lib/silccrypt/aes.c

   1 /* Modified for SILC. -Pekka */
   2 /* The AES */
   3
   4 /* This is an independent implementation of the encryption algorithm:   */
   5 /*                                                                      */
   6 /*         RIJNDAEL by Joan Daemen and Vincent Rijmen                   */
   7 /*                                                                      */
   8 /* which is a candidate algorithm in the Advanced Encryption Standard   */
   9 /* programme of the US National Institute of Standards and Technology.  */
  10 /*                                                                      */
  11 /* Copyright in this implementation is held by Dr B R Gladman but I     */
  12 /* hereby give permission for its free direct or derivative use subject */
  13 /* to acknowledgment of its origin and compliance with any conditions   */
  14 /* that the originators of the algorithm place on its exploitation.     */
  15 /*                                                                      */
  16 /* Dr Brian Gladman (gladman@seven77.demon.co.uk) 14th January 1999     */
  17
  18 /* Timing data for Rijndael (rijndael.c)
  19
  20 Algorithm: rijndael (rijndael.c)
  21
  22 128 bit key:
  23 Key Setup:    305/1389 cycles (encrypt/decrypt)
  24 Encrypt:       374 cycles =    68.4 mbits/sec
  25 Decrypt:       352 cycles =    72.7 mbits/sec
  26 Mean:          363 cycles =    70.5 mbits/sec
  27
  28 192 bit key:
  29 Key Setup:    277/1595 cycles (encrypt/decrypt)
  30 Encrypt:       439 cycles =    58.3 mbits/sec
  31 Decrypt:       425 cycles =    60.2 mbits/sec
  32 Mean:          432 cycles =    59.3 mbits/sec
  33
  34 256 bit key:
  35 Key Setup:    374/1960 cycles (encrypt/decrypt)
  36 Encrypt:       502 cycles =    51.0 mbits/sec
  37 Decrypt:       498 cycles =    51.4 mbits/sec
  38 Mean:          500 cycles =    51.2 mbits/sec
  39
  40 */
  41
  42 #include "silcincludes.h"
  43 #include "aes.h"
  44
  45 /*
  46  * SILC Crypto API for Rijndael
  47  */
  48
  49 /* Sets the key for the cipher. */
  50
  51 SILC_CIPHER_API_SET_KEY(aes)
  52 {
  53   rijndael_set_key((RijndaelContext *)context, (uint32 *)key, keylen);
  54   return 1;
  55 }
  56
  57 /* Sets the string as a new key for the cipher. The string is first
  58    hashed and then used as a new key. */
  59
  60 SILC_CIPHER_API_SET_KEY_WITH_STRING(aes)
  61 {
  62   /*  unsigned char key[md5_hash_len];
  63   SilcMarsContext *ctx = (SilcMarsContext *)context;
  64
  65   make_md5_hash(string, &key);
  66   memcpy(&ctx->key, mars_set_key(&key, keylen), keylen);
  67   memset(&key, 'F', sizeoof(key));
  68   */
  69
  70   return 1;
  71 }
  72
  73 /* Returns the size of the cipher context. */
  74
  75 SILC_CIPHER_API_CONTEXT_LEN(aes)
  76 {
  77   return sizeof(RijndaelContext);
  78 }
  79
  80 /* Encrypts with the cipher in CBC mode. Source and destination buffers
  81    maybe one and same. */
  82
  83 SILC_CIPHER_API_ENCRYPT_CBC(aes)
  84 {
  85   uint32 *in, *out, *tiv;
  86   uint32 tmp[4];
  87   int i;
  88
  89   in = (uint32 *)src;
  90   out = (uint32 *)dst;
  91   tiv = (uint32 *)iv;
  92
  93   tmp[0] = in[0] ^ tiv[0];
  94   tmp[1] = in[1] ^ tiv[1];
  95   tmp[2] = in[2] ^ tiv[2];
  96   tmp[3] = in[3] ^ tiv[3];
  97   rijndael_encrypt((RijndaelContext *)context, tmp, out);
  98   in += 4;
  99   out += 4;
 100
 101   for (i = 16; i < len; i += 16) {
 102     tmp[0] = in[0] ^ out[0 - 4];
 103     tmp[1] = in[1] ^ out[1 - 4];
 104     tmp[2] = in[2] ^ out[2 - 4];
 105     tmp[3] = in[3] ^ out[3 - 4];
 106     rijndael_encrypt((RijndaelContext *)context, tmp, out);
 107     in += 4;
 108     out += 4;
 109   }
 110
 111   tiv[0] = out[0 - 4];
 112   tiv[1] = out[1 - 4];
 113   tiv[2] = out[2 - 4];
 114   tiv[3] = out[3 - 4];
 115
 116   return TRUE;
 117 }
 118
 119 /* Decrypts with the cipher in CBC mode. Source and destination buffers
 120    maybe one and same. */
 121
 122 SILC_CIPHER_API_DECRYPT_CBC(aes)
 123 {
 124   uint32 *tiv, *in, *out;
 125   uint32 tmp[4], tmp2[4];
 126   int i;
 127
 128   in = (uint32 *)src;
 129   out = (uint32 *)dst;
 130   tiv = (uint32 *)iv;
 131
 132   tmp[0] = in[0];
 133   tmp[1] = in[1];
 134   tmp[2] = in[2];
 135   tmp[3] = in[3];
 136   rijndael_decrypt((RijndaelContext *)context, in, out);
 137   out[0] ^= tiv[0];
 138   out[1] ^= tiv[1];
 139   out[2] ^= tiv[2];
 140   out[3] ^= tiv[3];
 141   in += 4;
 142   out += 4;
 143
 144   for (i = 16; i < len; i += 16) {
 145     tmp2[0] = tmp[0];
 146     tmp2[1] = tmp[1];
 147     tmp2[2] = tmp[2];
 148     tmp2[3] = tmp[3];
 149     tmp[0] = in[0];
 150     tmp[1] = in[1];
 151     tmp[2] = in[2];
 152     tmp[3] = in[3];
 153     rijndael_decrypt((RijndaelContext *)context, in, out);
 154     out[0] ^= tmp2[0];
 155     out[1] ^= tmp2[1];
 156     out[2] ^= tmp2[2];
 157     out[3] ^= tmp2[3];
 158     in += 4;
 159     out += 4;
 160   }
 161
 162   tiv[0] = tmp[0];
 163   tiv[1] = tmp[1];
 164   tiv[2] = tmp[2];
 165   tiv[3] = tmp[3];
 166
 167   return TRUE;
 168 }
 169
 170 #define LARGE_TABLES
 171
 172 u1byte  pow_tab[256];
 173 u1byte  log_tab[256];
 174 u1byte  sbx_tab[256];
 175 u1byte  isb_tab[256];
 176 u4byte  rco_tab[ 10];
 177 u4byte  ft_tab[4][256];
 178 u4byte  it_tab[4][256];
 179
 180 u4byte  fl_tab[4][256];
 181 u4byte  il_tab[4][256];
 182
 183 u4byte  tab_gen = 0;
 184
 185 #define ff_mult(a,b)    (a && b ? pow_tab[(log_tab[a] + log_tab[b]) % 255] : 0)
 186
 187 #define f_rn(bo, bi, n, k)                          \
 188     bo[n] =  ft_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 189              ft_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
 190              ft_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 191              ft_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
 192
 193 #define i_rn(bo, bi, n, k)                          \
 194     bo[n] =  it_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 195              it_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
 196              it_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 197              it_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 198
 199 #ifdef LARGE_TABLES
 200
 201 #define ls_box(x)                \
 202     ( fl_tab[0][byte(x, 0)] ^    \
 203       fl_tab[1][byte(x, 1)] ^    \
 204       fl_tab[2][byte(x, 2)] ^    \
 205       fl_tab[3][byte(x, 3)] )
 206
 207 #define f_rl(bo, bi, n, k)                          \
 208     bo[n] =  fl_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 209              fl_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
 210              fl_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 211              fl_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
 212
 213 #define i_rl(bo, bi, n, k)                          \
 214     bo[n] =  il_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 215              il_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
 216              il_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 217              il_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 218
 219 #else
 220
 221 #define ls_box(x)                            \
 222     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 0)] <<  0) ^    \
 223     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 1)] <<  8) ^    \
 224     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 2)] << 16) ^    \
 225     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 3)] << 24)
 226
 227 #define f_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 228     bo[n] = (u4byte)sbx_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 229         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],1)]),  8) ^  \
 230         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 231         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 232
 233 #define i_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 234     bo[n] = (u4byte)isb_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 235         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],1)]),  8) ^  \
 236         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 237         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 238
 239 #endif
 240
 241 void gen_tabs(void)
 242 {   u4byte  i, t;
 243     u1byte  p, q;
 244
 245     /* log and power tables for GF(2**8) finite field with  */
 246     /* 0x11b as modular polynomial - the simplest prmitive  */
 247     /* root is 0x11, used here to generate the tables       */
 248
 249     for(i = 0,p = 1; i < 256; ++i)
 250     {
 251         pow_tab[i] = (u1byte)p; log_tab[p] = (u1byte)i;
 252
 253         p = p ^ (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x01b : 0);
 254     }
 255
 256     log_tab[1] = 0; p = 1;
 257
 258     for(i = 0; i < 10; ++i)
 259     {
 260         rco_tab[i] = p;
 261
 262         p = (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x1b : 0);
 263     }
 264
 265     /* note that the affine byte transformation matrix in   */
 266     /* rijndael specification is in big endian format with  */
 267     /* bit 0 as the most significant bit. In the remainder  */
 268     /* of the specification the bits are numbered from the  */
 269     /* least significant end of a byte.                     */
 270
 271     for(i = 0; i < 256; ++i)
 272     {
 273         p = (i ? pow_tab[255 - log_tab[i]] : 0); q = p;
 274         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 275         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 276         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 277         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q ^ 0x63;
 278         sbx_tab[i] = (u1byte)p; isb_tab[p] = (u1byte)i;
 279     }
 280
 281     for(i = 0; i < 256; ++i)
 282     {
 283         p = sbx_tab[i];
 284
 285 #ifdef  LARGE_TABLES
 286
 287         t = p; fl_tab[0][i] = t;
 288         fl_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 289         fl_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 290         fl_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 291 #endif
 292         t = ((u4byte)ff_mult(2, p)) |
 293             ((u4byte)p <<  8) |
 294             ((u4byte)p << 16) |
 295             ((u4byte)ff_mult(3, p) << 24);
 296
 297         ft_tab[0][i] = t;
 298         ft_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 299         ft_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 300         ft_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 301
 302         p = isb_tab[i];
 303
 304 #ifdef  LARGE_TABLES
 305
 306         t = p; il_tab[0][i] = t;
 307         il_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 308         il_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 309         il_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 310 #endif
 311         t = ((u4byte)ff_mult(14, p)) |
 312             ((u4byte)ff_mult( 9, p) <<  8) |
 313             ((u4byte)ff_mult(13, p) << 16) |
 314             ((u4byte)ff_mult(11, p) << 24);
 315
 316         it_tab[0][i] = t;
 317         it_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 318         it_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 319         it_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 320     }
 321
 322     tab_gen = 1;
 323 };
 324
 325 #define star_x(x) (((x) & 0x7f7f7f7f) << 1) ^ ((((x) & 0x80808080) >> 7) * 0x1b)
 326
 327 #define imix_col(y,x)       \
 328     u   = star_x(x);        \
 329     v   = star_x(u);        \
 330     w   = star_x(v);        \
 331     t   = w ^ (x);          \
 332    (y)  = u ^ v ^ w;        \
 333    (y) ^= rotr(u ^ t,  8) ^ \
 334           rotr(v ^ t, 16) ^ \
 335           rotr(t,24)
 336
 337 /* initialise the key schedule from the user supplied key   */
 338
 339 #define loop4(i)                                    \
 340 { \
 341    t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 342     t ^= e_key[4 * i];     e_key[4 * i + 4] = t;    \
 343     t ^= e_key[4 * i + 1]; e_key[4 * i + 5] = t;    \
 344     t ^= e_key[4 * i + 2]; e_key[4 * i + 6] = t;    \
 345     t ^= e_key[4 * i + 3]; e_key[4 * i + 7] = t;    \
 346 }
 347
 348 #define loop6(i)                                    \
 349 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 350     t ^= e_key[6 * i];     e_key[6 * i + 6] = t;    \
 351     t ^= e_key[6 * i + 1]; e_key[6 * i + 7] = t;    \
 352     t ^= e_key[6 * i + 2]; e_key[6 * i + 8] = t;    \
 353     t ^= e_key[6 * i + 3]; e_key[6 * i + 9] = t;    \
 354     t ^= e_key[6 * i + 4]; e_key[6 * i + 10] = t;   \
 355     t ^= e_key[6 * i + 5]; e_key[6 * i + 11] = t;   \
 356 }
 357
 358 #define loop8(i)                                    \
 359 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 360     t ^= e_key[8 * i];     e_key[8 * i + 8] = t;    \
 361     t ^= e_key[8 * i + 1]; e_key[8 * i + 9] = t;    \
 362     t ^= e_key[8 * i + 2]; e_key[8 * i + 10] = t;   \
 363     t ^= e_key[8 * i + 3]; e_key[8 * i + 11] = t;   \
 364     t  = e_key[8 * i + 4] ^ ls_box(t);              \
 365     e_key[8 * i + 12] = t;                          \
 366     t ^= e_key[8 * i + 5]; e_key[8 * i + 13] = t;   \
 367     t ^= e_key[8 * i + 6]; e_key[8 * i + 14] = t;   \
 368     t ^= e_key[8 * i + 7]; e_key[8 * i + 15] = t;   \
 369 }
 370
 371 u4byte *rijndael_set_key(RijndaelContext *ctx,
 372                          const u4byte in_key[], const u4byte key_len)
 373 {
 374     u4byte  i, t, u, v, w;
 375     u4byte *e_key = ctx->e_key;
 376     u4byte *d_key = ctx->d_key;
 377     u4byte k_len;
 378
 379     if(!tab_gen)
 380         gen_tabs();
 381
 382     k_len = ctx->k_len = (key_len + 31) / 32;
 383
 384     e_key[0] = in_key[0]; e_key[1] = in_key[1];
 385     e_key[2] = in_key[2]; e_key[3] = in_key[3];
 386
 387     switch(k_len)
 388     {
 389         case 4: t = e_key[3];
 390                 for(i = 0; i < 10; ++i)
 391                     loop4(i);
 392                 break;
 393
 394         case 6: e_key[4] = in_key[4]; t = e_key[5] = in_key[5];
 395                 for(i = 0; i < 8; ++i)
 396                     loop6(i);
 397                 break;
 398
 399         case 8: e_key[4] = in_key[4]; e_key[5] = in_key[5];
 400                 e_key[6] = in_key[6]; t = e_key[7] = in_key[7];
 401                 for(i = 0; i < 7; ++i)
 402                     loop8(i);
 403                 break;
 404     }
 405
 406     d_key[0] = e_key[0]; d_key[1] = e_key[1];
 407     d_key[2] = e_key[2]; d_key[3] = e_key[3];
 408
 409     for(i = 4; i < 4 * k_len + 24; ++i)
 410     {
 411         imix_col(d_key[i], e_key[i]);
 412     }
 413
 414     return e_key;
 415 };
 416
 417 /* encrypt a block of text  */
 418
 419 #define f_nround(bo, bi, k) \
 420     f_rn(bo, bi, 0, k);     \
 421     f_rn(bo, bi, 1, k);     \
 422     f_rn(bo, bi, 2, k);     \
 423     f_rn(bo, bi, 3, k);     \
 424     k += 4
 425
 426 #define f_lround(bo, bi, k) \
 427     f_rl(bo, bi, 0, k);     \
 428     f_rl(bo, bi, 1, k);     \
 429     f_rl(bo, bi, 2, k);     \
 430     f_rl(bo, bi, 3, k)
 431
 432 void rijndael_encrypt(RijndaelContext *ctx,
 433                       const u4byte in_blk[4], u4byte out_blk[4])
 434 {
 435     u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 436     u4byte *e_key = ctx->e_key;
 437     u4byte k_len = ctx->k_len;
 438
 439     b0[0] = in_blk[0] ^ e_key[0]; b0[1] = in_blk[1] ^ e_key[1];
 440     b0[2] = in_blk[2] ^ e_key[2]; b0[3] = in_blk[3] ^ e_key[3];
 441
 442     kp = e_key + 4;
 443
 444     if(k_len > 6)
 445     {
 446         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 447     }
 448
 449     if(k_len > 4)
 450     {
 451         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 452     }
 453
 454     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 455     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 456     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 457     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 458     f_nround(b1, b0, kp); f_lround(b0, b1, kp);
 459
 460     out_blk[0] = b0[0]; out_blk[1] = b0[1];
 461     out_blk[2] = b0[2]; out_blk[3] = b0[3];
 462 };
 463
 464 /* decrypt a block of text  */
 465
 466 #define i_nround(bo, bi, k) \
 467     i_rn(bo, bi, 0, k);     \
 468     i_rn(bo, bi, 1, k);     \
 469     i_rn(bo, bi, 2, k);     \
 470     i_rn(bo, bi, 3, k);     \
 471     k -= 4
 472
 473 #define i_lround(bo, bi, k) \
 474     i_rl(bo, bi, 0, k);     \
 475     i_rl(bo, bi, 1, k);     \
 476     i_rl(bo, bi, 2, k);     \
 477     i_rl(bo, bi, 3, k)
 478
 479 void rijndael_decrypt(RijndaelContext *ctx,
 480                       const u4byte in_blk[4], u4byte out_blk[4])
 481 {
 482     u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 483     u4byte *e_key = ctx->e_key;
 484     u4byte *d_key = ctx->d_key;
 485     u4byte k_len = ctx->k_len;
 486
 487     b0[0] = in_blk[0] ^ e_key[4 * k_len + 24]; b0[1] = in_blk[1] ^ e_key[4 * k_len + 25];
 488     b0[2] = in_blk[2] ^ e_key[4 * k_len + 26]; b0[3] = in_blk[3] ^ e_key[4 * k_len + 27];
 489
 490     kp = d_key + 4 * (k_len + 5);
 491
 492     if(k_len > 6)
 493     {
 494         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 495     }
 496
 497     if(k_len > 4)
 498     {
 499         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 500     }
 501
 502     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 503     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 504     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 505     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 506     i_nround(b1, b0, kp); i_lround(b0, b1, kp);
 507
 508     out_blk[0] = b0[0]; out_blk[1] = b0[1];
 509     out_blk[2] = b0[2]; out_blk[3] = b0[3];
 510 };