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         // This bitwise operations are required by Curve25519 whitepaper
  81         dh[0] = dh[0] & (255 - 128 - 64 - 32) // clear first three bits
  82         dh[31] = dh[31] & (255 - 1)           // clear last bit
  83         dh[31] = dh[31] | 2                   // set pre-last bit
  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 func HandshakeStart(conn *net.UDPConn, addr *net.UDPAddr, key *[32]byte) *Handshake {
  95         state := Handshake{}
  96         state.addr = addr
  97         state.lastPing = time.Now()
  98
  99         state.dhPriv = dhPrivGen()
 100         dhPub := new([32]byte)
 101         curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, state.dhPriv)
 102
 103         state.rNonce = new([8]byte)
 104         if _, err := rand.Read(state.rNonce[:]); err != nil {
 105                 panic("Can not read random for handshake nonce")
 106         }
 107         enc := make([]byte, 32)
 108         salsa20.XORKeyStream(enc, dhPub[:], state.rNonce[:], key)
 109
 110         if _, err := conn.WriteTo(
 111                 append(state.rNonce[:],
 112                         append(enc, make([]byte, poly1305.TagSize)...)...), addr); err != nil {
 113                 panic(err)
 114         }
 115         return &state
 116 }
 117
 118 func (h *Handshake) Server(conn *net.UDPConn, key *[32]byte, data []byte) *Peer {
 119         switch len(data) {
 120         case 56: // R + ENC(PSK, dh_client_pub) + NULLs
 121                 fmt.Print("[HS1]")
 122                 if h.rNonce != nil {
 123                         fmt.Print("[S?]")
 124                         return nil
 125                 }
 126
 127                 // Generate private DH key
 128                 h.dhPriv = dhPrivGen()
 129                 dhPub := new([32]byte)
 130                 curve25519.ScalarBaseMult(dhPub, h.dhPriv)
 131
 132                 // Decrypt remote public key and compute shared key
 133                 dec := new([32]byte)
 134                 salsa20.XORKeyStream(dec[:], data[8:8+32], data[:8], key)
 135                 h.key = dhKeyGen(h.dhPriv, dec)
 136
 137                 // Compute nonce and encrypt our public key
 138                 h.rNonce = new([8]byte)
 139                 copy(h.rNonce[:], data[:8])
 140
 141                 encPub := make([]byte, 32)
 142                 salsa20.XORKeyStream(encPub, dhPub[:], h.rNonceNext(), key)
 143
 144                 // Generate R* and encrypt them
 145                 h.rServer = new([8]byte)
 146                 if _, err := rand.Read(h.rServer[:]); err != nil {
 147                         panic("Can not read random for handshake random key")
 148                 }
 149                 h.sServer = new([32]byte)
 150                 if _, err := rand.Read(h.sServer[:]); err != nil {
 151                         panic("Can not read random for handshake shared key")
 152                 }
 153                 encRs := make([]byte, 8+32)
 154                 salsa20.XORKeyStream(encRs, append(h.rServer[:], h.sServer[:]...), h.rNonce[:], h.key)
 155
 156                 // Send that to client
 157                 if _, err := conn.WriteTo(
 158                         append(encPub,
 159                                 append(encRs, make([]byte, poly1305.TagSize)...)...), h.addr); err != nil {
 160                         panic(err)
 161                 }
 162                 fmt.Print("[OK]")
 163         case 64: // ENC(K, RS + RC + SC) + NULLs
 164                 fmt.Print("[HS3]")
 165                 if (h.rNonce == nil) || (h.rClient != nil) {
 166                         fmt.Print("[S?]")
 167                         return nil
 168                 }
 169
 170                 // Decrypt Rs compare rServer
 171                 decRs := make([]byte, 8+8+32)
 172                 salsa20.XORKeyStream(decRs, data[:8+8+32], h.rNonceNext(), h.key)
 173                 if res := subtle.ConstantTimeCompare(decRs[:8], h.rServer[:]); res != 1 {
 174                         fmt.Print("[rS?]")
 175                         return nil
 176                 }
 177
 178                 // Send final answer to client
 179                 enc := make([]byte, 8)
 180                 salsa20.XORKeyStream(enc, decRs[8:8+8], make([]byte, 8), h.key)
 181                 if _, err := conn.WriteTo(append(enc, make([]byte, poly1305.TagSize)...), h.addr); err != nil {
 182                         panic(err)
 183                 }
 184
 185                 // Switch peer
 186                 peer := Peer{addr: h.addr, nonceOur: 0, nonceRecv: 0}
 187                 peer.SetAlive()
 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(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{addr: h.addr, nonceOur: 1, nonceRecv: 0}
 255                 peer.SetAlive()
 256                 peer.key = KeyFromSecrets(h.sServer[:], h.sClient[:])
 257                 fmt.Print("[OK]")
 258                 return &peer
 259         default:
 260                 fmt.Print("[HS?]")
 261         }
 262         return nil
 263 }