e6668a33cee2d12cf2710a0cab4088523e156ab9
[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 pub(crate) 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         /// Returns an [`HmacEngine`] used to construct [`Offer::metadata`].
71         ///
72         /// [`Offer::metadata`]: crate::offers::offer::Offer::metadata
73         #[allow(unused)]
74         pub(crate) fn hmac_for_offer(
75                 &self, nonce: Nonce, iv_bytes: &[u8; IV_LEN]
76         ) -> HmacEngine<Sha256> {
77                 let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&self.offers_base_key);
78                 hmac.input(iv_bytes);
79                 hmac.input(&nonce.0);
80                 hmac
81         }
82 }
83
84 /// A 128-bit number used only once.
85 ///
86 /// Needed when constructing [`Offer::metadata`] and deriving [`Offer::signing_pubkey`] from
87 /// [`ExpandedKey`]. Must not be reused for any other derivation without first hashing.
88 ///
89 /// [`Offer::metadata`]: crate::offers::offer::Offer::metadata
90 /// [`Offer::signing_pubkey`]: crate::offers::offer::Offer::signing_pubkey
91 #[allow(unused)]
92 #[derive(Clone, Copy)]
93 pub(crate) struct Nonce([u8; Self::LENGTH]);
94
95 impl Nonce {
96         /// Number of bytes in the nonce.
97         pub const LENGTH: usize = 16;
98
99         /// Creates a `Nonce` from the given [`EntropySource`].
100         pub fn from_entropy_source<ES: Deref>(entropy_source: ES) -> Self
101         where
102                 ES::Target: EntropySource,
103         {
104                 let mut bytes = [0u8; Self::LENGTH];
105                 let rand_bytes = entropy_source.get_secure_random_bytes();
106                 bytes.copy_from_slice(&rand_bytes[..Self::LENGTH]);
107
108                 Nonce(bytes)
109         }
110
111         /// Returns a slice of the underlying bytes of size [`Nonce::LENGTH`].
112         pub fn as_slice(&self) -> &[u8] {
113                 &self.0
114         }
115 }
116
117 enum Method {
118         LdkPaymentHash = 0,
119         UserPaymentHash = 1,
120         LdkPaymentHashCustomFinalCltv = 2,
121         UserPaymentHashCustomFinalCltv = 3,
122 }
123
124 impl Method {
125         fn from_bits(bits: u8) -> Result<Method, u8> {
126                 match bits {
127                         bits if bits == Method::LdkPaymentHash as u8 => Ok(Method::LdkPaymentHash),
128                         bits if bits == Method::UserPaymentHash as u8 => Ok(Method::UserPaymentHash),
129                         bits if bits == Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv as u8 => Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv),
130                         bits if bits == Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv as u8 => Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv),
131                         unknown => Err(unknown),
132                 }
133         }
134 }
135
136 fn min_final_cltv_expiry_delta_from_metadata(bytes: [u8; METADATA_LEN]) -> u16 {
137         let expiry_bytes = &bytes[AMT_MSAT_LEN..];
138         u16::from_be_bytes([expiry_bytes[0], expiry_bytes[1]])
139 }
140
141 /// Equivalent to [`crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment`], but no
142 /// `ChannelManager` is required. Useful for generating invoices for [phantom node payments] without
143 /// a `ChannelManager`.
144 ///
145 /// `keys` is generated by calling [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`] and then
146 /// calling [`ExpandedKey::new`] with its result. It is recommended to cache this value and not
147 /// regenerate it for each new inbound payment.
148 ///
149 /// `current_time` is a Unix timestamp representing the current time.
150 ///
151 /// Note that if `min_final_cltv_expiry_delta` is set to some value, then the payment will not be receivable
152 /// on versions of LDK prior to 0.0.114.
153 ///
154 /// [phantom node payments]: crate::chain::keysinterface::PhantomKeysManager
155 /// [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`]: crate::chain::keysinterface::NodeSigner::get_inbound_payment_key_material
156 pub fn create<ES: Deref>(keys: &ExpandedKey, min_value_msat: Option<u64>,
157         invoice_expiry_delta_secs: u32, entropy_source: &ES, current_time: u64,
158         min_final_cltv_expiry_delta: Option<u16>) -> Result<(PaymentHash, PaymentSecret), ()>
159         where ES::Target: EntropySource
160 {
161         let metadata_bytes = construct_metadata_bytes(min_value_msat, if min_final_cltv_expiry_delta.is_some() {
162                         Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv
163                 } else {
164                         Method::LdkPaymentHash
165                 }, invoice_expiry_delta_secs, current_time, min_final_cltv_expiry_delta)?;
166
167         let mut iv_bytes = [0 as u8; IV_LEN];
168         let rand_bytes = entropy_source.get_secure_random_bytes();
169         iv_bytes.copy_from_slice(&rand_bytes[..IV_LEN]);
170
171         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.ldk_pmt_hash_key);
172         hmac.input(&iv_bytes);
173         hmac.input(&metadata_bytes);
174         let payment_preimage_bytes = Hmac::from_engine(hmac).into_inner();
175
176         let ldk_pmt_hash = PaymentHash(Sha256::hash(&payment_preimage_bytes).into_inner());
177         let payment_secret = construct_payment_secret(&iv_bytes, &metadata_bytes, &keys.metadata_key);
178         Ok((ldk_pmt_hash, payment_secret))
179 }
180
181 /// Equivalent to [`crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment_for_hash`],
182 /// but no `ChannelManager` is required. Useful for generating invoices for [phantom node payments]
183 /// without a `ChannelManager`.
184 ///
185 /// See [`create`] for information on the `keys` and `current_time` parameters.
186 ///
187 /// Note that if `min_final_cltv_expiry_delta` is set to some value, then the payment will not be receivable
188 /// on versions of LDK prior to 0.0.114.
189 ///
190 /// [phantom node payments]: crate::chain::keysinterface::PhantomKeysManager
191 pub fn create_from_hash(keys: &ExpandedKey, min_value_msat: Option<u64>, payment_hash: PaymentHash,
192         invoice_expiry_delta_secs: u32, current_time: u64, min_final_cltv_expiry_delta: Option<u16>) -> Result<PaymentSecret, ()> {
193         let metadata_bytes = construct_metadata_bytes(min_value_msat, if min_final_cltv_expiry_delta.is_some() {
194                         Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv
195                 } else {
196                         Method::UserPaymentHash
197                 }, invoice_expiry_delta_secs, current_time, min_final_cltv_expiry_delta)?;
198
199         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.user_pmt_hash_key);
200         hmac.input(&metadata_bytes);
201         hmac.input(&payment_hash.0);
202         let hmac_bytes = Hmac::from_engine(hmac).into_inner();
203
204         let mut iv_bytes = [0 as u8; IV_LEN];
205         iv_bytes.copy_from_slice(&hmac_bytes[..IV_LEN]);
206
207         Ok(construct_payment_secret(&iv_bytes, &metadata_bytes, &keys.metadata_key))
208 }
209
210 fn construct_metadata_bytes(min_value_msat: Option<u64>, payment_type: Method,
211         invoice_expiry_delta_secs: u32, highest_seen_timestamp: u64, min_final_cltv_expiry_delta: Option<u16>) -> Result<[u8; METADATA_LEN], ()> {
212         if min_value_msat.is_some() && min_value_msat.unwrap() > MAX_VALUE_MSAT {
213                 return Err(());
214         }
215
216         let mut min_amt_msat_bytes: [u8; AMT_MSAT_LEN] = match min_value_msat {
217                 Some(amt) => amt.to_be_bytes(),
218                 None => [0; AMT_MSAT_LEN],
219         };
220         min_amt_msat_bytes[0] |= (payment_type as u8) << METHOD_TYPE_OFFSET;
221
222         // We assume that highest_seen_timestamp is pretty close to the current time - it's updated when
223         // we receive a new block with the maximum time we've seen in a header. It should never be more
224         // than two hours in the future.  Thus, we add two hours here as a buffer to ensure we
225         // absolutely never fail a payment too early.
226         // Note that we assume that received blocks have reasonably up-to-date timestamps.
227         let expiry_timestamp = highest_seen_timestamp + invoice_expiry_delta_secs as u64 + 7200;
228         let mut expiry_bytes = expiry_timestamp.to_be_bytes();
229
230         // `min_value_msat` should fit in (64 bits - 3 payment type bits =) 61 bits as an unsigned integer.
231         // This should leave us with a maximum value greater than the 21M BTC supply cap anyway.
232         if min_value_msat.is_some() && min_value_msat.unwrap() > ((1u64 << 61) - 1) { return Err(()); }
233
234         // `expiry_timestamp` should fit in (64 bits - 2 delta bytes =) 48 bits as an unsigned integer.
235         // Bitcoin's block header timestamps are actually `u32`s, so we're technically already limited to
236         // the much smaller maximum timestamp of `u32::MAX` for now, but we check the u64 `expiry_timestamp`
237         // for future-proofing.
238         if min_final_cltv_expiry_delta.is_some() && expiry_timestamp > ((1u64 << 48) - 1) { return Err(()); }
239
240         if let Some(min_final_cltv_expiry_delta) = min_final_cltv_expiry_delta {
241                 let bytes = min_final_cltv_expiry_delta.to_be_bytes();
242                 expiry_bytes[0] |= bytes[0];
243                 expiry_bytes[1] |= bytes[1];
244         }
245
246         let mut metadata_bytes: [u8; METADATA_LEN] = [0; METADATA_LEN];
247
248         metadata_bytes[..AMT_MSAT_LEN].copy_from_slice(&min_amt_msat_bytes);
249         metadata_bytes[AMT_MSAT_LEN..].copy_from_slice(&expiry_bytes);
250
251         Ok(metadata_bytes)
252 }
253
254 fn construct_payment_secret(iv_bytes: &[u8; IV_LEN], metadata_bytes: &[u8; METADATA_LEN], metadata_key: &[u8; METADATA_KEY_LEN]) -> PaymentSecret {
255         let mut payment_secret_bytes: [u8; 32] = [0; 32];
256         let (iv_slice, encrypted_metadata_slice) = payment_secret_bytes.split_at_mut(IV_LEN);
257         iv_slice.copy_from_slice(iv_bytes);
258
259         let chacha_block = ChaCha20::get_single_block(metadata_key, iv_bytes);
260         for i in 0..METADATA_LEN {
261                 encrypted_metadata_slice[i] = chacha_block[i] ^ metadata_bytes[i];
262         }
263         PaymentSecret(payment_secret_bytes)
264 }
265
266 /// Check that an inbound payment's `payment_data` field is sane.
267 ///
268 /// LDK does not store any data for pending inbound payments. Instead, we construct our payment
269 /// secret (and, if supplied by LDK, our payment preimage) to include encrypted metadata about the
270 /// payment.
271 ///
272 /// For payments without a custom `min_final_cltv_expiry_delta`, the metadata is constructed as:
273 ///   payment method (3 bits) || payment amount (8 bytes - 3 bits) || expiry (8 bytes)
274 ///
275 /// For payments including a custom `min_final_cltv_expiry_delta`, the metadata is constructed as:
276 ///   payment method (3 bits) || payment amount (8 bytes - 3 bits) || min_final_cltv_expiry_delta (2 bytes) || expiry (6 bytes)
277 ///
278 /// In both cases the result is then encrypted using a key derived from [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`].
279 ///
280 /// Then on payment receipt, we verify in this method that the payment preimage and payment secret
281 /// match what was constructed.
282 ///
283 /// [`create_inbound_payment`] and [`create_inbound_payment_for_hash`] are called by the user to
284 /// construct the payment secret and/or payment hash that this method is verifying. If the former
285 /// method is called, then the payment method bits mentioned above are represented internally as
286 /// [`Method::LdkPaymentHash`]. If the latter, [`Method::UserPaymentHash`].
287 ///
288 /// For the former method, the payment preimage is constructed as an HMAC of payment metadata and
289 /// random bytes. Because the payment secret is also encoded with these random bytes and metadata
290 /// (with the metadata encrypted with a block cipher), we're able to authenticate the preimage on
291 /// payment receipt.
292 ///
293 /// For the latter, the payment secret instead contains an HMAC of the user-provided payment hash
294 /// and payment metadata (encrypted with a block cipher), allowing us to authenticate the payment
295 /// hash and metadata on payment receipt.
296 ///
297 /// See [`ExpandedKey`] docs for more info on the individual keys used.
298 ///
299 /// [`NodeSigner::get_inbound_payment_key_material`]: crate::chain::keysinterface::NodeSigner::get_inbound_payment_key_material
300 /// [`create_inbound_payment`]: crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment
301 /// [`create_inbound_payment_for_hash`]: crate::ln::channelmanager::ChannelManager::create_inbound_payment_for_hash
302 pub(super) fn verify<L: Deref>(payment_hash: PaymentHash, payment_data: &msgs::FinalOnionHopData,
303         highest_seen_timestamp: u64, keys: &ExpandedKey, logger: &L) -> Result<
304         (Option<PaymentPreimage>, Option<u16>), ()>
305         where L::Target: Logger
306 {
307         let (iv_bytes, metadata_bytes) = decrypt_metadata(payment_data.payment_secret, keys);
308
309         let payment_type_res = Method::from_bits((metadata_bytes[0] & 0b1110_0000) >> METHOD_TYPE_OFFSET);
310         let mut amt_msat_bytes = [0; AMT_MSAT_LEN];
311         let mut expiry_bytes = [0; METADATA_LEN - AMT_MSAT_LEN];
312         amt_msat_bytes.copy_from_slice(&metadata_bytes[..AMT_MSAT_LEN]);
313         expiry_bytes.copy_from_slice(&metadata_bytes[AMT_MSAT_LEN..]);
314         // Zero out the bits reserved to indicate the payment type.
315         amt_msat_bytes[0] &= 0b00011111;
316         let mut min_final_cltv_expiry_delta = None;
317
318         // Make sure to check the HMAC before doing the other checks below, to mitigate timing attacks.
319         let mut payment_preimage = None;
320
321         match payment_type_res {
322                 Ok(Method::UserPaymentHash) | Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv) => {
323                         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.user_pmt_hash_key);
324                         hmac.input(&metadata_bytes[..]);
325                         hmac.input(&payment_hash.0);
326                         if !fixed_time_eq(&iv_bytes, &Hmac::from_engine(hmac).into_inner().split_at_mut(IV_LEN).0) {
327                                 log_trace!(logger, "Failing HTLC with user-generated payment_hash {}: unexpected payment_secret", log_bytes!(payment_hash.0));
328                                 return Err(())
329                         }
330                 },
331                 Ok(Method::LdkPaymentHash) | Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv) => {
332                         match derive_ldk_payment_preimage(payment_hash, &iv_bytes, &metadata_bytes, keys) {
333                                 Ok(preimage) => payment_preimage = Some(preimage),
334                                 Err(bad_preimage_bytes) => {
335                                         log_trace!(logger, "Failing HTLC with payment_hash {} due to mismatching preimage {}", log_bytes!(payment_hash.0), log_bytes!(bad_preimage_bytes));
336                                         return Err(())
337                                 }
338                         }
339                 },
340                 Err(unknown_bits) => {
341                         log_trace!(logger, "Failing HTLC with payment hash {} due to unknown payment type {}", log_bytes!(payment_hash.0), unknown_bits);
342                         return Err(());
343                 }
344         }
345
346         match payment_type_res {
347                 Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv) | Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv) => {
348                         min_final_cltv_expiry_delta = Some(min_final_cltv_expiry_delta_from_metadata(metadata_bytes));
349                         // Zero out first two bytes of expiry reserved for `min_final_cltv_expiry_delta`.
350                         expiry_bytes[0] &= 0;
351                         expiry_bytes[1] &= 0;
352                 }
353                 _ => {}
354         }
355
356         let min_amt_msat: u64 = u64::from_be_bytes(amt_msat_bytes.into());
357         let expiry = u64::from_be_bytes(expiry_bytes.try_into().unwrap());
358
359         if payment_data.total_msat < min_amt_msat {
360                 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);
361                 return Err(())
362         }
363
364         if expiry < highest_seen_timestamp {
365                 log_trace!(logger, "Failing HTLC with payment_hash {}: expired payment", log_bytes!(payment_hash.0));
366                 return Err(())
367         }
368
369         Ok((payment_preimage, min_final_cltv_expiry_delta))
370 }
371
372 pub(super) fn get_payment_preimage(payment_hash: PaymentHash, payment_secret: PaymentSecret, keys: &ExpandedKey) -> Result<PaymentPreimage, APIError> {
373         let (iv_bytes, metadata_bytes) = decrypt_metadata(payment_secret, keys);
374
375         match Method::from_bits((metadata_bytes[0] & 0b1110_0000) >> METHOD_TYPE_OFFSET) {
376                 Ok(Method::LdkPaymentHash) | Ok(Method::LdkPaymentHashCustomFinalCltv) => {
377                         derive_ldk_payment_preimage(payment_hash, &iv_bytes, &metadata_bytes, keys)
378                                 .map_err(|bad_preimage_bytes| APIError::APIMisuseError {
379                                         err: format!("Payment hash {} did not match decoded preimage {}", log_bytes!(payment_hash.0), log_bytes!(bad_preimage_bytes))
380                                 })
381                 },
382                 Ok(Method::UserPaymentHash) | Ok(Method::UserPaymentHashCustomFinalCltv) => Err(APIError::APIMisuseError {
383                         err: "Expected payment type to be LdkPaymentHash, instead got UserPaymentHash".to_string()
384                 }),
385                 Err(other) => Err(APIError::APIMisuseError { err: format!("Unknown payment type: {}", other) }),
386         }
387 }
388
389 fn decrypt_metadata(payment_secret: PaymentSecret, keys: &ExpandedKey) -> ([u8; IV_LEN], [u8; METADATA_LEN]) {
390         let mut iv_bytes = [0; IV_LEN];
391         let (iv_slice, encrypted_metadata_bytes) = payment_secret.0.split_at(IV_LEN);
392         iv_bytes.copy_from_slice(iv_slice);
393
394         let chacha_block = ChaCha20::get_single_block(&keys.metadata_key, &iv_bytes);
395         let mut metadata_bytes: [u8; METADATA_LEN] = [0; METADATA_LEN];
396         for i in 0..METADATA_LEN {
397                 metadata_bytes[i] = chacha_block[i] ^ encrypted_metadata_bytes[i];
398         }
399
400         (iv_bytes, metadata_bytes)
401 }
402
403 // Errors if the payment preimage doesn't match `payment_hash`. Returns the bad preimage bytes in
404 // this case.
405 fn derive_ldk_payment_preimage(payment_hash: PaymentHash, iv_bytes: &[u8; IV_LEN], metadata_bytes: &[u8; METADATA_LEN], keys: &ExpandedKey) -> Result<PaymentPreimage, [u8; 32]> {
406         let mut hmac = HmacEngine::<Sha256>::new(&keys.ldk_pmt_hash_key);
407         hmac.input(iv_bytes);
408         hmac.input(metadata_bytes);
409         let decoded_payment_preimage = Hmac::from_engine(hmac).into_inner();
410         if !fixed_time_eq(&payment_hash.0, &Sha256::hash(&decoded_payment_preimage).into_inner()) {
411                 return Err(decoded_payment_preimage);
412         }
413         return Ok(PaymentPreimage(decoded_payment_preimage))
414 }