wlantest/tkip.c

   1 /*
   2  * Temporal Key Integrity Protocol (CCMP)
   3  * Copyright (c) 2010, Jouni Malinen <j@w1.fi>
   4  *
   5  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   6  * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
   7  * published by the Free Software Foundation.
   8  *
   9  * Alternatively, this software may be distributed under the terms of BSD
  10  * license.
  11  *
  12  * See README and COPYING for more details.
  13  */
  14
  15 #include "utils/includes.h"
  16
  17 #include "utils/common.h"
  18 #include "common/ieee802_11_defs.h"
  19 #include "wlantest.h"
  20
  21
  22 static inline u16 RotR1(u16 val)
  23 {
  24         return (val >> 1) | (val << 15);
  25 }
  26
  27
  28 static inline u8 Lo8(u16 val)
  29 {
  30         return val & 0xff;
  31 }
  32
  33
  34 static inline u8 Hi8(u16 val)
  35 {
  36         return val >> 8;
  37 }
  38
  39
  40 static inline u16 Lo16(u32 val)
  41 {
  42         return val & 0xffff;
  43 }
  44
  45
  46 static inline u16 Hi16(u32 val)
  47 {
  48         return val >> 16;
  49 }
  50
  51
  52 static inline u16 Mk16(u8 hi, u8 lo)
  53 {
  54         return lo | (((u16) hi) << 8);
  55 }
  56
  57
  58 static inline u16 Mk16_le(u16 *v)
  59 {
  60         return le_to_host16(*v);
  61 }
  62
  63
  64 static const u16 Sbox[256] =
  65 {
  66         0xC6A5, 0xF884, 0xEE99, 0xF68D, 0xFF0D, 0xD6BD, 0xDEB1, 0x9154,
  67         0x6050, 0x0203, 0xCEA9, 0x567D, 0xE719, 0xB562, 0x4DE6, 0xEC9A,
  68         0x8F45, 0x1F9D, 0x8940, 0xFA87, 0xEF15, 0xB2EB, 0x8EC9, 0xFB0B,
  69         0x41EC, 0xB367, 0x5FFD, 0x45EA, 0x23BF, 0x53F7, 0xE496, 0x9B5B,
  70         0x75C2, 0xE11C, 0x3DAE, 0x4C6A, 0x6C5A, 0x7E41, 0xF502, 0x834F,
  71         0x685C, 0x51F4, 0xD134, 0xF908, 0xE293, 0xAB73, 0x6253, 0x2A3F,
  72         0x080C, 0x9552, 0x4665, 0x9D5E, 0x3028, 0x37A1, 0x0A0F, 0x2FB5,
  73         0x0E09, 0x2436, 0x1B9B, 0xDF3D, 0xCD26, 0x4E69, 0x7FCD, 0xEA9F,
  74         0x121B, 0x1D9E, 0x5874, 0x342E, 0x362D, 0xDCB2, 0xB4EE, 0x5BFB,
  75         0xA4F6, 0x764D, 0xB761, 0x7DCE, 0x527B, 0xDD3E, 0x5E71, 0x1397,
  76         0xA6F5, 0xB968, 0x0000, 0xC12C, 0x4060, 0xE31F, 0x79C8, 0xB6ED,
  77         0xD4BE, 0x8D46, 0x67D9, 0x724B, 0x94DE, 0x98D4, 0xB0E8, 0x854A,
  78         0xBB6B, 0xC52A, 0x4FE5, 0xED16, 0x86C5, 0x9AD7, 0x6655, 0x1194,
  79         0x8ACF, 0xE910, 0x0406, 0xFE81, 0xA0F0, 0x7844, 0x25BA, 0x4BE3,
  80         0xA2F3, 0x5DFE, 0x80C0, 0x058A, 0x3FAD, 0x21BC, 0x7048, 0xF104,
  81         0x63DF, 0x77C1, 0xAF75, 0x4263, 0x2030, 0xE51A, 0xFD0E, 0xBF6D,
  82         0x814C, 0x1814, 0x2635, 0xC32F, 0xBEE1, 0x35A2, 0x88CC, 0x2E39,
  83         0x9357, 0x55F2, 0xFC82, 0x7A47, 0xC8AC, 0xBAE7, 0x322B, 0xE695,
  84         0xC0A0, 0x1998, 0x9ED1, 0xA37F, 0x4466, 0x547E, 0x3BAB, 0x0B83,
  85         0x8CCA, 0xC729, 0x6BD3, 0x283C, 0xA779, 0xBCE2, 0x161D, 0xAD76,
  86         0xDB3B, 0x6456, 0x744E, 0x141E, 0x92DB, 0x0C0A, 0x486C, 0xB8E4,
  87         0x9F5D, 0xBD6E, 0x43EF, 0xC4A6, 0x39A8, 0x31A4, 0xD337, 0xF28B,
  88         0xD532, 0x8B43, 0x6E59, 0xDAB7, 0x018C, 0xB164, 0x9CD2, 0x49E0,
  89         0xD8B4, 0xACFA, 0xF307, 0xCF25, 0xCAAF, 0xF48E, 0x47E9, 0x1018,
  90         0x6FD5, 0xF088, 0x4A6F, 0x5C72, 0x3824, 0x57F1, 0x73C7, 0x9751,
  91         0xCB23, 0xA17C, 0xE89C, 0x3E21, 0x96DD, 0x61DC, 0x0D86, 0x0F85,
  92         0xE090, 0x7C42, 0x71C4, 0xCCAA, 0x90D8, 0x0605, 0xF701, 0x1C12,
  93         0xC2A3, 0x6A5F, 0xAEF9, 0x69D0, 0x1791, 0x9958, 0x3A27, 0x27B9,
  94         0xD938, 0xEB13, 0x2BB3, 0x2233, 0xD2BB, 0xA970, 0x0789, 0x33A7,
  95         0x2DB6, 0x3C22, 0x1592, 0xC920, 0x8749, 0xAAFF, 0x5078, 0xA57A,
  96         0x038F, 0x59F8, 0x0980, 0x1A17, 0x65DA, 0xD731, 0x84C6, 0xD0B8,
  97         0x82C3, 0x29B0, 0x5A77, 0x1E11, 0x7BCB, 0xA8FC, 0x6DD6, 0x2C3A,
  98 };
  99
 100
 101 static inline u16 _S_(u16 v)
 102 {
 103         u16 t = Sbox[Hi8(v)];
 104         return Sbox[Lo8(v)] ^ ((t << 8) | (t >> 8));
 105 }
 106
 107
 108 #define PHASE1_LOOP_COUNT 8
 109
 110 static void tkip_mixing_phase1(u16 *TTAK, const u8 *TK, const u8 *TA, u32 IV32)
 111 {
 112         int i, j;
 113
 114         /* Initialize the 80-bit TTAK from TSC (IV32) and TA[0..5] */
 115         TTAK[0] = Lo16(IV32);
 116         TTAK[1] = Hi16(IV32);
 117         TTAK[2] = Mk16(TA[1], TA[0]);
 118         TTAK[3] = Mk16(TA[3], TA[2]);
 119         TTAK[4] = Mk16(TA[5], TA[4]);
 120
 121         for (i = 0; i < PHASE1_LOOP_COUNT; i++) {
 122                 j = 2 * (i & 1);
 123                 TTAK[0] += _S_(TTAK[4] ^ Mk16(TK[1 + j], TK[0 + j]));
 124                 TTAK[1] += _S_(TTAK[0] ^ Mk16(TK[5 + j], TK[4 + j]));
 125                 TTAK[2] += _S_(TTAK[1] ^ Mk16(TK[9 + j], TK[8 + j]));
 126                 TTAK[3] += _S_(TTAK[2] ^ Mk16(TK[13 + j], TK[12 + j]));
 127                 TTAK[4] += _S_(TTAK[3] ^ Mk16(TK[1 + j], TK[0 + j])) + i;
 128         }
 129 }
 130
 131
 132 static void tkip_mixing_phase2(u8 *WEPSeed, const u8 *TK, const u16 *TTAK,
 133                                u16 IV16)
 134 {
 135         u16 PPK[6];
 136
 137         /* Step 1 - make copy of TTAK and bring in TSC */
 138         PPK[0] = TTAK[0];
 139         PPK[1] = TTAK[1];
 140         PPK[2] = TTAK[2];
 141         PPK[3] = TTAK[3];
 142         PPK[4] = TTAK[4];
 143         PPK[5] = TTAK[4] + IV16;
 144
 145         /* Step 2 - 96-bit bijective mixing using S-box */
 146         PPK[0] += _S_(PPK[5] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[0]));
 147         PPK[1] += _S_(PPK[0] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[2]));
 148         PPK[2] += _S_(PPK[1] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[4]));
 149         PPK[3] += _S_(PPK[2] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[6]));
 150         PPK[4] += _S_(PPK[3] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[8]));
 151         PPK[5] += _S_(PPK[4] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[10]));
 152
 153         PPK[0] += RotR1(PPK[5] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[12]));
 154         PPK[1] += RotR1(PPK[0] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[14]));
 155         PPK[2] += RotR1(PPK[1]);
 156         PPK[3] += RotR1(PPK[2]);
 157         PPK[4] += RotR1(PPK[3]);
 158         PPK[5] += RotR1(PPK[4]);
 159
 160         /* Step 3 - bring in last of TK bits, assign 24-bit WEP IV value
 161          * WEPSeed[0..2] is transmitted as WEP IV */
 162         WEPSeed[0] = Hi8(IV16);
 163         WEPSeed[1] = (Hi8(IV16) | 0x20) & 0x7F;
 164         WEPSeed[2] = Lo8(IV16);
 165         WEPSeed[3] = Lo8((PPK[5] ^ Mk16_le((u16 *) &TK[0])) >> 1);
 166         WPA_PUT_LE16(&WEPSeed[4], PPK[0]);
 167         WPA_PUT_LE16(&WEPSeed[6], PPK[1]);
 168         WPA_PUT_LE16(&WEPSeed[8], PPK[2]);
 169         WPA_PUT_LE16(&WEPSeed[10], PPK[3]);
 170         WPA_PUT_LE16(&WEPSeed[12], PPK[4]);
 171         WPA_PUT_LE16(&WEPSeed[14], PPK[5]);
 172 }
 173
 174
 175 static void wep_crypt(u8 *key, u8 *buf, size_t plen)
 176 {
 177         u32 i, j, k;
 178         u8 S[256];
 179 #define S_SWAP(a,b) do { u8 t = S[a]; S[a] = S[b]; S[b] = t; } while(0)
 180         u8 *pos;
 181
 182         /* Setup RC4 state */
 183         for (i = 0; i < 256; i++)
 184                 S[i] = i;
 185         j = 0;
 186         for (i = 0; i < 256; i++) {
 187                 j = (j + S[i] + key[i & 0x0f]) & 0xff;
 188                 S_SWAP(i, j);
 189         }
 190
 191         /* Apply RC4 to data */
 192         pos = buf;
 193         i = j = 0;
 194         for (k = 0; k < plen; k++) {
 195                 i = (i + 1) & 0xff;
 196                 j = (j + S[i]) & 0xff;
 197                 S_SWAP(i, j);
 198                 *pos ^= S[(S[i] + S[j]) & 0xff];
 199                 pos++;
 200         }
 201 }
 202
 203
 204 static inline u32 rotl(u32 val, int bits)
 205 {
 206         return (val << bits) | (val >> (32 - bits));
 207 }
 208
 209
 210 static inline u32 rotr(u32 val, int bits)
 211 {
 212         return (val >> bits) | (val << (32 - bits));
 213 }
 214
 215
 216 static inline u32 xswap(u32 val)
 217 {
 218         return ((val & 0x00ff00ff) << 8) | ((val & 0xff00ff00) >> 8);
 219 }
 220
 221
 222 #define michael_block(l, r)     \
 223 do {                            \
 224         r ^= rotl(l, 17);       \
 225         l += r;                 \
 226         r ^= xswap(l);          \
 227         l += r;                 \
 228         r ^= rotl(l, 3);        \
 229         l += r;                 \
 230         r ^= rotr(l, 2);        \
 231         l += r;                 \
 232 } while (0)
 233
 234
 235 static void michael_mic(const u8 *key, const u8 *hdr, const u8 *data,
 236                         size_t data_len, u8 *mic)
 237 {
 238         u32 l, r;
 239         int i, blocks, last;
 240
 241         l = WPA_GET_LE32(key);
 242         r = WPA_GET_LE32(key + 4);
 243
 244         /* Michael MIC pseudo header: DA, SA, 3 x 0, Priority */
 245         l ^= WPA_GET_LE32(hdr);
 246         michael_block(l, r);
 247         l ^= WPA_GET_LE32(&hdr[4]);
 248         michael_block(l, r);
 249         l ^= WPA_GET_LE32(&hdr[8]);
 250         michael_block(l, r);
 251         l ^= WPA_GET_LE32(&hdr[12]);
 252         michael_block(l, r);
 253
 254         /* 32-bit blocks of data */
 255         blocks = data_len / 4;
 256         last = data_len % 4;
 257         for (i = 0; i < blocks; i++) {
 258                 l ^= WPA_GET_LE32(&data[4 * i]);
 259                 michael_block(l, r);
 260         }
 261
 262         /* Last block and padding (0x5a, 4..7 x 0) */
 263         switch (last) {
 264         case 0:
 265                 l ^= 0x5a;
 266                 break;
 267         case 1:
 268                 l ^= data[4 * i] | 0x5a00;
 269                 break;
 270         case 2:
 271                 l ^= data[4 * i] | (data[4 * i + 1] << 8) | 0x5a0000;
 272                 break;
 273         case 3:
 274                 l ^= data[4 * i] | (data[4 * i + 1] << 8) |
 275                         (data[4 * i + 2] << 16) | 0x5a000000;
 276                 break;
 277         }
 278         michael_block(l, r);
 279         /* l ^= 0; */
 280         michael_block(l, r);
 281
 282         WPA_PUT_LE32(mic, l);
 283         WPA_PUT_LE32(mic + 4, r);
 284 }
 285
 286
 287 static void michael_mic_hdr(const struct ieee80211_hdr *hdr11, u8 *hdr)
 288 {
 289         int hdrlen = 24;
 290         u16 fc = le_to_host16(hdr11->frame_control);
 291
 292         switch (fc & (WLAN_FC_FROMDS | WLAN_FC_TODS)) {
 293         case WLAN_FC_TODS:
 294                 os_memcpy(hdr, hdr11->addr3, ETH_ALEN); /* DA */
 295                 os_memcpy(hdr + ETH_ALEN, hdr11->addr2, ETH_ALEN); /* SA */
 296                 break;
 297         case WLAN_FC_FROMDS:
 298                 os_memcpy(hdr, hdr11->addr1, ETH_ALEN); /* DA */
 299                 os_memcpy(hdr + ETH_ALEN, hdr11->addr3, ETH_ALEN); /* SA */
 300                 break;
 301         case WLAN_FC_FROMDS | WLAN_FC_TODS:
 302                 os_memcpy(hdr, hdr11->addr3, ETH_ALEN); /* DA */
 303                 os_memcpy(hdr + ETH_ALEN, hdr11 + 1, ETH_ALEN); /* SA */
 304                 hdrlen += ETH_ALEN;
 305                 break;
 306         case 0:
 307                 os_memcpy(hdr, hdr11->addr1, ETH_ALEN); /* DA */
 308                 os_memcpy(hdr + ETH_ALEN, hdr11->addr2, ETH_ALEN); /* SA */
 309                 break;
 310         }
 311
 312         if (WLAN_FC_GET_TYPE(fc) == WLAN_FC_TYPE_DATA &&
 313             (WLAN_FC_GET_STYPE(fc) & 0x08)) {
 314                 const u8 *qos = ((const u8 *) hdr11) + hdrlen;
 315                 hdr[12] = qos[0] & 0x0f; /* priority */
 316         } else
 317                 hdr[12] = 0; /* priority */
 318
 319         hdr[13] = hdr[14] = hdr[15] = 0; /* reserved */
 320 }
 321
 322
 323 u8 * tkip_decrypt(const u8 *tk, const struct ieee80211_hdr *hdr,
 324                   const u8 *data, size_t data_len, size_t *decrypted_len)
 325 {
 326         u16 iv16;
 327         u32 iv32;
 328         u16 ttak[5];
 329         u8 rc4key[16];
 330         u8 *plain;
 331         size_t plain_len;
 332         u32 icv, rx_icv;
 333         const u8 *mic_key;
 334         u8 michael_hdr[16];
 335         u8 mic[8];
 336         u16 fc = le_to_host16(hdr->frame_control);
 337
 338         if (data_len < 8 + 4)
 339                 return NULL;
 340
 341         iv16 = (data[0] << 8) | data[2];
 342         iv32 = WPA_GET_LE32(&data[4]);
 343         wpa_printf(MSG_EXCESSIVE, "TKIP decrypt: iv32=%08x iv16=%04x",
 344                    iv32, iv16);
 345
 346         tkip_mixing_phase1(ttak, tk, hdr->addr2, iv32);
 347         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "TKIP TTAK", (u8 *) ttak, sizeof(ttak));
 348         tkip_mixing_phase2(rc4key, tk, ttak, iv16);
 349         wpa_hexdump(MSG_EXCESSIVE, "TKIP RC4KEY", rc4key, sizeof(rc4key));
 350
 351         plain_len = data_len - 8;
 352         plain = os_malloc(plain_len);
 353         if (plain == NULL)
 354                 return NULL;
 355         os_memcpy(plain, data + 8, plain_len);
 356         wep_crypt(rc4key, plain, plain_len);
 357
 358         icv = crc32(plain, plain_len - 4);
 359         rx_icv = WPA_GET_LE32(plain + plain_len - 4);
 360         if (icv != rx_icv) {
 361                 wpa_printf(MSG_INFO, "TKIP ICV mismatch in frame from " MACSTR,
 362                            MAC2STR(hdr->addr2));
 363                 wpa_printf(MSG_DEBUG, "TKIP calculated ICV %08x  received ICV "
 364                            "%08x", icv, rx_icv);
 365                 os_free(plain);
 366                 return NULL;
 367         }
 368         plain_len -= 4;
 369
 370         /* TODO: MSDU reassembly */
 371
 372         if (plain_len < 8) {
 373                 wpa_printf(MSG_INFO, "TKIP: Not enough room for Michael MIC "
 374                            "in a frame from " MACSTR, MAC2STR(hdr->addr2));
 375                 os_free(plain);
 376                 return NULL;
 377         }
 378
 379         michael_mic_hdr(hdr, michael_hdr);
 380         mic_key = tk + ((fc & WLAN_FC_FROMDS) ? 16 : 24);
 381         michael_mic(mic_key, michael_hdr, plain, plain_len - 8, mic);
 382         if (os_memcmp(mic, plain + plain_len - 8, 8) != 0) {
 383                 wpa_printf(MSG_INFO, "TKIP: Michael MIC mismatch in a frame "
 384                            "from " MACSTR, MAC2STR(hdr->addr2));
 385                 wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "TKIP: Calculated MIC", mic, 8);
 386                 wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "TKIP: Received MIC",
 387                             plain + plain_len - 8, 8);
 388                 os_free(plain);
 389                 return NULL;
 390         }
 391
 392         *decrypted_len = plain_len - 8;
 393         return plain;
 394 }
 395
 396
 397 void tkip_get_pn(u8 *pn, const u8 *data)
 398 {
 399         pn[0] = data[7]; /* PN5 */
 400         pn[1] = data[6]; /* PN4 */
 401         pn[2] = data[5]; /* PN3 */
 402         pn[3] = data[4]; /* PN2 */
 403         pn[4] = data[0]; /* PN1 */
 404         pn[5] = data[2]; /* PN0 */
 405 }