crypto/sm2/sm2_crypt.c

   1 /*
   2  * Copyright 2017-2021 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  * Copyright 2017 Ribose Inc. All Rights Reserved.
   4  * Ported from Ribose contributions from Botan.
   5  *
   6  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
   7  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
   8  * in the file LICENSE in the source distribution or at
   9  * https://www.openssl.org/source/license.html
  10  */
  11
  12 #include "crypto/sm2.h"
  13 #include "crypto/sm2err.h"
  14 #include "crypto/ec.h" /* ecdh_KDF_X9_63() */
  15 #include <openssl/err.h>
  16 #include <openssl/evp.h>
  17 #include <openssl/bn.h>
  18 #include <openssl/asn1.h>
  19 #include <openssl/asn1t.h>
  20 #include <string.h>
  21
  22 typedef struct SM2_Ciphertext_st SM2_Ciphertext;
  23 DECLARE_ASN1_FUNCTIONS(SM2_Ciphertext)
  24
  25 struct SM2_Ciphertext_st {
  26     BIGNUM *C1x;
  27     BIGNUM *C1y;
  28     ASN1_OCTET_STRING *C3;
  29     ASN1_OCTET_STRING *C2;
  30 };
  31
  32 ASN1_SEQUENCE(SM2_Ciphertext) = {
  33     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C1x, BIGNUM),
  34     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C1y, BIGNUM),
  35     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C3, ASN1_OCTET_STRING),
  36     ASN1_SIMPLE(SM2_Ciphertext, C2, ASN1_OCTET_STRING),
  37 } ASN1_SEQUENCE_END(SM2_Ciphertext)
  38
  39 IMPLEMENT_ASN1_FUNCTIONS(SM2_Ciphertext)
  40
  41 static size_t ec_field_size(const EC_GROUP *group)
  42 {
  43     /* Is there some simpler way to do this? */
  44     BIGNUM *p = BN_new();
  45     BIGNUM *a = BN_new();
  46     BIGNUM *b = BN_new();
  47     size_t field_size = 0;
  48
  49     if (p == NULL || a == NULL || b == NULL)
  50        goto done;
  51
  52     if (!EC_GROUP_get_curve(group, p, a, b, NULL))
  53         goto done;
  54     field_size = (BN_num_bits(p) + 7) / 8;
  55
  56  done:
  57     BN_free(p);
  58     BN_free(a);
  59     BN_free(b);
  60
  61     return field_size;
  62 }
  63
  64 int sm2_plaintext_size(const unsigned char *ct, size_t ct_size, size_t *pt_size)
  65 {
  66     struct SM2_Ciphertext_st *sm2_ctext = NULL;
  67
  68     sm2_ctext = d2i_SM2_Ciphertext(NULL, &ct, ct_size);
  69
  70     if (sm2_ctext == NULL) {
  71         SM2err(SM2_F_SM2_PLAINTEXT_SIZE, SM2_R_INVALID_ENCODING);
  72         return 0;
  73     }
  74
  75     *pt_size = sm2_ctext->C2->length;
  76     SM2_Ciphertext_free(sm2_ctext);
  77
  78     return 1;
  79 }
  80
  81 int sm2_ciphertext_size(const EC_KEY *key, const EVP_MD *digest, size_t msg_len,
  82                         size_t *ct_size)
  83 {
  84     const size_t field_size = ec_field_size(EC_KEY_get0_group(key));
  85     const int md_size = EVP_MD_size(digest);
  86     size_t sz;
  87
  88     if (field_size == 0 || md_size < 0)
  89         return 0;
  90
  91     /* Integer and string are simple type; set constructed = 0, means primitive and definite length encoding. */
  92     sz = 2 * ASN1_object_size(0, field_size + 1, V_ASN1_INTEGER)
  93          + ASN1_object_size(0, md_size, V_ASN1_OCTET_STRING)
  94          + ASN1_object_size(0, msg_len, V_ASN1_OCTET_STRING);
  95     /* Sequence is structured type; set constructed = 1, means constructed and definite length encoding. */
  96     *ct_size = ASN1_object_size(1, sz, V_ASN1_SEQUENCE);
  97
  98     return 1;
  99 }
 100
 101 int sm2_encrypt(const EC_KEY *key,
 102                 const EVP_MD *digest,
 103                 const uint8_t *msg,
 104                 size_t msg_len, uint8_t *ciphertext_buf, size_t *ciphertext_len)
 105 {
 106     int rc = 0, ciphertext_leni;
 107     size_t i;
 108     BN_CTX *ctx = NULL;
 109     BIGNUM *k = NULL;
 110     BIGNUM *x1 = NULL;
 111     BIGNUM *y1 = NULL;
 112     BIGNUM *x2 = NULL;
 113     BIGNUM *y2 = NULL;
 114     EVP_MD_CTX *hash = EVP_MD_CTX_new();
 115     struct SM2_Ciphertext_st ctext_struct;
 116     const EC_GROUP *group = EC_KEY_get0_group(key);
 117     const BIGNUM *order = EC_GROUP_get0_order(group);
 118     const EC_POINT *P = EC_KEY_get0_public_key(key);
 119     EC_POINT *kG = NULL;
 120     EC_POINT *kP = NULL;
 121     uint8_t *msg_mask = NULL;
 122     uint8_t *x2y2 = NULL;
 123     uint8_t *C3 = NULL;
 124     size_t field_size;
 125     const int C3_size = EVP_MD_size(digest);
 126
 127     /* NULL these before any "goto done" */
 128     ctext_struct.C2 = NULL;
 129     ctext_struct.C3 = NULL;
 130
 131     if (hash == NULL || C3_size <= 0) {
 132         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 133         goto done;
 134     }
 135
 136     field_size = ec_field_size(group);
 137     if (field_size == 0) {
 138         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 139         goto done;
 140     }
 141
 142     kG = EC_POINT_new(group);
 143     kP = EC_POINT_new(group);
 144     ctx = BN_CTX_new();
 145     if (kG == NULL || kP == NULL || ctx == NULL) {
 146         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 147         goto done;
 148     }
 149
 150     BN_CTX_start(ctx);
 151     k = BN_CTX_get(ctx);
 152     x1 = BN_CTX_get(ctx);
 153     x2 = BN_CTX_get(ctx);
 154     y1 = BN_CTX_get(ctx);
 155     y2 = BN_CTX_get(ctx);
 156
 157     if (y2 == NULL) {
 158         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_BN_LIB);
 159         goto done;
 160     }
 161
 162     x2y2 = OPENSSL_zalloc(2 * field_size);
 163     C3 = OPENSSL_zalloc(C3_size);
 164
 165     if (x2y2 == NULL || C3 == NULL) {
 166         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 167         goto done;
 168     }
 169
 170     memset(ciphertext_buf, 0, *ciphertext_len);
 171
 172     if (!BN_priv_rand_range(k, order)) {
 173         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 174         goto done;
 175     }
 176
 177     if (!EC_POINT_mul(group, kG, k, NULL, NULL, ctx)
 178             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, kG, x1, y1, ctx)
 179             || !EC_POINT_mul(group, kP, NULL, P, k, ctx)
 180             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, kP, x2, y2, ctx)) {
 181         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EC_LIB);
 182         goto done;
 183     }
 184
 185     if (BN_bn2binpad(x2, x2y2, field_size) < 0
 186             || BN_bn2binpad(y2, x2y2 + field_size, field_size) < 0) {
 187         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 188         goto done;
 189     }
 190
 191     msg_mask = OPENSSL_zalloc(msg_len);
 192     if (msg_mask == NULL) {
 193        SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 194        goto done;
 195    }
 196
 197     /* X9.63 with no salt happens to match the KDF used in SM2 */
 198     if (!ecdh_KDF_X9_63(msg_mask, msg_len, x2y2, 2 * field_size, NULL, 0,
 199                         digest)) {
 200         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 201         goto done;
 202     }
 203
 204     for (i = 0; i != msg_len; ++i)
 205         msg_mask[i] ^= msg[i];
 206
 207     if (EVP_DigestInit(hash, digest) == 0
 208             || EVP_DigestUpdate(hash, x2y2, field_size) == 0
 209             || EVP_DigestUpdate(hash, msg, msg_len) == 0
 210             || EVP_DigestUpdate(hash, x2y2 + field_size, field_size) == 0
 211             || EVP_DigestFinal(hash, C3, NULL) == 0) {
 212         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 213         goto done;
 214     }
 215
 216     ctext_struct.C1x = x1;
 217     ctext_struct.C1y = y1;
 218     ctext_struct.C3 = ASN1_OCTET_STRING_new();
 219     ctext_struct.C2 = ASN1_OCTET_STRING_new();
 220
 221     if (ctext_struct.C3 == NULL || ctext_struct.C2 == NULL) {
 222        SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 223        goto done;
 224     }
 225     if (!ASN1_OCTET_STRING_set(ctext_struct.C3, C3, C3_size)
 226             || !ASN1_OCTET_STRING_set(ctext_struct.C2, msg_mask, msg_len)) {
 227         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 228         goto done;
 229     }
 230
 231     ciphertext_leni = i2d_SM2_Ciphertext(&ctext_struct, &ciphertext_buf);
 232     /* Ensure cast to size_t is safe */
 233     if (ciphertext_leni < 0) {
 234         SM2err(SM2_F_SM2_ENCRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 235         goto done;
 236     }
 237     *ciphertext_len = (size_t)ciphertext_leni;
 238
 239     rc = 1;
 240
 241  done:
 242     ASN1_OCTET_STRING_free(ctext_struct.C2);
 243     ASN1_OCTET_STRING_free(ctext_struct.C3);
 244     OPENSSL_free(msg_mask);
 245     OPENSSL_free(x2y2);
 246     OPENSSL_free(C3);
 247     EVP_MD_CTX_free(hash);
 248     BN_CTX_free(ctx);
 249     EC_POINT_free(kG);
 250     EC_POINT_free(kP);
 251     return rc;
 252 }
 253
 254 int sm2_decrypt(const EC_KEY *key,
 255                 const EVP_MD *digest,
 256                 const uint8_t *ciphertext,
 257                 size_t ciphertext_len, uint8_t *ptext_buf, size_t *ptext_len)
 258 {
 259     int rc = 0;
 260     int i;
 261     BN_CTX *ctx = NULL;
 262     const EC_GROUP *group = EC_KEY_get0_group(key);
 263     EC_POINT *C1 = NULL;
 264     struct SM2_Ciphertext_st *sm2_ctext = NULL;
 265     BIGNUM *x2 = NULL;
 266     BIGNUM *y2 = NULL;
 267     uint8_t *x2y2 = NULL;
 268     uint8_t *computed_C3 = NULL;
 269     const size_t field_size = ec_field_size(group);
 270     const int hash_size = EVP_MD_size(digest);
 271     uint8_t *msg_mask = NULL;
 272     const uint8_t *C2 = NULL;
 273     const uint8_t *C3 = NULL;
 274     int msg_len = 0;
 275     EVP_MD_CTX *hash = NULL;
 276
 277     if (field_size == 0 || hash_size <= 0)
 278        goto done;
 279
 280     memset(ptext_buf, 0xFF, *ptext_len);
 281
 282     sm2_ctext = d2i_SM2_Ciphertext(NULL, &ciphertext, ciphertext_len);
 283
 284     if (sm2_ctext == NULL) {
 285         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_ASN1_ERROR);
 286         goto done;
 287     }
 288
 289     if (sm2_ctext->C3->length != hash_size) {
 290         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_INVALID_ENCODING);
 291         goto done;
 292     }
 293
 294     C2 = sm2_ctext->C2->data;
 295     C3 = sm2_ctext->C3->data;
 296     msg_len = sm2_ctext->C2->length;
 297     if (*ptext_len < (size_t)msg_len) {
 298         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_BUFFER_TOO_SMALL);
 299         goto done;
 300     }
 301
 302     ctx = BN_CTX_new();
 303     if (ctx == NULL) {
 304         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 305         goto done;
 306     }
 307
 308     BN_CTX_start(ctx);
 309     x2 = BN_CTX_get(ctx);
 310     y2 = BN_CTX_get(ctx);
 311
 312     if (y2 == NULL) {
 313         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_BN_LIB);
 314         goto done;
 315     }
 316
 317     msg_mask = OPENSSL_zalloc(msg_len);
 318     x2y2 = OPENSSL_zalloc(2 * field_size);
 319     computed_C3 = OPENSSL_zalloc(hash_size);
 320
 321     if (msg_mask == NULL || x2y2 == NULL || computed_C3 == NULL) {
 322         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 323         goto done;
 324     }
 325
 326     C1 = EC_POINT_new(group);
 327     if (C1 == NULL) {
 328         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 329         goto done;
 330     }
 331
 332     if (!EC_POINT_set_affine_coordinates(group, C1, sm2_ctext->C1x,
 333                                          sm2_ctext->C1y, ctx)
 334             || !EC_POINT_mul(group, C1, NULL, C1, EC_KEY_get0_private_key(key),
 335                              ctx)
 336             || !EC_POINT_get_affine_coordinates(group, C1, x2, y2, ctx)) {
 337         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_EC_LIB);
 338         goto done;
 339     }
 340
 341     if (BN_bn2binpad(x2, x2y2, field_size) < 0
 342             || BN_bn2binpad(y2, x2y2 + field_size, field_size) < 0
 343             || !ecdh_KDF_X9_63(msg_mask, msg_len, x2y2, 2 * field_size, NULL, 0,
 344                                digest)) {
 345         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_INTERNAL_ERROR);
 346         goto done;
 347     }
 348
 349     for (i = 0; i != msg_len; ++i)
 350         ptext_buf[i] = C2[i] ^ msg_mask[i];
 351
 352     hash = EVP_MD_CTX_new();
 353     if (hash == NULL) {
 354         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 355         goto done;
 356     }
 357
 358     if (!EVP_DigestInit(hash, digest)
 359             || !EVP_DigestUpdate(hash, x2y2, field_size)
 360             || !EVP_DigestUpdate(hash, ptext_buf, msg_len)
 361             || !EVP_DigestUpdate(hash, x2y2 + field_size, field_size)
 362             || !EVP_DigestFinal(hash, computed_C3, NULL)) {
 363         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, ERR_R_EVP_LIB);
 364         goto done;
 365     }
 366
 367     if (CRYPTO_memcmp(computed_C3, C3, hash_size) != 0) {
 368         SM2err(SM2_F_SM2_DECRYPT, SM2_R_INVALID_DIGEST);
 369         goto done;
 370     }
 371
 372     rc = 1;
 373     *ptext_len = msg_len;
 374
 375  done:
 376     if (rc == 0)
 377         memset(ptext_buf, 0, *ptext_len);
 378
 379     OPENSSL_free(msg_mask);
 380     OPENSSL_free(x2y2);
 381     OPENSSL_free(computed_C3);
 382     EC_POINT_free(C1);
 383     BN_CTX_free(ctx);
 384     SM2_Ciphertext_free(sm2_ctext);
 385     EVP_MD_CTX_free(hash);
 386
 387     return rc;
 388 }