add DSA key generation
[gnupg.git] / cipher / dsa.c
1 /* dsa.c  -  DSA signature scheme
2  *      Copyright (C) 1998 Free Software Foundation, Inc.
3  *
4  * This file is part of GNUPG.
5  *
6  * GNUPG is free software; you can redistribute it and/or modify
7  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
8  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
9  * (at your option) any later version.
10  *
11  * GNUPG is distributed in the hope that it will be useful,
12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14  * GNU General Public License for more details.
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU General Public License
17  * along with this program; if not, write to the Free Software
18  * Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA
19  */
20
21 #include <config.h>
22 #include <stdio.h>
23 #include <stdlib.h>
24 #include <string.h>
25 #include <assert.h>
26 #include "util.h"
27 #include "mpi.h"
28 #include "cipher.h"
29 #include "dsa.h"
30
31 /****************
32  * Generate a random secret exponent k less than q
33  */
34 static MPI
35 gen_k( MPI q )
36 {
37     MPI k = mpi_alloc_secure( mpi_get_nlimbs(q) );
38     unsigned nbits = mpi_get_nbits(q);
39
40     if( DBG_CIPHER )
41         log_debug("choosing a random k ");
42     for(;;) {
43         if( DBG_CIPHER )
44             fputc('.', stderr);
45         mpi_set_bytes( k, nbits , get_random_byte, 1 );
46         if( !(mpi_cmp( k, q ) < 0) )  /* check: k < q */
47             continue; /* no  */
48         if( !(mpi_cmp_ui( k, 0 ) > 0) ) /* check: k > 0 */
49             continue; /* no */
50         break;  /* okay */
51     }
52     if( DBG_CIPHER )
53         fputc('\n', stderr);
54
55     return k;
56 }
57
58 void
59 dsa_free_public_key( DSA_public_key *pk )
60 {
61     mpi_free( pk->p ); pk->p = NULL;
62     mpi_free( pk->q ); pk->q = NULL;
63     mpi_free( pk->g ); pk->g = NULL;
64     mpi_free( pk->y ); pk->y = NULL;
65 }
66
67 void
68 dsa_free_secret_key( DSA_secret_key *sk )
69 {
70     mpi_free( sk->p ); sk->p = NULL;
71     mpi_free( sk->q ); sk->q = NULL;
72     mpi_free( sk->g ); sk->g = NULL;
73     mpi_free( sk->y ); sk->y = NULL;
74     mpi_free( sk->x ); sk->x = NULL;
75 }
76
77
78 static void
79 test_keys( DSA_public_key *pk, DSA_secret_key *sk, unsigned qbits )
80 {
81     MPI test = mpi_alloc( qbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
82     MPI out1_a = mpi_alloc( qbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
83     MPI out1_b = mpi_alloc( qbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
84
85     mpi_set_bytes( test, qbits, get_random_byte, 0 );
86
87     dsa_sign( out1_a, out1_b, test, sk );
88     if( !dsa_verify( out1_a, out1_b, test, pk ) )
89         log_fatal("DSA:: sign, verify failed\n");
90
91     mpi_free( test );
92     mpi_free( out1_a );
93     mpi_free( out1_b );
94 }
95
96
97
98 /****************
99  * Generate a DSA key pair with a key of size NBITS
100  * Returns: 2 structures filled with all needed values
101  *          and an array with the n-1 factors of (p-1)
102  */
103 void
104 dsa_generate( DSA_public_key *pk, DSA_secret_key *sk,
105               unsigned nbits, MPI **ret_factors )
106 {
107     MPI p;    /* the prime */
108     MPI q;    /* the 160 bit prime factor */
109     MPI g;    /* the generator */
110     MPI y;    /* g^x mod p */
111     MPI x;    /* the secret exponent */
112     MPI h, e;  /* helper */
113     unsigned qbits;
114     byte *rndbuf;
115
116     assert( nbits >= 512 && nbits <= 1024 );
117
118     qbits = 160;
119     p = generate_elg_prime( 1, nbits, qbits, NULL, ret_factors );
120     /* get q out of factors */
121     q = mpi_copy((*ret_factors)[0]);
122     if( mpi_get_nbits(q) != qbits )
123         BUG();
124
125     /* find a generator g (h and e are helpers)*/
126     /* e = (p-1)/q */
127     e = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(p) );
128     mpi_sub_ui( e, p, 1 );
129     mpi_fdiv_q( e, e, q );
130     g = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(p) );
131     h = mpi_alloc_set_ui( 1 ); /* we start with 2 */
132     do {
133         mpi_add_ui( h, h, 1 );
134         /* g = h^e mod p */
135         mpi_powm( g, h, e, p );
136     } while( !mpi_cmp_ui( g, 1 ) );  /* continue until g != 1 */
137
138     /* select a random number which has these properties:
139      *   0 < x < q-1
140      * This must be a very good random number because this
141      * is the secret part. */
142     if( DBG_CIPHER )
143         log_debug("choosing a random x ");
144     assert( qbits >= 16 );
145     x = mpi_alloc_secure( mpi_get_nlimbs(q) );
146     mpi_sub_ui( h, q, 1 );  /* put q-1 into h */
147     rndbuf = NULL;
148     do {
149         if( DBG_CIPHER )
150             fputc('.', stderr);
151         if( !rndbuf )
152             rndbuf = get_random_bits( qbits, 2, 1 );
153         else { /* change only some of the higher bits (= 2 bytes)*/
154             char *r = get_random_bits( 16, 2, 1 );
155             memcpy(rndbuf, r, 16/8 );
156             m_free(r);
157         }
158         mpi_set_buffer( x, rndbuf, (qbits+7)/8, 0 );
159         mpi_clear_highbit( x, qbits+1 );
160     } while( !( mpi_cmp_ui( x, 0 )>0 && mpi_cmp( x, h )<0 ) );
161     m_free(rndbuf);
162     mpi_free( e );
163     mpi_free( h );
164
165     /* y = g^x mod p */
166     y = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(p) );
167     mpi_powm( y, g, x, p );
168
169     if( DBG_CIPHER ) {
170         fputc('\n', stderr);
171         log_mpidump("dsa  p= ", p );
172         log_mpidump("dsa  q= ", q );
173         log_mpidump("dsa  g= ", g );
174         log_mpidump("dsa  y= ", y );
175         log_mpidump("dsa  x= ", x );
176     }
177
178     /* copy the stuff to the key structures */
179     pk->p = mpi_copy(p);
180     pk->q = mpi_copy(q);
181     pk->g = mpi_copy(g);
182     pk->y = mpi_copy(y);
183     sk->p = p;
184     sk->q = q;
185     sk->g = g;
186     sk->y = y;
187     sk->x = x;
188
189     /* now we can test our keys (this should never fail!) */
190     test_keys( pk, sk, qbits );
191 }
192
193
194
195 /****************
196  * Test whether the secret key is valid.
197  * Returns: if this is a valid key.
198  */
199 int
200 dsa_check_secret_key( DSA_secret_key *sk )
201 {
202     int rc;
203     MPI y = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(sk->y) );
204
205     mpi_powm( y, sk->g, sk->x, sk->p );
206     rc = !mpi_cmp( y, sk->y );
207     mpi_free( y );
208     return rc;
209 }
210
211
212
213 /****************
214  * Make a DSA signature from HASH and put it into r and s.
215  */
216
217 void
218 dsa_sign(MPI r, MPI s, MPI hash, DSA_secret_key *skey )
219 {
220     MPI k;
221     MPI kinv;
222     MPI tmp;
223
224     /* select a random k with 0 < k < q */
225     k = gen_k( skey->q );
226
227     /* r = (a^k mod p) mod q */
228     mpi_powm( r, skey->g, k, skey->p );
229     mpi_fdiv_r( r, r, skey->q );
230
231     /* kinv = k^(-1) mod q */
232     kinv = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(k) );
233     mpi_invm(kinv, k, skey->q );
234
235     /* s = (kinv * ( hash + x * r)) mod q */
236     tmp = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(skey->p) );
237     mpi_mul( tmp, skey->x, r );
238     mpi_add( tmp, tmp, hash );
239     mpi_mulm( s , kinv, tmp, skey->q );
240
241     mpi_free(k);
242     mpi_free(kinv);
243     mpi_free(tmp);
244 }
245
246
247 /****************
248  * Returns true if the signature composed from R and S is valid.
249  */
250 int
251 dsa_verify(MPI r, MPI s, MPI hash, DSA_public_key *pkey )
252 {
253     int rc;
254     MPI w, u1, u2, v;
255     MPI base[3];
256     MPI exp[3];
257
258     if( !(mpi_cmp_ui( r, 0 ) > 0 && mpi_cmp( r, pkey->q ) < 0) )
259         return 0; /* assertion  0 < r < q  failed */
260     if( !(mpi_cmp_ui( s, 0 ) > 0 && mpi_cmp( s, pkey->q ) < 0) )
261         return 0; /* assertion  0 < s < q  failed */
262
263     w  = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(pkey->q) );
264     u1 = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(pkey->q) );
265     u2 = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(pkey->q) );
266     v  = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(pkey->p) );
267
268     /* w = s^(-1) mod q */
269     mpi_invm( w, s, pkey->q );
270
271     /* u1 = (hash * w) mod q */
272     mpi_mulm( u1, hash, w, pkey->q );
273
274     /* u2 = r * w mod q  */
275     mpi_mulm( u2, r, w, pkey->q );
276
277     /* v =  g^u1 * y^u2 mod p mod q */
278     base[0] = pkey->g; exp[0] = u1;
279     base[1] = pkey->y; exp[1] = u2;
280     base[2] = NULL;    exp[2] = NULL;
281     mpi_mulpowm( v, base, exp, pkey->p );
282     mpi_fdiv_r( v, v, pkey->q );
283
284     rc = !mpi_cmp( v, r );
285
286     mpi_free(w);
287     mpi_free(u1);
288     mpi_free(u2);
289     mpi_free(v);
290     return rc;
291 }
292