Merge commit '3b08d9d932eef09403074d5af31e10d8011e840b'
[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 #include "aes.h"
29
30 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
31
32 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
33 {
34     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
35 }
36
37 static const uint8_t rcon[10] = {
38     0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
39 };
40
41 static uint8_t     sbox[256];
42 static uint8_t inv_sbox[256];
43 #if CONFIG_SMALL
44 static uint32_t enc_multbl[1][256];
45 static uint32_t dec_multbl[1][256];
46 #else
47 static uint32_t enc_multbl[4][256];
48 static uint32_t dec_multbl[4][256];
49 #endif
50
51 #if HAVE_BIGENDIAN
52 #   define ROT(x, s) (((x) >> (s)) | ((x) << (32-(s))))
53 #else
54 #   define ROT(x, s) (((x) << (s)) | ((x) >> (32-(s))))
55 #endif
56
57 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
58                           const av_aes_block *round_key)
59 {
60     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
61     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
62 }
63
64 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
65                             const av_aes_block *round_key)
66 {
67     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
68     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
69 }
70
71 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
72                             const av_aes_block *round_key)
73 {
74     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
75     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
76 }
77
78 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
79 {
80     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
81     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
82
83     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
84     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
85     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
86     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
87     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
88     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
89     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
90     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
91     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
92     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
93     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
94     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
95     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
96     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
97     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
98     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
99 }
100
101 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d)
102 {
103 #if CONFIG_SMALL
104     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
105 #else
106     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
107 #endif
108 }
109
110 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3)
111 {
112     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
113     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1    ][1], src[2][2], src[s3    ][3]);
114     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3 - 1][1], src[3][2], src[s1 - 1][3]);
115     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3    ][1], src[0][2], src[s1    ][3]);
116     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1 - 1][1], src[1][2], src[s3 - 1][3]);
117 }
118
119 static inline void aes_crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
120                          uint32_t multbl[][256])
121 {
122     int r;
123
124     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
125         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
126         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
127     }
128
129     subshift(&a->state[0], s, sbox);
130 }
131
132 static void aes_encrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
133                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
134 {
135     while (count--) {
136         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
137         if (iv)
138             addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
139         aes_crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
140         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
141         if (iv)
142             memcpy(iv, dst, 16);
143         src += 16;
144         dst += 16;
145     }
146 }
147
148 static void aes_decrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
149                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
150 {
151     while (count--) {
152         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
153         aes_crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
154         if (iv) {
155             addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
156             memcpy(iv, src, 16);
157         }
158         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
159         src += 16;
160         dst += 16;
161     }
162 }
163
164 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
165                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
166 {
167     a->crypt(a, dst, src, count, iv, a->rounds);
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     a->crypt = decrypt ? aes_decrypt : aes_encrypt;
206
207     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl) - 1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0]) - 1]) {
208         j = 1;
209         for (i = 0; i < 255; i++) {
210             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
211             log8[j] = i;
212             j ^= j + j;
213             if (j > 255)
214                 j ^= 0x11B;
215         }
216         for (i = 0; i < 256; i++) {
217             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
218             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
219             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
220             inv_sbox[j] = i;
221             sbox[i]     = j;
222         }
223         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
224                      log8, alog8, inv_sbox);
225         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
226                      log8, alog8, sbox);
227     }
228
229     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
230         return AVERROR(EINVAL);
231
232     a->rounds = rounds;
233
234     memcpy(tk, key, KC * 4);
235     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
236
237     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
238         for (i = 0; i < 4; i++)
239             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
240         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
241
242         for (j = 1; j < KC; j++) {
243             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
244                 for (i = 0; i < 4; i++)
245                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
246             else
247                 for (i = 0; i < 4; i++)
248                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
249         }
250
251         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
252     }
253
254     if (decrypt) {
255         for (i = 1; i < rounds; i++) {
256             av_aes_block tmp[3];
257             tmp[2] = a->round_key[i];
258             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
259             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
260             a->round_key[i] = tmp[0];
261         }
262     } else {
263         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++)
264             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds - i]);
265     }
266
267     return 0;
268 }
269
270 #ifdef TEST
271 // LCOV_EXCL_START
272 #include <string.h>
273
274 #include "lfg.h"
275 #include "log.h"
276
277 int main(int argc, char **argv)
278 {
279     int i, j;
280     AVAES b;
281     uint8_t rkey[2][16] = {
282         { 0 },
283         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
284           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
285     };
286     uint8_t pt[32], rpt[2][16] = {
287         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
288           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
289         { 0 }
290     };
291     uint8_t rct[2][16] = {
292         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
293           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
294         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
295           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
296     };
297     uint8_t temp[32];
298     uint8_t iv[2][16];
299     int err = 0;
300
301     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
302
303     for (i = 0; i < 2; i++) {
304         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
305         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
306         for (j = 0; j < 16; j++) {
307             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
308                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
309                        j, rpt[i][j], temp[j]);
310                 err = 1;
311             }
312         }
313     }
314
315     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
316         AVAES ae, ad;
317         AVLFG prng;
318
319         av_aes_init(&ae, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 0);
320         av_aes_init(&ad, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 1);
321         av_lfg_init(&prng, 1);
322
323         for (i = 0; i < 10000; i++) {
324             for (j = 0; j < 32; j++)
325                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
326             for (j = 0; j < 16; j++)
327                 iv[0][j] = iv[1][j] = av_lfg_get(&prng);
328             {
329                 START_TIMER;
330                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 2, iv[0], 0);
331                 if (!(i & (i - 1)))
332                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
333                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
334                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 2, iv[1], 1);
335                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 2, NULL, 0);
336                 if (!(i & (i - 1)))
337                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
338                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
339                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 2, NULL, 1);
340                 STOP_TIMER("aes");
341             }
342             for (j = 0; j < 16; j++) {
343                 if (pt[j] != temp[j]) {
344                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
345                            i, j, pt[j], temp[j]);
346                 }
347             }
348         }
349     }
350     return err;
351 }
352 // LCOV_EXCL_STOP
353 #endif