simplify selftest
[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 "log.h"
25 #include "aes.h"
26
27 typedef struct AVAES{
28     uint8_t round_key[15][4][4];
29     uint8_t state[4][4];
30     int rounds;
31 }AVAES;
32
33 static const uint8_t rcon[10] = {
34   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
35 };
36
37 static uint8_t     sbox[256];
38 static uint8_t inv_sbox[256];
39 #ifdef CONFIG_SMALL
40 static uint32_t enc_multbl[1][256];
41 static uint32_t dec_multbl[1][256];
42 #else
43 static uint32_t enc_multbl[4][256];
44 static uint32_t dec_multbl[4][256];
45 #endif
46
47 static inline void addkey(uint64_t state[2], uint64_t round_key[2]){
48     state[0] ^= round_key[0];
49     state[1] ^= round_key[1];
50 }
51
52 #define SUBSHIFT0(s, box)         s[0]=box[s[ 0]]; s[ 4]=box[s[ 4]];          s[ 8]=box[s[ 8]]; s[12]=box[s[12]];
53 #define SUBSHIFT1(s, box) t=s[0]; s[0]=box[s[ 4]]; s[ 4]=box[s[ 8]];          s[ 8]=box[s[12]]; s[12]=box[t];
54 #define SUBSHIFT2(s, box) t=s[0]; s[0]=box[s[ 8]]; s[ 8]=box[    t]; t=s[ 4]; s[ 4]=box[s[12]]; s[12]=box[t];
55 #define SUBSHIFT3(s, box) t=s[0]; s[0]=box[s[12]]; s[12]=box[s[ 8]];          s[ 8]=box[s[ 4]]; s[ 4]=box[t];
56
57 #define SUBSHIFT1x(s) t=s[0]; s[0]=s[ 4]; s[ 4]=s[ 8];          s[ 8]=s[12]; s[12]=t;
58 #define SUBSHIFT2x(s) t=s[0]; s[0]=s[ 8]; s[ 8]=    t; t=s[ 4]; s[ 4]=s[12]; s[12]=t;
59 #define SUBSHIFT3x(s) t=s[0]; s[0]=s[12]; s[12]=s[ 8];          s[ 8]=s[ 4]; s[ 4]=t;
60
61 #define ROT(x,s) ((x<<s)|(x>>(32-s)))
62
63 static inline void mix(uint8_t state[4][4], uint32_t multbl[4][256]){
64     int i;
65     for(i=0; i<4; i++)
66 #ifdef CONFIG_SMALL
67         ((uint32_t *)(state))[i] =     multbl[0][state[i][0]]     ^ ROT(multbl[0][state[i][1]], 8)
68                                   ^ROT(multbl[0][state[i][2]],16) ^ ROT(multbl[0][state[i][3]],24);
69
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
76 static inline void crypt(AVAES *a, int s, uint8_t *sbox, uint32_t *multbl){
77     int t, r;
78
79     for(r=a->rounds; r>1; r--){
80         addkey(a->state, a->round_key[r]);
81         SUBSHIFT3x((a->state[0]+1+s))
82         SUBSHIFT2x((a->state[0]+2))
83         SUBSHIFT1x((a->state[0]+3-s))
84         mix(a->state, multbl);
85     }
86     addkey(a->state, a->round_key[1]);
87     SUBSHIFT0((a->state[0]+0  ), sbox)
88     SUBSHIFT3((a->state[0]+1+s), sbox)
89     SUBSHIFT2((a->state[0]+2  ), sbox)
90     SUBSHIFT1((a->state[0]+3-s), sbox)
91     addkey(a->state, a->round_key[0]);
92 }
93
94 void av_aes_decrypt(AVAES *a){
95     crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
96 }
97
98 void av_aes_encrypt(AVAES *a){
99     crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
100 }
101
102 static void init_multbl2(uint8_t tbl[1024], int c[4], uint8_t *log8, uint8_t *alog8, uint8_t *sbox){
103     int i;
104     for(i=0; i<1024; i++){
105         int x= sbox[i/4];
106         if(x) tbl[i]= alog8[ log8[x] + log8[c[i&3]] ];
107     }
108 }
109
110
111 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
112 AVAES *av_aes_init(uint8_t *key, int key_bits, int decrypt) {
113     AVAES *a;
114     int i, j, t, rconpointer = 0;
115     uint8_t tk[8][4];
116     int KC= key_bits/32;
117     int rounds= KC + 6;
118     uint8_t  log8[256];
119     uint8_t alog8[512];
120
121     if(!sbox[255]){
122         j=1;
123         for(i=0; i<255; i++){
124             alog8[i]=
125             alog8[i+255]= j;
126             log8[j]= i;
127             j^= j+j;
128             if(j>255) j^= 0x11B;
129         }
130         for(i=0; i<256; i++){
131             j= i ? alog8[255-log8[i]] : 0;
132             j ^= (j<<1) ^ (j<<2) ^ (j<<3) ^ (j<<4);
133             j = (j ^ (j>>8) ^ 99) & 255;
134             inv_sbox[j]= i;
135             sbox    [i]= j;
136 //            av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d, ", log8[i]);
137         }
138         init_multbl2(dec_multbl[0], (int[4]){0xe, 0x9, 0xd, 0xb}, log8, alog8, inv_sbox);
139 #ifndef CONFIG_SMALL
140         init_multbl2(dec_multbl[1], (int[4]){0xb, 0xe, 0x9, 0xd}, log8, alog8, inv_sbox);
141         init_multbl2(dec_multbl[2], (int[4]){0xd, 0xb, 0xe, 0x9}, log8, alog8, inv_sbox);
142         init_multbl2(dec_multbl[3], (int[4]){0x9, 0xd, 0xb, 0xe}, log8, alog8, inv_sbox);
143 #endif
144         init_multbl2(enc_multbl[0], (int[4]){0x2, 0x1, 0x1, 0x3}, log8, alog8, sbox);
145 #ifndef CONFIG_SMALL
146         init_multbl2(enc_multbl[1], (int[4]){0x3, 0x2, 0x1, 0x1}, log8, alog8, sbox);
147         init_multbl2(enc_multbl[2], (int[4]){0x1, 0x3, 0x2, 0x1}, log8, alog8, sbox);
148         init_multbl2(enc_multbl[3], (int[4]){0x1, 0x1, 0x3, 0x2}, log8, alog8, sbox);
149 #endif
150     }
151
152     if(key_bits!=128 && key_bits!=192 && key_bits!=256)
153         return NULL;
154
155     a= av_malloc(sizeof(AVAES));
156     a->rounds= rounds;
157
158     memcpy(tk, key, KC*4);
159
160     for(t= 0; t < (rounds+1)*4;) {
161         memcpy(a->round_key[0][t], tk, KC*4);
162         t+= KC;
163
164         for(i = 0; i < 4; i++)
165             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC-1][(i+1)&3]];
166         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
167
168         for(j = 1; j < KC; j++){
169             if(KC != 8 || j != KC/2)
170                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^=      tk[j-1][i];
171             else
172                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^= sbox[tk[j-1][i]];
173         }
174     }
175
176     if(decrypt){
177         for(i=1; i<rounds; i++){
178             for(j=0; j<16; j++)
179                 a->round_key[i][0][j]= sbox[a->round_key[i][0][j]];
180             mix(a->round_key[i], dec_multbl);
181         }
182     }else{
183         for(i=0; i<(rounds+1)/2; i++){
184             for(j=0; j<16; j++)
185                 FFSWAP(int, a->round_key[i][0][j], a->round_key[rounds-i][0][j]);
186         }
187     }
188
189     return a;
190 }
191
192 #ifdef TEST
193
194 int main(){
195     int i,j;
196     AVAES *ae= av_aes_init("PI=3.141592654..", 128, 0);
197     AVAES *ad= av_aes_init("PI=3.141592654..", 128, 1);
198     uint8_t rkey[2][16]= {
199         {0},
200         {0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3, 0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59}};
201     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
202         {0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad, 0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3},
203         {0}};
204     uint8_t rct[2][16]= {
205         {0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7, 0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf},
206         {0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0, 0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65}};
207
208     av_log_level= AV_LOG_DEBUG;
209
210     for(i=0; i<2; i++){
211         AVAES *b= av_aes_init(rkey[i], 128, 1);
212         memcpy(b->state, rct[i], 16);
213         av_aes_decrypt(b);
214         for(j=0; j<16; j++)
215             if(rpt[i][j] != b->state[0][j])
216                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n", j, rpt[i][j], b->state[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         av_aes_encrypt(ae);
226         if(!(i&(i-1)))
227             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n", ae->state[0][0], ae->state[1][1], ae->state[2][2], ae->state[3][3]);
228         memcpy(ad->state, ae->state, 16);
229         av_aes_decrypt(ad);
230 STOP_TIMER("aes")}
231         for(j=0; j<16; j++){
232             if(pt[j] != ad->state[0][j]){
233                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n", i,j, pt[j], ad->state[0][j]);
234             }
235         }
236     }
237     return 0;
238 }
239 #endif