src/govpn/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         "time"
  27
  28         "github.com/agl/ed25519"
  29         "github.com/agl/ed25519/extra25519"
  30         "golang.org/x/crypto/curve25519"
  31         "golang.org/x/crypto/salsa20"
  32         "golang.org/x/crypto/salsa20/salsa"
  33         "golang.org/x/crypto/xtea"
  34 )
  35
  36 const (
  37         RSize = 8
  38         SSize = 32
  39 )
  40
  41 type Handshake struct {
  42         addr     string
  43         conn     RemoteConn
  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 randRead(b []byte) error {
 105         var err error
 106         if egdPath == "" {
 107                 _, err = rand.Read(b)
 108         } else {
 109                 err = EGDRead(b)
 110         }
 111         return err
 112 }
 113
 114 func dhKeypairGen() (*[32]byte, *[32]byte) {
 115         priv := new([32]byte)
 116         pub := new([32]byte)
 117         repr := new([32]byte)
 118         reprFound := false
 119         for !reprFound {
 120                 if err := randRead(priv[:]); err != nil {
 121                         log.Fatalln("Error reading random for DH private key:", err)
 122                 }
 123                 reprFound = extra25519.ScalarBaseMult(pub, repr, priv)
 124         }
 125         return priv, repr
 126 }
 127
 128 func dhKeyGen(priv, pub *[32]byte) *[32]byte {
 129         key := new([32]byte)
 130         curve25519.ScalarMult(key, priv, pub)
 131         HApply(key)
 132         return key
 133 }
 134
 135 // Create new handshake state.
 136 func HandshakeNew(addr string, conn RemoteConn, conf *PeerConf) *Handshake {
 137         state := Handshake{
 138                 addr:     addr,
 139                 conn:     conn,
 140                 LastPing: time.Now(),
 141                 Conf:     conf,
 142         }
 143         state.dsaPubH = new([ed25519.PublicKeySize]byte)
 144         copy(state.dsaPubH[:], state.Conf.DSAPub[:])
 145         HApply(state.dsaPubH)
 146         return &state
 147 }
 148
 149 // Generate ID tag from client identification and data.
 150 func idTag(id *PeerId, data []byte) []byte {
 151         ciph, err := xtea.NewCipher(id[:])
 152         if err != nil {
 153                 panic(err)
 154         }
 155         enc := make([]byte, xtea.BlockSize)
 156         ciph.Encrypt(enc, data[:xtea.BlockSize])
 157         return enc
 158 }
 159
 160 // Start handshake's procedure from the client. It is the entry point
 161 // for starting the handshake procedure. // First handshake packet
 162 // will be sent immediately.
 163 func HandshakeStart(addr string, conn RemoteConn, conf *PeerConf) *Handshake {
 164         state := HandshakeNew(addr, conn, conf)
 165         var dhPubRepr *[32]byte
 166         state.dhPriv, dhPubRepr = dhKeypairGen()
 167
 168         state.rNonce = new([RSize]byte)
 169         if err := randRead(state.rNonce[:]); err != nil {
 170                 log.Fatalln("Error reading random for nonce:", err)
 171         }
 172         enc := make([]byte, 32)
 173         salsa20.XORKeyStream(enc, dhPubRepr[:], state.rNonce[:], state.dsaPubH)
 174         data := append(state.rNonce[:], enc...)
 175         data = append(data, idTag(state.Conf.Id, state.rNonce[:])...)
 176         state.conn.Write(data)
 177         return state
 178 }
 179
 180 // Process handshake message on the server side.
 181 // This function is intended to be called on server's side.
 182 // If this is the final handshake message, then new Peer object
 183 // will be created and used as a transport. If no mutually
 184 // authenticated Peer is ready, then return nil.
 185 func (h *Handshake) Server(data []byte) *Peer {
 186         // R + ENC(H(DSAPub), R, El(CDHPub)) + IDtag
 187         if len(data) == 48 && h.rNonce == nil {
 188                 // Generate DH keypair
 189                 var dhPubRepr *[32]byte
 190                 h.dhPriv, dhPubRepr = dhKeypairGen()
 191
 192                 h.rNonce = new([RSize]byte)
 193                 copy(h.rNonce[:], data[:RSize])
 194
 195                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 196                 cDHRepr := new([32]byte)
 197                 salsa20.XORKeyStream(
 198                         cDHRepr[:],
 199                         data[RSize:RSize+32],
 200                         h.rNonce[:],
 201                         h.dsaPubH,
 202                 )
 203                 cDH := new([32]byte)
 204                 extra25519.RepresentativeToPublicKey(cDH, cDHRepr)
 205                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, cDH)
 206
 207                 encPub := make([]byte, 32)
 208                 salsa20.XORKeyStream(encPub, dhPubRepr[:], h.rNonceNext(1), h.dsaPubH)
 209
 210                 // Generate R* and encrypt them
 211                 h.rServer = new([RSize]byte)
 212                 if err := randRead(h.rServer[:]); err != nil {
 213                         log.Fatalln("Error reading random for R:", err)
 214                 }
 215                 h.sServer = new([SSize]byte)
 216                 if err := randRead(h.sServer[:]); err != nil {
 217                         log.Fatalln("Error reading random for S:", err)
 218                 }
 219                 encRs := make([]byte, RSize+SSize)
 220                 salsa20.XORKeyStream(encRs, append(h.rServer[:], h.sServer[:]...), h.rNonce[:], h.key)
 221
 222                 // Send that to client
 223                 h.conn.Write(append(encPub, append(encRs, idTag(h.Conf.Id, encPub)...)...))
 224                 h.LastPing = time.Now()
 225         } else
 226         // ENC(K, R+1, RS + RC + SC + Sign(DSAPriv, K)) + IDtag
 227         if len(data) == 120 && h.rClient == nil {
 228                 // Decrypted Rs compare rServer
 229                 dec := make([]byte, RSize+RSize+SSize+ed25519.SignatureSize)
 230                 salsa20.XORKeyStream(
 231                         dec,
 232                         data[:RSize+RSize+SSize+ed25519.SignatureSize],
 233                         h.rNonceNext(1),
 234                         h.key,
 235                 )
 236                 if subtle.ConstantTimeCompare(dec[:RSize], h.rServer[:]) != 1 {
 237                         log.Println("Invalid server's random number with", h.addr)
 238                         return nil
 239                 }
 240                 sign := new([ed25519.SignatureSize]byte)
 241                 copy(sign[:], dec[RSize+RSize+SSize:])
 242                 if !ed25519.Verify(h.Conf.DSAPub, h.key[:], sign) {
 243                         log.Println("Invalid signature from", h.addr)
 244                         return nil
 245                 }
 246
 247                 // Send final answer to client
 248                 enc := make([]byte, RSize)
 249                 salsa20.XORKeyStream(enc, dec[RSize:RSize+RSize], h.rNonceNext(2), h.key)
 250                 h.conn.Write(append(enc, idTag(h.Conf.Id, enc)...))
 251
 252                 // Switch peer
 253                 peer := newPeer(
 254                         false,
 255                         h.addr,
 256                         h.conn,
 257                         h.Conf,
 258                         keyFromSecrets(h.sServer[:], dec[RSize+RSize:RSize+RSize+SSize]))
 259                 h.LastPing = time.Now()
 260                 return peer
 261         } else {
 262                 log.Println("Invalid handshake message from", h.addr)
 263         }
 264         return nil
 265 }
 266
 267 // Process handshake message on the client side.
 268 // This function is intended to be called on client's side.
 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(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 := randRead(h.rClient[:]); err != nil {
 298                         log.Fatalln("Error reading random for R:", err)
 299                 }
 300                 h.sClient = new([SSize]byte)
 301                 if err := randRead(h.sClient[:]); err != nil {
 302                         log.Fatalln("Error reading random for S:", err)
 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                 h.conn.Write(append(enc, idTag(h.Conf.Id, enc)...))
 314                 h.LastPing = time.Now()
 315         case 16: // ENC(K, R+2, RC) + IDtag
 316                 if h.key == nil {
 317                         log.Println("Invalid handshake stage from", h.addr)
 318                         return nil
 319                 }
 320
 321                 // Decrypt rClient
 322                 dec := make([]byte, RSize)
 323                 salsa20.XORKeyStream(dec, data[:RSize], h.rNonceNext(2), h.key)
 324                 if subtle.ConstantTimeCompare(dec, h.rClient[:]) != 1 {
 325                         log.Println("Invalid client's random number with", h.addr)
 326                         return nil
 327                 }
 328
 329                 // Switch peer
 330                 peer := newPeer(
 331                         true,
 332                         h.addr,
 333                         h.conn,
 334                         h.Conf,
 335                         keyFromSecrets(h.sServer[:], h.sClient[:]),
 336                 )
 337                 h.LastPing = time.Now()
 338                 return peer
 339         default:
 340                 log.Println("Invalid handshake message from", h.addr)
 341         }
 342         return nil
 343 }