02a9281b77eb33cd97e86a806e805f60adf8e33a
[ffmpeg.git] / libavutil / aes.c
1 /*
2  * copyright (c) 2007 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
3  *
4  * some optimization ideas from aes128.c by Reimar Doeffinger
5  *
6  * This file is part of Libav.
7  *
8  * Libav is free software; you can redistribute it and/or
9  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
10  * License as published by the Free Software Foundation; either
11  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
12  *
13  * Libav is distributed in the hope that it will be useful,
14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
16  * Lesser General Public License for more details.
17  *
18  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
19  * License along with Libav; if not, write to the Free Software
20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
21  */
22
23 #include "common.h"
24 #include "aes.h"
25 #include "intreadwrite.h"
26 #include "timer.h"
27
28 typedef union {
29     uint64_t u64[2];
30     uint32_t u32[4];
31     uint8_t u8x4[4][4];
32     uint8_t u8[16];
33 } av_aes_block;
34
35 typedef struct AVAES {
36     // Note: round_key[16] is accessed in the init code, but this only
37     // overwrites state, which does not matter (see also commit ba554c0).
38     av_aes_block round_key[15];
39     av_aes_block state[2];
40     int rounds;
41 } AVAES;
42
43 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
44 {
45     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
46 }
47
48 static const uint8_t rcon[10] = {
49   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
50 };
51
52 static uint8_t     sbox[256];
53 static uint8_t inv_sbox[256];
54 #if CONFIG_SMALL
55 static uint32_t enc_multbl[1][256];
56 static uint32_t dec_multbl[1][256];
57 #else
58 static uint32_t enc_multbl[4][256];
59 static uint32_t dec_multbl[4][256];
60 #endif
61
62 #if HAVE_BIGENDIAN
63 #   define ROT(x, s) ((x >> s) | (x << (32-s)))
64 #else
65 #   define ROT(x, s) ((x << s) | (x >> (32-s)))
66 #endif
67
68 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
69                           const av_aes_block *round_key)
70 {
71     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
72     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
73 }
74
75 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
76                             const av_aes_block *round_key)
77 {
78     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
79     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
80 }
81
82 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
83                             const av_aes_block *round_key)
84 {
85     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
86     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
87 }
88
89 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
90 {
91     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
92     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
93
94     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
95     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
96     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
97     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
98     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
99     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
100     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
101     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
102     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
103     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
104     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
105     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
106     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
107     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
108     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
109     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
110 }
111
112 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
113 #if CONFIG_SMALL
114     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
115 #else
116     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
117 #endif
118 }
119
120 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
121     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
122     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
123     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
124     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
125     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
126 }
127
128 static inline void crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
129                          uint32_t multbl[][256])
130 {
131     int r;
132
133     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
134         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
135         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
136     }
137
138     subshift(&a->state[0], s, sbox);
139 }
140
141 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
142                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
143 {
144     while (count--) {
145         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
146         if (decrypt) {
147             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
148             if (iv) {
149                 addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
150                 memcpy(iv, src, 16);
151             }
152             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
153         } else {
154             if (iv)
155                 addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
156             crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
157             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
158             if (iv)
159                 memcpy(iv, dst, 16);
160         }
161         src += 16;
162         dst += 16;
163     }
164 }
165
166 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
167                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
168                          const uint8_t *sbox)
169 {
170     int i;
171
172     for (i = 0; i < 256; i++) {
173         int x = sbox[i];
174         if (x) {
175             int k, l, m, n;
176             x = log8[x];
177             k = alog8[x + log8[c[0]]];
178             l = alog8[x + log8[c[1]]];
179             m = alog8[x + log8[c[2]]];
180             n = alog8[x + log8[c[3]]];
181             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
182 #if !CONFIG_SMALL
183             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
184             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
185             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
186 #endif
187         }
188     }
189 }
190
191 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
192 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
193 {
194     int i, j, t, rconpointer = 0;
195     uint8_t tk[8][4];
196     int KC = key_bits >> 5;
197     int rounds = KC + 6;
198     uint8_t log8[256];
199     uint8_t alog8[512];
200
201     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
202         j = 1;
203         for (i = 0; i < 255; i++) {
204             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
205             log8[j] = i;
206             j ^= j + j;
207             if (j > 255)
208                 j ^= 0x11B;
209         }
210         for (i = 0; i < 256; i++) {
211             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
212             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
213             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
214             inv_sbox[j] = i;
215             sbox[i] = j;
216         }
217         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
218                      log8, alog8, inv_sbox);
219         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
220                      log8, alog8, sbox);
221     }
222
223     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
224         return -1;
225
226     a->rounds = rounds;
227
228     memcpy(tk, key, KC * 4);
229     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
230
231     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
232         for (i = 0; i < 4; i++)
233             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
234         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
235
236         for (j = 1; j < KC; j++) {
237             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
238                 for (i = 0; i < 4; i++)
239                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
240             else
241                 for (i = 0; i < 4; i++)
242                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
243         }
244
245         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
246     }
247
248     if (decrypt) {
249         for (i = 1; i < rounds; i++) {
250             av_aes_block tmp[3];
251             tmp[2] = a->round_key[i];
252             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
253             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
254             a->round_key[i] = tmp[0];
255         }
256     } else {
257         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
258             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
259         }
260     }
261
262     return 0;
263 }
264
265 #ifdef TEST
266 #include <string.h>
267 #include "lfg.h"
268 #include "log.h"
269
270 int main(int argc, char **argv)
271 {
272     int i, j;
273     AVAES b;
274     uint8_t rkey[2][16] = {
275         { 0 },
276         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
277           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
278     };
279     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
280         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
281           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
282         { 0 }
283     };
284     uint8_t rct[2][16]= {
285         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
286           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
287         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
288           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
289     };
290     uint8_t temp[16];
291     int err = 0;
292
293     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
294
295     for (i = 0; i < 2; i++) {
296         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
297         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
298         for (j = 0; j < 16; j++) {
299             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
300                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
301                        j, rpt[i][j], temp[j]);
302                 err = 1;
303             }
304         }
305     }
306
307     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
308         AVAES ae, ad;
309         AVLFG prng;
310
311         av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
312         av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
313         av_lfg_init(&prng, 1);
314
315         for (i = 0; i < 10000; i++) {
316             for (j = 0; j < 16; j++) {
317                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
318             }
319             {
320                 START_TIMER;
321                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
322                 if (!(i & (i - 1)))
323                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
324                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
325                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
326                 STOP_TIMER("aes");
327             }
328             for (j = 0; j < 16; j++) {
329                 if (pt[j] != temp[j]) {
330                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
331                            i, j, pt[j], temp[j]);
332                 }
333             }
334         }
335     }
336     return err;
337 }
338 #endif