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         "time"
  28
  29         "github.com/agl/ed25519"
  30         "github.com/agl/ed25519/extra25519"
  31         "golang.org/x/crypto/curve25519"
  32         "golang.org/x/crypto/salsa20"
  33         "golang.org/x/crypto/salsa20/salsa"
  34         "golang.org/x/crypto/xtea"
  35 )
  36
  37 const (
  38         RSize = 8
  39         SSize = 32
  40 )
  41
  42 type Handshake struct {
  43         addr     *net.UDPAddr
  44         LastPing time.Time
  45         Conf     *PeerConf
  46         dsaPubH  *[ed25519.PublicKeySize]byte
  47         key      *[32]byte
  48         rNonce   *[RSize]byte
  49         dhPriv   *[32]byte    // own private DH key
  50         rServer  *[RSize]byte // random string for authentication
  51         rClient  *[RSize]byte
  52         sServer  *[SSize]byte // secret string for main key calculation
  53         sClient  *[SSize]byte
  54 }
  55
  56 func keyFromSecrets(server, client []byte) *[SSize]byte {
  57         k := new([SSize]byte)
  58         for i := 0; i < SSize; i++ {
  59                 k[i] = server[i] ^ client[i]
  60         }
  61         return k
  62 }
  63
  64 // Apply HSalsa20 function for data. Used to hash public keys.
  65 func HApply(data *[32]byte) {
  66         salsa.HSalsa20(data, new([16]byte), data, &salsa.Sigma)
  67 }
  68
  69 // Zero handshake's memory state
  70 func (h *Handshake) Zero() {
  71         if h.rNonce != nil {
  72                 sliceZero(h.rNonce[:])
  73         }
  74         if h.dhPriv != nil {
  75                 sliceZero(h.dhPriv[:])
  76         }
  77         if h.key != nil {
  78                 sliceZero(h.key[:])
  79         }
  80         if h.dsaPubH != nil {
  81                 sliceZero(h.dsaPubH[:])
  82         }
  83         if h.rServer != nil {
  84                 sliceZero(h.rServer[:])
  85         }
  86         if h.rClient != nil {
  87                 sliceZero(h.rClient[:])
  88         }
  89         if h.sServer != nil {
  90                 sliceZero(h.sServer[:])
  91         }
  92         if h.sClient != nil {
  93                 sliceZero(h.sClient[:])
  94         }
  95 }
  96
  97 func (h *Handshake) rNonceNext(count uint64) []byte {
  98         nonce := make([]byte, RSize)
  99         nonceCurrent, _ := binary.Uvarint(h.rNonce[:])
 100         binary.PutUvarint(nonce, nonceCurrent+count)
 101         return nonce
 102 }
 103
 104 func dhKeypairGen() (*[32]byte, *[32]byte) {
 105         priv := new([32]byte)
 106         pub := new([32]byte)
 107         repr := new([32]byte)
 108         reprFound := false
 109         for !reprFound {
 110                 if _, err := rand.Read(priv[:]); err != nil {
 111                         panic("Can not read random for DH private key")
 112                 }
 113                 reprFound = extra25519.ScalarBaseMult(pub, repr, priv)
 114         }
 115         return priv, repr
 116 }
 117
 118 func dhKeyGen(priv, pub *[32]byte) *[32]byte {
 119         key := new([32]byte)
 120         curve25519.ScalarMult(key, priv, pub)
 121         HApply(key)
 122         return key
 123 }
 124
 125 // Create new handshake state.
 126 func HandshakeNew(addr *net.UDPAddr, conf *PeerConf) *Handshake {
 127         state := Handshake{
 128                 addr:     addr,
 129                 LastPing: time.Now(),
 130                 Conf:     conf,
 131         }
 132         state.dsaPubH = new([ed25519.PublicKeySize]byte)
 133         copy(state.dsaPubH[:], state.Conf.DSAPub[:])
 134         HApply(state.dsaPubH)
 135         return &state
 136 }
 137
 138 // Generate ID tag from client identification and data.
 139 func idTag(id *PeerId, data []byte) []byte {
 140         ciph, err := xtea.NewCipher(id[:])
 141         if err != nil {
 142                 panic(err)
 143         }
 144         enc := make([]byte, xtea.BlockSize)
 145         ciph.Encrypt(enc, data[:xtea.BlockSize])
 146         return enc
 147 }
 148
 149 // Start handshake's procedure from the client. It is the entry point
 150 // for starting the handshake procedure. You have to specify outgoing
 151 // conn address, remote's addr address, our own peer configuration.
 152 // First handshake packet will be sent immediately.
 153 func HandshakeStart(conf *PeerConf, conn *net.UDPConn, addr *net.UDPAddr) *Handshake {
 154         state := HandshakeNew(addr, conf)
 155
 156         var dhPubRepr *[32]byte
 157         state.dhPriv, dhPubRepr = dhKeypairGen()
 158
 159         state.rNonce = new([RSize]byte)
 160         if _, err := rand.Read(state.rNonce[:]); err != nil {
 161                 panic("Can not read random for handshake nonce")
 162         }
 163         enc := make([]byte, 32)
 164         salsa20.XORKeyStream(enc, dhPubRepr[:], state.rNonce[:], state.dsaPubH)
 165         data := append(state.rNonce[:], enc...)
 166         data = append(data, idTag(state.Conf.Id, state.rNonce[:])...)
 167         if _, err := conn.WriteTo(data, addr); err != nil {
 168                 panic(err)
 169         }
 170         return state
 171 }
 172
 173 // Process handshake message on the server side.
 174 // This function is intended to be called on server's side.
 175 // Our outgoing conn connection and received data are required.
 176 // If this is the final handshake message, then new Peer object
 177 // will be created and used as a transport. If no mutually
 178 // authenticated Peer is ready, then return nil.
 179 func (h *Handshake) Server(conn *net.UDPConn, data []byte) *Peer {
 180         // R + ENC(H(DSAPub), R, El(CDHPub)) + IDtag
 181         if len(data) == 48 && h.rNonce == nil {
 182                 // Generate DH keypair
 183                 var dhPubRepr *[32]byte
 184                 h.dhPriv, dhPubRepr = dhKeypairGen()
 185
 186                 h.rNonce = new([RSize]byte)
 187                 copy(h.rNonce[:], data[:RSize])
 188
 189                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 190                 cDHRepr := new([32]byte)
 191                 salsa20.XORKeyStream(
 192                         cDHRepr[:],
 193                         data[RSize:RSize+32],
 194                         h.rNonce[:],
 195                         h.dsaPubH,
 196                 )
 197                 cDH := new([32]byte)
 198                 extra25519.RepresentativeToPublicKey(cDH, cDHRepr)
 199                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, cDH)
 200
 201                 encPub := make([]byte, 32)
 202                 salsa20.XORKeyStream(encPub, dhPubRepr[:], h.rNonceNext(1), h.dsaPubH)
 203
 204                 // Generate R* and encrypt them
 205                 h.rServer = new([RSize]byte)
 206                 if _, err := rand.Read(h.rServer[:]); err != nil {
 207                         panic("Can not read random for handshake random key")
 208                 }
 209                 h.sServer = new([SSize]byte)
 210                 if _, err := rand.Read(h.sServer[:]); err != nil {
 211                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 212                 }
 213                 encRs := make([]byte, RSize+SSize)
 214                 salsa20.XORKeyStream(encRs, append(h.rServer[:], h.sServer[:]...), h.rNonce[:], h.key)
 215
 216                 // Send that to client
 217                 if _, err := conn.WriteTo(
 218                         append(encPub, append(encRs, idTag(h.Conf.Id, encPub)...)...), h.addr); err != nil {
 219                         panic(err)
 220                 }
 221                 h.LastPing = time.Now()
 222         } else
 223         // ENC(K, R+1, RS + RC + SC + Sign(DSAPriv, K)) + IDtag
 224         if len(data) == 120 && h.rClient == nil {
 225                 // Decrypted Rs compare rServer
 226                 dec := make([]byte, RSize+RSize+SSize+ed25519.SignatureSize)
 227                 salsa20.XORKeyStream(
 228                         dec,
 229                         data[:RSize+RSize+SSize+ed25519.SignatureSize],
 230                         h.rNonceNext(1),
 231                         h.key,
 232                 )
 233                 if subtle.ConstantTimeCompare(dec[:RSize], h.rServer[:]) != 1 {
 234                         log.Println("Invalid server's random number with", h.addr)
 235                         return nil
 236                 }
 237                 sign := new([ed25519.SignatureSize]byte)
 238                 copy(sign[:], dec[RSize+RSize+SSize:])
 239                 if !ed25519.Verify(h.Conf.DSAPub, h.key[:], sign) {
 240                         log.Println("Invalid signature from", h.addr)
 241                         return nil
 242                 }
 243
 244                 // Send final answer to client
 245                 enc := make([]byte, RSize)
 246                 salsa20.XORKeyStream(enc, dec[RSize:RSize+RSize], h.rNonceNext(2), h.key)
 247                 if _, err := conn.WriteTo(append(enc, idTag(h.Conf.Id, enc)...), h.addr); err != nil {
 248                         panic(err)
 249                 }
 250
 251                 // Switch peer
 252                 peer := newPeer(
 253                         h.addr,
 254                         h.Conf,
 255                         0,
 256                         keyFromSecrets(h.sServer[:], dec[RSize+RSize:RSize+RSize+SSize]))
 257                 h.LastPing = time.Now()
 258                 return peer
 259         } else {
 260                 log.Println("Invalid handshake message from", h.addr)
 261         }
 262         return nil
 263 }
 264
 265 // Process handshake message on the client side.
 266 // This function is intended to be called on client's side.
 267 // Our outgoing conn connection, authentication
 268 // key and received data are required.
 269 // If this is the final handshake message, then new Peer object
 270 // will be created and used as a transport. If no mutually
 271 // authenticated Peer is ready, then return nil.
 272 func (h *Handshake) Client(conn *net.UDPConn, data []byte) *Peer {
 273         switch len(data) {
 274         case 80: // ENC(H(DSAPub), R+1, El(SDHPub)) + ENC(K, R, RS + SS) + IDtag
 275                 if h.key != nil {
 276                         log.Println("Invalid handshake stage from", h.addr)
 277                         return nil
 278                 }
 279
 280                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 281                 sDHRepr := new([32]byte)
 282                 salsa20.XORKeyStream(sDHRepr[:], data[:32], h.rNonceNext(1), h.dsaPubH)
 283                 sDH := new([32]byte)
 284                 extra25519.RepresentativeToPublicKey(sDH, sDHRepr)
 285                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, sDH)
 286
 287                 // Decrypt Rs
 288                 decRs := make([]byte, RSize+SSize)
 289                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[SSize:32+RSize+SSize], h.rNonce[:], h.key)
 290                 h.rServer = new([RSize]byte)
 291                 copy(h.rServer[:], decRs[:RSize])
 292                 h.sServer = new([SSize]byte)
 293                 copy(h.sServer[:], decRs[RSize:])
 294
 295                 // Generate R* and signature and encrypt them
 296                 h.rClient = new([RSize]byte)
 297                 if _, err := rand.Read(h.rClient[:]); err != nil {
 298                         panic("Can not read random for handshake random key")
 299                 }
 300                 h.sClient = new([SSize]byte)
 301                 if _, err := rand.Read(h.sClient[:]); err != nil {
 302                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 303                 }
 304                 sign := ed25519.Sign(h.Conf.DSAPriv, h.key[:])
 305
 306                 enc := make([]byte, RSize+RSize+SSize+ed25519.SignatureSize)
 307                 salsa20.XORKeyStream(enc,
 308                         append(h.rServer[:],
 309                                 append(h.rClient[:],
 310                                         append(h.sClient[:], sign[:]...)...)...), h.rNonceNext(1), h.key)
 311
 312                 // Send that to server
 313                 if _, err := conn.WriteTo(append(enc, idTag(h.Conf.Id, enc)...), h.addr); err != nil {
 314                         panic(err)
 315                 }
 316                 h.LastPing = time.Now()
 317         case 16: // ENC(K, R+2, RC) + IDtag
 318                 if h.key == nil {
 319                         log.Println("Invalid handshake stage from", h.addr)
 320                         return nil
 321                 }
 322
 323                 // Decrypt rClient
 324                 dec := make([]byte, RSize)
 325                 salsa20.XORKeyStream(dec, data[:RSize], h.rNonceNext(2), h.key)
 326                 if subtle.ConstantTimeCompare(dec, h.rClient[:]) != 1 {
 327                         log.Println("Invalid client's random number with", h.addr)
 328                         return nil
 329                 }
 330
 331                 // Switch peer
 332                 peer := newPeer(h.addr, h.Conf, 1, keyFromSecrets(h.sServer[:], h.sClient[:]))
 333                 h.LastPing = time.Now()
 334                 return peer
 335         default:
 336                 log.Println("Invalid handshake message from", h.addr)
 337         }
 338         return nil
 339 }