c2ba0d2db7c2b20bcdb6d967ca4cdcdc96461fa7
[ffmpeg.git] / libavutil / aes.c
1 /*
2  * copyright (c) 2007 Michael Niedermayer <michaelni@gmx.at>
3  *
4  * This file is part of FFmpeg.
5  *
6  * FFmpeg is free software; you can redistribute it and/or
7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
8  * License as published by the Free Software Foundation; either
9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
10  *
11  * FFmpeg is distributed in the hope that it will be useful,
12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
14  * Lesser General Public License for more details.
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
17  * License along with FFmpeg; if not, write to the Free Software
18  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
19  *
20  * some optimization ideas from aes128.c by Reimar Doeffinger
21  */
22
23 #include "common.h"
24 #include "aes.h"
25
26 typedef struct AVAES{
27     uint8_t round_key[15][4][4];
28     uint8_t state[2][4][4];
29     int rounds;
30 }AVAES;
31
32 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
33
34 static const uint8_t rcon[10] = {
35   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
36 };
37
38 static uint8_t     sbox[256];
39 static uint8_t inv_sbox[256];
40 #ifdef CONFIG_SMALL
41 static uint32_t enc_multbl[1][256];
42 static uint32_t dec_multbl[1][256];
43 #else
44 static uint32_t enc_multbl[4][256];
45 static uint32_t dec_multbl[4][256];
46 #endif
47
48 static inline void addkey(uint64_t state[2], uint64_t round_key[2]){
49     state[2] = state[0] ^ round_key[0];
50     state[3] = state[1] ^ round_key[1];
51 }
52
53 static void subshift(uint8_t s0[2][16], uint8_t s1[2][16], uint8_t s3[2][16], uint8_t *box){
54     s0[0][0]=box[s0[1][ 0]]; s0[0][ 4]=box[s0[1][ 4]]; s0[0][ 8]=box[s0[1][ 8]]; s0[0][12]=box[s0[1][12]];
55     s1[0][0]=box[s1[1][ 4]]; s1[0][ 4]=box[s1[1][ 8]]; s1[0][ 8]=box[s1[1][12]]; s1[0][12]=box[s1[1][ 0]];
56     s0[0][2]=box[s0[1][10]]; s0[0][10]=box[s0[1][ 2]]; s0[0][ 6]=box[s0[1][14]]; s0[0][14]=box[s0[1][ 6]];
57     s3[0][0]=box[s3[1][12]]; s3[0][12]=box[s3[1][ 8]]; s3[0][ 8]=box[s3[1][ 4]]; s3[0][ 4]=box[s3[1][ 0]];
58 }
59
60 #define ROT(x,s) ((x<<s)|(x>>(32-s)))
61 #if 0
62 static inline void mix(uint8_t state[4][4], uint32_t multbl[4][256]){
63     int i;
64     for(i=0; i<4; i++)
65 #ifdef CONFIG_SMALL
66         ((uint32_t *)(state))[i] =     multbl[0][state[i][0]]     ^ ROT(multbl[0][state[i][1]], 8)
67                                   ^ROT(multbl[0][state[i][2]],16) ^ ROT(multbl[0][state[i][3]],24);
68 #else
69         ((uint32_t *)(state))[i] = multbl[0][state[i][0]] ^ multbl[1][state[i][1]]
70                                   ^multbl[2][state[i][2]] ^ multbl[3][state[i][3]];
71 #endif
72 }
73 #endif
74
75 static inline void mix(uint8_t state[2][4][4], uint32_t multbl[4][256], int s1, int s3){
76     ((uint32_t *)(state))[0] = multbl[0][state[1][0][0]] ^ multbl[1][state[1][s1  ][1]]
77                               ^multbl[2][state[1][2][2]] ^ multbl[3][state[1][s3  ][3]];
78     ((uint32_t *)(state))[1] = multbl[0][state[1][1][0]] ^ multbl[1][state[1][s3-1][1]]
79                               ^multbl[2][state[1][3][2]] ^ multbl[3][state[1][s1-1][3]];
80     ((uint32_t *)(state))[2] = multbl[0][state[1][2][0]] ^ multbl[1][state[1][s3  ][1]]
81                               ^multbl[2][state[1][0][2]] ^ multbl[3][state[1][s1  ][3]];
82     ((uint32_t *)(state))[3] = multbl[0][state[1][3][0]] ^ multbl[1][state[1][s1-1][1]]
83                               ^multbl[2][state[1][1][2]] ^ multbl[3][state[1][s3-1][3]];
84 }
85
86 static inline void crypt(AVAES *a, int s, uint8_t *sbox, uint32_t *multbl){
87     int r;
88
89     for(r=a->rounds; r>1; r--){
90         addkey(a->state, a->round_key[r]);
91         mix(a->state, multbl, 3-s, 1+s);
92     }
93     addkey(a->state, a->round_key[1]);
94     subshift(a->state[0][0], a->state[0][0]+3-s, a->state[0][0]+1+s, sbox);
95     addkey(a->state, a->round_key[0]);
96 }
97
98 static void aes_decrypt(AVAES *a){
99     crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
100 }
101
102 static void aes_encrypt(AVAES *a){
103     crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
104 }
105
106 static void init_multbl2(uint8_t tbl[1024], int c[4], uint8_t *log8, uint8_t *alog8, uint8_t *sbox){
107     int i, j;
108     for(i=0; i<1024; i++){
109         int x= sbox[i>>2];
110         if(x) tbl[i]= alog8[ log8[x] + log8[c[i&3]] ];
111     }
112 #ifndef CONFIG_SMALL
113     for(j=256; j<1024; j++)
114         for(i=0; i<4; i++)
115             tbl[4*j+i]= tbl[4*j + ((i-1)&3) - 1024];
116 #endif
117 }
118
119 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
120 int av_aes_init(AVAES *a, uint8_t *key, int key_bits, int decrypt) {
121     int i, j, t, rconpointer = 0;
122     uint8_t tk[8][4];
123     int KC= key_bits>>5;
124     int rounds= KC + 6;
125     uint8_t  log8[256];
126     uint8_t alog8[512];
127
128     if(!enc_multbl[4][1023]){
129         j=1;
130         for(i=0; i<255; i++){
131             alog8[i]=
132             alog8[i+255]= j;
133             log8[j]= i;
134             j^= j+j;
135             if(j>255) j^= 0x11B;
136         }
137         for(i=0; i<256; i++){
138             j= i ? alog8[255-log8[i]] : 0;
139             j ^= (j<<1) ^ (j<<2) ^ (j<<3) ^ (j<<4);
140             j = (j ^ (j>>8) ^ 99) & 255;
141             inv_sbox[j]= i;
142             sbox    [i]= j;
143         }
144         init_multbl2(dec_multbl[0], (int[4]){0xe, 0x9, 0xd, 0xb}, log8, alog8, inv_sbox);
145         init_multbl2(enc_multbl[0], (int[4]){0x2, 0x1, 0x1, 0x3}, log8, alog8, sbox);
146     }
147
148     if(key_bits!=128 && key_bits!=192 && key_bits!=256)
149         return -1;
150
151     a->rounds= rounds;
152
153     memcpy(tk, key, KC*4);
154
155     for(t= 0; t < (rounds+1)*4;) {
156         memcpy(a->round_key[0][t], tk, KC*4);
157         t+= KC;
158
159         for(i = 0; i < 4; i++)
160             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC-1][(i+1)&3]];
161         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
162
163         for(j = 1; j < KC; j++){
164             if(KC != 8 || j != KC>>1)
165                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^=      tk[j-1][i];
166             else
167                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^= sbox[tk[j-1][i]];
168         }
169     }
170
171     if(decrypt){
172         for(i=1; i<rounds; i++){
173             uint8_t tmp[2][16];
174             memcpy(tmp[1], a->round_key[i][0], 16);
175             subshift(tmp[0], tmp[0]+3, tmp[0]+1, sbox);
176             memcpy(tmp[1], tmp[0], 16);
177             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
178             memcpy(a->round_key[i][0], tmp[0], 16);
179         }
180     }else{
181         for(i=0; i<(rounds+1)>>1; i++){
182             for(j=0; j<16; j++)
183                 FFSWAP(int, a->round_key[i][0][j], a->round_key[rounds-i][0][j]);
184         }
185     }
186
187     return 0;
188 }
189
190 #ifdef TEST
191 #include "log.h"
192
193 int main(){
194     int i,j;
195     AVAES ae, ad, b;
196     uint8_t rkey[2][16]= {
197         {0},
198         {0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3, 0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59}};
199     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
200         {0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad, 0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3},
201         {0}};
202     uint8_t rct[2][16]= {
203         {0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7, 0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf},
204         {0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0, 0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65}};
205
206     av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
207     av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
208     av_log_level= AV_LOG_DEBUG;
209
210     for(i=0; i<2; i++){
211         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
212         memcpy(b.state, rct[i], 16);
213         aes_decrypt(&b);
214         for(j=0; j<16; j++)
215             if(rpt[i][j] != b.state[1][0][j])
216                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n", j, rpt[i][j], b.state[1][0][j]);
217     }
218
219     for(i=0; i<10000; i++){
220         for(j=0; j<16; j++){
221             pt[j]= random();
222         }
223         memcpy(ae.state, pt, 16);
224 {START_TIMER
225         aes_encrypt(&ae);
226         if(!(i&(i-1)))
227             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n", ae.state[1][0][0], ae.state[1][1][1], ae.state[1][2][2], ae.state[1][3][3]);
228         memcpy(ad.state[0], ae.state[1], 16);
229         aes_decrypt(&ad);
230 STOP_TIMER("aes")}
231         for(j=0; j<16; j++){
232             if(pt[j] != ad.state[1][0][j]){
233                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n", i,j, pt[j], ad.state[1][0][j]);
234             }
235         }
236     }
237     return 0;
238 }
239 #endif