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       1                 :             : // Copyright (c) 2023 The Bitcoin Core developers
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       4                 :             : 
       5                 :             : #include <bip324.h>
       6                 :             : 
       7                 :             : #include <chainparams.h>
       8                 :             : #include <crypto/chacha20.h>
       9                 :             : #include <crypto/chacha20poly1305.h>
      10                 :             : #include <crypto/hkdf_sha256_32.h>
      11                 :             : #include <key.h>
      12                 :             : #include <pubkey.h>
      13                 :             : #include <random.h>
      14                 :             : #include <span.h>
      15                 :             : #include <support/cleanse.h>
      16                 :             : #include <uint256.h>
      17                 :             : 
      18                 :             : #include <algorithm>
      19                 :             : #include <assert.h>
      20                 :             : #include <cstdint>
      21                 :             : #include <cstddef>
      22                 :             : #include <iterator>
      23                 :             : #include <string>
      24                 :             : 
      25                 :         150 : BIP324Cipher::BIP324Cipher(const CKey& key, Span<const std::byte> ent32) noexcept :
      26                 :         150 :     m_key(key)
      27                 :             : {
      28                 :         150 :     m_our_pubkey = m_key.EllSwiftCreate(ent32);
      29                 :         150 : }
      30                 :             : 
      31                 :          98 : BIP324Cipher::BIP324Cipher(const CKey& key, const EllSwiftPubKey& pubkey) noexcept :
      32                 :          98 :     m_key(key), m_our_pubkey(pubkey) {}
      33                 :             : 
      34                 :         244 : void BIP324Cipher::Initialize(const EllSwiftPubKey& their_pubkey, bool initiator, bool self_decrypt) noexcept
      35                 :             : {
      36                 :             :     // Determine salt (fixed string + network magic bytes)
      37                 :         244 :     const auto& message_header = Params().MessageStart();
      38                 :         244 :     std::string salt = std::string{"bitcoin_v2_shared_secret"} + std::string(std::begin(message_header), std::end(message_header));
      39                 :             : 
      40                 :             :     // Perform ECDH to derive shared secret.
      41                 :         244 :     ECDHSecret ecdh_secret = m_key.ComputeBIP324ECDHSecret(their_pubkey, m_our_pubkey, initiator);
      42                 :             : 
      43                 :             :     // Derive encryption keys from shared secret, and initialize stream ciphers and AEADs.
      44                 :         244 :     bool side = (initiator != self_decrypt);
      45                 :         244 :     CHKDF_HMAC_SHA256_L32 hkdf(UCharCast(ecdh_secret.data()), ecdh_secret.size(), salt);
      46                 :         244 :     std::array<std::byte, 32> hkdf_32_okm;
      47                 :         244 :     hkdf.Expand32("initiator_L", UCharCast(hkdf_32_okm.data()));
      48         [ +  + ]:         244 :     (side ? m_send_l_cipher : m_recv_l_cipher).emplace(hkdf_32_okm, REKEY_INTERVAL);
      49                 :         244 :     hkdf.Expand32("initiator_P", UCharCast(hkdf_32_okm.data()));
      50         [ +  + ]:         244 :     (side ? m_send_p_cipher : m_recv_p_cipher).emplace(hkdf_32_okm, REKEY_INTERVAL);
      51                 :         244 :     hkdf.Expand32("responder_L", UCharCast(hkdf_32_okm.data()));
      52         [ +  + ]:         244 :     (side ? m_recv_l_cipher : m_send_l_cipher).emplace(hkdf_32_okm, REKEY_INTERVAL);
      53                 :         244 :     hkdf.Expand32("responder_P", UCharCast(hkdf_32_okm.data()));
      54         [ +  + ]:         244 :     (side ? m_recv_p_cipher : m_send_p_cipher).emplace(hkdf_32_okm, REKEY_INTERVAL);
      55                 :             : 
      56                 :             :     // Derive garbage terminators from shared secret.
      57                 :         244 :     hkdf.Expand32("garbage_terminators", UCharCast(hkdf_32_okm.data()));
      58         [ +  + ]:         244 :     std::copy(std::begin(hkdf_32_okm), std::begin(hkdf_32_okm) + GARBAGE_TERMINATOR_LEN,
      59                 :             :         (initiator ? m_send_garbage_terminator : m_recv_garbage_terminator).begin());
      60         [ +  + ]:         244 :     std::copy(std::end(hkdf_32_okm) - GARBAGE_TERMINATOR_LEN, std::end(hkdf_32_okm),
      61                 :             :         (initiator ? m_recv_garbage_terminator : m_send_garbage_terminator).begin());
      62                 :             : 
      63                 :             :     // Derive session id from shared secret.
      64                 :         244 :     hkdf.Expand32("session_id", UCharCast(m_session_id.data()));
      65                 :             : 
      66                 :             :     // Wipe all variables that contain information which could be used to re-derive encryption keys.
      67                 :         244 :     memory_cleanse(ecdh_secret.data(), ecdh_secret.size());
      68                 :         244 :     memory_cleanse(hkdf_32_okm.data(), sizeof(hkdf_32_okm));
      69                 :         244 :     memory_cleanse(&hkdf, sizeof(hkdf));
      70                 :         244 :     m_key = CKey();
      71                 :         244 : }
      72                 :             : 
      73                 :       56238 : void BIP324Cipher::Encrypt(Span<const std::byte> contents, Span<const std::byte> aad, bool ignore, Span<std::byte> output) noexcept
      74                 :             : {
      75         [ -  + ]:       56238 :     assert(output.size() == contents.size() + EXPANSION);
      76                 :             : 
      77                 :             :     // Encrypt length.
      78                 :       56238 :     std::byte len[LENGTH_LEN];
      79                 :       56238 :     len[0] = std::byte{(uint8_t)(contents.size() & 0xFF)};
      80                 :       56238 :     len[1] = std::byte{(uint8_t)((contents.size() >> 8) & 0xFF)};
      81                 :       56238 :     len[2] = std::byte{(uint8_t)((contents.size() >> 16) & 0xFF)};
      82                 :       56238 :     m_send_l_cipher->Crypt(len, output.first(LENGTH_LEN));
      83                 :             : 
      84                 :             :     // Encrypt plaintext.
      85         [ +  + ]:       56238 :     std::byte header[HEADER_LEN] = {ignore ? IGNORE_BIT : std::byte{0}};
      86                 :       56238 :     m_send_p_cipher->Encrypt(header, contents, aad, output.subspan(LENGTH_LEN));
      87                 :       56238 : }
      88                 :             : 
      89                 :      142823 : uint32_t BIP324Cipher::DecryptLength(Span<const std::byte> input) noexcept
      90                 :             : {
      91         [ -  + ]:      142823 :     assert(input.size() == LENGTH_LEN);
      92                 :             : 
      93                 :      142823 :     std::byte buf[LENGTH_LEN];
      94                 :             :     // Decrypt length
      95                 :      142823 :     m_recv_l_cipher->Crypt(input, buf);
      96                 :             :     // Convert to number.
      97                 :      142823 :     return uint32_t(buf[0]) + (uint32_t(buf[1]) << 8) + (uint32_t(buf[2]) << 16);
      98                 :             : }
      99                 :             : 
     100                 :      142807 : bool BIP324Cipher::Decrypt(Span<const std::byte> input, Span<const std::byte> aad, bool& ignore, Span<std::byte> contents) noexcept
     101                 :             : {
     102         [ -  + ]:      142807 :     assert(input.size() + LENGTH_LEN == contents.size() + EXPANSION);
     103                 :             : 
     104                 :      142807 :     std::byte header[HEADER_LEN];
     105         [ +  + ]:      142807 :     if (!m_recv_p_cipher->Decrypt(input, aad, header, contents)) return false;
     106                 :             : 
     107                 :       93264 :     ignore = (header[0] & IGNORE_BIT) == IGNORE_BIT;
     108                 :       93264 :     return true;
     109                 :             : }