handshake message on the client side.
 231 // This function is intended to be called on client's side.
 232 // Our outgoing conn connection, authentication key and received data
 233 // are required. Client does not work with identities, as he is the
 234 // only one, so key is a requirement.
 235 // If this is the final handshake message, then new Peer object
 236 // will be created and used as a transport. If no mutually
 237 // authenticated Peer is ready, then return nil.
 238 func (h *Handshake) Client(conn *net.UDPConn, key *[KeySize]byte, data []byte) *Peer {
 239         switch len(data) {
 240         case 88: // ENC(PSK, dh_server_pub) + ENC(K, RS + SS) + NULLs
 241                 if h.key != nil {
 242                         log.Println("Invalid handshake stage from", h.addr)
 243                         return nil
 244                 }
 245
 246                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 247                 dec := new([32]byte)
 248                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[:32], h.rNonceNext(), key)
 249                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 250
 251                 // Decrypt Rs
 252                 decRs := make([]byte, 8+32)
 253                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[32:32+8+32], h.rNonce[:], h.key)
 254                 h.rServer = new([8]byte)
 255                 copy(h.rServer[:], decRs[:8])
 256                 h.sServer = new([32]byte)
 257                 copy(h.sServer[:], decRs[8:])
 258
 259                 // Generate R* and encrypt them
 260                 h.rClient = new([8]byte)
 261                 if _, err := rand.Read(h.rClient[:]); err != nil {
 262                         panic("Can not read random for handshake random key")
 263                 }
 264                 h.sClient = new([32]byte)
 265                 if _, err := rand.Read(h.sClient[:]); err != nil {
 266                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 267                 }
 268                 encRs := make([]byte, 8+8+32)
 269                 salsa20.XORKeyStream(encRs,
 270                         append(h.rServer[:],
 271                                 append(h.rClient[:], h.sClient[:]...)...), h.rNonceNext(), h.key)
 272
 273                 // Send that to server
 274                 if _, err := conn.WriteTo(append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 275                         panic(err)
 276                 }
 277                 h.LastPing = time.Now()
 278         case 24: // ENC(K, RC) + NULLs
 279                 if h.key == nil {
 280                         log.Println("Invalid handshake stage from", h.addr)
 281                         return nil
 282                 }
 283
 284                 // Decrypt rClient
 285                 dec := make([]byte, 8)
 286                 salsa20.XORKeyStream(dec, data[:8], make([]byte, 8), h.key)
 287                 if subtle.ConstantTimeCompare(dec, h.rClient[:]) != 1 {
 288                         log.Println("Invalid client's random number with", h.addr)
 289                         return nil
 290                 }
 291
 292                 // Switch peer
 293                 peer := newPeer(h.addr, h.Id, 1, keyFromSecrets(h.sServer[:], h.sClient[:]))
 294                 h.LastPing = time.Now()
 295                 return peer
 296         default:
 297                 log.Println("Invalid handshake message from", h.addr)
 298         }
 299         return nil
 300 }