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