timer: use mach_absolute_time as high resolution clock on darwin
[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 #if FF_API_CONTEXT_SIZE
44 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
45 #endif
46
47 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
48 {
49     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
50 }
51
52 static const uint8_t rcon[10] = {
53   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
54 };
55
56 static uint8_t     sbox[256];
57 static uint8_t inv_sbox[256];
58 #if CONFIG_SMALL
59 static uint32_t enc_multbl[1][256];
60 static uint32_t dec_multbl[1][256];
61 #else
62 static uint32_t enc_multbl[4][256];
63 static uint32_t dec_multbl[4][256];
64 #endif
65
66 #if HAVE_BIGENDIAN
67 #   define ROT(x, s) ((x >> s) | (x << (32-s)))
68 #else
69 #   define ROT(x, s) ((x << s) | (x >> (32-s)))
70 #endif
71
72 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
73                           const av_aes_block *round_key)
74 {
75     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
76     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
77 }
78
79 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
80                             const av_aes_block *round_key)
81 {
82     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
83     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
84 }
85
86 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
87                             const av_aes_block *round_key)
88 {
89     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
90     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
91 }
92
93 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
94 {
95     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
96     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
97
98     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
99     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
100     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
101     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
102     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
103     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
104     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
105     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
106     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
107     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
108     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
109     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
110     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
111     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
112     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
113     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
114 }
115
116 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
117 #if CONFIG_SMALL
118     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
119 #else
120     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
121 #endif
122 }
123
124 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
125     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
126     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
127     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
128     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
129     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
130 }
131
132 static inline void crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
133                          uint32_t multbl[][256])
134 {
135     int r;
136
137     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
138         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
139         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
140     }
141
142     subshift(&a->state[0], s, sbox);
143 }
144
145 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
146                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
147 {
148     while (count--) {
149         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
150         if (decrypt) {
151             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
152             if (iv) {
153                 addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
154                 memcpy(iv, src, 16);
155             }
156             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
157         } else {
158             if (iv)
159                 addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
160             crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
161             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
162             if (iv)
163                 memcpy(iv, dst, 16);
164         }
165         src += 16;
166         dst += 16;
167     }
168 }
169
170 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
171                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
172                          const uint8_t *sbox)
173 {
174     int i;
175
176     for (i = 0; i < 256; i++) {
177         int x = sbox[i];
178         if (x) {
179             int k, l, m, n;
180             x = log8[x];
181             k = alog8[x + log8[c[0]]];
182             l = alog8[x + log8[c[1]]];
183             m = alog8[x + log8[c[2]]];
184             n = alog8[x + log8[c[3]]];
185             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
186 #if !CONFIG_SMALL
187             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
188             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
189             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
190 #endif
191         }
192     }
193 }
194
195 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
196 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
197 {
198     int i, j, t, rconpointer = 0;
199     uint8_t tk[8][4];
200     int KC = key_bits >> 5;
201     int rounds = KC + 6;
202     uint8_t log8[256];
203     uint8_t alog8[512];
204
205     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
206         j = 1;
207         for (i = 0; i < 255; i++) {
208             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
209             log8[j] = i;
210             j ^= j + j;
211             if (j > 255)
212                 j ^= 0x11B;
213         }
214         for (i = 0; i < 256; i++) {
215             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
216             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
217             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
218             inv_sbox[j] = i;
219             sbox[i] = j;
220         }
221         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
222                      log8, alog8, inv_sbox);
223         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
224                      log8, alog8, sbox);
225     }
226
227     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
228         return -1;
229
230     a->rounds = rounds;
231
232     memcpy(tk, key, KC * 4);
233     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
234
235     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
236         for (i = 0; i < 4; i++)
237             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
238         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
239
240         for (j = 1; j < KC; j++) {
241             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
242                 for (i = 0; i < 4; i++)
243                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
244             else
245                 for (i = 0; i < 4; i++)
246                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
247         }
248
249         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
250     }
251
252     if (decrypt) {
253         for (i = 1; i < rounds; i++) {
254             av_aes_block tmp[3];
255             tmp[2] = a->round_key[i];
256             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
257             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
258             a->round_key[i] = tmp[0];
259         }
260     } else {
261         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
262             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
263         }
264     }
265
266     return 0;
267 }
268
269 #ifdef TEST
270 #include <string.h>
271 #include "lfg.h"
272 #include "log.h"
273
274 int main(int argc, char **argv)
275 {
276     int i, j;
277     AVAES b;
278     uint8_t rkey[2][16] = {
279         { 0 },
280         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
281           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
282     };
283     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
284         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
285           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
286         { 0 }
287     };
288     uint8_t rct[2][16]= {
289         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
290           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
291         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
292           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
293     };
294     uint8_t temp[16];
295     int err = 0;
296
297     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
298
299     for (i = 0; i < 2; i++) {
300         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
301         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
302         for (j = 0; j < 16; j++) {
303             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
304                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
305                        j, rpt[i][j], temp[j]);
306                 err = 1;
307             }
308         }
309     }
310
311     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
312         AVAES ae, ad;
313         AVLFG prng;
314
315         av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
316         av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
317         av_lfg_init(&prng, 1);
318
319         for (i = 0; i < 10000; i++) {
320             for (j = 0; j < 16; j++) {
321                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
322             }
323             {
324                 START_TIMER;
325                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
326                 if (!(i & (i - 1)))
327                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
328                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
329                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
330                 STOP_TIMER("aes");
331             }
332             for (j = 0; j < 16; j++) {
333                 if (pt[j] != temp[j]) {
334                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
335                            i, j, pt[j], temp[j]);
336                 }
337             }
338         }
339     }
340     return err;
341 }
342 #endif