cbc support
[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 dst[2], uint64_t src[2], uint64_t round_key[2]){
49     dst[0] = src[0] ^ round_key[0];
50     dst[1] = src[1] ^ round_key[1];
51 }
52
53 static void subshift(uint8_t s0[2][16], int s, uint8_t *box){
54     uint8_t (*s1)[16]= s0[0] - s;
55     uint8_t (*s3)[16]= s0[0] + s;
56     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]];
57     s1[0][3]=box[s1[1][ 7]]; s1[0][ 7]=box[s1[1][11]]; s1[0][11]=box[s1[1][15]]; s1[0][15]=box[s1[1][ 3]];
58     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]];
59     s3[0][1]=box[s3[1][13]]; s3[0][13]=box[s3[1][ 9]]; s3[0][ 9]=box[s3[1][ 5]]; s3[0][ 5]=box[s3[1][ 1]];
60 }
61
62 #define ROT(x,s) ((x<<s)|(x>>(32-s)))
63 #if 0
64 static inline void mix(uint8_t state[4][4], uint32_t multbl[4][256]){
65     int i;
66     for(i=0; i<4; i++)
67 #ifdef CONFIG_SMALL
68         ((uint32_t *)(state))[i] =     multbl[0][state[i][0]]     ^ ROT(multbl[0][state[i][1]], 8)
69                                   ^ROT(multbl[0][state[i][2]],16) ^ ROT(multbl[0][state[i][3]],24);
70 #else
71         ((uint32_t *)(state))[i] = multbl[0][state[i][0]] ^ multbl[1][state[i][1]]
72                                   ^multbl[2][state[i][2]] ^ multbl[3][state[i][3]];
73 #endif
74 }
75 #endif
76
77 static inline void mix(uint8_t state[2][4][4], uint32_t multbl[4][256], int s1, int s3){
78     ((uint32_t *)(state))[0] = multbl[0][state[1][0][0]] ^ multbl[1][state[1][s1  ][1]]
79                               ^multbl[2][state[1][2][2]] ^ multbl[3][state[1][s3  ][3]];
80     ((uint32_t *)(state))[1] = multbl[0][state[1][1][0]] ^ multbl[1][state[1][s3-1][1]]
81                               ^multbl[2][state[1][3][2]] ^ multbl[3][state[1][s1-1][3]];
82     ((uint32_t *)(state))[2] = multbl[0][state[1][2][0]] ^ multbl[1][state[1][s3  ][1]]
83                               ^multbl[2][state[1][0][2]] ^ multbl[3][state[1][s1  ][3]];
84     ((uint32_t *)(state))[3] = multbl[0][state[1][3][0]] ^ multbl[1][state[1][s1-1][1]]
85                               ^multbl[2][state[1][1][2]] ^ multbl[3][state[1][s3-1][3]];
86 }
87
88 static inline void crypt(AVAES *a, int s, uint8_t *sbox, uint32_t *multbl){
89     int r;
90
91     for(r=a->rounds-1; r>0; r--){
92         mix(a->state, multbl, 3-s, 1+s);
93         addkey(a->state[1], a->state[0], a->round_key[r]);
94     }
95     subshift(a->state[0][0], s, sbox);
96 }
97
98 void aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, uint8_t *src, int count, uint8_t *iv, int decrypt){
99     while(count--){
100         addkey(a->state[1], src, a->round_key[a->rounds]);
101         if(decrypt) {
102             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
103             if(iv){
104                 addkey(a->state[0], a->state[0], iv);
105                 memcpy(iv, src, 16);
106             }
107             addkey(dst, a->state[0], a->round_key[0]);
108         }else{
109             if(iv) addkey(a->state[1], a->state[1], iv);
110             crypt(a, 2,     sbox, enc_multbl);
111             addkey(dst, a->state[0], a->round_key[0]);
112             if(iv) memcpy(iv, dst, 16);
113         }
114         src+=16;
115         dst+=16;
116     }
117 }
118
119 static void init_multbl2(uint8_t tbl[1024], int c[4], uint8_t *log8, uint8_t *alog8, uint8_t *sbox){
120     int i, j;
121     for(i=0; i<1024; i++){
122         int x= sbox[i>>2];
123         if(x) tbl[i]= alog8[ log8[x] + log8[c[i&3]] ];
124     }
125 #ifndef CONFIG_SMALL
126     for(j=256; j<1024; j++)
127         for(i=0; i<4; i++)
128             tbl[4*j+i]= tbl[4*j + ((i-1)&3) - 1024];
129 #endif
130 }
131
132 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
133 int av_aes_init(AVAES *a, uint8_t *key, int key_bits, int decrypt) {
134     int i, j, t, rconpointer = 0;
135     uint8_t tk[8][4];
136     int KC= key_bits>>5;
137     int rounds= KC + 6;
138     uint8_t  log8[256];
139     uint8_t alog8[512];
140
141     if(!enc_multbl[4][1023]){
142         j=1;
143         for(i=0; i<255; i++){
144             alog8[i]=
145             alog8[i+255]= j;
146             log8[j]= i;
147             j^= j+j;
148             if(j>255) j^= 0x11B;
149         }
150         for(i=0; i<256; i++){
151             j= i ? alog8[255-log8[i]] : 0;
152             j ^= (j<<1) ^ (j<<2) ^ (j<<3) ^ (j<<4);
153             j = (j ^ (j>>8) ^ 99) & 255;
154             inv_sbox[j]= i;
155             sbox    [i]= j;
156         }
157         init_multbl2(dec_multbl[0], (int[4]){0xe, 0x9, 0xd, 0xb}, log8, alog8, inv_sbox);
158         init_multbl2(enc_multbl[0], (int[4]){0x2, 0x1, 0x1, 0x3}, log8, alog8, sbox);
159     }
160
161     if(key_bits!=128 && key_bits!=192 && key_bits!=256)
162         return -1;
163
164     a->rounds= rounds;
165
166     memcpy(tk, key, KC*4);
167
168     for(t= 0; t < (rounds+1)*4;) {
169         memcpy(a->round_key[0][t], tk, KC*4);
170         t+= KC;
171
172         for(i = 0; i < 4; i++)
173             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC-1][(i+1)&3]];
174         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
175
176         for(j = 1; j < KC; j++){
177             if(KC != 8 || j != KC>>1)
178                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^=      tk[j-1][i];
179             else
180                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^= sbox[tk[j-1][i]];
181         }
182     }
183
184     if(decrypt){
185         for(i=1; i<rounds; i++){
186             uint8_t tmp[3][16];
187             memcpy(tmp[2], a->round_key[i][0], 16);
188             subshift(tmp[1], 0, sbox);
189             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
190             memcpy(a->round_key[i][0], tmp[0], 16);
191         }
192     }else{
193         for(i=0; i<(rounds+1)>>1; i++){
194             for(j=0; j<16; j++)
195                 FFSWAP(int, a->round_key[i][0][j], a->round_key[rounds-i][0][j]);
196         }
197     }
198
199     return 0;
200 }
201
202 #ifdef TEST
203 #include "log.h"
204
205 int main(){
206     int i,j;
207     AVAES ae, ad, b;
208     uint8_t rkey[2][16]= {
209         {0},
210         {0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3, 0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59}};
211     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
212         {0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad, 0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3},
213         {0}};
214     uint8_t rct[2][16]= {
215         {0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7, 0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf},
216         {0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0, 0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65}};
217     uint8_t temp[16];
218
219     av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
220     av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
221     av_log_level= AV_LOG_DEBUG;
222
223     for(i=0; i<2; i++){
224         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
225         aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
226         for(j=0; j<16; j++)
227             if(rpt[i][j] != temp[j])
228                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n", j, rpt[i][j], temp[j]);
229     }
230
231     for(i=0; i<10000; i++){
232         for(j=0; j<16; j++){
233             pt[j]= random();
234         }
235 {START_TIMER
236         aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
237         if(!(i&(i-1)))
238             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n", temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
239         aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
240 STOP_TIMER("aes")}
241         for(j=0; j<16; j++){
242             if(pt[j] != temp[j]){
243                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n", i,j, pt[j], temp[j]);
244             }
245         }
246     }
247     return 0;
248 }
249 #endif