Fix incorrect counter overflow handling for GCM
authorJussi Kivilinna <jussi.kivilinna@iki.fi>
Wed, 31 Jan 2018 18:02:48 +0000 (20:02 +0200)
committerJussi Kivilinna <jussi.kivilinna@iki.fi>
Wed, 31 Jan 2018 18:05:08 +0000 (20:05 +0200)
* cipher/cipher-gcm.c (gcm_ctr_encrypt): New function to handle
32-bit CTR increment for GCM.
(_gcry_cipher_gcm_encrypt, _gcry_cipher_gcm_decrypt): Do not use
generic CTR implementation directly, use gcm_ctr_encrypt instead.
* tests/basic.c (_check_gcm_cipher): Add test-vectors for 32-bit
CTR overflow.
(check_gcm_cipher): Add 'split input to 15 bytes and 17 bytes'
test-runs.
--

Reported-by: Clemens Lang <Clemens.Lang@bmw.de>
> I believe we have found what seems to be a bug in counter overflow
> handling in AES-GCM in libgcrypt's implementation. This leads to
> incorrect results when using a non-12-byte IV and decrypting payloads
> encrypted with other AES-GCM implementations, such as OpenSSL.
>
> According to the NIST Special Publication 800-38D "Recommendation for
> Block Cipher Modes of Operation: Galois/Counter Mode (GCM) and GMAC",
> section 7.1, algorithm 4, step 3 [NIST38D], the counter increment is
> defined as inc_32. Section 6.2 of the same document defines the
> incrementing function inc_s for positive integers s as follows:
>
> | the function increments the right-most s bits of the string, regarded
> | as the binary representation of an integer, modulo 2^s; the remaining,
> | left-most len(X) - s bits remain unchanged
>
> (X is the complete counter value in this case)
>
> This problem does not occur when using a 12-byte IV, because AES-GCM has
> a special case for the inital counter value with 12-byte IVs:
>
> | If len(IV)=96, then J_0 = IV || 0^31 || 1
>
> i.e., one would have to encrypt (UINT_MAX - 1) * blocksize of data to
> hit an overflow. However, for non-12-byte IVs, the initial counter value
> is the output of a hash function, which makes hitting an overflow much
> more likely.
>
> In practice, we have found that using
>
>  iv = 9e 79 18 8c ff 09 56 1e c9 90 99 cc 6d 5d f6 d3
>  key = 26 56 e5 73 76 03 c6 95 0d 22 07 31 5d 32 5c 6b a5 54 5f 40 23 98 60 f6 f7 06 6f 7a 4f c2 ca 40
>
> will reliably trigger an overflow when encrypting 10 MiB of data. It
> seems that this is caused by re-using the AES-CTR implementation for
> incrementing the counter.

Bug was introduced by commit bd4bd23a2511a4bce63c3217cca0d4ecf0c79532
"GCM: Use counter mode code for speed-up".

GnuPG-bug-id: 3764
Signed-off-by: Jussi Kivilinna <jussi.kivilinna@iki.fi>
cipher/cipher-gcm.c
tests/basic.c

index 2b8b454..6169d14 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 /* cipher-gcm.c  - Generic Galois Counter Mode implementation
  * Copyright (C) 2013 Dmitry Eremin-Solenikov
- * Copyright (C) 2013 Jussi Kivilinna <jussi.kivilinna@iki.fi>
+ * Copyright (C) 2013, 2018 Jussi Kivilinna <jussi.kivilinna@iki.fi>
  *
  * This file is part of Libgcrypt.
  *
@@ -556,6 +556,77 @@ do_ghash_buf(gcry_cipher_hd_t c, byte *hash, const byte *buf,
 }
 
 
+static gcry_err_code_t
+gcm_ctr_encrypt (gcry_cipher_hd_t c, byte *outbuf, size_t outbuflen,
+                 const byte *inbuf, size_t inbuflen)
+{
+  gcry_err_code_t err = 0;
+
+  while (inbuflen)
+    {
+      u32 nblocks_to_overflow;
+      u32 num_ctr_increments;
+      u32 curr_ctr_low;
+      size_t currlen = inbuflen;
+      byte ctr_copy[GCRY_GCM_BLOCK_LEN];
+      int fix_ctr = 0;
+
+      /* GCM CTR increments only least significant 32-bits, without carry
+       * to upper 96-bits of counter.  Using generic CTR implementation
+       * directly would carry 32-bit overflow to upper 96-bit.  Detect
+       * if input length is long enough to cause overflow, and limit
+       * input length so that CTR overflow happen but updated CTR value is
+       * not used to encrypt further input.  After overflow, upper 96 bits
+       * of CTR are restored to cancel out modification done by generic CTR
+       * encryption. */
+
+      if (inbuflen > c->unused)
+        {
+          curr_ctr_low = gcm_add32_be128 (c->u_ctr.ctr, 0);
+
+          /* Number of CTR increments this inbuflen would cause. */
+          num_ctr_increments = (inbuflen - c->unused) / GCRY_GCM_BLOCK_LEN +
+                               !!((inbuflen - c->unused) % GCRY_GCM_BLOCK_LEN);
+
+          if ((u32)(num_ctr_increments + curr_ctr_low) < curr_ctr_low)
+            {
+              nblocks_to_overflow = 0xffffffffU - curr_ctr_low + 1;
+              currlen = nblocks_to_overflow * GCRY_GCM_BLOCK_LEN + c->unused;
+              if (currlen > inbuflen)
+                {
+                  currlen = inbuflen;
+                }
+
+              fix_ctr = 1;
+              buf_cpy(ctr_copy, c->u_ctr.ctr, GCRY_GCM_BLOCK_LEN);
+            }
+        }
+
+      err = _gcry_cipher_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, currlen);
+      if (err != 0)
+        return err;
+
+      if (fix_ctr)
+        {
+          /* Lower 32-bits of CTR should now be zero. */
+          gcry_assert(gcm_add32_be128 (c->u_ctr.ctr, 0) == 0);
+
+          /* Restore upper part of CTR. */
+          buf_cpy(c->u_ctr.ctr, ctr_copy, GCRY_GCM_BLOCK_LEN - sizeof(u32));
+
+          wipememory(ctr_copy, sizeof(ctr_copy));
+        }
+
+      inbuflen -= currlen;
+      inbuf += currlen;
+      outbuflen -= currlen;
+      outbuf += currlen;
+    }
+
+  return err;
+}
+
+
 gcry_err_code_t
 _gcry_cipher_gcm_encrypt (gcry_cipher_hd_t c,
                           byte *outbuf, size_t outbuflen,
@@ -595,7 +666,7 @@ _gcry_cipher_gcm_encrypt (gcry_cipher_hd_t c,
       return GPG_ERR_INV_LENGTH;
     }
 
-  err = _gcry_cipher_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
+  err = gcm_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
   if (err != 0)
     return err;
 
@@ -642,7 +713,7 @@ _gcry_cipher_gcm_decrypt (gcry_cipher_hd_t c,
 
   do_ghash_buf(c, c->u_mode.gcm.u_tag.tag, inbuf, inbuflen, 0);
 
-  return _gcry_cipher_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
+  return gcm_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
 }
 
 
index c883eb3..42ee819 100644 (file)
@@ -1347,6 +1347,7 @@ check_ofb_cipher (void)
 static void
 _check_gcm_cipher (unsigned int step)
 {
+#define MAX_GCM_DATA_LEN (256 + 32)
   static const struct tv
   {
     int algo;
@@ -1355,9 +1356,9 @@ _check_gcm_cipher (unsigned int step)
     int ivlen;
     unsigned char aad[MAX_DATA_LEN];
     int aadlen;
-    unsigned char plaintext[MAX_DATA_LEN];
+    unsigned char plaintext[MAX_GCM_DATA_LEN];
     int inlen;
-    char out[MAX_DATA_LEN];
+    char out[MAX_GCM_DATA_LEN];
     char tag[MAX_DATA_LEN];
     int taglen;
     int should_fail;
@@ -1551,11 +1552,687 @@ _check_gcm_cipher (unsigned int step)
         "\xee\xb2\xb2\x2a\xaf\xde\x64\x19\xa0\x58\xab\x4f\x6f\x74\x6b\xf4"
         "\x0f\xc0\xc3\xb7\x80\xf2\x44\x45\x2d\xa3\xeb\xf1\xc5\xd8\x2c\xde"
         "\xa2\x41\x89\x97\x20\x0e\xf8\x2e\x44\xae\x7e\x3f",
-        "\xa4\x4a\x82\x66\xee\x1c\x8e\xb0\xc8\xb5\xd4\xcf\x5a\xe9\xf1\x9a" }
+        "\xa4\x4a\x82\x66\xee\x1c\x8e\xb0\xc8\xb5\xd4\xcf\x5a\xe9\xf1\x9a" },
+      /* Test vectors for overflowing CTR. */
+      /* After setiv, ctr_low: 0xffffffff */
+      { GCRY_CIPHER_AES256,
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x86\xdd\x40\xe7",
+        16,
+        "", 0,
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+        288,
+        "\x7d\x6e\x38\xfd\xd0\x04\x9d\x28\xdf\x4a\x10\x3f\xa3\x9e\xf8\xf8"
+        "\x6c\x2c\x10\xa7\x91\xab\xc0\x86\xd4\x6d\x69\xea\x58\xc4\xf9\xc0"
+        "\xd4\xee\xc2\xb0\x9d\x36\xae\xe7\xc9\xa9\x1f\x71\xa8\xee\xa2\x1d"
+        "\x20\xfd\x79\xc7\xd9\xc4\x90\x51\x38\x97\xb6\x9f\x55\xea\xf3\xf0"
+        "\x78\xb4\xd3\x8c\xa9\x9b\x32\x7d\x19\x36\x96\xbc\x8e\xab\x80\x9f"
+        "\x61\x56\xcc\xbd\x3a\x80\xc6\x69\x37\x0a\x89\x89\x21\x82\xb7\x79"
+        "\x6d\xe9\xb4\x34\xc4\x31\xe0\xbe\x71\xad\xf3\x50\x05\xb2\x61\xab"
+        "\xb3\x1a\x80\x57\xcf\xe1\x11\x26\xcb\xa9\xd1\xf6\x58\x46\xf1\x69"
+        "\xa2\xb8\x42\x3c\xe8\x28\x13\xca\x58\xd9\x28\x99\xf8\xc8\x17\x32"
+        "\x4a\xf9\xb3\x4c\x7a\x47\xad\xe4\x77\x64\xec\x70\xa1\x01\x0b\x88"
+        "\xe7\x30\x0b\xbd\x66\x25\x39\x1e\x51\x67\xee\xec\xdf\xb8\x24\x5d"
+        "\x7f\xcb\xee\x7a\x4e\xa9\x93\xf0\xa1\x84\x7b\xfe\x5a\xe3\x86\xb2"
+        "\xfb\xcd\x39\xe7\x1e\x5e\x48\x65\x4b\x50\x2b\x4a\x99\x46\x3f\x6f"
+        "\xdb\xd9\x97\xdb\xe5\x6d\xa4\xdd\x6c\x18\x64\x5e\xae\x7e\x2c\xd3"
+        "\xb4\xf3\x57\x5c\xb5\xf8\x7f\xe5\x87\xb5\x35\xdb\x80\x38\x6e\x2c"
+        "\x5c\xdd\xeb\x7c\x63\xac\xe4\xb5\x5a\x6a\x40\x6d\x72\x69\x9a\xa9"
+        "\x8f\x5e\x93\x91\x4d\xce\xeb\x87\xf5\x25\xed\x75\x6b\x3b\x1a\xf2"
+        "\x0c\xd2\xa4\x10\x45\xd2\x87\xae\x29\x6d\xeb\xea\x66\x5f\xa0\xc2",
+        "\x8c\x22\xe3\xda\x9d\x94\x8a\xbe\x8a\xbc\x55\x2c\x94\x63\x44\x40" },
+      /* After setiv, ctr_low: 0xfffffffe */
+      { GCRY_CIPHER_AES256,
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x8d\xd1\xc1\xdf",
+        16,
+        "", 0,
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+        288,
+        "\xac\x6a\x10\x3f\xe2\x8d\xed\x27\x55\x14\xca\x1f\x03\x67\x0a\xa8"
+        "\xa1\x07\xbf\x00\x73\x5b\x64\xef\xac\x30\x83\x81\x48\x4c\xaa\xd5"
+        "\xff\xca\xef\x2f\x77\xbe\xfe\x1b\x20\x5c\x86\x19\xc7\xf9\x11\x99"
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+        "\x5d\x0f\x3c\xee\xf5\x96\xf1\x8f\x68\x1c\xbc\x27\xdc\x10\x3c\x3c",
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+        288,
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+      /* After setiv, ctr_low: 0xfffffff1 */
+      { GCRY_CIPHER_AES256,
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+        16,
+        "", 0,
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+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+        "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
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+        288,
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+        "\x44\x01\xfd\x57\xe4\xf8\x84\x55\x2b\x66\xdb\xb9\xd6\xee\x83\xe5"
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+        "\x5e\xe3\x1e\xe6\xae\xec\x99\x77\x6b\x88\x14\xe3\x58\x88\x61\x74"
+        "\x38\x91\xa1\x32\xb8\xd2\x39\x6b\xe2\xcb\x8e\x77\xde\x92\x36\x78"
+        "\xad\x50\xcf\x08\xb8\xfa\x29\x59\xb4\x68\x1b\x23\x10\x57\x32\x92"
+        "\xf8\xec\xe1\x97\xdb\x30\x85\x22\xb5\x68\x2f\xf2\x98\xda\x06\xee"
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+        "\x01\x24\x0e\x17\x17\xe5\xfc\x90\x07\xfa\x78\xd5\x5d\x66\xa3\xf5" },
     };
 
   gcry_cipher_hd_t hde, hdd;
-  unsigned char out[MAX_DATA_LEN];
+  unsigned char out[MAX_GCM_DATA_LEN];
   unsigned char tag[GCRY_GCM_BLOCK_LEN];
   int i, keylen;
   gcry_error_t err = 0;
@@ -1885,8 +2562,12 @@ check_gcm_cipher (void)
   _check_gcm_cipher(1);
   /* Split input to 7 byte buffers. */
   _check_gcm_cipher(7);
+  /* Split input to 15 byte buffers. */
+  _check_gcm_cipher(15);
   /* Split input to 16 byte buffers. */
   _check_gcm_cipher(16);
+  /* Split input to 17 byte buffers. */
+  _check_gcm_cipher(17);
 }