Add another ExpandedKey derivation for Offers
[rust-lightning] / lightning / src / ln / inbound_payment.rs
1 // This file is Copyright its original authors, visible in version control
2 // history.
3 //
4 // This file is licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE
5 // or http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
6 // <LICENSE-MIT or http://opensource.org/licenses/MIT>, at your option.
7 // You may not use this file except in accordance with one or both of these
8 // licenses.
9
10 //! Utilities to generate inbound payment information in service of invoice creation.
11
12 use alloc::string::ToString;
13 use bitcoin::hashes::{Hash, HashEngine};
14 use bitcoin::hashes::cmp::fixed_time_eq;
15 use bitcoin::hashes::hmac::{Hmac, HmacEngine};
16 use bitcoin::hashes::sha256::Hash as Sha256;
17 use crate::chain::keysinterface::{KeyMaterial, EntropySource};
18 use crate::ln::{PaymentHash, PaymentPreimage, PaymentSecret};
19 use crate::ln::msgs;
20 use crate::ln::msgs::MAX_VALUE_MSAT;
21 use crate::util::chacha20::ChaCha20;
22 use crate::util::crypto::hkdf_extract_expand_4x;
23 use crate::util::errors::APIError;
24 use crate::util::logger::Logger;
25
26 use core::convert::TryInto;
27 use core::ops::Deref;
28
29 const IV_LEN: usize = 16;
30 const METADATA_LEN: usize = 16;
31 const METADATA_KEY_LEN: usize = 32;
32 const AMT_MSAT_LEN: usize = 8;
33 // Used to shift the payment type bits to take up the top 3 bits of the metadata bytes, or to
34 // retrieve said payment type bits.
35 const METHOD_TYPE_OFFSET: usize = 5;
36
37 /// A set of keys that were HKDF-expanded from an initial call to
38 /// [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`].
39 ///
40 /// [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`]: crate::chain::keysinterface::NodeSigner::get_inbound_payment_key_material
41 pub struct ExpandedKey {
42         /// The key used to encrypt the bytes containing the payment metadata (i.e. the amount and
43         /// expiry, included for payment verification on decryption).
44         metadata_key: [u8; 32],
45         /// The key used to authenticate an LDK-provided payment hash and metadata as previously
46         /// registered with LDK.
47         ldk_pmt_hash_key: [u8; 32],
48         /// The key used to authenticate a user-provided payment hash and metadata as previously
49         /// registered with LDK.
50         user_pmt_hash_key: [u8; 32],
51         /// The base key used to derive signing keys and authenticate messages for BOLT 12 Offers.
52         offers_base_key: [u8; 32],
53 }
54
55 impl ExpandedKey {
56         /// Create a  new [`ExpandedKey`] for generating an inbound payment hash and secret.
57         ///
58         /// It is recommended to cache this value and not regenerate it for each new inbound payment.
59         pub fn new(key_material: &KeyMaterial) -> ExpandedKey {
60                 let (metadata_key, ldk_pmt_hash_key, user_pmt_hash_key, offers_base_key) =
61                         hkdf_extract_expand_4x(b"LDK Inbound Payment Key Expansion", &key_material.0);
62                 Self {
63                         metadata_key,
64                         ldk_pmt_hash_key,
65                         user_pmt_hash_key,
66                         offers_base_key,
67                 }
68         }
69 }
70
71 enum Method {
72         LdkPaymentHash = 0,
73         UserPaymentHash = 1,
74         LdkPaymentHashCustomFinalCltv = 2,
75         UserPaymentHashCustomFinalCltv = 3,
76 }
77
78 impl Method {
79         fn from_bits(bits: u8) -> Result<Method, u8> {
80                 match bits {
81                         bits if bits == Method::LdkPaymentHash as u8 => Ok(Method::LdkPaymentHash),
82                         bits if bits == Method::UserPaymentHash as u8 => Ok(Method::UserPaymentHash),
83                         bits if bits == Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv as u8 => Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv),
84                         bits if bits == Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv as u8 => Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv),
85                         unknown => Err(unknown),
86                 }
87         }
88 }
89
90 fn min_final_cltv_expiry_delta_from_metadata(bytes: [u8; METADATA_LEN]) -> u16 {
91         let expiry_bytes = &bytes[AMT_MSAT_LEN..];
92         u16::from_be_bytes([expiry_bytes[0], expiry_bytes[1]])
93 }
94
95 /// Equivalent to [`crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment`], but no
96 /// `ChannelManager` is required. Useful for generating invoices for [phantom node payments] without
97 /// a `ChannelManager`.
98 ///
99 /// `keys` is generated by calling [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`] and then
100 /// calling [`ExpandedKey::new`] with its result. It is recommended to cache this value and not
101 /// regenerate it for each new inbound payment.
102 ///
103 /// `current_time` is a Unix timestamp representing the current time.
104 ///
105 /// Note that if `min_final_cltv_expiry_delta` is set to some value, then the payment will not be receivable
106 /// on versions of LDK prior to 0.0.114.
107 ///
108 /// [phantom node payments]: crate::chain::keysinterface::PhantomKeysManager
109 /// [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`]: crate::chain::keysinterface::NodeSigner::get_inbound_payment_key_material
110 pub fn create<ES: Deref>(keys: &ExpandedKey, min_value_msat: Option<u64>,
111         invoice_expiry_delta_secs: u32, entropy_source: &ES, current_time: u64,
112         min_final_cltv_expiry_delta: Option<u16>) -> Result<(PaymentHash, PaymentSecret), ()>
113         where ES::Target: EntropySource
114 {
115         let metadata_bytes = construct_metadata_bytes(min_value_msat, if min_final_cltv_expiry_delta.is_some() {
116                         Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv
117                 } else {
118                         Method::LdkPaymentHash
119                 }, invoice_expiry_delta_secs, current_time, min_final_cltv_expiry_delta)?;
120
121         let mut iv_bytes = [0 as u8; IV_LEN];
122         let rand_bytes = entropy_source.get_secure_random_bytes();
123         iv_bytes.copy_from_slice(&rand_bytes[..IV_LEN]);
124
125         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.ldk_pmt_hash_key);
126         hmac.input(&iv_bytes);
127         hmac.input(&metadata_bytes);
128         let payment_preimage_bytes = Hmac::from_engine(hmac).into_inner();
129
130         let ldk_pmt_hash = PaymentHash(Sha256::hash(&payment_preimage_bytes).into_inner());
131         let payment_secret = construct_payment_secret(&iv_bytes, &metadata_bytes, &keys.metadata_key);
132         Ok((ldk_pmt_hash, payment_secret))
133 }
134
135 /// Equivalent to [`crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment_for_hash`],
136 /// but no `ChannelManager` is required. Useful for generating invoices for [phantom node payments]
137 /// without a `ChannelManager`.
138 ///
139 /// See [`create`] for information on the `keys` and `current_time` parameters.
140 ///
141 /// Note that if `min_final_cltv_expiry_delta` is set to some value, then the payment will not be receivable
142 /// on versions of LDK prior to 0.0.114.
143 ///
144 /// [phantom node payments]: crate::chain::keysinterface::PhantomKeysManager
145 pub fn create_from_hash(keys: &ExpandedKey, min_value_msat: Option<u64>, payment_hash: PaymentHash,
146         invoice_expiry_delta_secs: u32, current_time: u64, min_final_cltv_expiry_delta: Option<u16>) -> Result<PaymentSecret, ()> {
147         let metadata_bytes = construct_metadata_bytes(min_value_msat, if min_final_cltv_expiry_delta.is_some() {
148                         Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv
149                 } else {
150                         Method::UserPaymentHash
151                 }, invoice_expiry_delta_secs, current_time, min_final_cltv_expiry_delta)?;
152
153         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.user_pmt_hash_key);
154         hmac.input(&metadata_bytes);
155         hmac.input(&payment_hash.0);
156         let hmac_bytes = Hmac::from_engine(hmac).into_inner();
157
158         let mut iv_bytes = [0 as u8; IV_LEN];
159         iv_bytes.copy_from_slice(&hmac_bytes[..IV_LEN]);
160
161         Ok(construct_payment_secret(&iv_bytes, &metadata_bytes, &keys.metadata_key))
162 }
163
164 fn construct_metadata_bytes(min_value_msat: Option<u64>, payment_type: Method,
165         invoice_expiry_delta_secs: u32, highest_seen_timestamp: u64, min_final_cltv_expiry_delta: Option<u16>) -> Result<[u8; METADATA_LEN], ()> {
166         if min_value_msat.is_some() && min_value_msat.unwrap() > MAX_VALUE_MSAT {
167                 return Err(());
168         }
169
170         let mut min_amt_msat_bytes: [u8; AMT_MSAT_LEN] = match min_value_msat {
171                 Some(amt) => amt.to_be_bytes(),
172                 None => [0; AMT_MSAT_LEN],
173         };
174         min_amt_msat_bytes[0] |= (payment_type as u8) << METHOD_TYPE_OFFSET;
175
176         // We assume that highest_seen_timestamp is pretty close to the current time - it's updated when
177         // we receive a new block with the maximum time we've seen in a header. It should never be more
178         // than two hours in the future.  Thus, we add two hours here as a buffer to ensure we
179         // absolutely never fail a payment too early.
180         // Note that we assume that received blocks have reasonably up-to-date timestamps.
181         let expiry_timestamp = highest_seen_timestamp + invoice_expiry_delta_secs as u64 + 7200;
182         let mut expiry_bytes = expiry_timestamp.to_be_bytes();
183
184         // `min_value_msat` should fit in (64 bits - 3 payment type bits =) 61 bits as an unsigned integer.
185         // This should leave us with a maximum value greater than the 21M BTC supply cap anyway.
186         if min_value_msat.is_some() && min_value_msat.unwrap() > ((1u64 << 61) - 1) { return Err(()); }
187
188         // `expiry_timestamp` should fit in (64 bits - 2 delta bytes =) 48 bits as an unsigned integer.
189         // Bitcoin's block header timestamps are actually `u32`s, so we're technically already limited to
190         // the much smaller maximum timestamp of `u32::MAX` for now, but we check the u64 `expiry_timestamp`
191         // for future-proofing.
192         if min_final_cltv_expiry_delta.is_some() && expiry_timestamp > ((1u64 << 48) - 1) { return Err(()); }
193
194         if let Some(min_final_cltv_expiry_delta) = min_final_cltv_expiry_delta {
195                 let bytes = min_final_cltv_expiry_delta.to_be_bytes();
196                 expiry_bytes[0] |= bytes[0];
197                 expiry_bytes[1] |= bytes[1];
198         }
199
200         let mut metadata_bytes: [u8; METADATA_LEN] = [0; METADATA_LEN];
201
202         metadata_bytes[..AMT_MSAT_LEN].copy_from_slice(&min_amt_msat_bytes);
203         metadata_bytes[AMT_MSAT_LEN..].copy_from_slice(&expiry_bytes);
204
205         Ok(metadata_bytes)
206 }
207
208 fn construct_payment_secret(iv_bytes: &[u8; IV_LEN], metadata_bytes: &[u8; METADATA_LEN], metadata_key: &[u8; METADATA_KEY_LEN]) -> PaymentSecret {
209         let mut payment_secret_bytes: [u8; 32] = [0; 32];
210         let (iv_slice, encrypted_metadata_slice) = payment_secret_bytes.split_at_mut(IV_LEN);
211         iv_slice.copy_from_slice(iv_bytes);
212
213         let chacha_block = ChaCha20::get_single_block(metadata_key, iv_bytes);
214         for i in 0..METADATA_LEN {
215                 encrypted_metadata_slice[i] = chacha_block[i] ^ metadata_bytes[i];
216         }
217         PaymentSecret(payment_secret_bytes)
218 }
219
220 /// Check that an inbound payment's `payment_data` field is sane.
221 ///
222 /// LDK does not store any data for pending inbound payments. Instead, we construct our payment
223 /// secret (and, if supplied by LDK, our payment preimage) to include encrypted metadata about the
224 /// payment.
225 ///
226 /// For payments without a custom `min_final_cltv_expiry_delta`, the metadata is constructed as:
227 ///   payment method (3 bits) || payment amount (8 bytes - 3 bits) || expiry (8 bytes)
228 ///
229 /// For payments including a custom `min_final_cltv_expiry_delta`, the metadata is constructed as:
230 ///   payment method (3 bits) || payment amount (8 bytes - 3 bits) || min_final_cltv_expiry_delta (2 bytes) || expiry (6 bytes)
231 ///
232 /// In both cases the result is then encrypted using a key derived from [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`].
233 ///
234 /// Then on payment receipt, we verify in this method that the payment preimage and payment secret
235 /// match what was constructed.
236 ///
237 /// [`create_inbound_payment`] and [`create_inbound_payment_for_hash`] are called by the user to
238 /// construct the payment secret and/or payment hash that this method is verifying. If the former
239 /// method is called, then the payment method bits mentioned above are represented internally as
240 /// [`Method::LdkPaymentHash`]. If the latter, [`Method::UserPaymentHash`].
241 ///
242 /// For the former method, the payment preimage is constructed as an HMAC of payment metadata and
243 /// random bytes. Because the payment secret is also encoded with these random bytes and metadata
244 /// (with the metadata encrypted with a block cipher), we're able to authenticate the preimage on
245 /// payment receipt.
246 ///
247 /// For the latter, the payment secret instead contains an HMAC of the user-provided payment hash
248 /// and payment metadata (encrypted with a block cipher), allowing us to authenticate the payment
249 /// hash and metadata on payment receipt.
250 ///
251 /// See [`ExpandedKey`] docs for more info on the individual keys used.
252 ///
253 /// [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`]: crate::chain::keysinterface::NodeSigner::get_inbound_payment_key_material
254 /// [`create_inbound_payment`]: crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment
255 /// [`create_inbound_payment_for_hash`]: crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment_for_hash
256 pub(super) fn verify<L: Deref>(payment_hash: PaymentHash, payment_data: &msgs::FinalOnionHopData,
257         highest_seen_timestamp: u64, keys: &ExpandedKey, logger: &L) -> Result<
258         (Option<PaymentPreimage>, Option<u16>), ()>
259         where L::Target: Logger
260 {
261         let (iv_bytes, metadata_bytes) = decrypt_metadata(payment_data.payment_secret, keys);
262
263         let payment_type_res = Method::from_bits((metadata_bytes[0] & 0b1110_0000) >> METHOD_TYPE_OFFSET);
264         let mut amt_msat_bytes = [0; AMT_MSAT_LEN];
265         let mut expiry_bytes = [0; METADATA_LEN - AMT_MSAT_LEN];
266         amt_msat_bytes.copy_from_slice(&metadata_bytes[..AMT_MSAT_LEN]);
267         expiry_bytes.copy_from_slice(&metadata_bytes[AMT_MSAT_LEN..]);
268         // Zero out the bits reserved to indicate the payment type.
269         amt_msat_bytes[0] &= 0b00011111;
270         let mut min_final_cltv_expiry_delta = None;
271
272         // Make sure to check the HMAC before doing the other checks below, to mitigate timing attacks.
273         let mut payment_preimage = None;
274
275         match payment_type_res {
276                 Ok(Method::UserPaymentHash) | Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv) => {
277                         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.user_pmt_hash_key);
278                         hmac.input(&metadata_bytes[..]);
279                         hmac.input(&payment_hash.0);
280                         if !fixed_time_eq(&iv_bytes, &Hmac::from_engine(hmac).into_inner().split_at_mut(IV_LEN).0) {
281                                 log_trace!(logger, "Failing HTLC with user-generated payment_hash {}: unexpected payment_secret", log_bytes!(payment_hash.0));
282                                 return Err(())
283                         }
284                 },
285                 Ok(Method::LdkPaymentHash) | Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv) => {
286                         match derive_ldk_payment_preimage(payment_hash, &iv_bytes, &metadata_bytes, keys) {
287                                 Ok(preimage) => payment_preimage = Some(preimage),
288                                 Err(bad_preimage_bytes) => {
289                                         log_trace!(logger, "Failing HTLC with payment_hash {} due to mismatching preimage {}", log_bytes!(payment_hash.0), log_bytes!(bad_preimage_bytes));
290                                         return Err(())
291                                 }
292                         }
293                 },
294                 Err(unknown_bits) => {
295                         log_trace!(logger, "Failing HTLC with payment hash {} due to unknown payment type {}", log_bytes!(payment_hash.0), unknown_bits);
296                         return Err(());
297                 }
298         }
299
300         match payment_type_res {
301                 Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv) | Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv) => {
302                         min_final_cltv_expiry_delta = Some(min_final_cltv_expiry_delta_from_metadata(metadata_bytes));
303                         // Zero out first two bytes of expiry reserved for `min_final_cltv_expiry_delta`.
304                         expiry_bytes[0] &= 0;
305                         expiry_bytes[1] &= 0;
306                 }
307                 _ => {}
308         }
309
310         let min_amt_msat: u64 = u64::from_be_bytes(amt_msat_bytes.into());
311         let expiry = u64::from_be_bytes(expiry_bytes.try_into().unwrap());
312
313         if payment_data.total_msat < min_amt_msat {
314                 log_trace!(logger, "Failing HTLC with payment_hash {} due to total_msat {} being less than the minimum amount of {} msat", log_bytes!(payment_hash.0), payment_data.total_msat, min_amt_msat);
315                 return Err(())
316         }
317
318         if expiry < highest_seen_timestamp {
319                 log_trace!(logger, "Failing HTLC with payment_hash {}: expired payment", log_bytes!(payment_hash.0));
320                 return Err(())
321         }
322
323         Ok((payment_preimage, min_final_cltv_expiry_delta))
324 }
325
326 pub(super) fn get_payment_preimage(payment_hash: PaymentHash, payment_secret: PaymentSecret, keys: &ExpandedKey) -> Result<PaymentPreimage, APIError> {
327         let (iv_bytes, metadata_bytes) = decrypt_metadata(payment_secret, keys);
328
329         match Method::from_bits((metadata_bytes[0] & 0b1110_0000) >> METHOD_TYPE_OFFSET) {
330                 Ok(Method::LdkPaymentHash) | Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv) => {
331                         derive_ldk_payment_preimage(payment_hash, &iv_bytes, &metadata_bytes, keys)
332                                 .map_err(|bad_preimage_bytes| APIError::APIMisuseError {
333                                         err: format!("Payment hash {} did not match decoded preimage {}", log_bytes!(payment_hash.0), log_bytes!(bad_preimage_bytes))
334                                 })
335                 },
336                 Ok(Method::UserPaymentHash) | Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv) => Err(APIError::APIMisuseError {
337                         err: "Expected payment type to be LdkPaymentHash, instead got UserPaymentHash".to_string()
338                 }),
339                 Err(other) => Err(APIError::APIMisuseError { err: format!("Unknown payment type: {}", other) }),
340         }
341 }
342
343 fn decrypt_metadata(payment_secret: PaymentSecret, keys: &ExpandedKey) -> ([u8; IV_LEN], [u8; METADATA_LEN]) {
344         let mut iv_bytes = [0; IV_LEN];
345         let (iv_slice, encrypted_metadata_bytes) = payment_secret.0.split_at(IV_LEN);
346         iv_bytes.copy_from_slice(iv_slice);
347
348         let chacha_block = ChaCha20::get_single_block(&keys.metadata_key, &iv_bytes);
349         let mut metadata_bytes: [u8; METADATA_LEN] = [0; METADATA_LEN];
350         for i in 0..METADATA_LEN {
351                 metadata_bytes[i] = chacha_block[i] ^ encrypted_metadata_bytes[i];
352         }
353
354         (iv_bytes, metadata_bytes)
355 }
356
357 // Errors if the payment preimage doesn't match `payment_hash`. Returns the bad preimage bytes in
358 // this case.
359 fn derive_ldk_payment_preimage(payment_hash: PaymentHash, iv_bytes: &[u8; IV_LEN], metadata_bytes: &[u8; METADATA_LEN], keys: &ExpandedKey) -> Result<PaymentPreimage, [u8; 32]> {
360         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.ldk_pmt_hash_key);
361         hmac.input(iv_bytes);
362         hmac.input(metadata_bytes);
363         let decoded_payment_preimage = Hmac::from_engine(hmac).into_inner();
364         if !fixed_time_eq(&payment_hash.0, &Sha256::hash(&decoded_payment_preimage).into_inner()) {
365                 return Err(decoded_payment_preimage);
366         }
367         return Ok(PaymentPreimage(decoded_payment_preimage))
368 }