Merge remote-tracking branch 'qatar/master'
[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
27 typedef union {
28     uint64_t u64[2];
29     uint32_t u32[4];
30     uint8_t u8x4[4][4];
31     uint8_t u8[16];
32 } av_aes_block;
33
34 typedef struct AVAES {
35     // Note: round_key[16] is accessed in the init code, but this only
36     // overwrites state, which does not matter (see also r7471).
37     av_aes_block round_key[15];
38     av_aes_block state[2];
39     int rounds;
40 } AVAES;
41
42 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
43
44 static const uint8_t rcon[10] = {
45   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
46 };
47
48 static uint8_t     sbox[256];
49 static uint8_t inv_sbox[256];
50 #if CONFIG_SMALL
51 static uint32_t enc_multbl[1][256];
52 static uint32_t dec_multbl[1][256];
53 #else
54 static uint32_t enc_multbl[4][256];
55 static uint32_t dec_multbl[4][256];
56 #endif
57
58 #if HAVE_BIGENDIAN
59 #   define ROT(x, s) ((x >> s) | (x << (32-s)))
60 #else
61 #   define ROT(x, s) ((x << s) | (x >> (32-s)))
62 #endif
63
64 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
65                           const av_aes_block *round_key)
66 {
67     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
68     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
69 }
70
71 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
72                             const av_aes_block *round_key)
73 {
74     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
75     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
76 }
77
78 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
79                             const av_aes_block *round_key)
80 {
81     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
82     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
83 }
84
85 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
86 {
87     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
88     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
89
90     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
91     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
92     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
93     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
94     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
95     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
96     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
97     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
98     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
99     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
100     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
101     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
102     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
103     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
104     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
105     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
106 }
107
108 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
109 #if CONFIG_SMALL
110     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
111 #else
112     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
113 #endif
114 }
115
116 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
117     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
118     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
119     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
120     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
121     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
122 }
123
124 static inline void crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
125                          uint32_t multbl[][256])
126 {
127     int r;
128
129     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
130         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
131         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
132     }
133
134     subshift(&a->state[0], s, sbox);
135 }
136
137 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
138                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
139 {
140     while (count--) {
141         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
142         if (decrypt) {
143             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
144             if (iv) {
145                 addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
146                 memcpy(iv, src, 16);
147             }
148             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
149         } else {
150             if (iv)
151                 addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
152             crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
153             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
154             if (iv)
155                 memcpy(iv, dst, 16);
156         }
157         src += 16;
158         dst += 16;
159     }
160 }
161
162 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
163                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
164                          const uint8_t *sbox)
165 {
166     int i;
167
168     for (i = 0; i < 256; i++) {
169         int x = sbox[i];
170         if (x) {
171             int k, l, m, n;
172             x = log8[x];
173             k = alog8[x + log8[c[0]]];
174             l = alog8[x + log8[c[1]]];
175             m = alog8[x + log8[c[2]]];
176             n = alog8[x + log8[c[3]]];
177             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
178 #if !CONFIG_SMALL
179             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
180             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
181             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
182 #endif
183         }
184     }
185 }
186
187 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
188 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
189 {
190     int i, j, t, rconpointer = 0;
191     uint8_t tk[8][4];
192     int KC = key_bits >> 5;
193     int rounds = KC + 6;
194     uint8_t log8[256];
195     uint8_t alog8[512];
196
197     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
198         j = 1;
199         for (i = 0; i < 255; i++) {
200             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
201             log8[j] = i;
202             j ^= j + j;
203             if (j > 255)
204                 j ^= 0x11B;
205         }
206         for (i = 0; i < 256; i++) {
207             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
208             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
209             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
210             inv_sbox[j] = i;
211             sbox[i] = j;
212         }
213         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
214                      log8, alog8, inv_sbox);
215         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
216                      log8, alog8, sbox);
217     }
218
219     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
220         return -1;
221
222     a->rounds = rounds;
223
224     memcpy(tk, key, KC * 4);
225     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
226
227     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
228         for (i = 0; i < 4; i++)
229             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
230         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
231
232         for (j = 1; j < KC; j++) {
233             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
234                 for (i = 0; i < 4; i++)
235                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
236             else
237                 for (i = 0; i < 4; i++)
238                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
239         }
240
241         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
242     }
243
244     if (decrypt) {
245         for (i = 1; i < rounds; i++) {
246             av_aes_block tmp[3];
247             tmp[2] = a->round_key[i];
248             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
249             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
250             a->round_key[i] = tmp[0];
251         }
252     } else {
253         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
254             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
255         }
256     }
257
258     return 0;
259 }
260
261 #ifdef TEST
262 #include <string.h>
263 #include "lfg.h"
264 #include "log.h"
265
266 int main(int argc, char **argv)
267 {
268     int i, j;
269     AVAES b;
270     uint8_t rkey[2][16] = {
271         { 0 },
272         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
273           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
274     };
275     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
276         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
277           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
278         { 0 }
279     };
280     uint8_t rct[2][16]= {
281         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
282           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
283         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
284           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
285     };
286     uint8_t temp[16];
287     int err = 0;
288
289     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
290
291     for (i = 0; i < 2; i++) {
292         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
293         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
294         for (j = 0; j < 16; j++) {
295             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
296                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
297                        j, rpt[i][j], temp[j]);
298                 err = 1;
299             }
300         }
301     }
302
303     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
304         AVAES ae, ad;
305         AVLFG prng;
306
307         av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
308         av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
309         av_lfg_init(&prng, 1);
310
311         for (i = 0; i < 10000; i++) {
312             for (j = 0; j < 16; j++) {
313                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
314             }
315             {
316                 START_TIMER;
317                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
318                 if (!(i & (i - 1)))
319                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
320                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
321                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
322                 STOP_TIMER("aes");
323             }
324             for (j = 0; j < 16; j++) {
325                 if (pt[j] != temp[j]) {
326                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
327                            i, j, pt[j], temp[j]);
328                 }
329             }
330         }
331     }
332     return err;
333 }
334 #endif