wlantest/gcmp.c

   1 /*
   2  * GCM with GMAC Protocol (GCMP)
   3  * Copyright (c) 2012, Jouni Malinen <j@w1.fi>
   4  *
   5  * This software may be distributed under the terms of the BSD license.
   6  * See README for more details.
   7  */
   8
   9 #include "utils/includes.h"
  10
  11 #include "utils/common.h"
  12 #include "common/ieee802_11_defs.h"
  13 #include "crypto/aes.h"
  14 #include "wlantest.h"
  15
  16
  17 static void inc32(u8 *block)
  18 {
  19         u32 val;
  20         val = WPA_GET_BE32(block + AES_BLOCK_SIZE - 4);
  21         val++;
  22         WPA_PUT_BE32(block + AES_BLOCK_SIZE - 4, val);
  23 }
  24
  25
  26 static void xor_block(u8 *dst, const u8 *src)
  27 {
  28         u32 *d = (u32 *) dst;
  29         u32 *s = (u32 *) src;
  30         *d++ ^= *s++;
  31         *d++ ^= *s++;
  32         *d++ ^= *s++;
  33         *d++ ^= *s++;
  34 }
  35
  36
  37 static void shift_right_block(u8 *v)
  38 {
  39         u32 val;
  40
  41         val = WPA_GET_BE32(v + 12);
  42         val >>= 1;
  43         if (v[11] & 0x01)
  44                 val |= 0x80000000;
  45         WPA_PUT_BE32(v + 12, val);
  46
  47         val = WPA_GET_BE32(v + 8);
  48         val >>= 1;
  49         if (v[7] & 0x01)
  50                 val |= 0x80000000;
  51         WPA_PUT_BE32(v + 8, val);
  52
  53         val = WPA_GET_BE32(v + 4);
  54         val >>= 1;
  55         if (v[3] & 0x01)
  56                 val |= 0x80000000;
  57         WPA_PUT_BE32(v + 4, val);
  58
  59         val = WPA_GET_BE32(v);
  60         val >>= 1;
  61         WPA_PUT_BE32(v, val);
  62 }
  63
  64
  65 /* Multiplication in GF(2^128) */
  66 static void gf_mult(const u8 *x, const u8 *y, u8 *z)
  67 {
  68         u8 v[16];
  69         int i, j;
  70
  71         os_memset(z, 0, 16); /* Z_0 = 0^128 */
  72         os_memcpy(v, y, 16); /* V_0 = Y */
  73
  74         for (i = 0; i < 16; i++) {
  75                 for (j = 0; j < 8; j++) {
  76                         if (x[i] & BIT(7 - j)) {
  77                                 /* Z_(i + 1) = Z_i XOR V_i */
  78                                 xor_block(z, v);
  79                         } else {
  80                                 /* Z_(i + 1) = Z_i */
  81                         }
  82
  83                         if (v[15] & 0x01) {
  84                                 /* V_(i + 1) = (V_i >> 1) XOR R */
  85                                 shift_right_block(v);
  86                                 /* R = 11100001 || 0^120 */
  87                                 v[0] ^= 0xe1;
  88                         } else {
  89                                 /* V_(i + 1) = V_i >> 1 */
  90                                 shift_right_block(v);
  91                         }
  92                 }
  93         }
  94 }
  95
  96
  97 static void ghash(const u8 *h, const u8 *x, size_t xlen, u8 *y)
  98 {
  99         size_t m, i;
 100         const u8 *xpos = x;
 101         u8 tmp[16];
 102
 103         m = xlen / 16;
 104
 105         /* Y_0 = 0^128 */
 106         os_memset(y, 0, 16);
 107         for (i = 0; i < m; i++) {
 108                 /* Y_i = (Y^(i-1) XOR X_i) dot H */
 109                 xor_block(y, xpos);
 110                 xpos += 16;
 111
 112                 /* dot operation:
 113                  * multiplication operation for binary Galois (finite) field of
 114                  * 2^128 elements */
 115                 gf_mult(y, h, tmp);
 116                 os_memcpy(y, tmp, 16);
 117         }
 118
 119         /* Return Y_m */
 120 }
 121
 122
 123 static void aes_gctr(void *aes, const u8 *icb, const u8 *x, size_t xlen, u8 *y)
 124 {
 125         size_t i, n, last;
 126         u8 cb[AES_BLOCK_SIZE], tmp[AES_BLOCK_SIZE];
 127         const u8 *xpos = x;
 128         u8 *ypos = y;
 129
 130         if (xlen == 0)
 131                 return;
 132
 133         n = xlen / 16;
 134
 135         os_memcpy(cb, icb, AES_BLOCK_SIZE);
 136         /* Full blocks */
 137         for (i = 0; i < n; i++) {
 138                 aes_encrypt(aes, cb, ypos);
 139                 xor_block(ypos, xpos);
 140                 xpos += AES_BLOCK_SIZE;
 141                 ypos += AES_BLOCK_SIZE;
 142                 inc32(cb);
 143         }
 144
 145         last = x + xlen - xpos;
 146         if (last) {
 147                 /* Last, partial block */
 148                 aes_encrypt(aes, cb, tmp);
 149                 for (i = 0; i < last; i++)
 150                         *ypos++ = *xpos++ ^ tmp[i];
 151         }
 152 }
 153
 154
 155 /**
 156  * aes_gcm_ae - GCM-AE_K(IV, P, A) with len(IV) = 96
 157  */
 158 static int aes_gcm_ae(const u8 *key, const u8 *iv,
 159                       const u8 *plain, size_t plain_len,
 160                       const u8 *aad, size_t aad_len,
 161                       u8 *crypt, u8 *tag)
 162 {
 163         u8 *auth, *apos;
 164         u8 H[AES_BLOCK_SIZE];
 165         u8 J0[AES_BLOCK_SIZE];
 166         u8 S[16];
 167         void *aes;
 168         size_t padlen;
 169         size_t iv_len = 12;
 170
 171         aes = aes_encrypt_init(key, 16);
 172         if (aes == NULL)
 173                 return -1;
 174
 175         /* 1. Generate hash subkey H = AES_K(0^128) */
 176         os_memset(H, 0, sizeof(H));
 177         aes_encrypt(aes, H, H);
 178         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "Hash subkey H for GHASH", H, sizeof(H));
 179
 180         /* 2. Prepare block J_0 = IV || 0^31 || 1 [len(IV) = 96] */
 181         os_memcpy(J0, iv, iv_len);
 182         os_memset(J0 + iv_len, 0, AES_BLOCK_SIZE - iv_len);
 183         J0[AES_BLOCK_SIZE - 1] = 0x01;
 184
 185         /* 3. C = GCTR_K(inc_32(J_0), P) */
 186         inc32(J0);
 187         aes_gctr(aes, J0, plain, plain_len, crypt);
 188
 189         /*
 190          * 4. u = 128 * ceil[len(C)/128] - len(C)
 191          *    v = 128 * ceil[len(A)/128] - len(A)
 192          * 5. S = GHASH_H(A || 0^v || C || 0^u || [len(A)]64 || [len(C)]64)
 193          * (i.e., zero padded to block size A || C and lengths of each in bits)
 194          */
 195         auth = os_malloc(32 + 16 + plain_len + 8 + 8);
 196         if (auth == NULL) {
 197                 aes_encrypt_deinit(aes);
 198                 return -1;
 199         }
 200
 201         apos = auth;
 202
 203         /* Zero-padded AAD */
 204         os_memcpy(apos, aad, aad_len);
 205         apos += aad_len;
 206         padlen = (16 - aad_len % 16) % 16;
 207         os_memset(apos, 0, padlen);
 208         apos += padlen;
 209
 210         /* Zero-padded C */
 211         os_memcpy(apos, crypt, plain_len);
 212         apos += plain_len;
 213         padlen = (16 - plain_len % 16) % 16;
 214         os_memset(apos, 0, padlen);
 215         apos += padlen;
 216
 217         /* Length of AAD and C in bits */
 218         WPA_PUT_BE64(apos, aad_len * 8);
 219         apos += 8;
 220         WPA_PUT_BE64(apos, plain_len * 8);
 221         apos += 8;
 222
 223         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "GHASH_H input", auth, apos - auth);
 224         ghash(H, auth, apos - auth, S);
 225         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "S = GHASH_H(...)", S, 16);
 226         os_free(auth);
 227
 228         /* 6. T = MSB_t(GCTR_K(J_0, S)) */
 229         J0[AES_BLOCK_SIZE - 1] = 0x01;
 230         aes_gctr(aes, J0, S, sizeof(S), tag);
 231
 232         /* 7. Return (C, T) */
 233
 234         aes_encrypt_deinit(aes);
 235
 236         return 0;
 237 }
 238
 239
 240 /**
 241  * aes_gcm_ad - GCM-AD_K(IV, C, A, T) with len(IV) = 96
 242  */
 243 static int aes_gcm_ad(const u8 *key, const u8 *iv,
 244                       const u8 *crypt, size_t crypt_len,
 245                       const u8 *aad, size_t aad_len, const u8 *tag,
 246                       u8 *plain)
 247 {
 248         u8 *auth, *apos;
 249         u8 H[AES_BLOCK_SIZE];
 250         u8 J0[AES_BLOCK_SIZE];
 251         u8 S[16], T[16];
 252         void *aes;
 253         size_t padlen;
 254         size_t iv_len = 12;
 255
 256         aes = aes_encrypt_init(key, 16);
 257         if (aes == NULL)
 258                 return -1;
 259
 260         /* 2. Generate hash subkey H = AES_K(0^128) */
 261         os_memset(H, 0, sizeof(H));
 262         aes_encrypt(aes, H, H);
 263         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "Hash subkey H for GHASH", H, sizeof(H));
 264
 265         /* 3. Prepare block J_0 = IV || 0^31 || 1 [len(IV) = 96] */
 266         os_memcpy(J0, iv, iv_len);
 267         os_memset(J0 + iv_len, 0, AES_BLOCK_SIZE - iv_len);
 268         J0[AES_BLOCK_SIZE - 1] = 0x01;
 269
 270         /* 4. C = GCTR_K(inc_32(J_0), C) */
 271         inc32(J0);
 272         aes_gctr(aes, J0, crypt, crypt_len, plain);
 273
 274         /*
 275          * 5. u = 128 * ceil[len(C)/128] - len(C)
 276          *    v = 128 * ceil[len(A)/128] - len(A)
 277          * 6. S = GHASH_H(A || 0^v || C || 0^u || [len(A)]64 || [len(C)]64)
 278          * (i.e., zero padded to block size A || C and lengths of each in bits)
 279          */
 280         auth = os_malloc(32 + 16 + crypt_len + 8 + 8);
 281         if (auth == NULL) {
 282                 aes_encrypt_deinit(aes);
 283                 return -1;
 284         }
 285
 286         apos = auth;
 287
 288         /* Zero-padded AAD */
 289         os_memcpy(apos, aad, aad_len);
 290         apos += aad_len;
 291         padlen = (16 - aad_len % 16) % 16;
 292         os_memset(apos, 0, padlen);
 293         apos += padlen;
 294
 295         /* Zero-padded C */
 296         os_memcpy(apos, crypt, crypt_len);
 297         apos += crypt_len;
 298         padlen = (16 - crypt_len % 16) % 16;
 299         os_memset(apos, 0, padlen);
 300         apos += padlen;
 301
 302         /* Length of AAD and C in bits */
 303         WPA_PUT_BE64(apos, aad_len * 8);
 304         apos += 8;
 305         WPA_PUT_BE64(apos, crypt_len * 8);
 306         apos += 8;
 307
 308         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "GHASH_H input", auth, apos - auth);
 309         ghash(H, auth, apos - auth, S);
 310         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "S = GHASH_H(...)", S, 16);
 311         os_free(auth);
 312
 313         /* 7. T' = MSB_t(GCTR_K(J_0, S)) */
 314         J0[AES_BLOCK_SIZE - 1] = 0x01;
 315         aes_gctr(aes, J0, S, sizeof(S), T);
 316
 317         aes_encrypt_deinit(aes);
 318
 319         if (os_memcmp(tag, T, 16) != 0) {
 320                 wpa_printf(MSG_EXCESSIVE, "GCM: Tag mismatch");
 321                 return -1;
 322         }
 323
 324         return 0;
 325 }
 326
 327
 328 static void gcmp_aad_nonce(const struct ieee80211_hdr *hdr, const u8 *data,
 329                            u8 *aad, size_t *aad_len, u8 *nonce)
 330 {
 331         u16 fc, stype, seq;
 332         int qos = 0, addr4 = 0;
 333         u8 *pos;
 334
 335         fc = le_to_host16(hdr->frame_control);
 336         stype = WLAN_FC_GET_STYPE(fc);
 337         if ((fc & (WLAN_FC_TODS | WLAN_FC_FROMDS)) ==
 338             (WLAN_FC_TODS | WLAN_FC_FROMDS))
 339                 addr4 = 1;
 340
 341         if (WLAN_FC_GET_TYPE(fc) == WLAN_FC_TYPE_DATA) {
 342                 fc &= ~0x0070; /* Mask subtype bits */
 343                 if (stype & 0x08) {
 344                         const u8 *qc;
 345                         qos = 1;
 346                         fc &= ~WLAN_FC_ORDER;
 347                         qc = (const u8 *) (hdr + 1);
 348                         if (addr4)
 349                                 qc += ETH_ALEN;
 350                 }
 351         }
 352
 353         fc &= ~(WLAN_FC_RETRY | WLAN_FC_PWRMGT | WLAN_FC_MOREDATA);
 354         fc |= WLAN_FC_ISWEP;
 355         WPA_PUT_LE16(aad, fc);
 356         pos = aad + 2;
 357         os_memcpy(pos, hdr->addr1, 3 * ETH_ALEN);
 358         pos += 3 * ETH_ALEN;
 359         seq = le_to_host16(hdr->seq_ctrl);
 360         seq &= ~0xfff0; /* Mask Seq#; do not modify Frag# */
 361         WPA_PUT_LE16(pos, seq);
 362         pos += 2;
 363
 364         os_memcpy(pos, hdr + 1, addr4 * ETH_ALEN + qos * 2);
 365         pos += addr4 * ETH_ALEN;
 366         if (qos) {
 367                 pos[0] &= ~0x70;
 368                 if (1 /* FIX: either device has SPP A-MSDU Capab = 0 */)
 369                         pos[0] &= ~0x80;
 370                 pos++;
 371                 *pos++ = 0x00;
 372         }
 373
 374         *aad_len = pos - aad;
 375
 376         os_memcpy(nonce, hdr->addr2, ETH_ALEN);
 377         nonce[6] = data[7]; /* PN5 */
 378         nonce[7] = data[6]; /* PN4 */
 379         nonce[8] = data[5]; /* PN3 */
 380         nonce[9] = data[4]; /* PN2 */
 381         nonce[10] = data[1]; /* PN1 */
 382         nonce[11] = data[0]; /* PN0 */
 383 }
 384
 385
 386 u8 * gcmp_decrypt(const u8 *tk, const struct ieee80211_hdr *hdr,
 387                   const u8 *data, size_t data_len, size_t *decrypted_len)
 388 {
 389         u8 aad[30], nonce[12], *plain;
 390         size_t aad_len, mlen;
 391         const u8 *m;
 392
 393         if (data_len < 8 + 16)
 394                 return NULL;
 395
 396         plain = os_malloc(data_len + AES_BLOCK_SIZE);
 397         if (plain == NULL)
 398                 return NULL;
 399
 400         m = data + 8;
 401         mlen = data_len - 8 - 16;
 402
 403         os_memset(aad, 0, sizeof(aad));
 404         gcmp_aad_nonce(hdr, data, aad, &aad_len, nonce);
 405         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "GCMP AAD", aad, aad_len);
 406         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "GCMP nonce", nonce, sizeof(nonce));
 407
 408         if (aes_gcm_ad(tk, nonce, m, mlen, aad, aad_len, m + mlen, plain) <
 409             0) {
 410                 u16 seq_ctrl = le_to_host16(hdr->seq_ctrl);
 411                 wpa_printf(MSG_INFO, "Invalid GCMP frame: A1=" MACSTR
 412                            " A2=" MACSTR " A3=" MACSTR " seq=%u frag=%u",
 413                            MAC2STR(hdr->addr1), MAC2STR(hdr->addr2),
 414                            MAC2STR(hdr->addr3),
 415                            WLAN_GET_SEQ_SEQ(seq_ctrl),
 416                            WLAN_GET_SEQ_FRAG(seq_ctrl));
 417                 os_free(plain);
 418                 return NULL;
 419         }
 420
 421         *decrypted_len = mlen;
 422         return plain;
 423 }
 424
 425
 426 u8 * gcmp_encrypt(const u8 *tk, u8 *frame, size_t len, size_t hdrlen, u8 *qos,
 427                   u8 *pn, int keyid, size_t *encrypted_len)
 428 {
 429         u8 aad[30], nonce[12], *crypt, *pos;
 430         size_t aad_len, plen;
 431         struct ieee80211_hdr *hdr;
 432
 433         if (len < hdrlen || hdrlen < 24)
 434                 return NULL;
 435         plen = len - hdrlen;
 436
 437         crypt = os_malloc(hdrlen + 8 + plen + 16 + AES_BLOCK_SIZE);
 438         if (crypt == NULL)
 439                 return NULL;
 440
 441         os_memcpy(crypt, frame, hdrlen);
 442         hdr = (struct ieee80211_hdr *) crypt;
 443         hdr->frame_control |= host_to_le16(WLAN_FC_ISWEP);
 444         pos = crypt + hdrlen;
 445         *pos++ = pn[5]; /* PN0 */
 446         *pos++ = pn[4]; /* PN1 */
 447         *pos++ = 0x00; /* Rsvd */
 448         *pos++ = 0x20 | (keyid << 6);
 449         *pos++ = pn[3]; /* PN2 */
 450         *pos++ = pn[2]; /* PN3 */
 451         *pos++ = pn[1]; /* PN4 */
 452         *pos++ = pn[0]; /* PN5 */
 453
 454         os_memset(aad, 0, sizeof(aad));
 455         gcmp_aad_nonce(hdr, crypt + hdrlen, aad, &aad_len, nonce);
 456         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "GCMP AAD", aad, aad_len);
 457         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "GCMP nonce", nonce, sizeof(nonce));
 458
 459         if (aes_gcm_ae(tk, nonce, frame + hdrlen, plen, aad, aad_len,
 460                        pos, pos + plen) < 0) {
 461                 os_free(crypt);
 462                 return NULL;
 463         }
 464
 465         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "GCMP MIC", pos + plen, 16);
 466         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "GCMP encrypted", pos, plen);
 467
 468         *encrypted_len = hdrlen + 8 + plen + 16;
 469
 470         return crypt;
 471 }