bluesky/crypto.c

   1 /* Blue Sky: File Systems in the Cloud
   2  *
   3  * Copyright (C) 2009  The Regents of the University of California
   4  * Written by Michael Vrable <mvrable@cs.ucsd.edu>
   5  *
   6  * TODO: Licensing
   7  */
   8
   9 #include <stdint.h>
  10 #include <assert.h>
  11 #include <errno.h>
  12 #include <pthread.h>
  13 #include <glib.h>
  14 #include <string.h>
  15 #include <gcrypt.h>
  16
  17 #include "bluesky-private.h"
  18
  19 /* Cryptographic operations.  The rest of the BlueSky code merely calls into
  20  * the functions in this file, so this is the only point where we interface
  21  * with an external cryptographic library. */
  22
  23 /* TODO: We ought to switch to an authenticated encryption mode like EAX. */
  24
  25 GCRY_THREAD_OPTION_PTHREAD_IMPL;
  26
  27 void bluesky_crypt_init()
  28 {
  29     gcry_control(GCRYCTL_SET_THREAD_CBS, &gcry_threads_pthread);
  30
  31     if (gcry_control(GCRYCTL_INITIALIZATION_FINISHED_P))
  32         return;
  33
  34     if (!gcry_check_version(GCRYPT_VERSION))
  35         g_error("libgcrypt version mismatch\n");
  36
  37     gcry_control(GCRYCTL_DISABLE_SECMEM, 0);
  38     gcry_control(GCRYCTL_INITIALIZATION_FINISHED, 0);
  39 }
  40
  41 /* Return cryptographically-strong random data. */
  42 void bluesky_crypt_random_bytes(guchar *buf, gint len)
  43 {
  44     gcry_randomize(buf, len, GCRY_STRONG_RANDOM);
  45 }
  46
  47 /* Hash a string down to an encryption key. */
  48 void bluesky_crypt_hash_key(const char *keystr, uint8_t *out)
  49 {
  50     guint8 raw_csum[32];
  51     gsize csum_len = sizeof(raw_csum);
  52
  53     assert(CRYPTO_KEY_SIZE == 16);
  54
  55     GChecksum *csum = g_checksum_new(G_CHECKSUM_SHA256);
  56     g_checksum_update(csum, (const guchar *)keystr, strlen(keystr));
  57     g_checksum_get_digest(csum, raw_csum, &csum_len);
  58     g_checksum_free(csum);
  59
  60     memcpy(out, raw_csum, CRYPTO_KEY_SIZE);
  61 }
  62
  63 /* Compute an HMAC of a given data block with the given key.  The key and
  64  * output should both as large as the hash output size. */
  65 #define MD_ALGO GCRY_MD_SHA256
  66 void bluesky_crypt_hmac(const char *buf, size_t bufsize,
  67                         const uint8_t key[CRYPTO_HASH_SIZE],
  68                         uint8_t output[CRYPTO_HASH_SIZE])
  69 {
  70     gcry_error_t status;
  71     gcry_md_hd_t handle;
  72
  73     g_assert(gcry_md_get_algo_dlen(MD_ALGO) == CRYPTO_HASH_SIZE);
  74
  75     status = gcry_md_open(&handle, MD_ALGO, GCRY_MD_FLAG_HMAC);
  76     if (status) {
  77         g_error("gcrypt error setting up message digest: %s\n",
  78                 gcry_strerror(status));
  79         g_assert(FALSE);
  80     }
  81
  82     status = gcry_md_setkey(handle, key, CRYPTO_HASH_SIZE);
  83     if (status) {
  84         g_error("gcrypt error setting HMAC key: %s\n",
  85                 gcry_strerror(status));
  86         g_assert(FALSE);
  87     }
  88
  89     gcry_md_write(handle, buf, bufsize);
  90
  91     unsigned char *digest = gcry_md_read(handle, MD_ALGO);
  92     memcpy(output, digest, CRYPTO_HASH_SIZE);
  93
  94     gcry_md_close(handle);
  95 }
  96
  97 void bluesky_crypt_derive_keys(BlueSkyCryptKeys *keys, const gchar *master)
  98 {
  99     uint8_t outbuf[CRYPTO_HASH_SIZE];
 100
 101     const char *key_type = "ENCRYPT";
 102     bluesky_crypt_hmac(key_type, strlen(key_type),
 103                        (const uint8_t *)master, outbuf);
 104     memcpy(keys->encryption_key, outbuf, sizeof(keys->encryption_key));
 105
 106     key_type = "AUTH";
 107     bluesky_crypt_hmac(key_type, strlen(key_type),
 108                        (const uint8_t *)master, outbuf);
 109     memcpy(keys->authentication_key, outbuf, sizeof(keys->authentication_key));
 110 }
 111
 112 /* A boolean: are blocks of the specified type encrypted in the BlueSky file
 113  * system? */
 114 gboolean bluesky_crypt_block_needs_encryption(uint8_t type)
 115 {
 116     type -= '0';
 117
 118     switch (type) {
 119     case LOGTYPE_DATA:
 120     case LOGTYPE_INODE:
 121         return TRUE;
 122     case LOGTYPE_INODE_MAP:
 123     case LOGTYPE_CHECKPOINT:
 124         return FALSE;
 125     default:
 126         g_warning("Unknown log item type in crypto layer: %d!\n",
 127                   type);
 128         return TRUE;
 129     }
 130 }
 131
 132 void bluesky_crypt_block_encrypt(gchar *cloud_block, size_t len,
 133                                  BlueSkyCryptKeys *keys)
 134 {
 135     gcry_error_t status;
 136     gcry_cipher_hd_t handle;
 137
 138     status = gcry_cipher_open(&handle, GCRY_CIPHER_AES, GCRY_CIPHER_MODE_CTR,
 139                               0);
 140     if (status) {
 141         g_error("gcrypt error setting up encryption: %s\n",
 142                 gcry_strerror(status));
 143     }
 144
 145     struct cloudlog_header *header = (struct cloudlog_header *)cloud_block;
 146     g_assert(memcmp(header->magic, CLOUDLOG_MAGIC, sizeof(header->magic)) == 0);
 147
 148     gcry_cipher_setkey(handle, keys->encryption_key, CRYPTO_KEY_SIZE);
 149     if (status) {
 150         g_error("gcrypt error setting key: %s\n",
 151                 gcry_strerror(status));
 152     }
 153
 154     gboolean encrypted = bluesky_crypt_block_needs_encryption(header->type);
 155
 156     if (encrypted) {
 157         header->magic[3] ^= 0x10;
 158
 159         bluesky_crypt_random_bytes(header->crypt_iv, sizeof(header->crypt_iv));
 160         status = gcry_cipher_setctr(handle, header->crypt_iv,
 161                                     sizeof(header->crypt_iv));
 162         if (status) {
 163             g_error("gcrypt error setting IV: %s\n",
 164                     gcry_strerror(status));
 165         }
 166
 167         status = gcry_cipher_encrypt(handle,
 168                                      cloud_block + sizeof(struct cloudlog_header),
 169                                      GUINT32_FROM_LE(header->size1),
 170                                      NULL, 0);
 171         if (status) {
 172             g_error("gcrypt error encrypting: %s\n",
 173                     gcry_strerror(status));
 174         }
 175     } else {
 176         memset(header->crypt_iv, 0, sizeof(header->crypt_iv));
 177     }
 178
 179     bluesky_crypt_hmac((char *)&header->crypt_iv,
 180                        cloud_block + len - (char *)&header->crypt_iv - GUINT32_FROM_LE(header->size3),
 181                        keys->authentication_key,
 182                        header->crypt_auth);
 183
 184     gcry_cipher_close(handle);
 185 }
 186
 187 gboolean bluesky_crypt_block_decrypt(gchar *cloud_block, size_t len,
 188                                      BlueSkyCryptKeys *keys,
 189                                      gboolean allow_unauth)
 190 {
 191     gcry_error_t status;
 192     uint8_t hmac_check[CRYPTO_HASH_SIZE];
 193
 194     gboolean encrypted = TRUE;
 195
 196     struct cloudlog_header *header = (struct cloudlog_header *)cloud_block;
 197     if (memcmp(header->magic, CLOUDLOG_MAGIC,
 198                     sizeof(header->magic)) == 0)
 199         encrypted = FALSE;
 200     else
 201         g_assert(memcmp(header->magic, CLOUDLOG_MAGIC_ENCRYPTED,
 202                         sizeof(header->magic)) == 0);
 203
 204     if (encrypted != bluesky_crypt_block_needs_encryption(header->type)) {
 205         g_warning("Encrypted status of item does not match expected!\n");
 206     }
 207
 208     bluesky_crypt_hmac((char *)&header->crypt_iv,
 209                        cloud_block + len - (char *)&header->crypt_iv - GUINT32_FROM_LE(header->size3),
 210                        keys->authentication_key,
 211                        hmac_check);
 212     if (memcmp(hmac_check, header->crypt_auth, CRYPTO_HASH_SIZE) != 0) {
 213         g_warning("Cloud block HMAC does not match!");
 214         if (allow_unauth
 215             && (header->type == LOGTYPE_INODE_MAP + '0'
 216                 || header->type == LOGTYPE_CHECKPOINT + '0'))
 217         {
 218             g_warning("Allowing unauthenticated data from cleaner");
 219         } else {
 220             return FALSE;
 221         }
 222     }
 223
 224     if (encrypted) {
 225         gcry_cipher_hd_t handle;
 226         status = gcry_cipher_open(&handle, GCRY_CIPHER_AES,
 227                                   GCRY_CIPHER_MODE_CTR, 0);
 228         if (status) {
 229             g_error("gcrypt error setting up encryption: %s\n",
 230                     gcry_strerror(status));
 231         }
 232
 233         gcry_cipher_setkey(handle, keys->encryption_key, CRYPTO_KEY_SIZE);
 234         if (status) {
 235             g_error("gcrypt error setting key: %s\n",
 236                     gcry_strerror(status));
 237         }
 238
 239         status = gcry_cipher_setctr(handle, header->crypt_iv,
 240                                     sizeof(header->crypt_iv));
 241         if (status) {
 242             g_error("gcrypt error setting IV: %s\n",
 243                     gcry_strerror(status));
 244         }
 245
 246         status = gcry_cipher_decrypt(handle,
 247                                      cloud_block + sizeof(struct cloudlog_header),
 248                                      GUINT32_FROM_LE(header->size1),
 249                                      NULL, 0);
 250         if (status) {
 251             g_error("gcrypt error decrypting: %s\n",
 252                     gcry_strerror(status));
 253         }
 254         header->magic[3] ^= 0x10;
 255         memset(header->crypt_iv, 0, sizeof(header->crypt_iv));
 256
 257         gcry_cipher_close(handle);
 258     }
 259
 260     return TRUE;
 261 }