stream-ssl: Clear CAs for certificate verification before adding new ones.
[sliver-openvswitch.git] / lib / stream-ssl.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2008, 2009, 2010, 2011 Nicira Networks.
3  *
4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
5  * you may not use this file except in compliance with the License.
6  * You may obtain a copy of the License at:
7  *
8  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
9  *
10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
13  * See the License for the specific language governing permissions and
14  * limitations under the License.
15  */
16
17 #include <config.h>
18 #include "stream-ssl.h"
19 #include "dhparams.h"
20 #include <assert.h>
21 #include <ctype.h>
22 #include <errno.h>
23 #include <inttypes.h>
24 #include <string.h>
25 #include <sys/types.h>
26 #include <sys/socket.h>
27 #include <netinet/tcp.h>
28 #include <openssl/err.h>
29 #include <openssl/ssl.h>
30 #include <openssl/x509v3.h>
31 #include <poll.h>
32 #include <sys/fcntl.h>
33 #include <sys/stat.h>
34 #include <unistd.h>
35 #include "coverage.h"
36 #include "dynamic-string.h"
37 #include "leak-checker.h"
38 #include "ofpbuf.h"
39 #include "openflow/openflow.h"
40 #include "packets.h"
41 #include "poll-loop.h"
42 #include "shash.h"
43 #include "socket-util.h"
44 #include "util.h"
45 #include "stream-provider.h"
46 #include "stream.h"
47 #include "timeval.h"
48 #include "vlog.h"
49
50 VLOG_DEFINE_THIS_MODULE(stream_ssl);
51
52 /* Active SSL. */
53
54 enum ssl_state {
55     STATE_TCP_CONNECTING,
56     STATE_SSL_CONNECTING
57 };
58
59 enum session_type {
60     CLIENT,
61     SERVER
62 };
63
64 struct ssl_stream
65 {
66     struct stream stream;
67     enum ssl_state state;
68     enum session_type type;
69     int fd;
70     SSL *ssl;
71     struct ofpbuf *txbuf;
72     unsigned int session_nr;
73
74     /* rx_want and tx_want record the result of the last call to SSL_read()
75      * and SSL_write(), respectively:
76      *
77      *    - If the call reported that data needed to be read from the file
78      *      descriptor, the corresponding member is set to SSL_READING.
79      *
80      *    - If the call reported that data needed to be written to the file
81      *      descriptor, the corresponding member is set to SSL_WRITING.
82      *
83      *    - Otherwise, the member is set to SSL_NOTHING, indicating that the
84      *      call completed successfully (or with an error) and that there is no
85      *      need to block.
86      *
87      * These are needed because there is no way to ask OpenSSL what a data read
88      * or write would require without giving it a buffer to receive into or
89      * data to send, respectively.  (Note that the SSL_want() status is
90      * overwritten by each SSL_read() or SSL_write() call, so we can't rely on
91      * its value.)
92      *
93      * A single call to SSL_read() or SSL_write() can perform both reading
94      * and writing and thus invalidate not one of these values but actually
95      * both.  Consider this situation, for example:
96      *
97      *    - SSL_write() blocks on a read, so tx_want gets SSL_READING.
98      *
99      *    - SSL_read() laters succeeds reading from 'fd' and clears out the
100      *      whole receive buffer, so rx_want gets SSL_READING.
101      *
102      *    - Client calls stream_wait(STREAM_RECV) and stream_wait(STREAM_SEND)
103      *      and blocks.
104      *
105      *    - Now we're stuck blocking until the peer sends us data, even though
106      *      SSL_write() could now succeed, which could easily be a deadlock
107      *      condition.
108      *
109      * On the other hand, we can't reset both tx_want and rx_want on every call
110      * to SSL_read() or SSL_write(), because that would produce livelock,
111      * e.g. in this situation:
112      *
113      *    - SSL_write() blocks, so tx_want gets SSL_READING or SSL_WRITING.
114      *
115      *    - SSL_read() blocks, so rx_want gets SSL_READING or SSL_WRITING,
116      *      but tx_want gets reset to SSL_NOTHING.
117      *
118      *    - Client calls stream_wait(STREAM_RECV) and stream_wait(STREAM_SEND)
119      *      and blocks.
120      *
121      *    - Client wakes up immediately since SSL_NOTHING in tx_want indicates
122      *      that no blocking is necessary.
123      *
124      * The solution we adopt here is to set tx_want to SSL_NOTHING after
125      * calling SSL_read() only if the SSL state of the connection changed,
126      * which indicates that an SSL-level renegotiation made some progress, and
127      * similarly for rx_want and SSL_write().  This prevents both the
128      * deadlock and livelock situations above.
129      */
130     int rx_want, tx_want;
131
132     /* A few bytes of header data in case SSL negotiation fails. */
133     uint8_t head[2];
134     short int n_head;
135 };
136
137 /* SSL context created by ssl_init(). */
138 static SSL_CTX *ctx;
139
140 struct ssl_config_file {
141     bool read;                  /* Whether the file was successfully read. */
142     char *file_name;            /* Configured file name, if any. */
143     struct timespec mtime;      /* File mtime as of last time we read it. */
144 };
145
146 /* SSL configuration files. */
147 static struct ssl_config_file private_key;
148 static struct ssl_config_file certificate;
149 static struct ssl_config_file ca_cert;
150
151 /* Ordinarily, the SSL client and server verify each other's certificates using
152  * a CA certificate.  Setting this to false disables this behavior.  (This is a
153  * security risk.) */
154 static bool verify_peer_cert = true;
155
156 /* Ordinarily, we require a CA certificate for the peer to be locally
157  * available.  We can, however, bootstrap the CA certificate from the peer at
158  * the beginning of our first connection then use that certificate on all
159  * subsequent connections, saving it to a file for use in future runs also.  In
160  * this case, 'bootstrap_ca_cert' is true. */
161 static bool bootstrap_ca_cert;
162
163 /* Session number.  Used in debug logging messages to uniquely identify a
164  * session. */
165 static unsigned int next_session_nr;
166
167 /* Who knows what can trigger various SSL errors, so let's throttle them down
168  * quite a bit. */
169 static struct vlog_rate_limit rl = VLOG_RATE_LIMIT_INIT(10, 25);
170
171 static int ssl_init(void);
172 static int do_ssl_init(void);
173 static bool ssl_wants_io(int ssl_error);
174 static void ssl_close(struct stream *);
175 static void ssl_clear_txbuf(struct ssl_stream *);
176 static void interpret_queued_ssl_error(const char *function);
177 static int interpret_ssl_error(const char *function, int ret, int error,
178                                int *want);
179 static DH *tmp_dh_callback(SSL *ssl, int is_export OVS_UNUSED, int keylength);
180 static void log_ca_cert(const char *file_name, X509 *cert);
181 static void stream_ssl_set_ca_cert_file__(const char *file_name,
182                                           bool bootstrap, bool force);
183 static void ssl_protocol_cb(int write_p, int version, int content_type,
184                             const void *, size_t, SSL *, void *sslv_);
185 static bool update_ssl_config(struct ssl_config_file *, const char *file_name);
186
187 static short int
188 want_to_poll_events(int want)
189 {
190     switch (want) {
191     case SSL_NOTHING:
192         NOT_REACHED();
193
194     case SSL_READING:
195         return POLLIN;
196
197     case SSL_WRITING:
198         return POLLOUT;
199
200     default:
201         NOT_REACHED();
202     }
203 }
204
205 static int
206 new_ssl_stream(const char *name, int fd, enum session_type type,
207               enum ssl_state state, const struct sockaddr_in *remote,
208               struct stream **streamp)
209 {
210     struct sockaddr_in local;
211     socklen_t local_len = sizeof local;
212     struct ssl_stream *sslv;
213     SSL *ssl = NULL;
214     int on = 1;
215     int retval;
216
217     /* Check for all the needful configuration. */
218     retval = 0;
219     if (!private_key.read) {
220         VLOG_ERR("Private key must be configured to use SSL");
221         retval = ENOPROTOOPT;
222     }
223     if (!certificate.read) {
224         VLOG_ERR("Certificate must be configured to use SSL");
225         retval = ENOPROTOOPT;
226     }
227     if (!ca_cert.read && verify_peer_cert && !bootstrap_ca_cert) {
228         VLOG_ERR("CA certificate must be configured to use SSL");
229         retval = ENOPROTOOPT;
230     }
231     if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
232         VLOG_ERR("Private key does not match certificate public key: %s",
233                  ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
234         retval = ENOPROTOOPT;
235     }
236     if (retval) {
237         goto error;
238     }
239
240     /* Get the local IP and port information */
241     retval = getsockname(fd, (struct sockaddr *) &local, &local_len);
242     if (retval) {
243         memset(&local, 0, sizeof local);
244     }
245
246     /* Disable Nagle. */
247     retval = setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, &on, sizeof on);
248     if (retval) {
249         VLOG_ERR("%s: setsockopt(TCP_NODELAY): %s", name, strerror(errno));
250         retval = errno;
251         goto error;
252     }
253
254     /* Create and configure OpenSSL stream. */
255     ssl = SSL_new(ctx);
256     if (ssl == NULL) {
257         VLOG_ERR("SSL_new: %s", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
258         retval = ENOPROTOOPT;
259         goto error;
260     }
261     if (SSL_set_fd(ssl, fd) == 0) {
262         VLOG_ERR("SSL_set_fd: %s", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
263         retval = ENOPROTOOPT;
264         goto error;
265     }
266     if (!verify_peer_cert || (bootstrap_ca_cert && type == CLIENT)) {
267         SSL_set_verify(ssl, SSL_VERIFY_NONE, NULL);
268     }
269
270     /* Create and return the ssl_stream. */
271     sslv = xmalloc(sizeof *sslv);
272     stream_init(&sslv->stream, &ssl_stream_class, EAGAIN, name);
273     stream_set_remote_ip(&sslv->stream, remote->sin_addr.s_addr);
274     stream_set_remote_port(&sslv->stream, remote->sin_port);
275     stream_set_local_ip(&sslv->stream, local.sin_addr.s_addr);
276     stream_set_local_port(&sslv->stream, local.sin_port);
277     sslv->state = state;
278     sslv->type = type;
279     sslv->fd = fd;
280     sslv->ssl = ssl;
281     sslv->txbuf = NULL;
282     sslv->rx_want = sslv->tx_want = SSL_NOTHING;
283     sslv->session_nr = next_session_nr++;
284     sslv->n_head = 0;
285
286     if (VLOG_IS_DBG_ENABLED()) {
287         SSL_set_msg_callback(ssl, ssl_protocol_cb);
288         SSL_set_msg_callback_arg(ssl, sslv);
289     }
290
291     *streamp = &sslv->stream;
292     return 0;
293
294 error:
295     if (ssl) {
296         SSL_free(ssl);
297     }
298     close(fd);
299     return retval;
300 }
301
302 static struct ssl_stream *
303 ssl_stream_cast(struct stream *stream)
304 {
305     stream_assert_class(stream, &ssl_stream_class);
306     return CONTAINER_OF(stream, struct ssl_stream, stream);
307 }
308
309 static int
310 ssl_open(const char *name, char *suffix, struct stream **streamp)
311 {
312     struct sockaddr_in sin;
313     int error, fd;
314
315     error = ssl_init();
316     if (error) {
317         return error;
318     }
319
320     error = inet_open_active(SOCK_STREAM, suffix, OFP_SSL_PORT, &sin, &fd);
321     if (fd >= 0) {
322         int state = error ? STATE_TCP_CONNECTING : STATE_SSL_CONNECTING;
323         return new_ssl_stream(name, fd, CLIENT, state, &sin, streamp);
324     } else {
325         VLOG_ERR("%s: connect: %s", name, strerror(error));
326         return error;
327     }
328 }
329
330 static int
331 do_ca_cert_bootstrap(struct stream *stream)
332 {
333     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
334     STACK_OF(X509) *chain;
335     X509 *cert;
336     FILE *file;
337     int error;
338     int fd;
339
340     chain = SSL_get_peer_cert_chain(sslv->ssl);
341     if (!chain || !sk_X509_num(chain)) {
342         VLOG_ERR("could not bootstrap CA cert: no certificate presented by "
343                  "peer");
344         return EPROTO;
345     }
346     cert = sk_X509_value(chain, sk_X509_num(chain) - 1);
347
348     /* Check that 'cert' is self-signed.  Otherwise it is not a CA
349      * certificate and we should not attempt to use it as one. */
350     error = X509_check_issued(cert, cert);
351     if (error) {
352         VLOG_ERR("could not bootstrap CA cert: obtained certificate is "
353                  "not self-signed (%s)",
354                  X509_verify_cert_error_string(error));
355         if (sk_X509_num(chain) < 2) {
356             VLOG_ERR("only one certificate was received, so probably the peer "
357                      "is not configured to send its CA certificate");
358         }
359         return EPROTO;
360     }
361
362     fd = open(ca_cert.file_name, O_CREAT | O_EXCL | O_WRONLY, 0444);
363     if (fd < 0) {
364         if (errno == EEXIST) {
365             VLOG_INFO_RL(&rl, "reading CA cert %s created by another process",
366                          ca_cert.file_name);
367             stream_ssl_set_ca_cert_file__(ca_cert.file_name, true, true);
368             return EPROTO;
369         } else {
370             VLOG_ERR("could not bootstrap CA cert: creating %s failed: %s",
371                      ca_cert.file_name, strerror(errno));
372             return errno;
373         }
374     }
375
376     file = fdopen(fd, "w");
377     if (!file) {
378         error = errno;
379         VLOG_ERR("could not bootstrap CA cert: fdopen failed: %s",
380                  strerror(error));
381         unlink(ca_cert.file_name);
382         return error;
383     }
384
385     if (!PEM_write_X509(file, cert)) {
386         VLOG_ERR("could not bootstrap CA cert: PEM_write_X509 to %s failed: "
387                  "%s", ca_cert.file_name,
388                  ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
389         fclose(file);
390         unlink(ca_cert.file_name);
391         return EIO;
392     }
393
394     if (fclose(file)) {
395         error = errno;
396         VLOG_ERR("could not bootstrap CA cert: writing %s failed: %s",
397                  ca_cert.file_name, strerror(error));
398         unlink(ca_cert.file_name);
399         return error;
400     }
401
402     VLOG_INFO("successfully bootstrapped CA cert to %s", ca_cert.file_name);
403     log_ca_cert(ca_cert.file_name, cert);
404     bootstrap_ca_cert = false;
405     ca_cert.read = true;
406
407     /* SSL_CTX_add_client_CA makes a copy of cert's relevant data. */
408     SSL_CTX_add_client_CA(ctx, cert);
409
410     /* SSL_CTX_use_certificate() takes ownership of the certificate passed in.
411      * 'cert' is owned by sslv->ssl, so we need to duplicate it. */
412     cert = X509_dup(cert);
413     if (!cert) {
414         out_of_memory();
415     }
416     SSL_CTX_set_cert_store(ctx, X509_STORE_new());
417     if (SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, ca_cert.file_name, NULL) != 1) {
418         VLOG_ERR("SSL_CTX_load_verify_locations: %s",
419                  ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
420         return EPROTO;
421     }
422     VLOG_INFO("killing successful connection to retry using CA cert");
423     return EPROTO;
424 }
425
426 static int
427 ssl_connect(struct stream *stream)
428 {
429     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
430     int retval;
431
432     switch (sslv->state) {
433     case STATE_TCP_CONNECTING:
434         retval = check_connection_completion(sslv->fd);
435         if (retval) {
436             return retval;
437         }
438         sslv->state = STATE_SSL_CONNECTING;
439         /* Fall through. */
440
441     case STATE_SSL_CONNECTING:
442         /* Capture the first few bytes of received data so that we can guess
443          * what kind of funny data we've been sent if SSL negotation fails. */
444         if (sslv->n_head <= 0) {
445             sslv->n_head = recv(sslv->fd, sslv->head, sizeof sslv->head,
446                                 MSG_PEEK);
447         }
448
449         retval = (sslv->type == CLIENT
450                    ? SSL_connect(sslv->ssl) : SSL_accept(sslv->ssl));
451         if (retval != 1) {
452             int error = SSL_get_error(sslv->ssl, retval);
453             if (retval < 0 && ssl_wants_io(error)) {
454                 return EAGAIN;
455             } else {
456                 int unused;
457
458                 interpret_ssl_error((sslv->type == CLIENT ? "SSL_connect"
459                                      : "SSL_accept"), retval, error, &unused);
460                 shutdown(sslv->fd, SHUT_RDWR);
461                 stream_report_content(sslv->head, sslv->n_head, STREAM_SSL,
462                                       THIS_MODULE, stream_get_name(stream));
463                 return EPROTO;
464             }
465         } else if (bootstrap_ca_cert) {
466             return do_ca_cert_bootstrap(stream);
467         } else if (verify_peer_cert
468                    && ((SSL_get_verify_mode(sslv->ssl)
469                        & (SSL_VERIFY_NONE | SSL_VERIFY_PEER))
470                        != SSL_VERIFY_PEER)) {
471             /* Two or more SSL connections completed at the same time while we
472              * were in bootstrap mode.  Only one of these can finish the
473              * bootstrap successfully.  The other one(s) must be rejected
474              * because they were not verified against the bootstrapped CA
475              * certificate.  (Alternatively we could verify them against the CA
476              * certificate, but that's more trouble than it's worth.  These
477              * connections will succeed the next time they retry, assuming that
478              * they have a certificate against the correct CA.) */
479             VLOG_ERR("rejecting SSL connection during bootstrap race window");
480             return EPROTO;
481         } else {
482             return 0;
483         }
484     }
485
486     NOT_REACHED();
487 }
488
489 static void
490 ssl_close(struct stream *stream)
491 {
492     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
493     ssl_clear_txbuf(sslv);
494
495     /* Attempt clean shutdown of the SSL connection.  This will work most of
496      * the time, as long as the kernel send buffer has some free space and the
497      * SSL connection isn't renegotiating, etc.  That has to be good enough,
498      * since we don't have any way to continue the close operation in the
499      * background. */
500     SSL_shutdown(sslv->ssl);
501
502     /* SSL_shutdown() might have signaled an error, in which case we need to
503      * flush it out of the OpenSSL error queue or the next OpenSSL operation
504      * will falsely signal an error. */
505     ERR_clear_error();
506
507     SSL_free(sslv->ssl);
508     close(sslv->fd);
509     free(sslv);
510 }
511
512 static void
513 interpret_queued_ssl_error(const char *function)
514 {
515     int queued_error = ERR_get_error();
516     if (queued_error != 0) {
517         VLOG_WARN_RL(&rl, "%s: %s",
518                      function, ERR_error_string(queued_error, NULL));
519     } else {
520         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: SSL_ERROR_SSL without queued error", function);
521     }
522 }
523
524 static int
525 interpret_ssl_error(const char *function, int ret, int error,
526                     int *want)
527 {
528     *want = SSL_NOTHING;
529
530     switch (error) {
531     case SSL_ERROR_NONE:
532         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: unexpected SSL_ERROR_NONE", function);
533         break;
534
535     case SSL_ERROR_ZERO_RETURN:
536         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: unexpected SSL_ERROR_ZERO_RETURN", function);
537         break;
538
539     case SSL_ERROR_WANT_READ:
540         *want = SSL_READING;
541         return EAGAIN;
542
543     case SSL_ERROR_WANT_WRITE:
544         *want = SSL_WRITING;
545         return EAGAIN;
546
547     case SSL_ERROR_WANT_CONNECT:
548         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: unexpected SSL_ERROR_WANT_CONNECT", function);
549         break;
550
551     case SSL_ERROR_WANT_ACCEPT:
552         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: unexpected SSL_ERROR_WANT_ACCEPT", function);
553         break;
554
555     case SSL_ERROR_WANT_X509_LOOKUP:
556         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: unexpected SSL_ERROR_WANT_X509_LOOKUP",
557                     function);
558         break;
559
560     case SSL_ERROR_SYSCALL: {
561         int queued_error = ERR_get_error();
562         if (queued_error == 0) {
563             if (ret < 0) {
564                 int status = errno;
565                 VLOG_WARN_RL(&rl, "%s: system error (%s)",
566                              function, strerror(status));
567                 return status;
568             } else {
569                 VLOG_WARN_RL(&rl, "%s: unexpected SSL connection close",
570                              function);
571                 return EPROTO;
572             }
573         } else {
574             VLOG_WARN_RL(&rl, "%s: %s",
575                          function, ERR_error_string(queued_error, NULL));
576             break;
577         }
578     }
579
580     case SSL_ERROR_SSL:
581         interpret_queued_ssl_error(function);
582         break;
583
584     default:
585         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: bad SSL error code %d", function, error);
586         break;
587     }
588     return EIO;
589 }
590
591 static ssize_t
592 ssl_recv(struct stream *stream, void *buffer, size_t n)
593 {
594     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
595     int old_state;
596     ssize_t ret;
597
598     /* Behavior of zero-byte SSL_read is poorly defined. */
599     assert(n > 0);
600
601     old_state = SSL_get_state(sslv->ssl);
602     ret = SSL_read(sslv->ssl, buffer, n);
603     if (old_state != SSL_get_state(sslv->ssl)) {
604         sslv->tx_want = SSL_NOTHING;
605     }
606     sslv->rx_want = SSL_NOTHING;
607
608     if (ret > 0) {
609         return ret;
610     } else {
611         int error = SSL_get_error(sslv->ssl, ret);
612         if (error == SSL_ERROR_ZERO_RETURN) {
613             return 0;
614         } else {
615             return -interpret_ssl_error("SSL_read", ret, error,
616                                         &sslv->rx_want);
617         }
618     }
619 }
620
621 static void
622 ssl_clear_txbuf(struct ssl_stream *sslv)
623 {
624     ofpbuf_delete(sslv->txbuf);
625     sslv->txbuf = NULL;
626 }
627
628 static int
629 ssl_do_tx(struct stream *stream)
630 {
631     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
632
633     for (;;) {
634         int old_state = SSL_get_state(sslv->ssl);
635         int ret = SSL_write(sslv->ssl, sslv->txbuf->data, sslv->txbuf->size);
636         if (old_state != SSL_get_state(sslv->ssl)) {
637             sslv->rx_want = SSL_NOTHING;
638         }
639         sslv->tx_want = SSL_NOTHING;
640         if (ret > 0) {
641             ofpbuf_pull(sslv->txbuf, ret);
642             if (sslv->txbuf->size == 0) {
643                 return 0;
644             }
645         } else {
646             int ssl_error = SSL_get_error(sslv->ssl, ret);
647             if (ssl_error == SSL_ERROR_ZERO_RETURN) {
648                 VLOG_WARN_RL(&rl, "SSL_write: connection closed");
649                 return EPIPE;
650             } else {
651                 return interpret_ssl_error("SSL_write", ret, ssl_error,
652                                            &sslv->tx_want);
653             }
654         }
655     }
656 }
657
658 static ssize_t
659 ssl_send(struct stream *stream, const void *buffer, size_t n)
660 {
661     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
662
663     if (sslv->txbuf) {
664         return -EAGAIN;
665     } else {
666         int error;
667
668         sslv->txbuf = ofpbuf_clone_data(buffer, n);
669         error = ssl_do_tx(stream);
670         switch (error) {
671         case 0:
672             ssl_clear_txbuf(sslv);
673             return n;
674         case EAGAIN:
675             leak_checker_claim(buffer);
676             return n;
677         default:
678             sslv->txbuf = NULL;
679             return -error;
680         }
681     }
682 }
683
684 static void
685 ssl_run(struct stream *stream)
686 {
687     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
688
689     if (sslv->txbuf && ssl_do_tx(stream) != EAGAIN) {
690         ssl_clear_txbuf(sslv);
691     }
692 }
693
694 static void
695 ssl_run_wait(struct stream *stream)
696 {
697     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
698
699     if (sslv->tx_want != SSL_NOTHING) {
700         poll_fd_wait(sslv->fd, want_to_poll_events(sslv->tx_want));
701     }
702 }
703
704 static void
705 ssl_wait(struct stream *stream, enum stream_wait_type wait)
706 {
707     struct ssl_stream *sslv = ssl_stream_cast(stream);
708
709     switch (wait) {
710     case STREAM_CONNECT:
711         if (stream_connect(stream) != EAGAIN) {
712             poll_immediate_wake();
713         } else {
714             switch (sslv->state) {
715             case STATE_TCP_CONNECTING:
716                 poll_fd_wait(sslv->fd, POLLOUT);
717                 break;
718
719             case STATE_SSL_CONNECTING:
720                 /* ssl_connect() called SSL_accept() or SSL_connect(), which
721                  * set up the status that we test here. */
722                 poll_fd_wait(sslv->fd,
723                              want_to_poll_events(SSL_want(sslv->ssl)));
724                 break;
725
726             default:
727                 NOT_REACHED();
728             }
729         }
730         break;
731
732     case STREAM_RECV:
733         if (sslv->rx_want != SSL_NOTHING) {
734             poll_fd_wait(sslv->fd, want_to_poll_events(sslv->rx_want));
735         } else {
736             poll_immediate_wake();
737         }
738         break;
739
740     case STREAM_SEND:
741         if (!sslv->txbuf) {
742             /* We have room in our tx queue. */
743             poll_immediate_wake();
744         } else {
745             /* stream_run_wait() will do the right thing; don't bother with
746              * redundancy. */
747         }
748         break;
749
750     default:
751         NOT_REACHED();
752     }
753 }
754
755 struct stream_class ssl_stream_class = {
756     "ssl",                      /* name */
757     ssl_open,                   /* open */
758     ssl_close,                  /* close */
759     ssl_connect,                /* connect */
760     ssl_recv,                   /* recv */
761     ssl_send,                   /* send */
762     ssl_run,                    /* run */
763     ssl_run_wait,               /* run_wait */
764     ssl_wait,                   /* wait */
765 };
766 \f
767 /* Passive SSL. */
768
769 struct pssl_pstream
770 {
771     struct pstream pstream;
772     int fd;
773 };
774
775 struct pstream_class pssl_pstream_class;
776
777 static struct pssl_pstream *
778 pssl_pstream_cast(struct pstream *pstream)
779 {
780     pstream_assert_class(pstream, &pssl_pstream_class);
781     return CONTAINER_OF(pstream, struct pssl_pstream, pstream);
782 }
783
784 static int
785 pssl_open(const char *name OVS_UNUSED, char *suffix, struct pstream **pstreamp)
786 {
787     struct pssl_pstream *pssl;
788     struct sockaddr_in sin;
789     char bound_name[128];
790     int retval;
791     int fd;
792
793     retval = ssl_init();
794     if (retval) {
795         return retval;
796     }
797
798     fd = inet_open_passive(SOCK_STREAM, suffix, OFP_SSL_PORT, &sin);
799     if (fd < 0) {
800         return -fd;
801     }
802     sprintf(bound_name, "pssl:%"PRIu16":"IP_FMT,
803             ntohs(sin.sin_port), IP_ARGS(&sin.sin_addr.s_addr));
804
805     pssl = xmalloc(sizeof *pssl);
806     pstream_init(&pssl->pstream, &pssl_pstream_class, bound_name);
807     pssl->fd = fd;
808     *pstreamp = &pssl->pstream;
809     return 0;
810 }
811
812 static void
813 pssl_close(struct pstream *pstream)
814 {
815     struct pssl_pstream *pssl = pssl_pstream_cast(pstream);
816     close(pssl->fd);
817     free(pssl);
818 }
819
820 static int
821 pssl_accept(struct pstream *pstream, struct stream **new_streamp)
822 {
823     struct pssl_pstream *pssl = pssl_pstream_cast(pstream);
824     struct sockaddr_in sin;
825     socklen_t sin_len = sizeof sin;
826     char name[128];
827     int new_fd;
828     int error;
829
830     new_fd = accept(pssl->fd, (struct sockaddr *) &sin, &sin_len);
831     if (new_fd < 0) {
832         error = errno;
833         if (error != EAGAIN) {
834             VLOG_DBG_RL(&rl, "accept: %s", strerror(error));
835         }
836         return error;
837     }
838
839     error = set_nonblocking(new_fd);
840     if (error) {
841         close(new_fd);
842         return error;
843     }
844
845     sprintf(name, "ssl:"IP_FMT, IP_ARGS(&sin.sin_addr));
846     if (sin.sin_port != htons(OFP_SSL_PORT)) {
847         sprintf(strchr(name, '\0'), ":%"PRIu16, ntohs(sin.sin_port));
848     }
849     return new_ssl_stream(name, new_fd, SERVER, STATE_SSL_CONNECTING, &sin,
850                          new_streamp);
851 }
852
853 static void
854 pssl_wait(struct pstream *pstream)
855 {
856     struct pssl_pstream *pssl = pssl_pstream_cast(pstream);
857     poll_fd_wait(pssl->fd, POLLIN);
858 }
859
860 struct pstream_class pssl_pstream_class = {
861     "pssl",
862     pssl_open,
863     pssl_close,
864     pssl_accept,
865     pssl_wait,
866 };
867 \f
868 /*
869  * Returns true if OpenSSL error is WANT_READ or WANT_WRITE, indicating that
870  * OpenSSL is requesting that we call it back when the socket is ready for read
871  * or writing, respectively.
872  */
873 static bool
874 ssl_wants_io(int ssl_error)
875 {
876     return (ssl_error == SSL_ERROR_WANT_WRITE
877             || ssl_error == SSL_ERROR_WANT_READ);
878 }
879
880 static int
881 ssl_init(void)
882 {
883     static int init_status = -1;
884     if (init_status < 0) {
885         init_status = do_ssl_init();
886         assert(init_status >= 0);
887     }
888     return init_status;
889 }
890
891 static int
892 do_ssl_init(void)
893 {
894     SSL_METHOD *method;
895
896     SSL_library_init();
897     SSL_load_error_strings();
898
899     /* New OpenSSL changed TLSv1_method() to return a "const" pointer, so the
900      * cast is needed to avoid a warning with those newer versions. */
901     method = (SSL_METHOD *) TLSv1_method();
902     if (method == NULL) {
903         VLOG_ERR("TLSv1_method: %s", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
904         return ENOPROTOOPT;
905     }
906
907     ctx = SSL_CTX_new(method);
908     if (ctx == NULL) {
909         VLOG_ERR("SSL_CTX_new: %s", ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
910         return ENOPROTOOPT;
911     }
912     SSL_CTX_set_options(ctx, SSL_OP_NO_SSLv2 | SSL_OP_NO_SSLv3);
913     SSL_CTX_set_tmp_dh_callback(ctx, tmp_dh_callback);
914     SSL_CTX_set_mode(ctx, SSL_MODE_ENABLE_PARTIAL_WRITE);
915     SSL_CTX_set_mode(ctx, SSL_MODE_ACCEPT_MOVING_WRITE_BUFFER);
916     SSL_CTX_set_verify(ctx, SSL_VERIFY_PEER | SSL_VERIFY_FAIL_IF_NO_PEER_CERT,
917                        NULL);
918
919     return 0;
920 }
921
922 static DH *
923 tmp_dh_callback(SSL *ssl OVS_UNUSED, int is_export OVS_UNUSED, int keylength)
924 {
925     struct dh {
926         int keylength;
927         DH *dh;
928         DH *(*constructor)(void);
929     };
930
931     static struct dh dh_table[] = {
932         {1024, NULL, get_dh1024},
933         {2048, NULL, get_dh2048},
934         {4096, NULL, get_dh4096},
935     };
936
937     struct dh *dh;
938
939     for (dh = dh_table; dh < &dh_table[ARRAY_SIZE(dh_table)]; dh++) {
940         if (dh->keylength == keylength) {
941             if (!dh->dh) {
942                 dh->dh = dh->constructor();
943                 if (!dh->dh) {
944                     out_of_memory();
945                 }
946             }
947             return dh->dh;
948         }
949     }
950     VLOG_ERR_RL(&rl, "no Diffie-Hellman parameters for key length %d",
951                 keylength);
952     return NULL;
953 }
954
955 /* Returns true if SSL is at least partially configured. */
956 bool
957 stream_ssl_is_configured(void)
958 {
959     return private_key.file_name || certificate.file_name || ca_cert.file_name;
960 }
961
962 static bool
963 update_ssl_config(struct ssl_config_file *config, const char *file_name)
964 {
965     struct timespec mtime;
966     int error;
967
968     if (ssl_init() || !file_name) {
969         return false;
970     }
971
972     /* If the file name hasn't changed and neither has the file contents, stop
973      * here. */
974     error = get_mtime(file_name, &mtime);
975     if (error && error != ENOENT) {
976         VLOG_ERR_RL(&rl, "%s: stat failed (%s)", file_name, strerror(error));
977     }
978     if (config->file_name
979         && !strcmp(config->file_name, file_name)
980         && mtime.tv_sec == config->mtime.tv_sec
981         && mtime.tv_nsec == config->mtime.tv_nsec) {
982         return false;
983     }
984
985     /* Update 'config'. */
986     config->mtime = mtime;
987     if (file_name != config->file_name) {
988         free(config->file_name);
989         config->file_name = xstrdup(file_name);
990     }
991     return true;
992 }
993
994 static void
995 stream_ssl_set_private_key_file__(const char *file_name)
996 {
997     if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, file_name, SSL_FILETYPE_PEM) == 1) {
998         private_key.read = true;
999     } else {
1000         VLOG_ERR("SSL_use_PrivateKey_file: %s",
1001                  ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
1002     }
1003 }
1004
1005 void
1006 stream_ssl_set_private_key_file(const char *file_name)
1007 {
1008     if (update_ssl_config(&private_key, file_name)) {
1009         stream_ssl_set_private_key_file__(file_name);
1010     }
1011 }
1012
1013 static void
1014 stream_ssl_set_certificate_file__(const char *file_name)
1015 {
1016     if (SSL_CTX_use_certificate_chain_file(ctx, file_name) == 1) {
1017         certificate.read = true;
1018     } else {
1019         VLOG_ERR("SSL_use_certificate_file: %s",
1020                  ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
1021     }
1022 }
1023
1024 void
1025 stream_ssl_set_certificate_file(const char *file_name)
1026 {
1027     if (update_ssl_config(&certificate, file_name)) {
1028         stream_ssl_set_certificate_file__(file_name);
1029     }
1030 }
1031
1032 /* Sets the private key and certificate files in one operation.  Use this
1033  * interface, instead of calling stream_ssl_set_private_key_file() and
1034  * stream_ssl_set_certificate_file() individually, in the main loop of a
1035  * long-running program whose key and certificate might change at runtime.
1036  *
1037  * This is important because of OpenSSL's behavior.  If an OpenSSL context
1038  * already has a certificate, and stream_ssl_set_private_key_file() is called
1039  * to install a new private key, OpenSSL will report an error because the new
1040  * private key does not match the old certificate.  The other order, of setting
1041  * a new certificate, then setting a new private key, does work.
1042  *
1043  * If this were the only problem, calling stream_ssl_set_certificate_file()
1044  * before stream_ssl_set_private_key_file() would fix it.  But, if the private
1045  * key is changed before the certificate (e.g. someone "scp"s or "mv"s the new
1046  * private key in place before the certificate), then OpenSSL would reject that
1047  * change, and then the change of certificate would succeed, but there would be
1048  * no associated private key (because it had only changed once and therefore
1049  * there was no point in re-reading it).
1050  *
1051  * This function avoids both problems by, whenever either the certificate or
1052  * the private key file changes, re-reading both of them, in the correct order.
1053  */
1054 void
1055 stream_ssl_set_key_and_cert(const char *private_key_file,
1056                             const char *certificate_file)
1057 {
1058     if (update_ssl_config(&private_key, private_key_file)
1059         || update_ssl_config(&certificate, certificate_file)) {
1060         stream_ssl_set_certificate_file__(certificate_file);
1061         stream_ssl_set_private_key_file__(private_key_file);
1062     }
1063 }
1064
1065 /* Reads the X509 certificate or certificates in file 'file_name'.  On success,
1066  * stores the address of the first element in an array of pointers to
1067  * certificates in '*certs' and the number of certificates in the array in
1068  * '*n_certs', and returns 0.  On failure, stores a null pointer in '*certs', 0
1069  * in '*n_certs', and returns a positive errno value.
1070  *
1071  * The caller is responsible for freeing '*certs'. */
1072 static int
1073 read_cert_file(const char *file_name, X509 ***certs, size_t *n_certs)
1074 {
1075     FILE *file;
1076     size_t allocated_certs = 0;
1077
1078     *certs = NULL;
1079     *n_certs = 0;
1080
1081     file = fopen(file_name, "r");
1082     if (!file) {
1083         VLOG_ERR("failed to open %s for reading: %s",
1084                  file_name, strerror(errno));
1085         return errno;
1086     }
1087
1088     for (;;) {
1089         X509 *certificate;
1090         int c;
1091
1092         /* Read certificate from file. */
1093         certificate = PEM_read_X509(file, NULL, NULL, NULL);
1094         if (!certificate) {
1095             size_t i;
1096
1097             VLOG_ERR("PEM_read_X509 failed reading %s: %s",
1098                      file_name, ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
1099             for (i = 0; i < *n_certs; i++) {
1100                 X509_free((*certs)[i]);
1101             }
1102             free(*certs);
1103             *certs = NULL;
1104             *n_certs = 0;
1105             return EIO;
1106         }
1107
1108         /* Add certificate to array. */
1109         if (*n_certs >= allocated_certs) {
1110             *certs = x2nrealloc(*certs, &allocated_certs, sizeof **certs);
1111         }
1112         (*certs)[(*n_certs)++] = certificate;
1113
1114         /* Are there additional certificates in the file? */
1115         do {
1116             c = getc(file);
1117         } while (isspace(c));
1118         if (c == EOF) {
1119             break;
1120         }
1121         ungetc(c, file);
1122     }
1123     fclose(file);
1124     return 0;
1125 }
1126
1127
1128 /* Sets 'file_name' as the name of a file containing one or more X509
1129  * certificates to send to the peer.  Typical use in OpenFlow is to send the CA
1130  * certificate to the peer, which enables a switch to pick up the controller's
1131  * CA certificate on its first connection. */
1132 void
1133 stream_ssl_set_peer_ca_cert_file(const char *file_name)
1134 {
1135     X509 **certs;
1136     size_t n_certs;
1137     size_t i;
1138
1139     if (ssl_init()) {
1140         return;
1141     }
1142
1143     if (!read_cert_file(file_name, &certs, &n_certs)) {
1144         for (i = 0; i < n_certs; i++) {
1145             if (SSL_CTX_add_extra_chain_cert(ctx, certs[i]) != 1) {
1146                 VLOG_ERR("SSL_CTX_add_extra_chain_cert: %s",
1147                          ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
1148             }
1149         }
1150         free(certs);
1151     }
1152 }
1153
1154 /* Logs fingerprint of CA certificate 'cert' obtained from 'file_name'. */
1155 static void
1156 log_ca_cert(const char *file_name, X509 *cert)
1157 {
1158     unsigned char digest[EVP_MAX_MD_SIZE];
1159     unsigned int n_bytes;
1160     struct ds fp;
1161     char *subject;
1162
1163     ds_init(&fp);
1164     if (!X509_digest(cert, EVP_sha1(), digest, &n_bytes)) {
1165         ds_put_cstr(&fp, "<out of memory>");
1166     } else {
1167         unsigned int i;
1168         for (i = 0; i < n_bytes; i++) {
1169             if (i) {
1170                 ds_put_char(&fp, ':');
1171             }
1172             ds_put_format(&fp, "%02hhx", digest[i]);
1173         }
1174     }
1175     subject = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), NULL, 0);
1176     VLOG_INFO("Trusting CA cert from %s (%s) (fingerprint %s)", file_name,
1177               subject ? subject : "<out of memory>", ds_cstr(&fp));
1178     OPENSSL_free(subject);
1179     ds_destroy(&fp);
1180 }
1181
1182 static void
1183 stream_ssl_set_ca_cert_file__(const char *file_name,
1184                               bool bootstrap, bool force)
1185 {
1186     X509 **certs;
1187     size_t n_certs;
1188     struct stat s;
1189
1190     if (!update_ssl_config(&ca_cert, file_name) && !force) {
1191         return;
1192     }
1193
1194     if (!strcmp(file_name, "none")) {
1195         verify_peer_cert = false;
1196         VLOG_WARN("Peer certificate validation disabled "
1197                   "(this is a security risk)");
1198     } else if (bootstrap && stat(file_name, &s) && errno == ENOENT) {
1199         bootstrap_ca_cert = true;
1200     } else if (!read_cert_file(file_name, &certs, &n_certs)) {
1201         size_t i;
1202
1203         /* Set up list of CAs that the server will accept from the client. */
1204         for (i = 0; i < n_certs; i++) {
1205             /* SSL_CTX_add_client_CA makes a copy of the relevant data. */
1206             if (SSL_CTX_add_client_CA(ctx, certs[i]) != 1) {
1207                 VLOG_ERR("failed to add client certificate %zu from %s: %s",
1208                          i, file_name,
1209                          ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
1210             } else {
1211                 log_ca_cert(file_name, certs[i]);
1212             }
1213             X509_free(certs[i]);
1214         }
1215         free(certs);
1216
1217         /* Set up CAs for OpenSSL to trust in verifying the peer's
1218          * certificate. */
1219         SSL_CTX_set_cert_store(ctx, X509_STORE_new());
1220         if (SSL_CTX_load_verify_locations(ctx, file_name, NULL) != 1) {
1221             VLOG_ERR("SSL_CTX_load_verify_locations: %s",
1222                      ERR_error_string(ERR_get_error(), NULL));
1223             return;
1224         }
1225
1226         bootstrap_ca_cert = false;
1227     }
1228     ca_cert.read = true;
1229 }
1230
1231 /* Sets 'file_name' as the name of the file from which to read the CA
1232  * certificate used to verify the peer within SSL connections.  If 'bootstrap'
1233  * is false, the file must exist.  If 'bootstrap' is false, then the file is
1234  * read if it is exists; if it does not, then it will be created from the CA
1235  * certificate received from the peer on the first SSL connection. */
1236 void
1237 stream_ssl_set_ca_cert_file(const char *file_name, bool bootstrap)
1238 {
1239     stream_ssl_set_ca_cert_file__(file_name, bootstrap, false);
1240 }
1241 \f
1242 /* SSL protocol logging. */
1243
1244 static const char *
1245 ssl_alert_level_to_string(uint8_t type)
1246 {
1247     switch (type) {
1248     case 1: return "warning";
1249     case 2: return "fatal";
1250     default: return "<unknown>";
1251     }
1252 }
1253
1254 static const char *
1255 ssl_alert_description_to_string(uint8_t type)
1256 {
1257     switch (type) {
1258     case 0: return "close_notify";
1259     case 10: return "unexpected_message";
1260     case 20: return "bad_record_mac";
1261     case 21: return "decryption_failed";
1262     case 22: return "record_overflow";
1263     case 30: return "decompression_failure";
1264     case 40: return "handshake_failure";
1265     case 42: return "bad_certificate";
1266     case 43: return "unsupported_certificate";
1267     case 44: return "certificate_revoked";
1268     case 45: return "certificate_expired";
1269     case 46: return "certificate_unknown";
1270     case 47: return "illegal_parameter";
1271     case 48: return "unknown_ca";
1272     case 49: return "access_denied";
1273     case 50: return "decode_error";
1274     case 51: return "decrypt_error";
1275     case 60: return "export_restriction";
1276     case 70: return "protocol_version";
1277     case 71: return "insufficient_security";
1278     case 80: return "internal_error";
1279     case 90: return "user_canceled";
1280     case 100: return "no_renegotiation";
1281     default: return "<unknown>";
1282     }
1283 }
1284
1285 static const char *
1286 ssl_handshake_type_to_string(uint8_t type)
1287 {
1288     switch (type) {
1289     case 0: return "hello_request";
1290     case 1: return "client_hello";
1291     case 2: return "server_hello";
1292     case 11: return "certificate";
1293     case 12: return "server_key_exchange";
1294     case 13: return "certificate_request";
1295     case 14: return "server_hello_done";
1296     case 15: return "certificate_verify";
1297     case 16: return "client_key_exchange";
1298     case 20: return "finished";
1299     default: return "<unknown>";
1300     }
1301 }
1302
1303 static void
1304 ssl_protocol_cb(int write_p, int version OVS_UNUSED, int content_type,
1305                 const void *buf_, size_t len, SSL *ssl OVS_UNUSED, void *sslv_)
1306 {
1307     const struct ssl_stream *sslv = sslv_;
1308     const uint8_t *buf = buf_;
1309     struct ds details;
1310
1311     if (!VLOG_IS_DBG_ENABLED()) {
1312         return;
1313     }
1314
1315     ds_init(&details);
1316     if (content_type == 20) {
1317         ds_put_cstr(&details, "change_cipher_spec");
1318     } else if (content_type == 21) {
1319         ds_put_format(&details, "alert: %s, %s",
1320                       ssl_alert_level_to_string(buf[0]),
1321                       ssl_alert_description_to_string(buf[1]));
1322     } else if (content_type == 22) {
1323         ds_put_format(&details, "handshake: %s",
1324                       ssl_handshake_type_to_string(buf[0]));
1325     } else {
1326         ds_put_format(&details, "type %d", content_type);
1327     }
1328
1329     VLOG_DBG("%s%u%s%s %s (%zu bytes)",
1330              sslv->type == CLIENT ? "client" : "server",
1331              sslv->session_nr, write_p ? "-->" : "<--",
1332              stream_get_name(&sslv->stream), ds_cstr(&details), len);
1333
1334     ds_destroy(&details);
1335 }