handshake.go

   1 /*
   2 govpn -- Simple secure 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 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(noncediff uint64, 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{
 184                         addr: h.addr,
 185                         nonceOur: noncediff + 0,
 186                         nonceRecv: noncediff + 0,
 187                 }
 188                 peer.key = KeyFromSecrets(h.sServer[:], decRs[8+8:])
 189                 fmt.Print("[OK]")
 190                 return &peer
 191         default:
 192                 fmt.Print("[HS?]")
 193         }
 194         return nil
 195 }
 196
 197 func (h *Handshake) Client(noncediff uint64, conn *net.UDPConn, key *[32]byte, data []byte) *Peer {
 198         switch len(data) {
 199         case 88: // ENC(PSK, dh_server_pub) + ENC(K, RS + SS) + NULLs
 200                 fmt.Print("[HS2]")
 201                 if h.key != nil {
 202                         fmt.Print("[S?]")
 203                         return nil
 204                 }
 205
 206                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 207                 dec := new([32]byte)
 208                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[:32], h.rNonceNext(), key)
 209                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 210
 211                 // Decrypt Rs
 212                 decRs := make([]byte, 8+32)
 213                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[32:32+8+32], h.rNonce[:], h.key)
 214                 h.rServer = new([8]byte)
 215                 copy(h.rServer[:], decRs[:8])
 216                 h.sServer = new([32]byte)
 217                 copy(h.sServer[:], decRs[8:])
 218
 219                 // Generate R* and encrypt them
 220                 h.rClient = new([8]byte)
 221                 if _, err := rand.Read(h.rClient[:]); err != nil {
 222                         panic("Can not read random for handshake random key")
 223                 }
 224                 h.sClient = new([32]byte)
 225                 if _, err := rand.Read(h.sClient[:]); err != nil {
 226                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 227                 }
 228                 encRs := make([]byte, 8+8+32)
 229                 salsa20.XORKeyStream(encRs,
 230                         append(h.rServer[:],
 231                                 append(h.rClient[:], h.sClient[:]...)...), h.rNonceNext(), h.key)
 232
 233                 // Send that to server
 234                 if _, err := conn.WriteTo(append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 235                         panic(err)
 236                 }
 237                 fmt.Print("[OK]")
 238         case 24: // ENC(K, RC) + NULLs
 239                 fmt.Print("[HS4]")
 240                 if h.key == nil {
 241                         fmt.Print("[S?]")
 242                         return nil
 243                 }
 244
 245                 // Decrypt rClient
 246                 dec := make([]byte, 8)
 247                 salsa20.XORKeyStream(dec, data[:8], make([]byte, 8), h.key)
 248                 if res := subtle.ConstantTimeCompare(dec, h.rClient[:]); res != 1 {
 249                         fmt.Print("[rC?]")
 250                         return nil
 251                 }
 252
 253                 // Switch peer
 254                 peer := Peer{
 255                         addr: h.addr,
 256                         nonceOur: noncediff + 1,
 257                         nonceRecv: noncediff + 0,
 258                 }
 259                 peer.key = KeyFromSecrets(h.sServer[:], h.sClient[:])
 260                 fmt.Print("[OK]")
 261                 return &peer
 262         default:
 263                 fmt.Print("[HS?]")
 264         }
 265         return nil
 266 }