]> git.lizzy.rs Git - PAKEs.git/blob - spake2/src/lib.rs
562f3896798b3a5c6408e7bc16df94c443c63c56
[PAKEs.git] / spake2 / src / lib.rs
1 //! An implementation of the [SPAKE2][1] password-authenticated key-exchange
2 //! algorithm
3 //!
4 //! This library implements the SPAKE2 password-authenticated key exchange
5 //! ("PAKE") algorithm. This allows two parties, who share a weak password, to
6 //! safely derive a strong shared secret (and therefore build an
7 //! encrypted+authenticated channel).
8 //!
9 //! A passive attacker who eavesdrops on the connection learns no information
10 //! about the password or the generated secret. An active attacker
11 //! (man-in-the-middle) gets exactly one guess at the password, and unless they
12 //! get it right, they learn no information about the password or the generated
13 //! secret. Each execution of the protocol enables one guess. The use of a weak
14 //! password is made safer by the rate-limiting of guesses: no off-line
15 //! dictionary attack is available to the network-level attacker, and the
16 //! protocol does not depend upon having previously-established confidentiality
17 //! of the network (unlike e.g. sending a plaintext password over TLS).
18 //!
19 //! The protocol requires the exchange of one pair of messages, so only one round
20 //! trip is necessary to establish the session key. If key-confirmation is
21 //! necessary, that will require a second round trip.
22 //!
23 //! All messages are bytestrings. For the default security level (using the
24 //! Ed25519 elliptic curve, roughly equivalent to an 128-bit symmetric key), the
25 //! message is 33 bytes long.
26 //!
27 //! This implementation is generic over a `Group`, which defines the cyclic
28 //! group to use, the functions which convert group elements and scalars to
29 //! and from bytestrings, and the three distinctive group elements used in
30 //! the blinding process. Only one such Group is implemented, named
31 //! `Ed25519Group`, which provides fast operations and high security, and is
32 //! compatible with my [python
33 //! implementation](https://github.com/warner/python-spake2).
34 //!
35 //! # What Is It Good For?
36 //!
37 //! PAKE can be used in a pairing protocol, like the initial version of Firefox
38 //! Sync (the one with J-PAKE), to introduce one device to another and help them
39 //! share secrets. In this mode, one device creates a random code, the user
40 //! copies that code to the second device, then both devices use the code as a
41 //! one-time password and run the PAKE protocol. Once both devices have a shared
42 //! strong key, they can exchange other secrets safely.
43 //!
44 //! PAKE can also be used (carefully) in a login protocol, where SRP is perhaps
45 //! the best-known approach. Traditional non-PAKE login consists of sending a
46 //! plaintext password through a TLS-encrypted channel, to a server which then
47 //! checks it (by hashing/stretching and comparing against a stored verifier). In
48 //! a PAKE login, both sides put the password into their PAKE protocol, and then
49 //! confirm that their generated key is the same. This nominally does not require
50 //! the initial TLS-protected channel. However note that it requires other,
51 //! deeper design considerations (the PAKE protocol must be bound to whatever
52 //! protected channel you end up using, else the attacker can wait for PAKE to
53 //! complete normally and then steal the channel), and is not simply a drop-in
54 //! replacement. In addition, the server cannot hash/stretch the password very
55 //! much (see the note on "Augmented PAKE" below), so unless the client is
56 //! willing to perform key-stretching before running PAKE, the server's stored
57 //! verifier will be vulnerable to a low-cost dictionary attack.
58 //!
59 //! # Usage
60 //!
61 //! Add the `spake2 dependency to your `Cargo.toml`:
62 //!
63 //! ```toml
64 //! [dependencies]
65 //! spake2 = "0.1"
66 //! ```
67 //!
68 //! and this to your crate root:
69 //!
70 //! ```rust
71 //! extern crate spake2;
72 //! ```
73 //!
74 //!
75 //! Alice and Bob both initialize their SPAKE2 instances with the same (weak)
76 //! password. They will exchange messages to (hopefully) derive a shared secret
77 //! key. The protocol is symmetric: for each operation that Alice does, Bob will
78 //! do the same.
79 //!
80 //! However, there are two roles in the SPAKE2 protocol, "A" and "B". The two
81 //! sides must agree ahead of time which one will play which role (the
82 //! messages they generate depend upon which side they play). There are two
83 //! separate constructor functions, `start_a()` and `start_b()`, and a
84 //! complete interaction will use one of each (one `start_a` on one computer,
85 //! and one `start_b` on the other computer).
86 //!
87 //! Each instance of a SPAKE2 protocol uses a set of shared parameters. These
88 //! include a group, a generator, and a pair of arbitrary group elements.
89 //! This library comes a single pre-generated parameter set, but could be
90 //! extended with others.
91 //!
92 //! You start by calling `start_a()` (or `_b)` with the password and identity
93 //! strings for both sides. This gives you back a state object and the first
94 //! message, which you must send to your partner. Once you receive the
95 //! corresponding inbound message, you pass it into the state object
96 //! (consuming both in the process) by calling `s.finish()`, and you get back
97 //! the shared key as a bytestring.
98 //!
99 //! The password and identity strings must each be wrapped in a "newtype",
100 //! which is a simple `struct` that protects against swapping the different
101 //! types of bytestrings.
102 //!
103 //! Thus a client-side program start with:
104 //!
105 //! ```rust
106 //! use spake2::{Ed25519Group, Identity, Password, SPAKE2};
107 //! # fn send(msg: &[u8]) {}
108 //! let (s1, outbound_msg) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_a(
109 //!    &Password::new(b"password"),
110 //!    &Identity::new(b"client id string"),
111 //!    &Identity::new(b"server id string"));
112 //! send(&outbound_msg);
113 //!
114 //! # fn receive() -> Vec<u8> { let (s2, i2) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_b(&Password::new(b"password"), &Identity::new(b"client id string"), &Identity::new(b"server id string")); i2 }
115 //! let inbound_msg = receive();
116 //! let key1 = s1.finish(&inbound_msg).unwrap();
117 //! ```
118 //!
119 //! while the server-side might do:
120 //!
121 //! ```rust
122 //! # fn send(msg: &[u8]) {}
123 //! use spake2::{Ed25519Group, Identity, Password, SPAKE2};
124 //! let (s1, outbound_msg) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_b(
125 //!    &Password::new(b"password"),
126 //!    &Identity::new(b"client id string"),
127 //!    &Identity::new(b"server id string"));
128 //! send(&outbound_msg);
129 //!
130 //! # fn receive() -> Vec<u8> { let (s2, i2) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_a(&Password::new(b"password"), &Identity::new(b"client id string"), &Identity::new(b"server id string")); i2 }
131 //! let inbound_msg = receive();
132 //! let key2 = s1.finish(&inbound_msg).unwrap();
133 //! ```
134 //!
135 //! If both sides used the same password, and there is no man-in-the-middle,
136 //! then `key1` and `key2` will be identical. If not, the two sides will get
137 //! different keys. When one side encrypts with `key1`, and the other side
138 //! attempts to decrypt with `key2`, they'll get nothing but garbled noise.
139 //!
140 //! The shared key can be used as an HMAC key to provide data integrity on
141 //! subsequent messages, or as an authenticated-encryption key (e.g.
142 //! nacl.secretbox). It can also be fed into [HKDF] [1] to derive other
143 //! session keys as necessary.
144 //!
145 //! The `SPAKE2` instances, and the messages they create, are single-use. Create
146 //! a new one for each new session. `finish` consumes the instance.
147 //!
148 //! # Symmetric Usage
149 //!
150 //! A single SPAKE2 instance must be used asymmetrically: the two sides must
151 //! somehow decide (ahead of time) which role they will each play. The
152 //! implementation includes the side identifier in the exchanged message to
153 //! guard against a `start_a` talking to another `start_a`. Typically a
154 //! "client" will take on the `A` role, and the "server" will be `B`.
155 //!
156 //! This is a nuisance for more egalitarian protocols, where there's no clear
157 //! way to assign these roles ahead of time. In this case, use
158 //! `start_symmetric()` on both sides. This uses a different set of
159 //! parameters (so it is not interoperable with `start_A` or `start_b`), but
160 //! should otherwise behave the same way. The symmetric mode uses only one
161 //! identity string, not two.
162 //!
163 //! Carol does:
164 //!
165 //! ```rust
166 //! # fn send(msg: &[u8]) {}
167 //! use spake2::{Ed25519Group, Identity, Password, SPAKE2};
168 //! let (s1, outbound_msg) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_symmetric(
169 //!    &Password::new(b"password"),
170 //!    &Identity::new(b"shared id string"));
171 //! send(&outbound_msg);
172 //!
173 //! # fn receive() -> Vec<u8> { let (s2, i2) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_symmetric(&Password::new(b"password"), &Identity::new(b"shared id string")); i2 }
174 //! let inbound_msg = receive();
175 //! let key1 = s1.finish(&inbound_msg).unwrap();
176 //! ```
177 //!
178 //! Dave does exactly the same:
179 //!
180 //! ```rust
181 //! # fn send(msg: &[u8]) {}
182 //! use spake2::{Ed25519Group, Identity, Password, SPAKE2};
183 //! let (s1, outbound_msg) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_symmetric(
184 //!    &Password::new(b"password"),
185 //!    &Identity::new(b"shared id string"));
186 //! send(&outbound_msg);
187 //!
188 //! # fn receive() -> Vec<u8> { let (s2, i2) = SPAKE2::<Ed25519Group>::start_symmetric(&Password::new(b"password"), &Identity::new(b"shared id string")); i2 }
189 //! let inbound_msg = receive();
190 //! let key1 = s1.finish(&inbound_msg).unwrap();
191 //! ```
192 //!
193 //! # Identifier Strings
194 //!
195 //! The SPAKE2 protocol includes a pair of "identity strings" `idA` and `idB`
196 //! that are included in the final key-derivation hash. This binds the key to a
197 //! single pair of parties, or for some specific purpose.
198 //!
199 //! For example, when user "alice" logs into "example.com", both sides should set
200 //! `idA = b"alice"` and `idB = b"example.com"`. This prevents an attacker from
201 //! substituting messages from unrelated login sessions (other users on the same
202 //! server, or other servers for the same user).
203 //!
204 //! This also makes sure the session is established with the correct service. If
205 //! Alice has one password for "example.com" but uses it for both login and
206 //! file-transfer services, `idB` should be different for the two services.
207 //! Otherwise if Alice is simultaneously connecting to both services, and
208 //! attacker could rearrange the messages and cause her login client to connect
209 //! to the file-transfer server, and vice versa.
210 //!
211 //! `idA` and `idB` must be bytestrings (slices of `<u8>`).
212 //!
213 //! `start_symmetric` uses a single `idSymmetric=` string, instead of `idA`
214 //! and `idB`. Both sides must provide the same `idSymmetric=`, or leave it
215 //! empty.
216 //!
217 //! # Serialization
218 //!
219 //! Sometimes, you can't hold the SPAKE2 instance in memory for the whole
220 //! negotiation: perhaps all your program state is stored in a database, and
221 //! nothing lives in RAM for more than a few moments.
222 //!
223 //! Unfortunately the Rust implementation does not yet provide serialization
224 //! of the state object. A future version should correct this.
225 //!
226 //! # Security
227 //!
228 //! This library is probably not constant-time, and does not protect against
229 //! timing attacks. Do not allow attackers to measure how long it takes you
230 //! to create or respond to a message. This matters somewhat less for pairing
231 //! protocols, because their passwords are single-use randomly-generated
232 //! keys, so an attacker has much less to work with.
233 //!
234 //! This library depends upon a strong source of random numbers. Do not use it on
235 //! a system where os.urandom() is weak.
236 //!
237 //! # Speed
238 //!
239 //! To run the built-in speed tests, just run `cargo bench`.
240 //!
241 //! SPAKE2 consists of two phases, separated by a single message exchange.
242 //! The time these phases take is split roughly 50/50. On my 2.8GHz Core-i7
243 //! (i7-7600U) cpu, the built-in Ed25519Group parameters take about 112
244 //! microseconds for each phase, and the message exchanged is 33 bytes long.
245 //!
246 //! # Testing
247 //!
248 //! Run `cargo test` to run the built-in test suite.
249 //!
250 //! # History
251 //!
252 //! The protocol was described as "PAKE2" in ["cryptobook"] [2] from Dan Boneh
253 //! and Victor Shoup. This is a form of "SPAKE2", defined by Abdalla and
254 //! Pointcheval at [RSA 2005] [3]. Additional recommendations for groups and
255 //! distinguished elements were published in [Ladd's IETF draft] [4].
256 //!
257 //! The Ed25519 implementation uses code adapted from Daniel Bernstein (djb),
258 //! Matthew Dempsky, Daniel Holth, Ron Garret, with further optimizations by
259 //! Brian Warner[5]. The "arbitrary element" computation, which must be the same
260 //! for both participants, is from python-pure25519 version 0.5.
261 //!
262 //! The Boneh/Shoup chapter that defines PAKE2 also defines an augmented variant
263 //! named "PAKE2+", which changes one side (typically a server) to record a
264 //! derivative of the password instead of the actual password. In PAKE2+, a
265 //! server compromise does not immediately give access to the passwords: instead,
266 //! the attacker must perform an offline dictionary attack against the stolen
267 //! data before they can learn the passwords. PAKE2+ support is planned, but not
268 //! yet implemented.
269 //!
270 //! The security of the symmetric case was proved by Kobara/Imai[6] in 2003, and
271 //! uses different (slightly weaker?) reductions than that of the asymmetric
272 //! form. See also Mike Hamburg's analysis[7] from 2015.
273 //!
274 //! Brian Warner first wrote the Python version in July 2010. He wrote this
275 //! Rust version in in May 2017.
276 //!
277 //! ### footnotes
278 //!
279 //! [1]: https://tools.ietf.org/html/rfc5869 "HKDF"
280 //! [2]: http://crypto.stanford.edu/~dabo/cryptobook/  "cryptobook"
281 //! [3]: http://www.di.ens.fr/~pointche/Documents/Papers/2005_rsa.pdf "RSA 2005"
282 //! [4]: https://tools.ietf.org/html/draft-ladd-spake2-01 "Ladd's IETF draft"
283 //! [5]: https://github.com/warner/python-pure25519
284 //! [6]: http://eprint.iacr.org/2003/038.pdf "Pretty-Simple Password-Authenticated Key-Exchange Under Standard Assumptions"
285 //! [7]: https://moderncrypto.org/mail-archive/curves/2015/000419.html "PAKE questions"
286
287 #![doc(html_logo_url = "https://raw.githubusercontent.com/RustCrypto/meta/master/logo_small.png")]
288 #![deny(warnings)]
289 #![forbid(unsafe_code)]
290
291 use curve25519_dalek::constants::ED25519_BASEPOINT_POINT;
292 use curve25519_dalek::edwards::CompressedEdwardsY;
293 use curve25519_dalek::edwards::EdwardsPoint as c2_Element;
294 use curve25519_dalek::scalar::Scalar as c2_Scalar;
295 use hkdf::Hkdf;
296 use rand::{rngs::OsRng, CryptoRng, Rng};
297 use sha2::{Digest, Sha256};
298 use std::fmt;
299 use std::ops::Deref;
300
301 /* "newtype pattern": it's a Vec<u8>, but only used for a specific argument
302  * type, to distinguish between ones that are meant as passwords, and ones
303  * that are meant as identity strings */
304
305 #[derive(PartialEq, Eq, Clone)]
306 pub struct Password(Vec<u8>);
307 impl Password {
308     pub fn new(p: &[u8]) -> Password {
309         Password(p.to_vec())
310     }
311 }
312 impl Deref for Password {
313     type Target = Vec<u8>;
314     fn deref(&self) -> &Vec<u8> {
315         &self.0
316     }
317 }
318
319 #[derive(PartialEq, Eq, Clone)]
320 pub struct Identity(Vec<u8>);
321 impl Deref for Identity {
322     type Target = Vec<u8>;
323     fn deref(&self) -> &Vec<u8> {
324         &self.0
325     }
326 }
327 impl Identity {
328     pub fn new(p: &[u8]) -> Identity {
329         Identity(p.to_vec())
330     }
331 }
332
333 #[derive(Debug, PartialEq, Eq)]
334 pub enum ErrorType {
335     BadSide,
336     WrongLength,
337     CorruptMessage,
338 }
339
340 #[derive(Debug, PartialEq, Eq)]
341 pub struct SPAKEErr {
342     pub kind: ErrorType,
343 }
344
345 pub trait Group {
346     type Scalar;
347     type Element;
348     //type Element: Add<Output=Self::Element>
349     //    + Mul<Self::Scalar, Output=Self::Element>;
350     // const element_length: usize; // in unstable, or u8
351     //type ElementBytes : Index<usize, Output=u8>+IndexMut<usize>; // later
352     type TranscriptHash;
353     fn name() -> &'static str;
354     fn const_m() -> Self::Element;
355     fn const_n() -> Self::Element;
356     fn const_s() -> Self::Element;
357     fn hash_to_scalar(s: &[u8]) -> Self::Scalar;
358     fn random_scalar<T>(cspring: &mut T) -> Self::Scalar
359     where
360         T: Rng + CryptoRng;
361     fn scalar_neg(s: &Self::Scalar) -> Self::Scalar;
362     fn element_to_bytes(e: &Self::Element) -> Vec<u8>;
363     fn bytes_to_element(b: &[u8]) -> Option<Self::Element>;
364     fn element_length() -> usize;
365     fn basepoint_mult(s: &Self::Scalar) -> Self::Element;
366     fn scalarmult(e: &Self::Element, s: &Self::Scalar) -> Self::Element;
367     fn add(a: &Self::Element, b: &Self::Element) -> Self::Element;
368 }
369
370 #[derive(Debug, PartialEq, Eq)]
371 pub struct Ed25519Group;
372
373 impl Group for Ed25519Group {
374     type Scalar = c2_Scalar;
375     type Element = c2_Element;
376     //type ElementBytes = Vec<u8>;
377     //type ElementBytes = [u8; 32];
378     //type ScalarBytes
379     type TranscriptHash = Sha256;
380
381     fn name() -> &'static str {
382         "Ed25519"
383     }
384
385     fn const_m() -> c2_Element {
386         // python -c "import binascii, spake2; b=binascii.hexlify(spake2.ParamsEd25519.M.to_bytes()); print(', '.join(['0x'+b[i:i+2] for i in range(0,len(b),2)]))"
387         // 15cfd18e385952982b6a8f8c7854963b58e34388c8e6dae891db756481a02312
388         CompressedEdwardsY([
389             0x15, 0xcf, 0xd1, 0x8e, 0x38, 0x59, 0x52, 0x98, 0x2b, 0x6a, 0x8f, 0x8c, 0x78, 0x54,
390             0x96, 0x3b, 0x58, 0xe3, 0x43, 0x88, 0xc8, 0xe6, 0xda, 0xe8, 0x91, 0xdb, 0x75, 0x64,
391             0x81, 0xa0, 0x23, 0x12,
392         ])
393         .decompress()
394         .unwrap()
395     }
396
397     fn const_n() -> c2_Element {
398         // python -c "import binascii, spake2; b=binascii.hexlify(spake2.ParamsEd25519.N.to_bytes()); print(', '.join(['0x'+b[i:i+2] for i in range(0,len(b),2)]))"
399         // f04f2e7eb734b2a8f8b472eaf9c3c632576ac64aea650b496a8a20ff00e583c3
400         CompressedEdwardsY([
401             0xf0, 0x4f, 0x2e, 0x7e, 0xb7, 0x34, 0xb2, 0xa8, 0xf8, 0xb4, 0x72, 0xea, 0xf9, 0xc3,
402             0xc6, 0x32, 0x57, 0x6a, 0xc6, 0x4a, 0xea, 0x65, 0x0b, 0x49, 0x6a, 0x8a, 0x20, 0xff,
403             0x00, 0xe5, 0x83, 0xc3,
404         ])
405         .decompress()
406         .unwrap()
407     }
408
409     fn const_s() -> c2_Element {
410         // python -c "import binascii, spake2; b=binascii.hexlify(spake2.ParamsEd25519.S.to_bytes()); print(', '.join(['0x'+b[i:i+2] for i in range(0,len(b),2)]))"
411         // 6f00dae87c1be1a73b5922ef431cd8f57879569c222d22b1cd71e8546ab8e6f1
412         CompressedEdwardsY([
413             0x6f, 0x00, 0xda, 0xe8, 0x7c, 0x1b, 0xe1, 0xa7, 0x3b, 0x59, 0x22, 0xef, 0x43, 0x1c,
414             0xd8, 0xf5, 0x78, 0x79, 0x56, 0x9c, 0x22, 0x2d, 0x22, 0xb1, 0xcd, 0x71, 0xe8, 0x54,
415             0x6a, 0xb8, 0xe6, 0xf1,
416         ])
417         .decompress()
418         .unwrap()
419     }
420
421     fn hash_to_scalar(s: &[u8]) -> c2_Scalar {
422         ed25519_hash_to_scalar(s)
423     }
424     fn random_scalar<T>(cspring: &mut T) -> c2_Scalar
425     where
426         T: Rng + CryptoRng,
427     {
428         c2_Scalar::random(cspring)
429     }
430     fn scalar_neg(s: &c2_Scalar) -> c2_Scalar {
431         -s
432     }
433     fn element_to_bytes(s: &c2_Element) -> Vec<u8> {
434         s.compress().as_bytes().to_vec()
435     }
436     fn element_length() -> usize {
437         32
438     }
439     fn bytes_to_element(b: &[u8]) -> Option<c2_Element> {
440         if b.len() != 32 {
441             return None;
442         }
443         //let mut bytes: [u8; 32] =
444         let mut bytes = [0u8; 32];
445         bytes.copy_from_slice(b);
446         let cey = CompressedEdwardsY(bytes);
447         // CompressedEdwardsY::new(b)
448         cey.decompress()
449     }
450
451     fn basepoint_mult(s: &c2_Scalar) -> c2_Element {
452         //c2_Element::basepoint_mult(s)
453         ED25519_BASEPOINT_POINT * s
454     }
455     fn scalarmult(e: &c2_Element, s: &c2_Scalar) -> c2_Element {
456         e * s
457         //e.scalar_mult(s)
458     }
459     fn add(a: &c2_Element, b: &c2_Element) -> c2_Element {
460         a + b
461         //a.add(b)
462     }
463 }
464
465 fn ed25519_hash_to_scalar(s: &[u8]) -> c2_Scalar {
466     //c2_Scalar::hash_from_bytes::<Sha512>(&s)
467     // spake2.py does:
468     //  h = HKDF(salt=b"", ikm=s, hash=SHA256, info=b"SPAKE2 pw", len=32+16)
469     //  i = int(h, 16)
470     //  i % q
471
472     let mut okm = [0u8; 32 + 16];
473     Hkdf::<Sha256>::new(Some(b""), s)
474         .expand(b"SPAKE2 pw", &mut okm)
475         .unwrap();
476     //println!("expanded:   {}{}", "................................", okm.iter().to_hex()); // ok
477
478     let mut reducible = [0u8; 64]; // little-endian
479     for (i, x) in okm.iter().enumerate().take(32 + 16) {
480         reducible[32 + 16 - 1 - i] = *x;
481     }
482     //println!("reducible:  {}", reducible.iter().to_hex());
483     c2_Scalar::from_bytes_mod_order_wide(&reducible)
484     //let reduced = c2_Scalar::reduce(&reducible);
485     //println!("reduced:    {}", reduced.as_bytes().to_hex());
486     //println!("done");
487     //reduced
488 }
489
490 fn ed25519_hash_ab(
491     password_vec: &[u8],
492     id_a: &[u8],
493     id_b: &[u8],
494     first_msg: &[u8],
495     second_msg: &[u8],
496     key_bytes: &[u8],
497 ) -> Vec<u8> {
498     assert_eq!(first_msg.len(), 32);
499     assert_eq!(second_msg.len(), 32);
500     // the transcript is fixed-length, made up of 6 32-byte values:
501     // byte 0-31   : sha256(pw)
502     // byte 32-63  : sha256(idA)
503     // byte 64-95  : sha256(idB)
504     // byte 96-127 : X_msg
505     // byte 128-159: Y_msg
506     // byte 160-191: K_bytes
507     let mut transcript = [0u8; 6 * 32];
508
509     let mut pw_hash = Sha256::new();
510     pw_hash.update(password_vec);
511     transcript[0..32].copy_from_slice(&pw_hash.finalize());
512
513     let mut ida_hash = Sha256::new();
514     ida_hash.update(id_a);
515     transcript[32..64].copy_from_slice(&ida_hash.finalize());
516
517     let mut idb_hash = Sha256::new();
518     idb_hash.update(id_b);
519     transcript[64..96].copy_from_slice(&idb_hash.finalize());
520
521     transcript[96..128].copy_from_slice(first_msg);
522     transcript[128..160].copy_from_slice(second_msg);
523     transcript[160..192].copy_from_slice(key_bytes);
524
525     //println!("transcript: {:?}", transcript.iter().to_hex());
526
527     //let mut hash = G::TranscriptHash::default();
528     let mut hash = Sha256::new();
529     hash.update(transcript.to_vec());
530     hash.finalize().to_vec()
531 }
532
533 fn ed25519_hash_symmetric(
534     password_vec: &[u8],
535     id_s: &[u8],
536     msg_u: &[u8],
537     msg_v: &[u8],
538     key_bytes: &[u8],
539 ) -> Vec<u8> {
540     assert_eq!(msg_u.len(), 32);
541     assert_eq!(msg_v.len(), 32);
542     // # since we don't know which side is which, we must sort the messages
543     // first_msg, second_msg = sorted([msg1, msg2])
544     // transcript = b"".join([sha256(pw).digest(),
545     //                        sha256(idSymmetric).digest(),
546     //                        first_msg, second_msg, K_bytes])
547
548     // the transcript is fixed-length, made up of 5 32-byte values:
549     // byte 0-31   : sha256(pw)
550     // byte 32-63  : sha256(idSymmetric)
551     // byte 64-95  : X_msg
552     // byte 96-127 : Y_msg
553     // byte 128-159: K_bytes
554     let mut transcript = [0u8; 5 * 32];
555
556     let mut pw_hash = Sha256::new();
557     pw_hash.update(password_vec);
558     transcript[0..32].copy_from_slice(&pw_hash.finalize());
559
560     let mut ids_hash = Sha256::new();
561     ids_hash.update(id_s);
562     transcript[32..64].copy_from_slice(&ids_hash.finalize());
563
564     if msg_u < msg_v {
565         transcript[64..96].copy_from_slice(msg_u);
566         transcript[96..128].copy_from_slice(msg_v);
567     } else {
568         transcript[64..96].copy_from_slice(msg_v);
569         transcript[96..128].copy_from_slice(msg_u);
570     }
571     transcript[128..160].copy_from_slice(key_bytes);
572
573     let mut hash = Sha256::new();
574     hash.update(transcript.to_vec());
575     hash.finalize().to_vec()
576 }
577
578 /* "session type pattern" */
579
580 #[derive(Debug, PartialEq, Eq)]
581 enum Side {
582     A,
583     B,
584     Symmetric,
585 }
586
587 // we implement a custom Debug below, to avoid revealing secrets in a dump
588 #[derive(PartialEq, Eq)]
589 pub struct SPAKE2<G: Group> {
590     //where &G::Scalar: Neg {
591     side: Side,
592     xy_scalar: G::Scalar,
593     password_vec: Vec<u8>,
594     id_a: Vec<u8>,
595     id_b: Vec<u8>,
596     id_s: Vec<u8>,
597     msg1: Vec<u8>,
598     password_scalar: G::Scalar,
599 }
600
601 impl<G: Group> SPAKE2<G> {
602     fn start_internal(
603         side: Side,
604         password: &Password,
605         id_a: &Identity,
606         id_b: &Identity,
607         id_s: &Identity,
608         xy_scalar: G::Scalar,
609     ) -> (SPAKE2<G>, Vec<u8>) {
610         //let password_scalar: G::Scalar = hash_to_scalar::<G::Scalar>(password);
611         let password_scalar: G::Scalar = G::hash_to_scalar(&password);
612
613         // a: X = B*x + M*pw
614         // b: Y = B*y + N*pw
615         // sym: X = B*x * S*pw
616         let blinding = match side {
617             Side::A => G::const_m(),
618             Side::B => G::const_n(),
619             Side::Symmetric => G::const_s(),
620         };
621         let m1: G::Element = G::add(
622             &G::basepoint_mult(&xy_scalar),
623             &G::scalarmult(&blinding, &password_scalar),
624         );
625         //let m1: G::Element = &G::basepoint_mult(&x) + &(blinding * &password_scalar);
626         let msg1: Vec<u8> = G::element_to_bytes(&m1);
627         let mut password_vec = Vec::new();
628         password_vec.extend_from_slice(&password);
629         let mut id_a_copy = Vec::new();
630         id_a_copy.extend_from_slice(&id_a);
631         let mut id_b_copy = Vec::new();
632         id_b_copy.extend_from_slice(&id_b);
633         let mut id_s_copy = Vec::new();
634         id_s_copy.extend_from_slice(&id_s);
635
636         let mut msg_and_side = Vec::new();
637         msg_and_side.push(match side {
638             Side::A => 0x41,         // 'A'
639             Side::B => 0x42,         // 'B'
640             Side::Symmetric => 0x53, // 'S'
641         });
642         msg_and_side.extend_from_slice(&msg1);
643
644         (
645             SPAKE2 {
646                 side,
647                 xy_scalar,
648                 password_vec, // string
649                 id_a: id_a_copy,
650                 id_b: id_b_copy,
651                 id_s: id_s_copy,
652                 msg1,
653                 password_scalar, // scalar
654             },
655             msg_and_side,
656         )
657     }
658
659     fn start_a_internal(
660         password: &Password,
661         id_a: &Identity,
662         id_b: &Identity,
663         xy_scalar: G::Scalar,
664     ) -> (SPAKE2<G>, Vec<u8>) {
665         Self::start_internal(
666             Side::A,
667             &password,
668             &id_a,
669             &id_b,
670             &Identity::new(b""),
671             xy_scalar,
672         )
673     }
674
675     fn start_b_internal(
676         password: &Password,
677         id_a: &Identity,
678         id_b: &Identity,
679         xy_scalar: G::Scalar,
680     ) -> (SPAKE2<G>, Vec<u8>) {
681         Self::start_internal(
682             Side::B,
683             &password,
684             &id_a,
685             &id_b,
686             &Identity::new(b""),
687             xy_scalar,
688         )
689     }
690
691     fn start_symmetric_internal(
692         password: &Password,
693         id_s: &Identity,
694         xy_scalar: G::Scalar,
695     ) -> (SPAKE2<G>, Vec<u8>) {
696         Self::start_internal(
697             Side::Symmetric,
698             &password,
699             &Identity::new(b""),
700             &Identity::new(b""),
701             &id_s,
702             xy_scalar,
703         )
704     }
705
706     pub fn start_a(password: &Password, id_a: &Identity, id_b: &Identity) -> (SPAKE2<G>, Vec<u8>) {
707         let mut cspring: OsRng = OsRng::new().unwrap();
708         let xy_scalar: G::Scalar = G::random_scalar(&mut cspring);
709         Self::start_a_internal(&password, &id_a, &id_b, xy_scalar)
710     }
711
712     pub fn start_b(password: &Password, id_a: &Identity, id_b: &Identity) -> (SPAKE2<G>, Vec<u8>) {
713         let mut cspring: OsRng = OsRng::new().unwrap();
714         let xy_scalar: G::Scalar = G::random_scalar(&mut cspring);
715         Self::start_b_internal(&password, &id_a, &id_b, xy_scalar)
716     }
717
718     pub fn start_symmetric(password: &Password, id_s: &Identity) -> (SPAKE2<G>, Vec<u8>) {
719         let mut cspring: OsRng = OsRng::new().unwrap();
720         let xy_scalar: G::Scalar = G::random_scalar(&mut cspring);
721         Self::start_symmetric_internal(&password, &id_s, xy_scalar)
722     }
723
724     pub fn finish(self, msg2: &[u8]) -> Result<Vec<u8>, SPAKEErr> {
725         if msg2.len() != 1 + G::element_length() {
726             return Err(SPAKEErr {
727                 kind: ErrorType::WrongLength,
728             });
729         }
730         let msg_side = msg2[0];
731
732         match self.side {
733             Side::A => match msg_side {
734                 0x42 => (), // 'B'
735                 _ => {
736                     return Err(SPAKEErr {
737                         kind: ErrorType::BadSide,
738                     })
739                 }
740             },
741             Side::B => match msg_side {
742                 0x41 => (), // 'A'
743                 _ => {
744                     return Err(SPAKEErr {
745                         kind: ErrorType::BadSide,
746                     })
747                 }
748             },
749             Side::Symmetric => match msg_side {
750                 0x53 => (), // 'S'
751                 _ => {
752                     return Err(SPAKEErr {
753                         kind: ErrorType::BadSide,
754                     })
755                 }
756             },
757         }
758
759         let msg2_element = match G::bytes_to_element(&msg2[1..]) {
760             Some(x) => x,
761             None => {
762                 return Err(SPAKEErr {
763                     kind: ErrorType::CorruptMessage,
764                 })
765             }
766         };
767
768         // a: K = (Y+N*(-pw))*x
769         // b: K = (X+M*(-pw))*y
770         let unblinding = match self.side {
771             Side::A => G::const_n(),
772             Side::B => G::const_m(),
773             Side::Symmetric => G::const_s(),
774         };
775         let tmp1 = G::scalarmult(&unblinding, &G::scalar_neg(&self.password_scalar));
776         let tmp2 = G::add(&msg2_element, &tmp1);
777         let key_element = G::scalarmult(&tmp2, &self.xy_scalar);
778         let key_bytes = G::element_to_bytes(&key_element);
779
780         // key = H(H(pw) + H(idA) + H(idB) + X + Y + K)
781         //transcript = b"".join([sha256(pw).digest(),
782         //                       sha256(idA).digest(), sha256(idB).digest(),
783         //                       X_msg, Y_msg, K_bytes])
784         //key = sha256(transcript).digest()
785         // note that both sides must use the same order
786
787         Ok(match self.side {
788             Side::A => ed25519_hash_ab(
789                 &self.password_vec,
790                 &self.id_a,
791                 &self.id_b,
792                 self.msg1.as_slice(),
793                 &msg2[1..],
794                 &key_bytes,
795             ),
796             Side::B => ed25519_hash_ab(
797                 &self.password_vec,
798                 &self.id_a,
799                 &self.id_b,
800                 &msg2[1..],
801                 self.msg1.as_slice(),
802                 &key_bytes,
803             ),
804             Side::Symmetric => ed25519_hash_symmetric(
805                 &self.password_vec,
806                 &self.id_s,
807                 &self.msg1,
808                 &msg2[1..],
809                 &key_bytes,
810             ),
811         })
812     }
813 }
814
815 fn maybe_utf8(s: &[u8]) -> String {
816     match String::from_utf8(s.to_vec()) {
817         Ok(m) => format!("(s={})", m),
818         Err(_) => format!("(hex={})", hex::encode(s)),
819     }
820 }
821
822 impl<G: Group> fmt::Debug for SPAKE2<G> {
823     fn fmt(&self, fmt: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
824         fmt.debug_struct("SPAKE2")
825             .field("group", &G::name())
826             .field("side", &self.side)
827             .field("idA", &maybe_utf8(&self.id_a))
828             .field("idB", &maybe_utf8(&self.id_b))
829             .field("idS", &maybe_utf8(&self.id_s))
830             .finish()
831     }
832 }
833
834 #[cfg(test)]
835 mod tests;