src/plugins/wireguard/wireguard_noise.c

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2020 Doc.ai and/or its affiliates.
   3  * Copyright (c) 2015-2020 Jason A. Donenfeld <Jason@zx2c4.com>.
   4  * Copyright (c) 2019-2020 Matt Dunwoodie <ncon@noconroy.net>.
   5  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
   6  * you may not use this file except in compliance with the License.
   7  * You may obtain a copy of the License at:
   8  *
   9  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
  10  *
  11  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  12  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
  13  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  14  * See the License for the specific language governing permissions and
  15  * limitations under the License.
  16  */
  17
  18 #include <openssl/hmac.h>
  19 #include <wireguard/wireguard.h>
  20
  21 /* This implements Noise_IKpsk2:
  22  *
  23  * <- s
  24  * ******
  25  * -> e, es, s, ss, {t}
  26  * <- e, ee, se, psk, {}
  27  */
  28
  29 /* Private functions */
  30 static noise_keypair_t *noise_remote_keypair_allocate (noise_remote_t *);
  31 static void noise_remote_keypair_free (vlib_main_t * vm, noise_remote_t *,
  32                                        noise_keypair_t **);
  33 static uint32_t noise_remote_handshake_index_get (noise_remote_t *);
  34 static void noise_remote_handshake_index_drop (noise_remote_t *);
  35
  36 static uint64_t noise_counter_send (noise_counter_t *);
  37 static bool noise_counter_recv (noise_counter_t *, uint64_t);
  38
  39 static void noise_kdf (uint8_t *, uint8_t *, uint8_t *, const uint8_t *,
  40                        size_t, size_t, size_t, size_t,
  41                        const uint8_t[NOISE_HASH_LEN]);
  42 static bool noise_mix_dh (uint8_t[NOISE_HASH_LEN],
  43                           uint8_t[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN],
  44                           const uint8_t[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
  45                           const uint8_t[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN]);
  46 static bool noise_mix_ss (uint8_t ck[NOISE_HASH_LEN],
  47                           uint8_t key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN],
  48                           const uint8_t ss[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN]);
  49 static void noise_mix_hash (uint8_t[NOISE_HASH_LEN], const uint8_t *, size_t);
  50 static void noise_mix_psk (uint8_t[NOISE_HASH_LEN],
  51                            uint8_t[NOISE_HASH_LEN],
  52                            uint8_t[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN],
  53                            const uint8_t[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN]);
  54 static void noise_param_init (uint8_t[NOISE_HASH_LEN],
  55                               uint8_t[NOISE_HASH_LEN],
  56                               const uint8_t[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN]);
  57
  58 static void noise_msg_encrypt (vlib_main_t * vm, uint8_t *, uint8_t *, size_t,
  59                                uint32_t key_idx, uint8_t[NOISE_HASH_LEN]);
  60 static bool noise_msg_decrypt (vlib_main_t * vm, uint8_t *, uint8_t *, size_t,
  61                                uint32_t key_idx, uint8_t[NOISE_HASH_LEN]);
  62 static void noise_msg_ephemeral (uint8_t[NOISE_HASH_LEN],
  63                                  uint8_t[NOISE_HASH_LEN],
  64                                  const uint8_t src[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN]);
  65
  66 static void noise_tai64n_now (uint8_t[NOISE_TIMESTAMP_LEN]);
  67
  68 static void secure_zero_memory (void *v, size_t n);
  69
  70 /* Set/Get noise parameters */
  71 void
  72 noise_local_init (noise_local_t * l, struct noise_upcall *upcall)
  73 {
  74   clib_memset (l, 0, sizeof (*l));
  75   l->l_upcall = *upcall;
  76 }
  77
  78 bool
  79 noise_local_set_private (noise_local_t * l,
  80                          const uint8_t private[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN])
  81 {
  82   clib_memcpy (l->l_private, private, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
  83   l->l_has_identity = curve25519_gen_public (l->l_public, private);
  84
  85   return l->l_has_identity;
  86 }
  87
  88 bool
  89 noise_local_keys (noise_local_t * l, uint8_t public[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
  90                   uint8_t private[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN])
  91 {
  92   if (l->l_has_identity)
  93     {
  94       if (public != NULL)
  95         clib_memcpy (public, l->l_public, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
  96       if (private != NULL)
  97         clib_memcpy (private, l->l_private, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
  98     }
  99   else
 100     {
 101       return false;
 102     }
 103   return true;
 104 }
 105
 106 void
 107 noise_remote_init (noise_remote_t * r, uint32_t peer_pool_idx,
 108                    const uint8_t public[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
 109                    noise_local_t * l)
 110 {
 111   clib_memset (r, 0, sizeof (*r));
 112   clib_memcpy (r->r_public, public, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 113   r->r_peer_idx = peer_pool_idx;
 114
 115   ASSERT (l != NULL);
 116   r->r_local = l;
 117   r->r_handshake.hs_state = HS_ZEROED;
 118   noise_remote_precompute (r);
 119 }
 120
 121 bool
 122 noise_remote_set_psk (noise_remote_t * r,
 123                       uint8_t psk[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN])
 124 {
 125   int same;
 126   same = !clib_memcmp (r->r_psk, psk, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 127   if (!same)
 128     {
 129       clib_memcpy (r->r_psk, psk, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 130     }
 131   return same == 0;
 132 }
 133
 134 bool
 135 noise_remote_keys (noise_remote_t * r, uint8_t public[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
 136                    uint8_t psk[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN])
 137 {
 138   static uint8_t null_psk[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN];
 139   int ret;
 140
 141   if (public != NULL)
 142     clib_memcpy (public, r->r_public, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 143
 144   if (psk != NULL)
 145     clib_memcpy (psk, r->r_psk, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 146   ret = clib_memcmp (r->r_psk, null_psk, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 147
 148   return ret;
 149 }
 150
 151 void
 152 noise_remote_precompute (noise_remote_t * r)
 153 {
 154   noise_local_t *l = r->r_local;
 155   if (!l->l_has_identity)
 156     clib_memset (r->r_ss, 0, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 157   else if (!curve25519_gen_shared (r->r_ss, l->l_private, r->r_public))
 158     clib_memset (r->r_ss, 0, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 159
 160   noise_remote_handshake_index_drop (r);
 161   secure_zero_memory (&r->r_handshake, sizeof (r->r_handshake));
 162 }
 163
 164 /* Handshake functions */
 165 bool
 166 noise_create_initiation (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r,
 167                          uint32_t * s_idx, uint8_t ue[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
 168                          uint8_t es[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN + NOISE_AUTHTAG_LEN],
 169                          uint8_t ets[NOISE_TIMESTAMP_LEN + NOISE_AUTHTAG_LEN])
 170 {
 171   noise_handshake_t *hs = &r->r_handshake;
 172   noise_local_t *l = r->r_local;
 173   uint8_t _key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN];
 174   uint32_t key_idx;
 175   uint8_t *key;
 176   int ret = false;
 177
 178   key_idx =
 179     vnet_crypto_key_add (vm, VNET_CRYPTO_ALG_CHACHA20_POLY1305, _key,
 180                          NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 181   key = vnet_crypto_get_key (key_idx)->data;
 182
 183   if (!l->l_has_identity)
 184     goto error;
 185   noise_param_init (hs->hs_ck, hs->hs_hash, r->r_public);
 186
 187   /* e */
 188   curve25519_gen_secret (hs->hs_e);
 189   if (!curve25519_gen_public (ue, hs->hs_e))
 190     goto error;
 191   noise_msg_ephemeral (hs->hs_ck, hs->hs_hash, ue);
 192
 193   /* es */
 194   if (!noise_mix_dh (hs->hs_ck, key, hs->hs_e, r->r_public))
 195     goto error;
 196
 197   /* s */
 198   noise_msg_encrypt (vm, es, l->l_public, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN, key_idx,
 199                      hs->hs_hash);
 200
 201   /* ss */
 202   if (!noise_mix_ss (hs->hs_ck, key, r->r_ss))
 203     goto error;
 204
 205   /* {t} */
 206   noise_tai64n_now (ets);
 207   noise_msg_encrypt (vm, ets, ets, NOISE_TIMESTAMP_LEN, key_idx, hs->hs_hash);
 208   noise_remote_handshake_index_drop (r);
 209   hs->hs_state = CREATED_INITIATION;
 210   hs->hs_local_index = noise_remote_handshake_index_get (r);
 211   *s_idx = hs->hs_local_index;
 212   ret = true;
 213 error:
 214   vnet_crypto_key_del (vm, key_idx);
 215   secure_zero_memory (key, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 216   return ret;
 217 }
 218
 219 bool
 220 noise_consume_initiation (vlib_main_t * vm, noise_local_t * l,
 221                           noise_remote_t ** rp, uint32_t s_idx,
 222                           uint8_t ue[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
 223                           uint8_t es[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN +
 224                                      NOISE_AUTHTAG_LEN],
 225                           uint8_t ets[NOISE_TIMESTAMP_LEN +
 226                                       NOISE_AUTHTAG_LEN])
 227 {
 228   noise_remote_t *r;
 229   noise_handshake_t hs;
 230   uint8_t _key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN];
 231   uint8_t r_public[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN];
 232   uint8_t timestamp[NOISE_TIMESTAMP_LEN];
 233   u32 key_idx;
 234   uint8_t *key;
 235   int ret = false;
 236
 237   key_idx =
 238     vnet_crypto_key_add (vm, VNET_CRYPTO_ALG_CHACHA20_POLY1305, _key,
 239                          NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 240   key = vnet_crypto_get_key (key_idx)->data;
 241
 242   if (!l->l_has_identity)
 243     goto error;
 244   noise_param_init (hs.hs_ck, hs.hs_hash, l->l_public);
 245
 246   /* e */
 247   noise_msg_ephemeral (hs.hs_ck, hs.hs_hash, ue);
 248
 249   /* es */
 250   if (!noise_mix_dh (hs.hs_ck, key, l->l_private, ue))
 251     goto error;
 252
 253   /* s */
 254
 255   if (!noise_msg_decrypt (vm, r_public, es,
 256                           NOISE_PUBLIC_KEY_LEN + NOISE_AUTHTAG_LEN, key_idx,
 257                           hs.hs_hash))
 258     goto error;
 259
 260   /* Lookup the remote we received from */
 261   if ((r = l->l_upcall.u_remote_get (r_public)) == NULL)
 262     goto error;
 263
 264   /* ss */
 265   if (!noise_mix_ss (hs.hs_ck, key, r->r_ss))
 266     goto error;
 267
 268   /* {t} */
 269   if (!noise_msg_decrypt (vm, timestamp, ets,
 270                           NOISE_TIMESTAMP_LEN + NOISE_AUTHTAG_LEN, key_idx,
 271                           hs.hs_hash))
 272     goto error;
 273   ;
 274
 275   hs.hs_state = CONSUMED_INITIATION;
 276   hs.hs_local_index = 0;
 277   hs.hs_remote_index = s_idx;
 278   clib_memcpy (hs.hs_e, ue, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 279
 280   /* Replay */
 281   if (clib_memcmp (timestamp, r->r_timestamp, NOISE_TIMESTAMP_LEN) > 0)
 282     clib_memcpy (r->r_timestamp, timestamp, NOISE_TIMESTAMP_LEN);
 283   else
 284     goto error;
 285
 286   /* Flood attack */
 287   if (wg_birthdate_has_expired (r->r_last_init, REJECT_INTERVAL))
 288     r->r_last_init = vlib_time_now (vm);
 289   else
 290     goto error;
 291
 292   /* Ok, we're happy to accept this initiation now */
 293   noise_remote_handshake_index_drop (r);
 294   r->r_handshake = hs;
 295   *rp = r;
 296   ret = true;
 297 error:
 298   vnet_crypto_key_del (vm, key_idx);
 299   secure_zero_memory (key, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 300   secure_zero_memory (&hs, sizeof (hs));
 301   return ret;
 302 }
 303
 304 bool
 305 noise_create_response (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r, uint32_t * s_idx,
 306                        uint32_t * r_idx, uint8_t ue[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
 307                        uint8_t en[0 + NOISE_AUTHTAG_LEN])
 308 {
 309   noise_handshake_t *hs = &r->r_handshake;
 310   uint8_t _key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN];
 311   uint8_t e[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN];
 312   uint32_t key_idx;
 313   uint8_t *key;
 314   int ret = false;
 315
 316   key_idx =
 317     vnet_crypto_key_add (vm, VNET_CRYPTO_ALG_CHACHA20_POLY1305, _key,
 318                          NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 319   key = vnet_crypto_get_key (key_idx)->data;
 320
 321   if (hs->hs_state != CONSUMED_INITIATION)
 322     goto error;
 323
 324   /* e */
 325   curve25519_gen_secret (e);
 326   if (!curve25519_gen_public (ue, e))
 327     goto error;
 328   noise_msg_ephemeral (hs->hs_ck, hs->hs_hash, ue);
 329
 330   /* ee */
 331   if (!noise_mix_dh (hs->hs_ck, NULL, e, hs->hs_e))
 332     goto error;
 333
 334   /* se */
 335   if (!noise_mix_dh (hs->hs_ck, NULL, e, r->r_public))
 336     goto error;
 337
 338   /* psk */
 339   noise_mix_psk (hs->hs_ck, hs->hs_hash, key, r->r_psk);
 340
 341   /* {} */
 342   noise_msg_encrypt (vm, en, NULL, 0, key_idx, hs->hs_hash);
 343
 344
 345   hs->hs_state = CREATED_RESPONSE;
 346   hs->hs_local_index = noise_remote_handshake_index_get (r);
 347   *r_idx = hs->hs_remote_index;
 348   *s_idx = hs->hs_local_index;
 349   ret = true;
 350 error:
 351   vnet_crypto_key_del (vm, key_idx);
 352   secure_zero_memory (key, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 353   secure_zero_memory (e, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 354   return ret;
 355 }
 356
 357 bool
 358 noise_consume_response (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r, uint32_t s_idx,
 359                         uint32_t r_idx, uint8_t ue[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
 360                         uint8_t en[0 + NOISE_AUTHTAG_LEN])
 361 {
 362   noise_local_t *l = r->r_local;
 363   noise_handshake_t hs;
 364   uint8_t _key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN];
 365   uint8_t preshared_key[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN];
 366   uint32_t key_idx;
 367   uint8_t *key;
 368   int ret = false;
 369
 370   key_idx =
 371     vnet_crypto_key_add (vm, VNET_CRYPTO_ALG_CHACHA20_POLY1305, _key,
 372                          NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 373   key = vnet_crypto_get_key (key_idx)->data;
 374
 375   if (!l->l_has_identity)
 376     goto error;
 377
 378   hs = r->r_handshake;
 379   clib_memcpy (preshared_key, r->r_psk, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 380
 381   if (hs.hs_state != CREATED_INITIATION || hs.hs_local_index != r_idx)
 382     goto error;
 383
 384   /* e */
 385   noise_msg_ephemeral (hs.hs_ck, hs.hs_hash, ue);
 386
 387   /* ee */
 388   if (!noise_mix_dh (hs.hs_ck, NULL, hs.hs_e, ue))
 389     goto error;
 390
 391   /* se */
 392   if (!noise_mix_dh (hs.hs_ck, NULL, l->l_private, ue))
 393     goto error;
 394
 395   /* psk */
 396   noise_mix_psk (hs.hs_ck, hs.hs_hash, key, preshared_key);
 397
 398   /* {} */
 399
 400   if (!noise_msg_decrypt
 401       (vm, NULL, en, 0 + NOISE_AUTHTAG_LEN, key_idx, hs.hs_hash))
 402     goto error;
 403
 404
 405   hs.hs_remote_index = s_idx;
 406
 407   if (r->r_handshake.hs_state == hs.hs_state &&
 408       r->r_handshake.hs_local_index == hs.hs_local_index)
 409     {
 410       r->r_handshake = hs;
 411       r->r_handshake.hs_state = CONSUMED_RESPONSE;
 412       ret = true;
 413     }
 414 error:
 415   vnet_crypto_key_del (vm, key_idx);
 416   secure_zero_memory (&hs, sizeof (hs));
 417   secure_zero_memory (key, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 418   return ret;
 419 }
 420
 421 bool
 422 noise_remote_begin_session (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r)
 423 {
 424   noise_handshake_t *hs = &r->r_handshake;
 425   noise_keypair_t kp, *next, *current, *previous;
 426
 427   uint8_t key_send[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN];
 428   uint8_t key_recv[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN];
 429
 430   /* We now derive the keypair from the handshake */
 431   if (hs->hs_state == CONSUMED_RESPONSE)
 432     {
 433       kp.kp_is_initiator = 1;
 434       noise_kdf (key_send, key_recv, NULL, NULL,
 435                  NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN, 0, 0,
 436                  hs->hs_ck);
 437     }
 438   else if (hs->hs_state == CREATED_RESPONSE)
 439     {
 440       kp.kp_is_initiator = 0;
 441       noise_kdf (key_recv, key_send, NULL, NULL,
 442                  NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN, 0, 0,
 443                  hs->hs_ck);
 444     }
 445   else
 446     {
 447       return false;
 448     }
 449
 450   kp.kp_valid = 1;
 451   kp.kp_send_index = vnet_crypto_key_add (vm,
 452                                           VNET_CRYPTO_ALG_CHACHA20_POLY1305,
 453                                           key_send, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 454   kp.kp_recv_index = vnet_crypto_key_add (vm,
 455                                           VNET_CRYPTO_ALG_CHACHA20_POLY1305,
 456                                           key_recv, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN);
 457   kp.kp_local_index = hs->hs_local_index;
 458   kp.kp_remote_index = hs->hs_remote_index;
 459   kp.kp_birthdate = vlib_time_now (vm);
 460   clib_memset (&kp.kp_ctr, 0, sizeof (kp.kp_ctr));
 461
 462   /* Now we need to add_new_keypair */
 463   next = r->r_next;
 464   current = r->r_current;
 465   previous = r->r_previous;
 466
 467   if (kp.kp_is_initiator)
 468     {
 469       if (next != NULL)
 470         {
 471           r->r_next = NULL;
 472           r->r_previous = next;
 473           noise_remote_keypair_free (vm, r, &current);
 474         }
 475       else
 476         {
 477           r->r_previous = current;
 478         }
 479
 480       noise_remote_keypair_free (vm, r, &previous);
 481
 482       r->r_current = noise_remote_keypair_allocate (r);
 483       *r->r_current = kp;
 484     }
 485   else
 486     {
 487       noise_remote_keypair_free (vm, r, &next);
 488       r->r_previous = NULL;
 489       noise_remote_keypair_free (vm, r, &previous);
 490
 491       r->r_next = noise_remote_keypair_allocate (r);
 492       *r->r_next = kp;
 493     }
 494   secure_zero_memory (&r->r_handshake, sizeof (r->r_handshake));
 495   secure_zero_memory (&kp, sizeof (kp));
 496   return true;
 497 }
 498
 499 void
 500 noise_remote_clear (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r)
 501 {
 502   noise_remote_handshake_index_drop (r);
 503   secure_zero_memory (&r->r_handshake, sizeof (r->r_handshake));
 504
 505   noise_remote_keypair_free (vm, r, &r->r_next);
 506   noise_remote_keypair_free (vm, r, &r->r_current);
 507   noise_remote_keypair_free (vm, r, &r->r_previous);
 508   r->r_next = NULL;
 509   r->r_current = NULL;
 510   r->r_previous = NULL;
 511 }
 512
 513 void
 514 noise_remote_expire_current (noise_remote_t * r)
 515 {
 516   if (r->r_next != NULL)
 517     r->r_next->kp_valid = 0;
 518   if (r->r_current != NULL)
 519     r->r_current->kp_valid = 0;
 520 }
 521
 522 bool
 523 noise_remote_ready (noise_remote_t * r)
 524 {
 525   noise_keypair_t *kp;
 526   int ret;
 527
 528   if ((kp = r->r_current) == NULL ||
 529       !kp->kp_valid ||
 530       wg_birthdate_has_expired (kp->kp_birthdate, REJECT_AFTER_TIME) ||
 531       kp->kp_ctr.c_recv >= REJECT_AFTER_MESSAGES ||
 532       kp->kp_ctr.c_send >= REJECT_AFTER_MESSAGES)
 533     ret = false;
 534   else
 535     ret = true;
 536   return ret;
 537 }
 538
 539 static void
 540 chacha20poly1305_calc (vlib_main_t * vm,
 541                        u8 * src,
 542                        u32 src_len,
 543                        u8 * dst,
 544                        u8 * aad,
 545                        u32 aad_len,
 546                        u64 nonce,
 547                        vnet_crypto_op_id_t op_id,
 548                        vnet_crypto_key_index_t key_index)
 549 {
 550   u8 iv[12];
 551   clib_memset (iv, 0, 12);
 552   clib_memcpy (iv + 4, &nonce, sizeof (nonce));
 553
 554   vnet_crypto_op_t _op, *op = &_op;
 555
 556   u8 _tag[16] = { };
 557   if (op_id == VNET_CRYPTO_OP_CHACHA20_POLY1305_DEC)
 558     {
 559       clib_memcpy (_tag, src + src_len - NOISE_AUTHTAG_LEN,
 560                    NOISE_AUTHTAG_LEN);
 561       src_len -= NOISE_AUTHTAG_LEN;
 562     }
 563   vnet_crypto_op_init (op, op_id);
 564   op->key_index = key_index;
 565   op->src = src;
 566   op->dst = dst;
 567   op->len = src_len;
 568   op->aad = aad;
 569   op->aad_len = aad_len;
 570   op->iv = iv;
 571   op->tag_len = NOISE_AUTHTAG_LEN;
 572   op->tag = _tag;
 573   vnet_crypto_process_ops (vm, op, 1);
 574   if (op_id == VNET_CRYPTO_OP_CHACHA20_POLY1305_ENC)
 575     {
 576       clib_memcpy (dst + src_len, op->tag, NOISE_AUTHTAG_LEN);
 577     }
 578 }
 579
 580 enum noise_state_crypt
 581 noise_remote_encrypt (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r, uint32_t * r_idx,
 582                       uint64_t * nonce, uint8_t * src, size_t srclen,
 583                       uint8_t * dst)
 584 {
 585   noise_keypair_t *kp;
 586   enum noise_state_crypt ret = SC_FAILED;
 587
 588   if ((kp = r->r_current) == NULL)
 589     goto error;
 590
 591   /* We confirm that our values are within our tolerances. We want:
 592    *  - a valid keypair
 593    *  - our keypair to be less than REJECT_AFTER_TIME seconds old
 594    *  - our receive counter to be less than REJECT_AFTER_MESSAGES
 595    *  - our send counter to be less than REJECT_AFTER_MESSAGES
 596    */
 597   if (!kp->kp_valid ||
 598       wg_birthdate_has_expired (kp->kp_birthdate, REJECT_AFTER_TIME) ||
 599       kp->kp_ctr.c_recv >= REJECT_AFTER_MESSAGES ||
 600       ((*nonce = noise_counter_send (&kp->kp_ctr)) > REJECT_AFTER_MESSAGES))
 601     goto error;
 602
 603   /* We encrypt into the same buffer, so the caller must ensure that buf
 604    * has NOISE_AUTHTAG_LEN bytes to store the MAC. The nonce and index
 605    * are passed back out to the caller through the provided data pointer. */
 606   *r_idx = kp->kp_remote_index;
 607
 608   chacha20poly1305_calc (vm, src, srclen, dst, NULL, 0, *nonce,
 609                          VNET_CRYPTO_OP_CHACHA20_POLY1305_ENC,
 610                          kp->kp_send_index);
 611
 612   /* If our values are still within tolerances, but we are approaching
 613    * the tolerances, we notify the caller with ESTALE that they should
 614    * establish a new keypair. The current keypair can continue to be used
 615    * until the tolerances are hit. We notify if:
 616    *  - our send counter is valid and not less than REKEY_AFTER_MESSAGES
 617    *  - we're the initiator and our keypair is older than
 618    *    REKEY_AFTER_TIME seconds */
 619   ret = SC_KEEP_KEY_FRESH;
 620   if ((kp->kp_valid && *nonce >= REKEY_AFTER_MESSAGES) ||
 621       (kp->kp_is_initiator &&
 622        wg_birthdate_has_expired (kp->kp_birthdate, REKEY_AFTER_TIME)))
 623     goto error;
 624
 625   ret = SC_OK;
 626 error:
 627   return ret;
 628 }
 629
 630 enum noise_state_crypt
 631 noise_remote_decrypt (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r, uint32_t r_idx,
 632                       uint64_t nonce, uint8_t * src, size_t srclen,
 633                       uint8_t * dst)
 634 {
 635   noise_keypair_t *kp;
 636   enum noise_state_crypt ret = SC_FAILED;
 637
 638   if (r->r_current != NULL && r->r_current->kp_local_index == r_idx)
 639     {
 640       kp = r->r_current;
 641     }
 642   else if (r->r_previous != NULL && r->r_previous->kp_local_index == r_idx)
 643     {
 644       kp = r->r_previous;
 645     }
 646   else if (r->r_next != NULL && r->r_next->kp_local_index == r_idx)
 647     {
 648       kp = r->r_next;
 649     }
 650   else
 651     {
 652       goto error;
 653     }
 654
 655   /* We confirm that our values are within our tolerances. These values
 656    * are the same as the encrypt routine.
 657    *
 658    * kp_ctr isn't locked here, we're happy to accept a racy read. */
 659   if (wg_birthdate_has_expired (kp->kp_birthdate, REJECT_AFTER_TIME) ||
 660       kp->kp_ctr.c_recv >= REJECT_AFTER_MESSAGES)
 661     goto error;
 662
 663   /* Decrypt, then validate the counter. We don't want to validate the
 664    * counter before decrypting as we do not know the message is authentic
 665    * prior to decryption. */
 666   chacha20poly1305_calc (vm, src, srclen, dst, NULL, 0, nonce,
 667                          VNET_CRYPTO_OP_CHACHA20_POLY1305_DEC,
 668                          kp->kp_recv_index);
 669
 670   if (!noise_counter_recv (&kp->kp_ctr, nonce))
 671     goto error;
 672
 673   /* If we've received the handshake confirming data packet then move the
 674    * next keypair into current. If we do slide the next keypair in, then
 675    * we skip the REKEY_AFTER_TIME_RECV check. This is safe to do as a
 676    * data packet can't confirm a session that we are an INITIATOR of. */
 677   if (kp == r->r_next && kp->kp_local_index == r_idx)
 678     {
 679       noise_remote_keypair_free (vm, r, &r->r_previous);
 680       r->r_previous = r->r_current;
 681       r->r_current = r->r_next;
 682       r->r_next = NULL;
 683
 684       ret = SC_CONN_RESET;
 685       goto error;
 686     }
 687
 688
 689   /* Similar to when we encrypt, we want to notify the caller when we
 690    * are approaching our tolerances. We notify if:
 691    *  - we're the initiator and the current keypair is older than
 692    *    REKEY_AFTER_TIME_RECV seconds. */
 693   ret = SC_KEEP_KEY_FRESH;
 694   kp = r->r_current;
 695   if (kp != NULL &&
 696       kp->kp_valid &&
 697       kp->kp_is_initiator &&
 698       wg_birthdate_has_expired (kp->kp_birthdate, REKEY_AFTER_TIME_RECV))
 699     goto error;
 700
 701   ret = SC_OK;
 702 error:
 703   return ret;
 704 }
 705
 706 /* Private functions - these should not be called outside this file under any
 707  * circumstances. */
 708 static noise_keypair_t *
 709 noise_remote_keypair_allocate (noise_remote_t * r)
 710 {
 711   noise_keypair_t *kp;
 712   kp = clib_mem_alloc (sizeof (*kp));
 713   return kp;
 714 }
 715
 716 static void
 717 noise_remote_keypair_free (vlib_main_t * vm, noise_remote_t * r,
 718                            noise_keypair_t ** kp)
 719 {
 720   struct noise_upcall *u = &r->r_local->l_upcall;
 721   if (*kp)
 722     {
 723       u->u_index_drop ((*kp)->kp_local_index);
 724       vnet_crypto_key_del (vm, (*kp)->kp_send_index);
 725       vnet_crypto_key_del (vm, (*kp)->kp_recv_index);
 726       clib_mem_free (*kp);
 727     }
 728 }
 729
 730 static uint32_t
 731 noise_remote_handshake_index_get (noise_remote_t * r)
 732 {
 733   struct noise_upcall *u = &r->r_local->l_upcall;
 734   return u->u_index_set (r);
 735 }
 736
 737 static void
 738 noise_remote_handshake_index_drop (noise_remote_t * r)
 739 {
 740   noise_handshake_t *hs = &r->r_handshake;
 741   struct noise_upcall *u = &r->r_local->l_upcall;
 742   if (hs->hs_state != HS_ZEROED)
 743     u->u_index_drop (hs->hs_local_index);
 744 }
 745
 746 static uint64_t
 747 noise_counter_send (noise_counter_t * ctr)
 748 {
 749   uint64_t ret = ctr->c_send++;
 750   return ret;
 751 }
 752
 753 static bool
 754 noise_counter_recv (noise_counter_t * ctr, uint64_t recv)
 755 {
 756   uint64_t i, top, index_recv, index_ctr;
 757   unsigned long bit;
 758   bool ret = false;
 759
 760
 761   /* Check that the recv counter is valid */
 762   if (ctr->c_recv >= REJECT_AFTER_MESSAGES || recv >= REJECT_AFTER_MESSAGES)
 763     goto error;
 764
 765   /* If the packet is out of the window, invalid */
 766   if (recv + COUNTER_WINDOW_SIZE < ctr->c_recv)
 767     goto error;
 768
 769   /* If the new counter is ahead of the current counter, we'll need to
 770    * zero out the bitmap that has previously been used */
 771   index_recv = recv / COUNTER_BITS;
 772   index_ctr = ctr->c_recv / COUNTER_BITS;
 773
 774   if (recv > ctr->c_recv)
 775     {
 776       top = clib_min (index_recv - index_ctr, COUNTER_NUM);
 777       for (i = 1; i <= top; i++)
 778         ctr->c_backtrack[(i + index_ctr) & (COUNTER_NUM - 1)] = 0;
 779       ctr->c_recv = recv;
 780     }
 781
 782   index_recv %= COUNTER_NUM;
 783   bit = 1ul << (recv % COUNTER_BITS);
 784
 785   if (ctr->c_backtrack[index_recv] & bit)
 786     goto error;
 787
 788   ctr->c_backtrack[index_recv] |= bit;
 789
 790   ret = true;
 791 error:
 792   return ret;
 793 }
 794
 795 static void
 796 noise_kdf (uint8_t * a, uint8_t * b, uint8_t * c, const uint8_t * x,
 797            size_t a_len, size_t b_len, size_t c_len, size_t x_len,
 798            const uint8_t ck[NOISE_HASH_LEN])
 799 {
 800   uint8_t out[BLAKE2S_HASH_SIZE + 1];
 801   uint8_t sec[BLAKE2S_HASH_SIZE];
 802
 803   /* Extract entropy from "x" into sec */
 804   u32 l = 0;
 805   HMAC (EVP_blake2s256 (), ck, NOISE_HASH_LEN, x, x_len, sec, &l);
 806   ASSERT (l == BLAKE2S_HASH_SIZE);
 807   if (a == NULL || a_len == 0)
 808     goto out;
 809
 810   /* Expand first key: key = sec, data = 0x1 */
 811   out[0] = 1;
 812   HMAC (EVP_blake2s256 (), sec, BLAKE2S_HASH_SIZE, out, 1, out, &l);
 813   ASSERT (l == BLAKE2S_HASH_SIZE);
 814   clib_memcpy (a, out, a_len);
 815
 816   if (b == NULL || b_len == 0)
 817     goto out;
 818
 819   /* Expand second key: key = sec, data = "a" || 0x2 */
 820   out[BLAKE2S_HASH_SIZE] = 2;
 821   HMAC (EVP_blake2s256 (), sec, BLAKE2S_HASH_SIZE, out, BLAKE2S_HASH_SIZE + 1,
 822         out, &l);
 823   ASSERT (l == BLAKE2S_HASH_SIZE);
 824   clib_memcpy (b, out, b_len);
 825
 826   if (c == NULL || c_len == 0)
 827     goto out;
 828
 829   /* Expand third key: key = sec, data = "b" || 0x3 */
 830   out[BLAKE2S_HASH_SIZE] = 3;
 831   HMAC (EVP_blake2s256 (), sec, BLAKE2S_HASH_SIZE, out, BLAKE2S_HASH_SIZE + 1,
 832         out, &l);
 833   ASSERT (l == BLAKE2S_HASH_SIZE);
 834
 835   clib_memcpy (c, out, c_len);
 836
 837 out:
 838   /* Clear sensitive data from stack */
 839   secure_zero_memory (sec, BLAKE2S_HASH_SIZE);
 840   secure_zero_memory (out, BLAKE2S_HASH_SIZE + 1);
 841 }
 842
 843 static bool
 844 noise_mix_dh (uint8_t ck[NOISE_HASH_LEN],
 845               uint8_t key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN],
 846               const uint8_t private[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN],
 847               const uint8_t public[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN])
 848 {
 849   uint8_t dh[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN];
 850   if (!curve25519_gen_shared (dh, private, public))
 851     return false;
 852   noise_kdf (ck, key, NULL, dh,
 853              NOISE_HASH_LEN, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN, 0, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN,
 854              ck);
 855   secure_zero_memory (dh, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 856   return true;
 857 }
 858
 859 static bool
 860 noise_mix_ss (uint8_t ck[NOISE_HASH_LEN],
 861               uint8_t key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN],
 862               const uint8_t ss[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN])
 863 {
 864   static uint8_t null_point[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN];
 865   if (clib_memcmp (ss, null_point, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN) == 0)
 866     return false;
 867   noise_kdf (ck, key, NULL, ss,
 868              NOISE_HASH_LEN, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN, 0, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN,
 869              ck);
 870   return true;
 871 }
 872
 873 static void
 874 noise_mix_hash (uint8_t hash[NOISE_HASH_LEN], const uint8_t * src,
 875                 size_t src_len)
 876 {
 877   blake2s_state_t blake;
 878
 879   blake2s_init (&blake, NOISE_HASH_LEN);
 880   blake2s_update (&blake, hash, NOISE_HASH_LEN);
 881   blake2s_update (&blake, src, src_len);
 882   blake2s_final (&blake, hash, NOISE_HASH_LEN);
 883 }
 884
 885 static void
 886 noise_mix_psk (uint8_t ck[NOISE_HASH_LEN], uint8_t hash[NOISE_HASH_LEN],
 887                uint8_t key[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN],
 888                const uint8_t psk[NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN])
 889 {
 890   uint8_t tmp[NOISE_HASH_LEN];
 891
 892   noise_kdf (ck, tmp, key, psk,
 893              NOISE_HASH_LEN, NOISE_HASH_LEN, NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN,
 894              NOISE_SYMMETRIC_KEY_LEN, ck);
 895   noise_mix_hash (hash, tmp, NOISE_HASH_LEN);
 896   secure_zero_memory (tmp, NOISE_HASH_LEN);
 897 }
 898
 899 static void
 900 noise_param_init (uint8_t ck[NOISE_HASH_LEN], uint8_t hash[NOISE_HASH_LEN],
 901                   const uint8_t s[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN])
 902 {
 903   blake2s_state_t blake;
 904
 905   blake2s (ck, NOISE_HASH_LEN, (uint8_t *) NOISE_HANDSHAKE_NAME,
 906            strlen (NOISE_HANDSHAKE_NAME), NULL, 0);
 907
 908   blake2s_init (&blake, NOISE_HASH_LEN);
 909   blake2s_update (&blake, ck, NOISE_HASH_LEN);
 910   blake2s_update (&blake, (uint8_t *) NOISE_IDENTIFIER_NAME,
 911                   strlen (NOISE_IDENTIFIER_NAME));
 912   blake2s_final (&blake, hash, NOISE_HASH_LEN);
 913
 914   noise_mix_hash (hash, s, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 915 }
 916
 917 static void
 918 noise_msg_encrypt (vlib_main_t * vm, uint8_t * dst, uint8_t * src,
 919                    size_t src_len, uint32_t key_idx,
 920                    uint8_t hash[NOISE_HASH_LEN])
 921 {
 922   /* Nonce always zero for Noise_IK */
 923   chacha20poly1305_calc (vm, src, src_len, dst, hash, NOISE_HASH_LEN, 0,
 924                          VNET_CRYPTO_OP_CHACHA20_POLY1305_ENC, key_idx);
 925   noise_mix_hash (hash, dst, src_len + NOISE_AUTHTAG_LEN);
 926 }
 927
 928 static bool
 929 noise_msg_decrypt (vlib_main_t * vm, uint8_t * dst, uint8_t * src,
 930                    size_t src_len, uint32_t key_idx,
 931                    uint8_t hash[NOISE_HASH_LEN])
 932 {
 933   /* Nonce always zero for Noise_IK */
 934   chacha20poly1305_calc (vm, src, src_len, dst, hash, NOISE_HASH_LEN, 0,
 935                          VNET_CRYPTO_OP_CHACHA20_POLY1305_DEC, key_idx);
 936   noise_mix_hash (hash, src, src_len);
 937   return true;
 938 }
 939
 940 static void
 941 noise_msg_ephemeral (uint8_t ck[NOISE_HASH_LEN], uint8_t hash[NOISE_HASH_LEN],
 942                      const uint8_t src[NOISE_PUBLIC_KEY_LEN])
 943 {
 944   noise_mix_hash (hash, src, NOISE_PUBLIC_KEY_LEN);
 945   noise_kdf (ck, NULL, NULL, src, NOISE_HASH_LEN, 0, 0,
 946              NOISE_PUBLIC_KEY_LEN, ck);
 947 }
 948
 949 static void
 950 noise_tai64n_now (uint8_t output[NOISE_TIMESTAMP_LEN])
 951 {
 952   uint32_t unix_sec;
 953   uint32_t unix_nanosec;
 954
 955   uint64_t sec;
 956   uint32_t nsec;
 957
 958   unix_time_now_nsec_fraction (&unix_sec, &unix_nanosec);
 959
 960   /* Round down the nsec counter to limit precise timing leak. */
 961   unix_nanosec &= REJECT_INTERVAL_MASK;
 962
 963   /* https://cr.yp.to/libtai/tai64.html */
 964   sec = htobe64 (0x400000000000000aULL + unix_sec);
 965   nsec = htobe32 (unix_nanosec);
 966
 967   /* memcpy to output buffer, assuming output could be unaligned. */
 968   clib_memcpy (output, &sec, sizeof (sec));
 969   clib_memcpy (output + sizeof (sec), &nsec, sizeof (nsec));
 970 }
 971
 972 static void
 973 secure_zero_memory (void *v, size_t n)
 974 {
 975   static void *(*const volatile memset_v) (void *, int, size_t) = &memset;
 976   memset_v (v, 0, n);
 977 }
 978
 979 /*
 980  * fd.io coding-style-patch-verification: ON
 981  *
 982  * Local Variables:
 983  * eval: (c-set-style "gnu")
 984  * End:
 985  */