crypto/algif_aead.c

   1 /*
   2  * algif_aead: User-space interface for AEAD algorithms
   3  *
   4  * Copyright (C) 2014, Stephan Mueller <smueller@chronox.de>
   5  *
   6  * This file provides the user-space API for AEAD ciphers.
   7  *
   8  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
   9  * under the terms of the GNU General Public License as published by the Free
  10  * Software Foundation; either version 2 of the License, or (at your option)
  11  * any later version.
  12  *
  13  * The following concept of the memory management is used:
  14  *
  15  * The kernel maintains two SGLs, the TX SGL and the RX SGL. The TX SGL is
  16  * filled by user space with the data submitted via sendpage/sendmsg. Filling
  17  * up the TX SGL does not cause a crypto operation -- the data will only be
  18  * tracked by the kernel. Upon receipt of one recvmsg call, the caller must
  19  * provide a buffer which is tracked with the RX SGL.
  20  *
  21  * During the processing of the recvmsg operation, the cipher request is
  22  * allocated and prepared. As part of the recvmsg operation, the processed
  23  * TX buffers are extracted from the TX SGL into a separate SGL.
  24  *
  25  * After the completion of the crypto operation, the RX SGL and the cipher
  26  * request is released. The extracted TX SGL parts are released together with
  27  * the RX SGL release.
  28  */
  29
  30 #include <crypto/internal/aead.h>
  31 #include <crypto/scatterwalk.h>
  32 #include <crypto/if_alg.h>
  33 #include <crypto/skcipher.h>
  34 #include <crypto/null.h>
  35 #include <linux/init.h>
  36 #include <linux/list.h>
  37 #include <linux/kernel.h>
  38 #include <linux/mm.h>
  39 #include <linux/module.h>
  40 #include <linux/net.h>
  41 #include <net/sock.h>
  42
  43 struct aead_tfm {
  44         struct crypto_aead *aead;
  45         bool has_key;
  46         struct crypto_skcipher *null_tfm;
  47 };
  48
  49 static inline bool aead_sufficient_data(struct sock *sk)
  50 {
  51         struct alg_sock *ask = alg_sk(sk);
  52         struct sock *psk = ask->parent;
  53         struct alg_sock *pask = alg_sk(psk);
  54         struct af_alg_ctx *ctx = ask->private;
  55         struct aead_tfm *aeadc = pask->private;
  56         struct crypto_aead *tfm = aeadc->aead;
  57         unsigned int as = crypto_aead_authsize(tfm);
  58
  59         /*
  60          * The minimum amount of memory needed for an AEAD cipher is
  61          * the AAD and in case of decryption the tag.
  62          */
  63         return ctx->used >= ctx->aead_assoclen + (ctx->enc ? 0 : as);
  64 }
  65
  66 static int aead_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size)
  67 {
  68         struct sock *sk = sock->sk;
  69         struct alg_sock *ask = alg_sk(sk);
  70         struct sock *psk = ask->parent;
  71         struct alg_sock *pask = alg_sk(psk);
  72         struct aead_tfm *aeadc = pask->private;
  73         struct crypto_aead *tfm = aeadc->aead;
  74         unsigned int ivsize = crypto_aead_ivsize(tfm);
  75
  76         return af_alg_sendmsg(sock, msg, size, ivsize);
  77 }
  78
  79 static int crypto_aead_copy_sgl(struct crypto_skcipher *null_tfm,
  80                                 struct scatterlist *src,
  81                                 struct scatterlist *dst, unsigned int len)
  82 {
  83         SKCIPHER_REQUEST_ON_STACK(skreq, null_tfm);
  84
  85         skcipher_request_set_tfm(skreq, null_tfm);
  86         skcipher_request_set_callback(skreq, CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG,
  87                                       NULL, NULL);
  88         skcipher_request_set_crypt(skreq, src, dst, len, NULL);
  89
  90         return crypto_skcipher_encrypt(skreq);
  91 }
  92
  93 static int _aead_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,
  94                          size_t ignored, int flags)
  95 {
  96         struct sock *sk = sock->sk;
  97         struct alg_sock *ask = alg_sk(sk);
  98         struct sock *psk = ask->parent;
  99         struct alg_sock *pask = alg_sk(psk);
 100         struct af_alg_ctx *ctx = ask->private;
 101         struct aead_tfm *aeadc = pask->private;
 102         struct crypto_aead *tfm = aeadc->aead;
 103         struct crypto_skcipher *null_tfm = aeadc->null_tfm;
 104         unsigned int i, as = crypto_aead_authsize(tfm);
 105         struct af_alg_async_req *areq;
 106         struct af_alg_tsgl *tsgl, *tmp;
 107         struct scatterlist *rsgl_src, *tsgl_src = NULL;
 108         int err = 0;
 109         size_t used = 0;                /* [in]  TX bufs to be en/decrypted */
 110         size_t outlen = 0;              /* [out] RX bufs produced by kernel */
 111         size_t usedpages = 0;           /* [in]  RX bufs to be used from user */
 112         size_t processed = 0;           /* [in]  TX bufs to be consumed */
 113
 114         if (!ctx->used) {
 115                 err = af_alg_wait_for_data(sk, flags);
 116                 if (err)
 117                         return err;
 118         }
 119
 120         /*
 121          * Data length provided by caller via sendmsg/sendpage that has not
 122          * yet been processed.
 123          */
 124         used = ctx->used;
 125
 126         /*
 127          * Make sure sufficient data is present -- note, the same check is
 128          * is also present in sendmsg/sendpage. The checks in sendpage/sendmsg
 129          * shall provide an information to the data sender that something is
 130          * wrong, but they are irrelevant to maintain the kernel integrity.
 131          * We need this check here too in case user space decides to not honor
 132          * the error message in sendmsg/sendpage and still call recvmsg. This
 133          * check here protects the kernel integrity.
 134          */
 135         if (!aead_sufficient_data(sk))
 136                 return -EINVAL;
 137
 138         /*
 139          * Calculate the minimum output buffer size holding the result of the
 140          * cipher operation. When encrypting data, the receiving buffer is
 141          * larger by the tag length compared to the input buffer as the
 142          * encryption operation generates the tag. For decryption, the input
 143          * buffer provides the tag which is consumed resulting in only the
 144          * plaintext without a buffer for the tag returned to the caller.
 145          */
 146         if (ctx->enc)
 147                 outlen = used + as;
 148         else
 149                 outlen = used - as;
 150
 151         /*
 152          * The cipher operation input data is reduced by the associated data
 153          * length as this data is processed separately later on.
 154          */
 155         used -= ctx->aead_assoclen;
 156
 157         /* Allocate cipher request for current operation. */
 158         areq = af_alg_alloc_areq(sk, sizeof(struct af_alg_async_req) +
 159                                      crypto_aead_reqsize(tfm));
 160         if (IS_ERR(areq))
 161                 return PTR_ERR(areq);
 162
 163         /* convert iovecs of output buffers into RX SGL */
 164         err = af_alg_get_rsgl(sk, msg, flags, areq, outlen, &usedpages);
 165         if (err)
 166                 goto free;
 167
 168         /*
 169          * Ensure output buffer is sufficiently large. If the caller provides
 170          * less buffer space, only use the relative required input size. This
 171          * allows AIO operation where the caller sent all data to be processed
 172          * and the AIO operation performs the operation on the different chunks
 173          * of the input data.
 174          */
 175         if (usedpages < outlen) {
 176                 size_t less = outlen - usedpages;
 177
 178                 if (used < less) {
 179                         err = -EINVAL;
 180                         goto free;
 181                 }
 182                 used -= less;
 183                 outlen -= less;
 184         }
 185
 186         processed = used + ctx->aead_assoclen;
 187         list_for_each_entry_safe(tsgl, tmp, &ctx->tsgl_list, list) {
 188                 for (i = 0; i < tsgl->cur; i++) {
 189                         struct scatterlist *process_sg = tsgl->sg + i;
 190
 191                         if (!(process_sg->length) || !sg_page(process_sg))
 192                                 continue;
 193                         tsgl_src = process_sg;
 194                         break;
 195                 }
 196                 if (tsgl_src)
 197                         break;
 198         }
 199         if (processed && !tsgl_src) {
 200                 err = -EFAULT;
 201                 goto free;
 202         }
 203
 204         /*
 205          * Copy of AAD from source to destination
 206          *
 207          * The AAD is copied to the destination buffer without change. Even
 208          * when user space uses an in-place cipher operation, the kernel
 209          * will copy the data as it does not see whether such in-place operation
 210          * is initiated.
 211          *
 212          * To ensure efficiency, the following implementation ensure that the
 213          * ciphers are invoked to perform a crypto operation in-place. This
 214          * is achieved by memory management specified as follows.
 215          */
 216
 217         /* Use the RX SGL as source (and destination) for crypto op. */
 218         rsgl_src = areq->first_rsgl.sgl.sg;
 219
 220         if (ctx->enc) {
 221                 /*
 222                  * Encryption operation - The in-place cipher operation is
 223                  * achieved by the following operation:
 224                  *
 225                  * TX SGL: AAD || PT
 226                  *          |      |
 227                  *          | copy |
 228                  *          v      v
 229                  * RX SGL: AAD || PT || Tag
 230                  */
 231                 err = crypto_aead_copy_sgl(null_tfm, tsgl_src,
 232                                            areq->first_rsgl.sgl.sg, processed);
 233                 if (err)
 234                         goto free;
 235                 af_alg_pull_tsgl(sk, processed, NULL, 0);
 236         } else {
 237                 /*
 238                  * Decryption operation - To achieve an in-place cipher
 239                  * operation, the following  SGL structure is used:
 240                  *
 241                  * TX SGL: AAD || CT || Tag
 242                  *          |      |     ^
 243                  *          | copy |     | Create SGL link.
 244                  *          v      v     |
 245                  * RX SGL: AAD || CT ----+
 246                  */
 247
 248                  /* Copy AAD || CT to RX SGL buffer for in-place operation. */
 249                 err = crypto_aead_copy_sgl(null_tfm, tsgl_src,
 250                                            areq->first_rsgl.sgl.sg, outlen);
 251                 if (err)
 252                         goto free;
 253
 254                 /* Create TX SGL for tag and chain it to RX SGL. */
 255                 areq->tsgl_entries = af_alg_count_tsgl(sk, processed,
 256                                                        processed - as);
 257                 if (!areq->tsgl_entries)
 258                         areq->tsgl_entries = 1;
 259                 areq->tsgl = sock_kmalloc(sk, sizeof(*areq->tsgl) *
 260                                               areq->tsgl_entries,
 261                                           GFP_KERNEL);
 262                 if (!areq->tsgl) {
 263                         err = -ENOMEM;
 264                         goto free;
 265                 }
 266                 sg_init_table(areq->tsgl, areq->tsgl_entries);
 267
 268                 /* Release TX SGL, except for tag data and reassign tag data. */
 269                 af_alg_pull_tsgl(sk, processed, areq->tsgl, processed - as);
 270
 271                 /* chain the areq TX SGL holding the tag with RX SGL */
 272                 if (usedpages) {
 273                         /* RX SGL present */
 274                         struct af_alg_sgl *sgl_prev = &areq->last_rsgl->sgl;
 275
 276                         sg_unmark_end(sgl_prev->sg + sgl_prev->npages - 1);
 277                         sg_chain(sgl_prev->sg, sgl_prev->npages + 1,
 278                                  areq->tsgl);
 279                 } else
 280                         /* no RX SGL present (e.g. authentication only) */
 281                         rsgl_src = areq->tsgl;
 282         }
 283
 284         /* Initialize the crypto operation */
 285         aead_request_set_crypt(&areq->cra_u.aead_req, rsgl_src,
 286                                areq->first_rsgl.sgl.sg, used, ctx->iv);
 287         aead_request_set_ad(&areq->cra_u.aead_req, ctx->aead_assoclen);
 288         aead_request_set_tfm(&areq->cra_u.aead_req, tfm);
 289
 290         if (msg->msg_iocb && !is_sync_kiocb(msg->msg_iocb)) {
 291                 /* AIO operation */
 292                 sock_hold(sk);
 293                 areq->iocb = msg->msg_iocb;
 294
 295                 /* Remember output size that will be generated. */
 296                 areq->outlen = outlen;
 297
 298                 aead_request_set_callback(&areq->cra_u.aead_req,
 299                                           CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG,
 300                                           af_alg_async_cb, areq);
 301                 err = ctx->enc ? crypto_aead_encrypt(&areq->cra_u.aead_req) :
 302                                  crypto_aead_decrypt(&areq->cra_u.aead_req);
 303
 304                 /* AIO operation in progress */
 305                 if (err == -EINPROGRESS || err == -EBUSY)
 306                         return -EIOCBQUEUED;
 307
 308                 sock_put(sk);
 309         } else {
 310                 /* Synchronous operation */
 311                 aead_request_set_callback(&areq->cra_u.aead_req,
 312                                           CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG,
 313                                           crypto_req_done, &ctx->wait);
 314                 err = crypto_wait_req(ctx->enc ?
 315                                 crypto_aead_encrypt(&areq->cra_u.aead_req) :
 316                                 crypto_aead_decrypt(&areq->cra_u.aead_req),
 317                                 &ctx->wait);
 318         }
 319
 320
 321 free:
 322         af_alg_free_resources(areq);
 323
 324         return err ? err : outlen;
 325 }
 326
 327 static int aead_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,
 328                         size_t ignored, int flags)
 329 {
 330         struct sock *sk = sock->sk;
 331         int ret = 0;
 332
 333         lock_sock(sk);
 334         while (msg_data_left(msg)) {
 335                 int err = _aead_recvmsg(sock, msg, ignored, flags);
 336
 337                 /*
 338                  * This error covers -EIOCBQUEUED which implies that we can
 339                  * only handle one AIO request. If the caller wants to have
 340                  * multiple AIO requests in parallel, he must make multiple
 341                  * separate AIO calls.
 342                  *
 343                  * Also return the error if no data has been processed so far.
 344                  */
 345                 if (err <= 0) {
 346                         if (err == -EIOCBQUEUED || err == -EBADMSG || !ret)
 347                                 ret = err;
 348                         goto out;
 349                 }
 350
 351                 ret += err;
 352         }
 353
 354 out:
 355         af_alg_wmem_wakeup(sk);
 356         release_sock(sk);
 357         return ret;
 358 }
 359
 360 static struct proto_ops algif_aead_ops = {
 361         .family         =       PF_ALG,
 362
 363         .connect        =       sock_no_connect,
 364         .socketpair     =       sock_no_socketpair,
 365         .getname        =       sock_no_getname,
 366         .ioctl          =       sock_no_ioctl,
 367         .listen         =       sock_no_listen,
 368         .shutdown       =       sock_no_shutdown,
 369         .getsockopt     =       sock_no_getsockopt,
 370         .mmap           =       sock_no_mmap,
 371         .bind           =       sock_no_bind,
 372         .accept         =       sock_no_accept,
 373         .setsockopt     =       sock_no_setsockopt,
 374
 375         .release        =       af_alg_release,
 376         .sendmsg        =       aead_sendmsg,
 377         .sendpage       =       af_alg_sendpage,
 378         .recvmsg        =       aead_recvmsg,
 379         .poll           =       af_alg_poll,
 380 };
 381
 382 static int aead_check_key(struct socket *sock)
 383 {
 384         int err = 0;
 385         struct sock *psk;
 386         struct alg_sock *pask;
 387         struct aead_tfm *tfm;
 388         struct sock *sk = sock->sk;
 389         struct alg_sock *ask = alg_sk(sk);
 390
 391         lock_sock(sk);
 392         if (ask->refcnt)
 393                 goto unlock_child;
 394
 395         psk = ask->parent;
 396         pask = alg_sk(ask->parent);
 397         tfm = pask->private;
 398
 399         err = -ENOKEY;
 400         lock_sock_nested(psk, SINGLE_DEPTH_NESTING);
 401         if (!tfm->has_key)
 402                 goto unlock;
 403
 404         if (!pask->refcnt++)
 405                 sock_hold(psk);
 406
 407         ask->refcnt = 1;
 408         sock_put(psk);
 409
 410         err = 0;
 411
 412 unlock:
 413         release_sock(psk);
 414 unlock_child:
 415         release_sock(sk);
 416
 417         return err;
 418 }
 419
 420 static int aead_sendmsg_nokey(struct socket *sock, struct msghdr *msg,
 421                                   size_t size)
 422 {
 423         int err;
 424
 425         err = aead_check_key(sock);
 426         if (err)
 427                 return err;
 428
 429         return aead_sendmsg(sock, msg, size);
 430 }
 431
 432 static ssize_t aead_sendpage_nokey(struct socket *sock, struct page *page,
 433                                        int offset, size_t size, int flags)
 434 {
 435         int err;
 436
 437         err = aead_check_key(sock);
 438         if (err)
 439                 return err;
 440
 441         return af_alg_sendpage(sock, page, offset, size, flags);
 442 }
 443
 444 static int aead_recvmsg_nokey(struct socket *sock, struct msghdr *msg,
 445                                   size_t ignored, int flags)
 446 {
 447         int err;
 448
 449         err = aead_check_key(sock);
 450         if (err)
 451                 return err;
 452
 453         return aead_recvmsg(sock, msg, ignored, flags);
 454 }
 455
 456 static struct proto_ops algif_aead_ops_nokey = {
 457         .family         =       PF_ALG,
 458
 459         .connect        =       sock_no_connect,
 460         .socketpair     =       sock_no_socketpair,
 461         .getname        =       sock_no_getname,
 462         .ioctl          =       sock_no_ioctl,
 463         .listen         =       sock_no_listen,
 464         .shutdown       =       sock_no_shutdown,
 465         .getsockopt     =       sock_no_getsockopt,
 466         .mmap           =       sock_no_mmap,
 467         .bind           =       sock_no_bind,
 468         .accept         =       sock_no_accept,
 469         .setsockopt     =       sock_no_setsockopt,
 470
 471         .release        =       af_alg_release,
 472         .sendmsg        =       aead_sendmsg_nokey,
 473         .sendpage       =       aead_sendpage_nokey,
 474         .recvmsg        =       aead_recvmsg_nokey,
 475         .poll           =       af_alg_poll,
 476 };
 477
 478 static void *aead_bind(const char *name, u32 type, u32 mask)
 479 {
 480         struct aead_tfm *tfm;
 481         struct crypto_aead *aead;
 482         struct crypto_skcipher *null_tfm;
 483
 484         tfm = kzalloc(sizeof(*tfm), GFP_KERNEL);
 485         if (!tfm)
 486                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
 487
 488         aead = crypto_alloc_aead(name, type, mask);
 489         if (IS_ERR(aead)) {
 490                 kfree(tfm);
 491                 return ERR_CAST(aead);
 492         }
 493
 494         null_tfm = crypto_get_default_null_skcipher2();
 495         if (IS_ERR(null_tfm)) {
 496                 crypto_free_aead(aead);
 497                 kfree(tfm);
 498                 return ERR_CAST(null_tfm);
 499         }
 500
 501         tfm->aead = aead;
 502         tfm->null_tfm = null_tfm;
 503
 504         return tfm;
 505 }
 506
 507 static void aead_release(void *private)
 508 {
 509         struct aead_tfm *tfm = private;
 510
 511         crypto_free_aead(tfm->aead);
 512         crypto_put_default_null_skcipher2();
 513         kfree(tfm);
 514 }
 515
 516 static int aead_setauthsize(void *private, unsigned int authsize)
 517 {
 518         struct aead_tfm *tfm = private;
 519
 520         return crypto_aead_setauthsize(tfm->aead, authsize);
 521 }
 522
 523 static int aead_setkey(void *private, const u8 *key, unsigned int keylen)
 524 {
 525         struct aead_tfm *tfm = private;
 526         int err;
 527
 528         err = crypto_aead_setkey(tfm->aead, key, keylen);
 529         tfm->has_key = !err;
 530
 531         return err;
 532 }
 533
 534 static void aead_sock_destruct(struct sock *sk)
 535 {
 536         struct alg_sock *ask = alg_sk(sk);
 537         struct af_alg_ctx *ctx = ask->private;
 538         struct sock *psk = ask->parent;
 539         struct alg_sock *pask = alg_sk(psk);
 540         struct aead_tfm *aeadc = pask->private;
 541         struct crypto_aead *tfm = aeadc->aead;
 542         unsigned int ivlen = crypto_aead_ivsize(tfm);
 543
 544         af_alg_pull_tsgl(sk, ctx->used, NULL, 0);
 545         sock_kzfree_s(sk, ctx->iv, ivlen);
 546         sock_kfree_s(sk, ctx, ctx->len);
 547         af_alg_release_parent(sk);
 548 }
 549
 550 static int aead_accept_parent_nokey(void *private, struct sock *sk)
 551 {
 552         struct af_alg_ctx *ctx;
 553         struct alg_sock *ask = alg_sk(sk);
 554         struct aead_tfm *tfm = private;
 555         struct crypto_aead *aead = tfm->aead;
 556         unsigned int len = sizeof(*ctx);
 557         unsigned int ivlen = crypto_aead_ivsize(aead);
 558
 559         ctx = sock_kmalloc(sk, len, GFP_KERNEL);
 560         if (!ctx)
 561                 return -ENOMEM;
 562         memset(ctx, 0, len);
 563
 564         ctx->iv = sock_kmalloc(sk, ivlen, GFP_KERNEL);
 565         if (!ctx->iv) {
 566                 sock_kfree_s(sk, ctx, len);
 567                 return -ENOMEM;
 568         }
 569         memset(ctx->iv, 0, ivlen);
 570
 571         INIT_LIST_HEAD(&ctx->tsgl_list);
 572         ctx->len = len;
 573         ctx->used = 0;
 574         atomic_set(&ctx->rcvused, 0);
 575         ctx->more = 0;
 576         ctx->merge = 0;
 577         ctx->enc = 0;
 578         ctx->aead_assoclen = 0;
 579         crypto_init_wait(&ctx->wait);
 580
 581         ask->private = ctx;
 582
 583         sk->sk_destruct = aead_sock_destruct;
 584
 585         return 0;
 586 }
 587
 588 static int aead_accept_parent(void *private, struct sock *sk)
 589 {
 590         struct aead_tfm *tfm = private;
 591
 592         if (!tfm->has_key)
 593                 return -ENOKEY;
 594
 595         return aead_accept_parent_nokey(private, sk);
 596 }
 597
 598 static const struct af_alg_type algif_type_aead = {
 599         .bind           =       aead_bind,
 600         .release        =       aead_release,
 601         .setkey         =       aead_setkey,
 602         .setauthsize    =       aead_setauthsize,
 603         .accept         =       aead_accept_parent,
 604         .accept_nokey   =       aead_accept_parent_nokey,
 605         .ops            =       &algif_aead_ops,
 606         .ops_nokey      =       &algif_aead_ops_nokey,
 607         .name           =       "aead",
 608         .owner          =       THIS_MODULE
 609 };
 610
 611 static int __init algif_aead_init(void)
 612 {
 613         return af_alg_register_type(&algif_type_aead);
 614 }
 615
 616 static void __exit algif_aead_exit(void)
 617 {
 618         int err = af_alg_unregister_type(&algif_type_aead);
 619         BUG_ON(err);
 620 }
 621
 622 module_init(algif_aead_init);
 623 module_exit(algif_aead_exit);
 624 MODULE_LICENSE("GPL");
 625 MODULE_AUTHOR("Stephan Mueller <smueller@chronox.de>");
 626 MODULE_DESCRIPTION("AEAD kernel crypto API user space interface");