Branch data Line data Source code
1 : : /*
2 : : * 3GPP AKA - Milenage algorithm (3GPP TS 35.205, .206, .207, .208)
3 : : * Copyright (c) 2006-2007 <j@w1.fi>
4 : : *
5 : : * This software may be distributed under the terms of the BSD license.
6 : : * See README for more details.
7 : : *
8 : : * This file implements an example authentication algorithm defined for 3GPP
9 : : * AKA. This can be used to implement a simple HLR/AuC into hlr_auc_gw to allow
10 : : * EAP-AKA to be tested properly with real USIM cards.
11 : : *
12 : : * This implementations assumes that the r1..r5 and c1..c5 constants defined in
13 : : * TS 35.206 are used, i.e., r1=64, r2=0, r3=32, r4=64, r5=96, c1=00..00,
14 : : * c2=00..01, c3=00..02, c4=00..04, c5=00..08. The block cipher is assumed to
15 : : * be AES (Rijndael).
16 : : */
17 : :
18 : : #include "includes.h"
19 : :
20 : : #include "common.h"
21 : : #include "crypto/aes_wrap.h"
22 : : #include "milenage.h"
23 : :
24 : :
25 : : /**
26 : : * milenage_f1 - Milenage f1 and f1* algorithms
27 : : * @opc: OPc = 128-bit value derived from OP and K
28 : : * @k: K = 128-bit subscriber key
29 : : * @_rand: RAND = 128-bit random challenge
30 : : * @sqn: SQN = 48-bit sequence number
31 : : * @amf: AMF = 16-bit authentication management field
32 : : * @mac_a: Buffer for MAC-A = 64-bit network authentication code, or %NULL
33 : : * @mac_s: Buffer for MAC-S = 64-bit resync authentication code, or %NULL
34 : : * Returns: 0 on success, -1 on failure
35 : : */
36 : 5 : int milenage_f1(const u8 *opc, const u8 *k, const u8 *_rand,
37 : : const u8 *sqn, const u8 *amf, u8 *mac_a, u8 *mac_s)
38 : : {
39 : : u8 tmp1[16], tmp2[16], tmp3[16];
40 : : int i;
41 : :
42 : : /* tmp1 = TEMP = E_K(RAND XOR OP_C) */
43 [ + + ]: 85 : for (i = 0; i < 16; i++)
44 : 80 : tmp1[i] = _rand[i] ^ opc[i];
45 [ - + ]: 5 : if (aes_128_encrypt_block(k, tmp1, tmp1))
46 : 0 : return -1;
47 : :
48 : : /* tmp2 = IN1 = SQN || AMF || SQN || AMF */
49 : 5 : os_memcpy(tmp2, sqn, 6);
50 : 5 : os_memcpy(tmp2 + 6, amf, 2);
51 : 5 : os_memcpy(tmp2 + 8, tmp2, 8);
52 : :
53 : : /* OUT1 = E_K(TEMP XOR rot(IN1 XOR OP_C, r1) XOR c1) XOR OP_C */
54 : :
55 : : /* rotate (tmp2 XOR OP_C) by r1 (= 0x40 = 8 bytes) */
56 [ + + ]: 85 : for (i = 0; i < 16; i++)
57 : 80 : tmp3[(i + 8) % 16] = tmp2[i] ^ opc[i];
58 : : /* XOR with TEMP = E_K(RAND XOR OP_C) */
59 [ + + ]: 85 : for (i = 0; i < 16; i++)
60 : 80 : tmp3[i] ^= tmp1[i];
61 : : /* XOR with c1 (= ..00, i.e., NOP) */
62 : :
63 : : /* f1 || f1* = E_K(tmp3) XOR OP_c */
64 [ - + ]: 5 : if (aes_128_encrypt_block(k, tmp3, tmp1))
65 : 0 : return -1;
66 [ + + ]: 85 : for (i = 0; i < 16; i++)
67 : 80 : tmp1[i] ^= opc[i];
68 [ + + ]: 5 : if (mac_a)
69 : 4 : os_memcpy(mac_a, tmp1, 8); /* f1 */
70 [ + + ]: 5 : if (mac_s)
71 : 1 : os_memcpy(mac_s, tmp1 + 8, 8); /* f1* */
72 : 5 : return 0;
73 : : }
74 : :
75 : :
76 : : /**
77 : : * milenage_f2345 - Milenage f2, f3, f4, f5, f5* algorithms
78 : : * @opc: OPc = 128-bit value derived from OP and K
79 : : * @k: K = 128-bit subscriber key
80 : : * @_rand: RAND = 128-bit random challenge
81 : : * @res: Buffer for RES = 64-bit signed response (f2), or %NULL
82 : : * @ck: Buffer for CK = 128-bit confidentiality key (f3), or %NULL
83 : : * @ik: Buffer for IK = 128-bit integrity key (f4), or %NULL
84 : : * @ak: Buffer for AK = 48-bit anonymity key (f5), or %NULL
85 : : * @akstar: Buffer for AK = 48-bit anonymity key (f5*), or %NULL
86 : : * Returns: 0 on success, -1 on failure
87 : : */
88 : 12 : int milenage_f2345(const u8 *opc, const u8 *k, const u8 *_rand,
89 : : u8 *res, u8 *ck, u8 *ik, u8 *ak, u8 *akstar)
90 : : {
91 : : u8 tmp1[16], tmp2[16], tmp3[16];
92 : : int i;
93 : :
94 : : /* tmp2 = TEMP = E_K(RAND XOR OP_C) */
95 [ + + ]: 204 : for (i = 0; i < 16; i++)
96 : 192 : tmp1[i] = _rand[i] ^ opc[i];
97 [ - + ]: 12 : if (aes_128_encrypt_block(k, tmp1, tmp2))
98 : 0 : return -1;
99 : :
100 : : /* OUT2 = E_K(rot(TEMP XOR OP_C, r2) XOR c2) XOR OP_C */
101 : : /* OUT3 = E_K(rot(TEMP XOR OP_C, r3) XOR c3) XOR OP_C */
102 : : /* OUT4 = E_K(rot(TEMP XOR OP_C, r4) XOR c4) XOR OP_C */
103 : : /* OUT5 = E_K(rot(TEMP XOR OP_C, r5) XOR c5) XOR OP_C */
104 : :
105 : : /* f2 and f5 */
106 : : /* rotate by r2 (= 0, i.e., NOP) */
107 [ + + ]: 204 : for (i = 0; i < 16; i++)
108 : 192 : tmp1[i] = tmp2[i] ^ opc[i];
109 : 12 : tmp1[15] ^= 1; /* XOR c2 (= ..01) */
110 : : /* f5 || f2 = E_K(tmp1) XOR OP_c */
111 [ - + ]: 12 : if (aes_128_encrypt_block(k, tmp1, tmp3))
112 : 0 : return -1;
113 [ + + ]: 204 : for (i = 0; i < 16; i++)
114 : 192 : tmp3[i] ^= opc[i];
115 [ + + ]: 12 : if (res)
116 : 11 : os_memcpy(res, tmp3 + 8, 8); /* f2 */
117 [ + + ]: 12 : if (ak)
118 : 5 : os_memcpy(ak, tmp3, 6); /* f5 */
119 : :
120 : : /* f3 */
121 [ + + ]: 12 : if (ck) {
122 : : /* rotate by r3 = 0x20 = 4 bytes */
123 [ + + ]: 187 : for (i = 0; i < 16; i++)
124 : 176 : tmp1[(i + 12) % 16] = tmp2[i] ^ opc[i];
125 : 11 : tmp1[15] ^= 2; /* XOR c3 (= ..02) */
126 [ - + ]: 11 : if (aes_128_encrypt_block(k, tmp1, ck))
127 : 0 : return -1;
128 [ + + ]: 187 : for (i = 0; i < 16; i++)
129 : 176 : ck[i] ^= opc[i];
130 : : }
131 : :
132 : : /* f4 */
133 [ + + ]: 12 : if (ik) {
134 : : /* rotate by r4 = 0x40 = 8 bytes */
135 [ + + ]: 187 : for (i = 0; i < 16; i++)
136 : 176 : tmp1[(i + 8) % 16] = tmp2[i] ^ opc[i];
137 : 11 : tmp1[15] ^= 4; /* XOR c4 (= ..04) */
138 [ - + ]: 11 : if (aes_128_encrypt_block(k, tmp1, ik))
139 : 0 : return -1;
140 [ + + ]: 187 : for (i = 0; i < 16; i++)
141 : 176 : ik[i] ^= opc[i];
142 : : }
143 : :
144 : : /* f5* */
145 [ + + ]: 12 : if (akstar) {
146 : : /* rotate by r5 = 0x60 = 12 bytes */
147 [ + + ]: 17 : for (i = 0; i < 16; i++)
148 : 16 : tmp1[(i + 4) % 16] = tmp2[i] ^ opc[i];
149 : 1 : tmp1[15] ^= 8; /* XOR c5 (= ..08) */
150 [ - + ]: 1 : if (aes_128_encrypt_block(k, tmp1, tmp1))
151 : 0 : return -1;
152 [ + + ]: 7 : for (i = 0; i < 6; i++)
153 : 6 : akstar[i] = tmp1[i] ^ opc[i];
154 : : }
155 : :
156 : 12 : return 0;
157 : : }
158 : :
159 : :
160 : : /**
161 : : * milenage_generate - Generate AKA AUTN,IK,CK,RES
162 : : * @opc: OPc = 128-bit operator variant algorithm configuration field (encr.)
163 : : * @amf: AMF = 16-bit authentication management field
164 : : * @k: K = 128-bit subscriber key
165 : : * @sqn: SQN = 48-bit sequence number
166 : : * @_rand: RAND = 128-bit random challenge
167 : : * @autn: Buffer for AUTN = 128-bit authentication token
168 : : * @ik: Buffer for IK = 128-bit integrity key (f4), or %NULL
169 : : * @ck: Buffer for CK = 128-bit confidentiality key (f3), or %NULL
170 : : * @res: Buffer for RES = 64-bit signed response (f2), or %NULL
171 : : * @res_len: Max length for res; set to used length or 0 on failure
172 : : */
173 : 0 : void milenage_generate(const u8 *opc, const u8 *amf, const u8 *k,
174 : : const u8 *sqn, const u8 *_rand, u8 *autn, u8 *ik,
175 : : u8 *ck, u8 *res, size_t *res_len)
176 : : {
177 : : int i;
178 : : u8 mac_a[8], ak[6];
179 : :
180 [ # # ]: 0 : if (*res_len < 8) {
181 : 0 : *res_len = 0;
182 : 0 : return;
183 : : }
184 [ # # # # ]: 0 : if (milenage_f1(opc, k, _rand, sqn, amf, mac_a, NULL) ||
185 : 0 : milenage_f2345(opc, k, _rand, res, ck, ik, ak, NULL)) {
186 : 0 : *res_len = 0;
187 : 0 : return;
188 : : }
189 : 0 : *res_len = 8;
190 : :
191 : : /* AUTN = (SQN ^ AK) || AMF || MAC */
192 [ # # ]: 0 : for (i = 0; i < 6; i++)
193 : 0 : autn[i] = sqn[i] ^ ak[i];
194 : 0 : os_memcpy(autn + 6, amf, 2);
195 : 0 : os_memcpy(autn + 8, mac_a, 8);
196 : : }
197 : :
198 : :
199 : : /**
200 : : * milenage_auts - Milenage AUTS validation
201 : : * @opc: OPc = 128-bit operator variant algorithm configuration field (encr.)
202 : : * @k: K = 128-bit subscriber key
203 : : * @_rand: RAND = 128-bit random challenge
204 : : * @auts: AUTS = 112-bit authentication token from client
205 : : * @sqn: Buffer for SQN = 48-bit sequence number
206 : : * Returns: 0 = success (sqn filled), -1 on failure
207 : : */
208 : 0 : int milenage_auts(const u8 *opc, const u8 *k, const u8 *_rand, const u8 *auts,
209 : : u8 *sqn)
210 : : {
211 : 0 : u8 amf[2] = { 0x00, 0x00 }; /* TS 33.102 v7.0.0, 6.3.3 */
212 : : u8 ak[6], mac_s[8];
213 : : int i;
214 : :
215 [ # # ]: 0 : if (milenage_f2345(opc, k, _rand, NULL, NULL, NULL, NULL, ak))
216 : 0 : return -1;
217 [ # # ]: 0 : for (i = 0; i < 6; i++)
218 : 0 : sqn[i] = auts[i] ^ ak[i];
219 [ # # ][ # # ]: 0 : if (milenage_f1(opc, k, _rand, sqn, amf, NULL, mac_s) ||
220 : 0 : memcmp(mac_s, auts + 6, 8) != 0)
221 : 0 : return -1;
222 : 0 : return 0;
223 : : }
224 : :
225 : :
226 : : /**
227 : : * gsm_milenage - Generate GSM-Milenage (3GPP TS 55.205) authentication triplet
228 : : * @opc: OPc = 128-bit operator variant algorithm configuration field (encr.)
229 : : * @k: K = 128-bit subscriber key
230 : : * @_rand: RAND = 128-bit random challenge
231 : : * @sres: Buffer for SRES = 32-bit SRES
232 : : * @kc: Buffer for Kc = 64-bit Kc
233 : : * Returns: 0 on success, -1 on failure
234 : : */
235 : 6 : int gsm_milenage(const u8 *opc, const u8 *k, const u8 *_rand, u8 *sres, u8 *kc)
236 : : {
237 : : u8 res[8], ck[16], ik[16];
238 : : int i;
239 : :
240 [ - + ]: 6 : if (milenage_f2345(opc, k, _rand, res, ck, ik, NULL, NULL))
241 : 0 : return -1;
242 : :
243 [ + + ]: 54 : for (i = 0; i < 8; i++)
244 : 48 : kc[i] = ck[i] ^ ck[i + 8] ^ ik[i] ^ ik[i + 8];
245 : :
246 : : #ifdef GSM_MILENAGE_ALT_SRES
247 : : os_memcpy(sres, res, 4);
248 : : #else /* GSM_MILENAGE_ALT_SRES */
249 [ + + ]: 30 : for (i = 0; i < 4; i++)
250 : 24 : sres[i] = res[i] ^ res[i + 4];
251 : : #endif /* GSM_MILENAGE_ALT_SRES */
252 : 6 : return 0;
253 : : }
254 : :
255 : :
256 : : /**
257 : : * milenage_generate - Generate AKA AUTN,IK,CK,RES
258 : : * @opc: OPc = 128-bit operator variant algorithm configuration field (encr.)
259 : : * @k: K = 128-bit subscriber key
260 : : * @sqn: SQN = 48-bit sequence number
261 : : * @_rand: RAND = 128-bit random challenge
262 : : * @autn: AUTN = 128-bit authentication token
263 : : * @ik: Buffer for IK = 128-bit integrity key (f4), or %NULL
264 : : * @ck: Buffer for CK = 128-bit confidentiality key (f3), or %NULL
265 : : * @res: Buffer for RES = 64-bit signed response (f2), or %NULL
266 : : * @res_len: Variable that will be set to RES length
267 : : * @auts: 112-bit buffer for AUTS
268 : : * Returns: 0 on success, -1 on failure, or -2 on synchronization failure
269 : : */
270 : 5 : int milenage_check(const u8 *opc, const u8 *k, const u8 *sqn, const u8 *_rand,
271 : : const u8 *autn, u8 *ik, u8 *ck, u8 *res, size_t *res_len,
272 : : u8 *auts)
273 : : {
274 : : int i;
275 : : u8 mac_a[8], ak[6], rx_sqn[6];
276 : : const u8 *amf;
277 : :
278 : 5 : wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "Milenage: AUTN", autn, 16);
279 : 5 : wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "Milenage: RAND", _rand, 16);
280 : :
281 [ - + ]: 5 : if (milenage_f2345(opc, k, _rand, res, ck, ik, ak, NULL))
282 : 0 : return -1;
283 : :
284 : 5 : *res_len = 8;
285 : 5 : wpa_hexdump_key(MSG_DEBUG, "Milenage: RES", res, *res_len);
286 : 5 : wpa_hexdump_key(MSG_DEBUG, "Milenage: CK", ck, 16);
287 : 5 : wpa_hexdump_key(MSG_DEBUG, "Milenage: IK", ik, 16);
288 : 5 : wpa_hexdump_key(MSG_DEBUG, "Milenage: AK", ak, 6);
289 : :
290 : : /* AUTN = (SQN ^ AK) || AMF || MAC */
291 [ + + ]: 35 : for (i = 0; i < 6; i++)
292 : 30 : rx_sqn[i] = autn[i] ^ ak[i];
293 : 5 : wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "Milenage: SQN", rx_sqn, 6);
294 : :
295 [ + + ]: 5 : if (os_memcmp(rx_sqn, sqn, 6) <= 0) {
296 : 1 : u8 auts_amf[2] = { 0x00, 0x00 }; /* TS 33.102 v7.0.0, 6.3.3 */
297 [ - + ]: 1 : if (milenage_f2345(opc, k, _rand, NULL, NULL, NULL, NULL, ak))
298 : 0 : return -1;
299 : 1 : wpa_hexdump_key(MSG_DEBUG, "Milenage: AK*", ak, 6);
300 [ + + ]: 7 : for (i = 0; i < 6; i++)
301 : 6 : auts[i] = sqn[i] ^ ak[i];
302 [ - + ]: 1 : if (milenage_f1(opc, k, _rand, sqn, auts_amf, NULL, auts + 6))
303 : 0 : return -1;
304 : 1 : wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "Milenage: AUTS", auts, 14);
305 : 1 : return -2;
306 : : }
307 : :
308 : 4 : amf = autn + 6;
309 : 4 : wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "Milenage: AMF", amf, 2);
310 [ - + ]: 4 : if (milenage_f1(opc, k, _rand, rx_sqn, amf, mac_a, NULL))
311 : 0 : return -1;
312 : :
313 : 4 : wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "Milenage: MAC_A", mac_a, 8);
314 : :
315 [ - + ]: 4 : if (os_memcmp(mac_a, autn + 8, 8) != 0) {
316 : 0 : wpa_printf(MSG_DEBUG, "Milenage: MAC mismatch");
317 : 0 : wpa_hexdump(MSG_DEBUG, "Milenage: Received MAC_A",
318 : : autn + 8, 8);
319 : 0 : return -1;
320 : : }
321 : :
322 : 5 : return 0;
323 : : }
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