gpg: Properly account for ring trust packets.
[gnupg.git] / g10 / t-stutter.c
1 /* t-stutter.c - Test the stutter exploit.
2  * Copyright (C) 2016 g10 Code GmbH
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 3 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, see <https://www.gnu.org/licenses/>.
18  */
19
20 /* This test is based on the paper: "An Attack on CFB Mode Encryption
21  * as Used by OpenPGP."  This attack uses a padding oracle to decrypt
22  * the first two bytes of each block (which are normally 16 bytes
23  * large).  Concretely, if an attacker can use this attack if it can
24  * sense whether the quick integrity check failed.  See RFC 4880,
25  * Section 5.7 for an explanation of this quick check.
26  *
27  * The concrete attack, as described in the paper, only works for
28  * PKT_ENCRYPTED packets; it does not work for PKT_ENCRYPTED_MDC
29  * packets, which use a slightly different CFB mode (they don't
30  * include a sync after the IV).  But, small modifications should
31  * allow the attack to work for PKT_ENCRYPTED_MDC packets.
32  *
33  * The cost of this attack is 2^15 + i * 2^15 oracle queries, where i
34  * is the number of blocks the attack wants to decrypt.  This attack
35  * is completely unfeasible when gpg is used interactively, but it
36  * could work when used as a service.
37  *
38  * How to generate a test message:
39  *
40  *   $ echo 0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz | \
41  *         gpg --disable-mdc -z 0 -c  > msg.asc
42  *   $ gpg --list-packets msg.asc
43  *   # Make sure the encryption packet contains a literal packet (without
44  *   # any nesting).
45  *   $ gpgsplit msg.asc
46  *   $ gpg --show-session-key -d msg.asc
47  *   $ ./t-stutter --debug SESSION_KEY 000002-009.encrypted
48  */
49
50 #include <config.h>
51 #include <errno.h>
52 #include <ctype.h>
53
54 #include "gpg.h"
55 #include "main.h"
56 #include "../common/types.h"
57 #include "../common/util.h"
58 #include "dek.h"
59 #include "../common/logging.h"
60
61 #include "test.c"
62
63 static void
64 log_hexdump (byte *buffer, int length)
65 {
66   int written = 0;
67
68   fprintf (stderr, "%d bytes:\n", length);
69   while (length > 0)
70     {
71       int have = length > 16 ? 16 : length;
72       int i;
73       char formatted[2 * 16 + 1];
74       char text[16 + 1];
75
76       fprintf (stderr, "%-8d ", written);
77       bin2hex (buffer, have, formatted);
78       for (i = 0; i < 16; i ++)
79         {
80           if (i % 2 == 0)
81             fputc (' ', stderr);
82           if (i % 8 == 0)
83             fputc (' ', stderr);
84
85           if (i < have)
86             fwrite (&formatted[2 * i], 2, 1, stderr);
87           else
88             fwrite ("  ", 2, 1, stderr);
89         }
90
91       for (i = 0; i < have; i ++)
92         {
93           if (isprint (buffer[i]))
94             text[i] = buffer[i];
95           else
96             text[i] = '.';
97         }
98       text[i] = 0;
99
100       fprintf (stderr, "    ");
101       if (strlen (text) > 8)
102         {
103           fwrite (text, 8, 1, stderr);
104           fputc (' ', stderr);
105           fwrite (&text[8], strlen (text) - 8, 1, stderr);
106         }
107       else
108         fwrite (text, strlen (text), 1, stderr);
109       fputc ('\n', stderr);
110
111       buffer += have;
112       length -= have;
113       written += have;
114     }
115
116   return;
117 }
118
119 static char *
120 hexstr (const byte *bytes)
121 {
122   static int i;
123   static char bufs[100][7];
124
125   i ++;
126   if (i == 100)
127     i = 0;
128
129   sprintf (bufs[i], "0x%02X%02X", bytes[0], bytes[1]);
130   return bufs[i];
131 }
132 \f
133 /* xor the two bytes starting at A with the two bytes starting at B
134    and return the result.  */
135 static byte *
136 bufxor2 (const byte *a, const byte *b)
137 {
138   static int i;
139   static char bufs[100][2];
140
141   i ++;
142   if (i == 100)
143     i = 0;
144
145   bufs[i][0] = a[0] ^ b[0];
146   bufs[i][1] = a[1] ^ b[1];
147   return bufs[i];
148 }
149 \f
150 /* The session key stays constant.  */
151 static DEK dek;
152 int blocksize;
153
154 /* Decode the session key, which is in the format output by gpg
155    --show-session-key.  */
156 static void
157 parse_session_key (char *session_key)
158 {
159   char *tail;
160   char *p = session_key;
161
162   errno = 0;
163   dek.algo = strtol (p, &tail, 10);
164   if (errno || (tail && *tail != ':'))
165     log_fatal ("Invalid session key specification.  "
166                "Expected: cipher-id:HEXADECIMAL-CHRACTERS\n");
167
168   /* Skip the ':'.  */
169   p = tail + 1;
170
171   if (strlen (p) % 2 != 0)
172     log_fatal ("Session key must consist of an even number of hexadecimal characters.\n");
173
174   dek.keylen = strlen (p) / 2;
175   log_assert (dek.keylen <= sizeof (dek.key));
176
177   if (hex2bin (p, dek.key, dek.keylen) == -1)
178     log_fatal ("Session key must only contain hexadecimal characters\n");
179
180   blocksize = openpgp_cipher_get_algo_blklen (dek.algo);
181   if ( !blocksize || blocksize > 16 )
182     log_fatal ("unsupported blocksize %u\n", blocksize );
183
184   return;
185 }
186 \f
187 /* The ciphertext, the plaintext as decrypted by the good session key,
188    and the cfb stream (derived from the ciphertext and the
189    plaintext).  */
190 static int msg_len;
191 static byte *msg;
192 static byte *msg_plaintext;
193 static byte *msg_cfb;
194
195 /* Whether we need to resynchronize the CFB after writing the random
196    data (this is the case for encrypted packets, but not encrypted and
197    integrity protected packets).  */
198 static int sync;
199
200 static int
201 block_offset (int i)
202 {
203   int extra = 0;
204
205   log_assert (i >= 1);
206   /* Make sure blocksize has been initialized.  */
207   log_assert (blocksize);
208
209   if (i > 2)
210     {
211       i -= 2;
212       extra = blocksize + 2;
213     }
214   return (i - 1) * blocksize + extra;
215 }
216
217 /* Return the ith block from TEXT.  The first block is labeled 1.
218    Note: consistent with the OpenPGP message format, the second block
219    (i=2) is just 2 bytes.  */
220 static byte *
221 block (byte *text, int len, int i)
222 {
223   int offset = block_offset (i);
224
225   log_assert (offset < len);
226   return &text[offset];
227 }
228 \f
229 /* Return true if the quick integrity check passes.  Also, if
230    PLAINTEXTP is not NULL, return the decrypted plaintext in
231    *PLAINTEXTP.  If CFBP is not NULL, return the CFB byte stream in
232    *CFBP.  */
233 static int
234 oracle (int debug, byte *ciphertext, int len, byte **plaintextp, byte **cfbp)
235 {
236   int rc = 0;
237   unsigned nprefix;
238   gcry_cipher_hd_t cipher_hd = NULL;
239   byte *plaintext = NULL;
240   byte *cfb = NULL;
241
242   /* Make sure DEK was initialized.  */
243   log_assert (dek.algo);
244   log_assert (dek.keylen);
245   log_assert (blocksize);
246
247   nprefix = blocksize;
248   if (len < nprefix + 2)
249     {
250        /* An invalid message.  We can't check that during parsing
251           because we may not know the used cipher then.  */
252       rc = gpg_error (GPG_ERR_INV_PACKET);
253       goto leave;
254     }
255
256   rc = openpgp_cipher_open (&cipher_hd, dek.algo,
257                             GCRY_CIPHER_MODE_CFB,
258                             (! sync /* ed->mdc_method || dek.algo >= 100 */ ?
259                              0 : GCRY_CIPHER_ENABLE_SYNC));
260   if (rc)
261     log_fatal ("Failed to open cipher: %s\n", gpg_strerror (rc));
262
263   rc = gcry_cipher_setkey (cipher_hd, dek.key, dek.keylen);
264   if (gpg_err_code (rc) == GPG_ERR_WEAK_KEY)
265     {
266       log_info ("WARNING: message was encrypted with"
267                 " a weak key in the symmetric cipher.\n");
268       rc=0;
269     }
270   else if( rc )
271     log_fatal ("key setup failed: %s\n", gpg_strerror (rc));
272
273   gcry_cipher_setiv (cipher_hd, NULL, 0);
274
275   if (debug)
276     {
277       log_debug ("Encrypted data:\n");
278       log_hexdump(ciphertext, len);
279     }
280   plaintext = xmalloc_clear (len);
281   gcry_cipher_decrypt (cipher_hd, plaintext, blocksize + 2,
282                        ciphertext, blocksize + 2);
283   gcry_cipher_sync (cipher_hd);
284   if (len > blocksize+2)
285     gcry_cipher_decrypt (cipher_hd,
286                          &plaintext[blocksize+2], len-(blocksize+2),
287                          &ciphertext[blocksize+2], len-(blocksize+2));
288
289   if (debug)
290     {
291       log_debug ("Decrypted data:\n");
292       log_hexdump (plaintext, len);
293       log_debug ("R_{b-1,b} = %s\n", hexstr (&plaintext[blocksize - 2]));
294       log_debug ("R_{b+1,b+2} = %s\n", hexstr (&plaintext[blocksize]));
295     }
296
297   if (cfbp || debug)
298     {
299       int i;
300       cfb = xmalloc (len);
301       for (i = 0; i < len; i ++)
302         cfb[i] = plaintext[i] ^ ciphertext[i];
303
304       log_assert (len >= blocksize + 2);
305
306       if (debug)
307         {
308           log_debug ("cfb:\n");
309           log_hexdump (cfb, len);
310
311           log_debug ("E_k([C_1]_{1,2}) = C_2 xor R (%s xor %s) = %s\n",
312                     hexstr (&ciphertext[blocksize]),
313                     hexstr (&plaintext[blocksize]),
314                     hexstr (bufxor2 (&ciphertext[blocksize],
315                                      &plaintext[blocksize])));
316           if (len >= blocksize + 4)
317             log_debug ("D = Ek([C1]_{3-b} || C_2)_{1-2} (%s) xor C2 (%s) xor E_k(0)_{b-1,b} (%s) = %s\n",
318                        hexstr (&cfb[blocksize + 2]),
319                        hexstr (&ciphertext[blocksize]),
320                        hexstr (&cfb[blocksize - 2]),
321                        hexstr (bufxor2 (bufxor2 (&cfb[blocksize + 2],
322                                                  &ciphertext[blocksize]),
323                                         &cfb[blocksize - 2])));
324         }
325     }
326
327   if (plaintext[nprefix-2] != plaintext[nprefix]
328       || plaintext[nprefix-1] != plaintext[nprefix+1])
329     {
330       rc = gpg_error (GPG_ERR_BAD_KEY);
331       goto leave;
332     }
333
334  leave:
335   if (! rc && plaintextp)
336     *plaintextp = plaintext;
337   else
338     xfree (plaintext);
339
340   if (! rc && cfbp)
341     *cfbp = cfb;
342   else
343     xfree (cfb);
344
345   if (cipher_hd)
346     gcry_cipher_close (cipher_hd);
347   return rc;
348 }
349
350 /* Query the oracle with D=D for block B.  */
351 static int
352 oracle_test (unsigned int d, int b, int debug)
353 {
354   byte probe[32 + 2];
355
356   log_assert (blocksize + 2 <= sizeof probe);
357   log_assert (d < 256 * 256);
358
359   if (b == 1)
360     memcpy (probe, &msg[2], blocksize);
361   else
362     memcpy (probe, block (msg, msg_len, b), blocksize);
363
364   probe[blocksize] = d >> 8;
365   probe[blocksize + 1] = d & 0xff;
366
367   if (debug)
368     log_debug ("oracle (0x%04X):\n", d);
369
370   return oracle (debug, probe, blocksize + 2, NULL, NULL) == 0;
371 }
372
373 static void
374 do_test (int argc, char *argv[])
375 {
376   int i;
377   int debug = 0;
378   char *filename = NULL;
379   int help = 0;
380
381   byte *raw_data;
382   int raw_data_len;
383
384   for (i = 1; i < argc; i ++)
385     {
386       if (strcmp (argv[i], "--debug") == 0)
387         debug = 1;
388       else if (! blocksize)
389         parse_session_key (argv[i]);
390       else if (! filename)
391         filename = argv[i];
392       else
393         {
394           help = 1;
395           break;
396         }
397     }
398
399   if (! blocksize && ! filename && (filename = prepend_srcdir ("t-stutter-data.asc")))
400     /* Try defaults.  */
401     {
402       parse_session_key ("9:9274A8EC128E850C6DDDF9EAC68BFA84FC7BC05F340DA41D78C93D0640C7C503");
403     }
404
405   if (help || ! blocksize || ! filename)
406     log_fatal ("Usage: %s [--debug] SESSION_KEY ENCRYPTED_PKT\n", argv[0]);
407
408   /* Don't read more than a KB.  */
409   raw_data_len = 1024;
410   raw_data = xmalloc (raw_data_len);
411
412   {
413     FILE *fp;
414     int r;
415
416     fp = fopen (filename, "r");
417     if (! fp)
418       log_fatal ("Opening %s: %s\n", filename, strerror (errno));
419     r = fread (raw_data, 1, raw_data_len, fp);
420     fclose (fp);
421
422     /* We need at least the random data, the encrypted and literal
423        packets' headers and some body.  */
424     if (r < (blocksize + 2 /* Random data.  */
425              + 2 * blocksize /* Header + some plaintext.  */))
426       log_fatal ("Not enough data (need at least %d bytes of plain text): %s.\n",
427                  blocksize + 2, strerror (errno));
428     raw_data_len = r;
429
430     if (debug)
431       {
432         log_debug ("First few bytes of the raw data:\n");
433         log_hexdump (raw_data, raw_data_len > 8 ? 8 : raw_data_len);
434       }
435   }
436
437   /* Parse the packet's header.  */
438   {
439     int ctb = raw_data[0];
440     int new_format = ctb & (1 << 7);
441     int pkttype = (ctb & ((1 << 5) - 1)) >> (new_format ? 0 : 2);
442     int hdrlen;
443
444     if (new_format)
445       {
446         if (debug)
447           log_debug ("len encoded: 0x%x (%d)\n", raw_data[1], raw_data[1]);
448         if (raw_data[1] < 192)
449           hdrlen = 2;
450         else if (raw_data[1] < 224)
451           hdrlen = 3;
452         else if (raw_data[1] == 255)
453           hdrlen = 5;
454         else
455           hdrlen = 2;
456       }
457     else
458       {
459         int lentype = ctb & 0x3;
460         if (lentype == 0)
461           hdrlen = 2;
462         else if (lentype == 1)
463           hdrlen = 3;
464         else if (lentype == 2)
465           hdrlen = 5;
466         else
467           /* Indeterminate.  */
468           hdrlen = 1;
469       }
470
471     if (debug)
472       log_debug ("ctb = %x; %s format, hdrlen: %d, packet: %s\n",
473                  ctb, new_format ? "new" : "old",
474                  hdrlen,
475                  pkttype_str (pkttype));
476
477     if (! (pkttype == PKT_ENCRYPTED || pkttype == PKT_ENCRYPTED_MDC))
478       log_fatal ("%s does not contain an encrypted packet, but a %s.\n",
479                  filename, pkttype_str (pkttype));
480
481     if (pkttype == PKT_ENCRYPTED_MDC)
482       {
483         /* The first byte following the header is the version, which
484            is 1.  */
485         log_assert (raw_data[hdrlen] == 1);
486         hdrlen ++;
487         sync = 0;
488       }
489     else
490       sync = 1;
491
492     msg = &raw_data[hdrlen];
493     msg_len = raw_data_len - hdrlen;
494   }
495
496   log_assert (msg_len >= blocksize + 2);
497
498   {
499     /* This can at least partially be guessed.  So we just assume that
500        it is known.  */
501     int d;
502     int found;
503     const byte *m1;
504     byte e_k_zero[2];
505
506     if (oracle (debug, msg, msg_len, &msg_plaintext, &msg_cfb) == 0)
507       {
508         if (debug)
509           log_debug ("Session key appears to be good.\n");
510       }
511     else
512       log_fatal ("Session key is bad!\n");
513
514     m1 = &msg_plaintext[blocksize + 2];
515     if (debug)
516       log_debug ("First two bytes of plaintext are: %02X (%c) %02X (%c)\n",
517                  m1[0], isprint (m1[0]) ? m1[0] : '?',
518                  m1[1], isprint (m1[1]) ? m1[1] : '?');
519
520     for (d = 0; d < 256 * 256; d ++)
521       if ((found = oracle_test (d, 1, 0)))
522         break;
523
524     if (! found)
525       log_fatal ("Failed to find d!\n");
526
527     if (debug)
528       oracle_test (d, 1, 1);
529
530     if (debug)
531       log_debug ("D = %d (%x) looks good.\n", d, d);
532
533     {
534       byte *c2 = block (msg, msg_len, 2);
535       byte D[2] = { d >> 8, d & 0xFF };
536       byte *c3 = block (msg, msg_len, 3);
537
538       memcpy (e_k_zero,
539               bufxor2 (bufxor2 (c2, D),
540                        bufxor2 (c3, m1)),
541               sizeof (e_k_zero));
542
543       if (debug)
544         {
545           log_debug ("C2 = %s\n", hexstr (c2));
546           log_debug ("D = %s\n", hexstr (D));
547           log_debug ("C3 = %s\n", hexstr (c3));
548           log_debug ("M = %s\n", hexstr (m1));
549           log_debug ("E_k([C1]_{3-b} || C_2) = C3 xor M1 = %s\n",
550                      hexstr (bufxor2 (c3, m1)));
551           log_debug ("E_k(0)_{b-1,b} = %s\n", hexstr (e_k_zero));
552         }
553     }
554
555     /* Figure out the first 2 bytes of M2... (offset 16 & 17 of the
556        plain text assuming the blocksize == 16 or bytes 34 & 35 of the
557        decrypted cipher text, i.e., C4).  */
558     for (i = 1; block_offset (i + 3) + 2 <= msg_len; i ++)
559       {
560         byte e_k_prime[2];
561         byte m[2];
562         byte *ct = block (msg, msg_len, i + 2);
563         byte *pt = block (msg_plaintext, msg_len, 2 + i + 1);
564
565         for (d = 0; d < 256 * 256; d ++)
566           if (oracle_test (d, i + 2, 0))
567             {
568               found = 1;
569               break;
570             }
571
572         if (! found)
573           log_fatal ("Failed to find a valid d for block %d\n", i);
574
575         if (debug)
576           log_debug ("Block %d: oracle: D = %04X passes integrity check\n",
577                      i, d);
578
579         {
580           byte D[2] = { d >> 8, d & 0xFF };
581           memcpy (e_k_prime,
582                   bufxor2 (bufxor2 (&ct[blocksize - 2], D), e_k_zero),
583                   sizeof (e_k_prime));
584
585           memcpy (m, bufxor2 (e_k_prime, block (msg, msg_len, i + 3)),
586                   sizeof (m));
587         }
588
589         if (debug)
590           log_debug ("=> block %d starting at %zd starts with: "
591                      "%s (%c%c)\n",
592                      i, (size_t) pt - (size_t) msg_plaintext,
593                      hexstr (m),
594                      isprint (m[0]) ? m[0] : '?', isprint (m[1]) ? m[1] : '?');
595
596         if (m[0] != pt[0] || m[1] != pt[1])
597           {
598             log_debug ("oracle attack failed!  Expected %s (%c%c), got %s\n",
599                        hexstr (pt),
600                        isprint (pt[0]) ? pt[0] : '?',
601                        isprint (pt[1]) ? pt[1] : '?',
602                        hexstr (m));
603             tests_failed++;
604           }
605       }
606
607     if (i == 1)
608       log_fatal ("Message is too short, nothing to test.\n");
609   }
610
611   xfree (filename);
612 }