avutil/softfloat: Add test for av_cmp_sf()
[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 FFmpeg.
7  *
8  * FFmpeg 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  * FFmpeg 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 FFmpeg; 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 "aes_internal.h"
26 #include "intreadwrite.h"
27 #include "timer.h"
28
29 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
30
31 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
32 {
33     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
34 }
35
36 static const uint8_t rcon[10] = {
37   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
38 };
39
40 static uint8_t     sbox[256];
41 static uint8_t inv_sbox[256];
42 #if CONFIG_SMALL
43 static uint32_t enc_multbl[1][256];
44 static uint32_t dec_multbl[1][256];
45 #else
46 static uint32_t enc_multbl[4][256];
47 static uint32_t dec_multbl[4][256];
48 #endif
49
50 #if HAVE_BIGENDIAN
51 #   define ROT(x, s) (((x) >> (s)) | ((x) << (32-(s))))
52 #else
53 #   define ROT(x, s) (((x) << (s)) | ((x) >> (32-(s))))
54 #endif
55
56 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
57                           const av_aes_block *round_key)
58 {
59     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
60     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
61 }
62
63 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
64                             const av_aes_block *round_key)
65 {
66     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
67     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
68 }
69
70 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
71                             const av_aes_block *round_key)
72 {
73     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
74     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
75 }
76
77 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
78 {
79     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
80     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
81
82     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
83     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
84     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
85     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
86     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
87     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
88     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
89     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
90     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
91     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
92     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
93     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
94     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
95     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
96     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
97     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
98 }
99
100 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
101 #if CONFIG_SMALL
102     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
103 #else
104     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
105 #endif
106 }
107
108 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
109     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
110     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
111     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
112     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
113     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
114 }
115
116 static inline void aes_crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
117                          uint32_t multbl[][256])
118 {
119     int r;
120
121     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
122         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
123         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
124     }
125
126     subshift(&a->state[0], s, sbox);
127 }
128
129 static void aes_encrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
130                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
131 {
132     while (count--) {
133         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
134         if (iv)
135             addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
136         aes_crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
137         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
138         if (iv)
139             memcpy(iv, dst, 16);
140         src += 16;
141         dst += 16;
142     }
143 }
144
145 static void aes_decrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
146                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
147 {
148     while (count--) {
149         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
150         aes_crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
151         if (iv) {
152             addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
153             memcpy(iv, src, 16);
154         }
155         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
156         src += 16;
157         dst += 16;
158     }
159 }
160
161 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
162                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
163 {
164     a->crypt(a, dst, src, count, iv, a->rounds);
165 }
166
167 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
168                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
169                          const uint8_t *sbox)
170 {
171     int i;
172
173     for (i = 0; i < 256; i++) {
174         int x = sbox[i];
175         if (x) {
176             int k, l, m, n;
177             x = log8[x];
178             k = alog8[x + log8[c[0]]];
179             l = alog8[x + log8[c[1]]];
180             m = alog8[x + log8[c[2]]];
181             n = alog8[x + log8[c[3]]];
182             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
183 #if !CONFIG_SMALL
184             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
185             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
186             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
187 #endif
188         }
189     }
190 }
191
192 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
193 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
194 {
195     int i, j, t, rconpointer = 0;
196     uint8_t tk[8][4];
197     int KC = key_bits >> 5;
198     int rounds = KC + 6;
199     uint8_t log8[256];
200     uint8_t alog8[512];
201
202     a->crypt = decrypt ? aes_decrypt : aes_encrypt;
203
204     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
205         j = 1;
206         for (i = 0; i < 255; i++) {
207             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
208             log8[j] = i;
209             j ^= j + j;
210             if (j > 255)
211                 j ^= 0x11B;
212         }
213         for (i = 0; i < 256; i++) {
214             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
215             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
216             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
217             inv_sbox[j] = i;
218             sbox[i] = j;
219         }
220         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
221                      log8, alog8, inv_sbox);
222         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
223                      log8, alog8, sbox);
224     }
225
226     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
227         return AVERROR(EINVAL);
228
229     a->rounds = rounds;
230
231     memcpy(tk, key, KC * 4);
232     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
233
234     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
235         for (i = 0; i < 4; i++)
236             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
237         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
238
239         for (j = 1; j < KC; j++) {
240             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
241                 for (i = 0; i < 4; i++)
242                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
243             else
244                 for (i = 0; i < 4; i++)
245                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
246         }
247
248         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
249     }
250
251     if (decrypt) {
252         for (i = 1; i < rounds; i++) {
253             av_aes_block tmp[3];
254             tmp[2] = a->round_key[i];
255             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
256             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
257             a->round_key[i] = tmp[0];
258         }
259     } else {
260         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
261             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
262         }
263     }
264
265     return 0;
266 }
267
268 #ifdef TEST
269 // LCOV_EXCL_START
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[32], 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[32];
295     uint8_t iv[2][16];
296     int err = 0;
297
298     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
299
300     for (i = 0; i < 2; i++) {
301         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
302         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
303         for (j = 0; j < 16; j++) {
304             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
305                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
306                        j, rpt[i][j], temp[j]);
307                 err = 1;
308             }
309         }
310     }
311
312     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
313         AVAES ae, ad;
314         AVLFG prng;
315
316         av_aes_init(&ae, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 0);
317         av_aes_init(&ad, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 1);
318         av_lfg_init(&prng, 1);
319
320         for (i = 0; i < 10000; i++) {
321             for (j = 0; j < 32; j++) {
322                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
323             }
324             for (j = 0; j < 16; j++) {
325                 iv[0][j] = iv[1][j] = av_lfg_get(&prng);
326             }
327             {
328                 START_TIMER;
329                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 2, iv[0], 0);
330                 if (!(i & (i - 1)))
331                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
332                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
333                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 2, iv[1], 1);
334                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 2, NULL, 0);
335                 if (!(i & (i - 1)))
336                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
337                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
338                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 2, NULL, 1);
339                 STOP_TIMER("aes");
340             }
341             for (j = 0; j < 16; j++) {
342                 if (pt[j] != temp[j]) {
343                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
344                            i, j, pt[j], temp[j]);
345                 }
346             }
347         }
348     }
349     return err;
350 }
351 // LCOV_EXCL_STOP
352 #endif