Add cyclic group abstraction, with test code. Separate off exponentation
[u/mdw/catacomb] / keyutil.c
index 45ae8f4..1619707 100644 (file)
--- a/keyutil.c
+++ b/keyutil.c
@@ -1,6 +1,6 @@
 /* -*-c-*-
  *
- * $Id: keyutil.c,v 1.15 2003/05/15 23:23:24 mdw Exp $
+ * $Id: keyutil.c,v 1.18 2004/04/01 12:50:09 mdw Exp $
  *
  * Simple key manager program
  *
 /*----- Revision history --------------------------------------------------* 
  *
  * $Log: keyutil.c,v $
+ * Revision 1.18  2004/04/01 12:50:09  mdw
+ * Add cyclic group abstraction, with test code.  Separate off exponentation
+ * functions for better static linking.  Fix a buttload of bugs on the way.
+ * Generally ensure that negative exponents do inversion correctly.  Add
+ * table of standard prime-field subgroups.  (Binary field subgroups are
+ * currently unimplemented but easy to add if anyone ever finds a good one.)
+ *
+ * Revision 1.17  2004/03/28 01:58:47  mdw
+ * Generate, store and retreive elliptic curve keys.
+ *
+ * Revision 1.16  2003/10/15 09:31:45  mdw
+ * Fix help message.
+ *
  * Revision 1.15  2003/05/15 23:23:24  mdw
  * Fix behaviour with bogus trailing attributes.
  *
 #include "bbs.h"
 #include "dh.h"
 #include "dsa.h"
+#include "dsarand.h"
+#include "ec.h"
+#include "ec-keys.h"
+#include "ectab.h"
 #include "fibrand.h"
 #include "getdate.h"
 #include "key.h"
 #include "pgen.h"
 #include "rsa.h"
 
+#include "sha-mgf.h"
+#include "sha256-mgf.h"
+#include "sha224-mgf.h"
+#include "sha384-mgf.h"
+#include "sha512-mgf.h"
+#include "tiger-mgf.h"
+#include "rmd128-mgf.h"
+#include "rmd160-mgf.h"
+#include "rmd256-mgf.h"
+#include "rmd320-mgf.h"
+#include "md5-mgf.h"
+#include "dsarand.h"
+
 /*----- Handy global state ------------------------------------------------*/
 
 static const char *keyfile = "keyring";
@@ -190,6 +220,26 @@ static void setattr(key_file *f, key *k, char *v[])
   }
 }
 
+/*----- Seeding -----------------------------------------------------------*/
+
+const struct seedalg { const char *p; grand *(*gen)(const void *, size_t); }
+seedtab[] = {
+  { "dsarand",         dsarand_create },
+  { "rmd128-mgf",  rmd128_mgfrand },
+  { "rmd160-mgf",  rmd160_mgfrand },
+  { "rmd256-mgf",  rmd256_mgfrand },
+  { "rmd320-mgf",  rmd320_mgfrand },
+  { "sha-mgf",  sha_mgfrand },
+  { "sha224-mgf",  sha224_mgfrand },
+  { "sha256-mgf",  sha256_mgfrand },
+  { "sha384-mgf",  sha384_mgfrand },
+  { "sha512-mgf",  sha512_mgfrand },
+  { "tiger-mgf",  tiger_mgfrand },
+  { 0, 0 }
+};
+
+#define SEEDALG_DEFAULT (seedtab + 2)
+
 /*----- Key generation ----------------------------------------------------*/
 
 /* --- Key generation parameters --- */
@@ -200,6 +250,8 @@ typedef struct keyopts {
   dstr tag;                            /* Full tag name for the key */
   unsigned f;                          /* Flags for the new key */
   unsigned bits, qbits;                        /* Bit length for the new key */
+  const char *curve;                   /* Elliptic curve name/info */
+  grand *r;                            /* Random number source */
   key *p;                              /* Parameters key-data */
 } keyopts;
 
@@ -378,7 +430,7 @@ static void alg_binary(keyopts *k)
   sz = (k->bits + 7) >> 3;
   p = sub_alloc(sz);
   m = (1 << (((k->bits - 1) & 7) + 1)) - 1;
-  rand_get(RAND_GLOBAL, p, sz);
+  k->r->ops->fill(k->r, p, sz);
   *p &= m;
   key_binary(&k->k->k, p, sz);
   k->k->k.e |= KCAT_SYMM | KF_BURN;
@@ -394,7 +446,7 @@ static void alg_des(keyopts *k)
   int i;
 
   if (!k->bits)
-    k->bits = 112;
+    k->bits = 168;
   if (k->p)
     die(EXIT_FAILURE, "no shared parameters for DES keys");
   if (k->bits % 56 || k->bits > 168)
@@ -402,7 +454,7 @@ static void alg_des(keyopts *k)
 
   sz = k->bits / 7;
   p = sub_alloc(sz);
-  rand_get(RAND_GLOBAL, p, sz);        /* Too much work done here! */
+  k->r->ops->fill(k->r, p, sz);
   for (i = 0; i < sz; i++) {
     octet x = p[i] | 0x01;
     x = x ^ (x >> 4);
@@ -431,14 +483,14 @@ static void alg_rsa(keyopts *k)
 
   /* --- Generate the RSA parameters --- */
 
-  if (rsa_gen(&rp, k->bits, &rand_global, 0,
+  if (rsa_gen(&rp, k->bits, k->r, 0,
              (k->f & f_quiet) ? 0 : pgen_ev, 0))
     die(EXIT_FAILURE, "RSA key generation failed");
 
   /* --- Run a test encryption --- */
 
   {
-    grand *g = fibrand_create(rand_global.ops->word(&rand_global));
+    grand *g = fibrand_create(k->r->ops->word(k->r));
     rsa_pub rpp;
     mp *m = mprand_range(MP_NEW, rp.n, g, 0);
     mp *c;
@@ -498,7 +550,7 @@ static void alg_dsaparam(keyopts *k)
 
     sz = (k->qbits + 7) >> 3;
     p = sub_alloc(sz);
-    rand_get(RAND_GLOBAL, p, sz);
+    k->r->ops->fill(k->r, p, sz);
 
     /* --- Allocate the parameters --- */
 
@@ -549,7 +601,7 @@ static void alg_dsa(keyopts *k)
 
   /* --- Choose a private key --- */
 
-  x = mprand_range(MP_NEWSEC, q, &rand_global, 0);
+  x = mprand_range(MP_NEWSEC, q, k->r, 0);
   mpmont_create(&mm, p);
   y = mpmont_exp(&mm, MP_NEW, g, x);
 
@@ -568,9 +620,9 @@ static void alg_dsa(keyopts *k)
 static void alg_dhparam(keyopts *k)
 {
   static const char *pl[] = { "p", "q", "g", 0 };
+  key_data *kd = &k->k->k;
   if (!copyparam(k, pl)) {
     dh_param dp;
-    key_data *kd = &k->k->k;
     int rc;
 
     if (!k->bits)
@@ -585,7 +637,7 @@ static void alg_dhparam(keyopts *k)
        k->qbits = 256;
       rc = dh_limlee(&dp, k->qbits, k->bits,
                     (k->f & f_subgroup) ? DH_SUBGROUP : 0,
-                    0, &rand_global, (k->f & f_quiet) ? 0 : pgen_ev, 0,
+                    0, k->r, (k->f & f_quiet) ? 0 : pgen_ev, 0,
                     (k->f & f_quiet) ? 0 : pgen_evspin, 0, &nf, &f);
       if (!rc) {
        dstr d = DSTR_INIT;
@@ -600,7 +652,7 @@ static void alg_dhparam(keyopts *k)
        dstr_destroy(&d);
       }
     } else
-      rc = dh_gen(&dp, k->qbits, k->bits, 0, &rand_global,
+      rc = dh_gen(&dp, k->qbits, k->bits, 0, k->r,
                  (k->f & f_quiet) ? 0 : pgen_ev, 0);
 
     if (rc)
@@ -613,7 +665,7 @@ static void alg_dhparam(keyopts *k)
     mp_drop(dp.q);
     mp_drop(dp.p);
     mp_drop(dp.g);
-  }    
+  }
 }
 
 static void alg_dh(keyopts *k)
@@ -635,7 +687,7 @@ static void alg_dh(keyopts *k)
    * Since %$g$% has order %$q$%, choose %$x < q$%.
    */
 
-  x = mprand_range(MP_NEWSEC, q, &rand_global, 0);
+  x = mprand_range(MP_NEWSEC, q, k->r, 0);
 
   /* --- Compute the public key %$y = g^x \bmod p$% --- */
 
@@ -669,7 +721,7 @@ static void alg_bbs(keyopts *k)
 
   /* --- Generate the BBS parameters --- */
 
-  if (bbs_gen(&bp, k->bits, &rand_global, 0,
+  if (bbs_gen(&bp, k->bits, k->r, 0,
              (k->f & f_quiet) ? 0 : pgen_ev, 0))
     die(EXIT_FAILURE, "Blum-Blum-Shub key generation failed");
 
@@ -688,6 +740,87 @@ static void alg_bbs(keyopts *k)
   bbs_privfree(&bp);
 }
 
+static void alg_ecparam(keyopts *k)
+{
+  static const char *pl[] = { "curve", 0 };
+  if (!copyparam(k, pl)) {
+    ec_info ei;
+    const char *e;
+    key_data *kd = &k->k->k;
+
+    /* --- Decide on a curve --- */
+
+    if (!k->bits) k->bits = 256;
+    if (!k->curve) {
+      if (k->bits <= 56) k->curve = "secp112r1";
+      else if (k->bits <= 64) k->curve = "secp128r1";
+      else if (k->bits <= 80) k->curve = "secp160r1";
+      else if (k->bits <= 96) k->curve = "secp192r1";
+      else if (k->bits <= 112) k->curve = "secp224r1";
+      else if (k->bits <= 128) k->curve = "secp256r1";
+      else if (k->bits <= 192) k->curve = "secp384r1";
+      else if (k->bits <= 256) k->curve = "secp521r1";
+      else
+       die(EXIT_FAILURE, "no built-in curves provide %u-bit security",
+           k->bits);
+    }
+
+    /* --- Check it --- */
+
+    if ((e = ec_getinfo(&ei, k->curve)) != 0)
+      die(EXIT_FAILURE, "error in curve spec: %s", e);
+    if (!(k->f & f_quiet) && (e = ec_checkinfo(&ei, k->r)) != 0)
+      moan("WARNING!  curve check failed: %s", e);
+    ec_freeinfo(&ei);
+
+    /* --- Write out the answer --- */
+
+    key_structure(kd);
+    kd = key_structcreate(kd, "curve");
+    key_string(kd, k->curve);
+    kd->e |= KCAT_SHARE;
+  }
+}
+
+static void alg_ec(keyopts *k)
+{
+  key_data *kd = &k->k->k;
+  key_data *kkd;
+  mp *x = MP_NEW;
+  ec p = EC_INIT;
+  const char *e;
+  ec_info ei;
+
+  /* --- Get the curve --- */
+
+  alg_ecparam(k);
+  if ((kkd = key_structfind(kd, "curve")) == 0)
+    die(EXIT_FAILURE, "unexpected failure looking up subkey `curve')");
+  if ((kkd->e & KF_ENCMASK) != KENC_STRING)
+    die(EXIT_FAILURE, "subkey `curve' is not a string");
+  if ((e = ec_getinfo(&ei, kkd->u.p)) != 0)
+    die(EXIT_FAILURE, "error in curve spec: %s", e);
+
+  /* --- Invent a private exponent and compute the public key --- */
+
+  x = mprand_range(MP_NEWSEC, ei.r, k->r, 0);
+  ec_mul(ei.c, &p, &ei.g, x);
+
+  /* --- Store everything away --- */
+
+  kkd = key_structcreate(kd, "p");
+  key_ec(kkd, &p);
+  kkd->e |= KCAT_PUB;
+  kkd = key_structcreate(kd, "private");
+  key_structure(kkd);
+  mpkey(kkd, "x", x, KCAT_PRIV | KF_BURN);
+
+  /* --- Done --- */
+
+  ec_freeinfo(&ei);
+  mp_drop(x);
+}
+
 /* --- The algorithm tables --- */
 
 typedef struct keyalg {
@@ -705,6 +838,8 @@ static keyalg algtab[] = {
   { "dh",              alg_dh,         "Diffie-Hellman key exchange" },
   { "dh-param",                alg_dhparam,    "Diffie-Hellman parameters" },
   { "bbs",             alg_bbs,        "Blum-Blum-Shub generator" },
+  { "ec-param",                alg_ecparam,    "Elliptic curve parameters" },
+  { "ec",              alg_ec,         "Elliptic curve crypto" },
   { 0,                 0 }
 };
 
@@ -718,7 +853,10 @@ static int cmd_add(int argc, char *argv[])
   const char *c = 0;
   keyalg *alg = algtab;
   const char *rtag = 0;
-  keyopts k = { 0, 0, DSTR_INIT, 0, 0, 0, 0 };
+  const struct seedalg *sa = SEEDALG_DEFAULT;
+  keyopts k = { 0, 0, DSTR_INIT, 0, 0, 0, 0, 0 };
+  const char *seed = 0;
+  k.r = &rand_global;
 
   /* --- Parse options for the subcommand --- */
 
@@ -732,13 +870,17 @@ static int cmd_add(int argc, char *argv[])
       { "comment",     OPTF_ARGREQ,    0,      'c' },
       { "tag",         OPTF_ARGREQ,    0,      't' },
       { "rand-id",     OPTF_ARGREQ,    0,      'R' },
+      { "curve",       OPTF_ARGREQ,    0,      'C' },
+      { "seedalg",     OPTF_ARGREQ,    0,      'A' },
+      { "seed",                OPTF_ARGREQ,    0,      's' },
+      { "newseed",     OPTF_ARGREQ,    0,      'n' },
       { "lock",                0,              0,      'l' },
       { "quiet",       0,              0,      'q' },
       { "lim-lee",     0,              0,      'L' },
       { "subgroup",    0,              0,      'S' },
       { 0,             0,              0,      0 }
     };
-    int i = mdwopt(argc, argv, "+a:b:B:p:e:c:t:R:lqrLS", opt, 0, 0, 0);
+    int i = mdwopt(argc, argv, "+a:b:B:p:e:c:t:R:C:A:s:n:lqrLS", opt, 0, 0, 0);
     if (i < 0)
       break;
 
@@ -816,6 +958,19 @@ static int cmd_add(int argc, char *argv[])
        c = optarg;
        break;
 
+      /* --- Elliptic curve parameters --- */
+
+      case 'C':
+       if (strcmp(optarg, "list") == 0) {
+         const ecentry *ee;
+         printf("Built-in elliptic curves:\n");
+         for (ee = ectab; ee->name; ee++)
+           printf("  %s\n", ee->name);
+         exit(0);
+       }
+       k.curve = optarg;
+       break;
+
       /* --- Store tags --- */
 
       case 't':
@@ -827,6 +982,56 @@ static int cmd_add(int argc, char *argv[])
        k.f |= f_retag;
        break;
 
+      /* --- Seeding --- */
+
+      case 'A': {
+       const struct seedalg *ss;
+       if (strcmp(optarg, "list") == 0) {
+         printf("Seed algorithms:\n");
+         for (ss = seedtab; ss->p; ss++)
+           printf("  %s\n", ss->p);
+         exit(0);
+       }
+       if (seed) die(EXIT_FAILURE, "seed already set -- put -A first");
+       sa = 0;
+       for (ss = seedtab; ss->p; ss++) {
+         if (strcmp(optarg, ss->p) == 0)
+           sa = ss;
+       }
+       if (!sa)
+         die(EXIT_FAILURE, "seed algorithm `%s' not known", optarg);
+      } break;
+
+      case 's': {
+       base64_ctx b;
+       dstr d = DSTR_INIT;
+       if (seed) die(EXIT_FAILURE, "seed already set"); 
+       base64_init(&b);
+       base64_decode(&b, optarg, strlen(optarg), &d);
+       base64_decode(&b, 0, 0, &d);
+       k.r = sa->gen(d.buf, d.len);
+       seed = optarg;
+       dstr_destroy(&d);
+      } break;
+       
+      case 'n': {
+       base64_ctx b;
+       dstr d = DSTR_INIT;
+       char *p;
+       unsigned n = strtoul(optarg, &p, 0);
+       if (n == 0 || *p != 0 || n % 8 != 0)
+         die(EXIT_FAILURE, "bad seed length `%s'", optarg);
+       if (seed) die(EXIT_FAILURE, "seed already set"); 
+       n /= 8;
+       p = xmalloc(n);
+       rand_get(RAND_GLOBAL, p, n);
+       base64_init(&b);
+       base64_encode(&b, p, n, &d);
+       base64_encode(&b, 0, 0, &d);
+       seed = d.buf;
+       k.r = sa->gen(p, n);
+      } break;
+       
       /* --- Other flags --- */
 
       case 'R':
@@ -909,6 +1114,10 @@ static int cmd_add(int argc, char *argv[])
   }
 
   setattr(&f, k.k, argv + optind + 1);
+  if (seed) {
+    key_putattr(&f, k.k, "genseed", seed);
+    key_putattr(&f, k.k, "seedalg", sa->p);
+  }
 
   key_fulltag(k.k, &k.tag);
 
@@ -1032,6 +1241,20 @@ static void showkeydata(key_data *k, int ind, listopts *o, dstr *d)
       putchar('\n');
       break;
 
+    /* --- Strings --- */
+
+    case KENC_STRING:
+      printf(" `%s'\n", k->u.p);
+      break;
+
+    /* --- Elliptic curve points --- */
+
+    case KENC_EC:
+      fputs(" 0x", stdout); mp_writefile(k->u.e.x, stdout, 16);
+      fputs(", 0x", stdout); mp_writefile(k->u.e.y, stdout, 16);
+      putchar('\n');
+      break;      
+
     /* --- Structured keys --- *
      *
      * Just iterate over the subkeys.
@@ -1620,6 +1843,7 @@ Options:\n\
 -b, --bits=N           Generate an N-bit key.\n\
 -B, --qbits=N          Use an N-bit subgroup or factors.\n\
 -p, --parameters=TAG   Get group parameters from TAG.\n\
+-C, --curve=CURVE      Use elliptic curve CURVE.\n\
 -e, --expire=TIME      Make the key expire after TIME.\n\
 -c, --comment=STRING   Attach the command STRING to the key.\n\
 -t, --tag=TAG          Tag the key with the name TAG.\n\
@@ -1724,8 +1948,6 @@ void help(FILE *fp, char **argv)
       fputs(c->help, fp);
     }
   } else {
-    version(fp);
-    fputc('\n', fp);
     usage(fp);
     fputs("\n\
 Performs various simple key management operations.  Command line options\n\