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   uint32 k[8];
  54
  55   SILC_GET_WORD_KEY(key, k, keylen);
  56   rijndael_set_key((RijndaelContext *)context, k, keylen);
  57
  58   return TRUE;
  59 }
  60
  61 /* Sets the string as a new key for the cipher. The string is first
  62    hashed and then used as a new key. */
  63
  64 SILC_CIPHER_API_SET_KEY_WITH_STRING(aes)
  65 {
  66   /*  unsigned char key[md5_hash_len];
  67   SilcMarsContext *ctx = (SilcMarsContext *)context;
  68
  69   make_md5_hash(string, &key);
  70   memcpy(&ctx->key, mars_set_key(&key, keylen), keylen);
  71   memset(&key, 'F', sizeoof(key));
  72   */
  73
  74   return 1;
  75 }
  76
  77 /* Returns the size of the cipher context. */
  78
  79 SILC_CIPHER_API_CONTEXT_LEN(aes)
  80 {
  81   return sizeof(RijndaelContext);
  82 }
  83
  84 /* Encrypts with the cipher in CBC mode. Source and destination buffers
  85    maybe one and same. */
  86
  87 SILC_CIPHER_API_ENCRYPT_CBC(aes)
  88 {
  89   uint32 tiv[4];
  90   int i;
  91
  92   SILC_CBC_GET_IV(tiv, iv);
  93
  94   SILC_CBC_ENC_PRE(tiv, src);
  95   rijndael_encrypt((RijndaelContext *)context, tiv, tiv);
  96   SILC_CBC_ENC_POST(tiv, dst, src);
  97
  98   for (i = 16; i < len; i += 16) {
  99     SILC_CBC_ENC_PRE(tiv, src);
 100     rijndael_encrypt((RijndaelContext *)context, tiv, tiv);
 101     SILC_CBC_ENC_POST(tiv, dst, src);
 102   }
 103
 104   SILC_CBC_PUT_IV(tiv, iv);
 105
 106   return TRUE;
 107 }
 108
 109 /* Decrypts with the cipher in CBC mode. Source and destination buffers
 110    maybe one and same. */
 111
 112 SILC_CIPHER_API_DECRYPT_CBC(aes)
 113 {
 114   uint32 tmp[4], tmp2[4], tiv[4];
 115   int i;
 116
 117   SILC_CBC_GET_IV(tiv, iv);
 118
 119   SILC_CBC_DEC_PRE(tmp, src);
 120   rijndael_decrypt((RijndaelContext *)context, tmp, tmp2);
 121   SILC_CBC_DEC_POST(tmp2, dst, src, tmp, tiv);
 122
 123   for (i = 16; i < len; i += 16) {
 124     SILC_CBC_DEC_PRE(tmp, src);
 125     rijndael_decrypt((RijndaelContext *)context, tmp, tmp2);
 126     SILC_CBC_DEC_POST(tmp2, dst, src, tmp, tiv);
 127   }
 128
 129   SILC_CBC_PUT_IV(tiv, iv);
 130
 131   return TRUE;
 132 }
 133
 134 #define LARGE_TABLES
 135
 136 u1byte  pow_tab[256];
 137 u1byte  log_tab[256];
 138 u1byte  sbx_tab[256];
 139 u1byte  isb_tab[256];
 140 u4byte  rco_tab[ 10];
 141 u4byte  ft_tab[4][256];
 142 u4byte  it_tab[4][256];
 143
 144 u4byte  fl_tab[4][256];
 145 u4byte  il_tab[4][256];
 146
 147 u4byte  tab_gen = 0;
 148
 149 #define ff_mult(a,b)    (a && b ? pow_tab[(log_tab[a] + log_tab[b]) % 255] : 0)
 150
 151 #define f_rn(bo, bi, n, k)                          \
 152     bo[n] =  ft_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 153              ft_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
 154              ft_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 155              ft_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
 156
 157 #define i_rn(bo, bi, n, k)                          \
 158     bo[n] =  it_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 159              it_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
 160              it_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 161              it_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 162
 163 #ifdef LARGE_TABLES
 164
 165 #define ls_box(x)                \
 166     ( fl_tab[0][byte(x, 0)] ^    \
 167       fl_tab[1][byte(x, 1)] ^    \
 168       fl_tab[2][byte(x, 2)] ^    \
 169       fl_tab[3][byte(x, 3)] )
 170
 171 #define f_rl(bo, bi, n, k)                          \
 172     bo[n] =  fl_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 173              fl_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
 174              fl_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 175              fl_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
 176
 177 #define i_rl(bo, bi, n, k)                          \
 178     bo[n] =  il_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 179              il_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
 180              il_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 181              il_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 182
 183 #else
 184
 185 #define ls_box(x)                            \
 186     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 0)] <<  0) ^    \
 187     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 1)] <<  8) ^    \
 188     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 2)] << 16) ^    \
 189     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 3)] << 24)
 190
 191 #define f_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 192     bo[n] = (u4byte)sbx_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 193         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],1)]),  8) ^  \
 194         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 195         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 196
 197 #define i_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 198     bo[n] = (u4byte)isb_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 199         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],1)]),  8) ^  \
 200         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 201         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 202
 203 #endif
 204
 205 void gen_tabs(void)
 206 {   u4byte  i, t;
 207     u1byte  p, q;
 208
 209     /* log and power tables for GF(2**8) finite field with  */
 210     /* 0x11b as modular polynomial - the simplest prmitive  */
 211     /* root is 0x11, used here to generate the tables       */
 212
 213     for(i = 0,p = 1; i < 256; ++i)
 214     {
 215         pow_tab[i] = (u1byte)p; log_tab[p] = (u1byte)i;
 216
 217         p = p ^ (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x01b : 0);
 218     }
 219
 220     log_tab[1] = 0; p = 1;
 221
 222     for(i = 0; i < 10; ++i)
 223     {
 224         rco_tab[i] = p;
 225
 226         p = (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x1b : 0);
 227     }
 228
 229     /* note that the affine byte transformation matrix in   */
 230     /* rijndael specification is in big endian format with  */
 231     /* bit 0 as the most significant bit. In the remainder  */
 232     /* of the specification the bits are numbered from the  */
 233     /* least significant end of a byte.                     */
 234
 235     for(i = 0; i < 256; ++i)
 236     {
 237         p = (i ? pow_tab[255 - log_tab[i]] : 0); q = p;
 238         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 239         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 240         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 241         q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q ^ 0x63;
 242         sbx_tab[i] = (u1byte)p; isb_tab[p] = (u1byte)i;
 243     }
 244
 245     for(i = 0; i < 256; ++i)
 246     {
 247         p = sbx_tab[i];
 248
 249 #ifdef  LARGE_TABLES
 250
 251         t = p; fl_tab[0][i] = t;
 252         fl_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 253         fl_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 254         fl_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 255 #endif
 256         t = ((u4byte)ff_mult(2, p)) |
 257             ((u4byte)p <<  8) |
 258             ((u4byte)p << 16) |
 259             ((u4byte)ff_mult(3, p) << 24);
 260
 261         ft_tab[0][i] = t;
 262         ft_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 263         ft_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 264         ft_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 265
 266         p = isb_tab[i];
 267
 268 #ifdef  LARGE_TABLES
 269
 270         t = p; il_tab[0][i] = t;
 271         il_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 272         il_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 273         il_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 274 #endif
 275         t = ((u4byte)ff_mult(14, p)) |
 276             ((u4byte)ff_mult( 9, p) <<  8) |
 277             ((u4byte)ff_mult(13, p) << 16) |
 278             ((u4byte)ff_mult(11, p) << 24);
 279
 280         it_tab[0][i] = t;
 281         it_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 282         it_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 283         it_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 284     }
 285
 286     tab_gen = 1;
 287 };
 288
 289 #define star_x(x) (((x) & 0x7f7f7f7f) << 1) ^ ((((x) & 0x80808080) >> 7) * 0x1b)
 290
 291 #define imix_col(y,x)       \
 292     u   = star_x(x);        \
 293     v   = star_x(u);        \
 294     w   = star_x(v);        \
 295     t   = w ^ (x);          \
 296    (y)  = u ^ v ^ w;        \
 297    (y) ^= rotr(u ^ t,  8) ^ \
 298           rotr(v ^ t, 16) ^ \
 299           rotr(t,24)
 300
 301 /* initialise the key schedule from the user supplied key   */
 302
 303 #define loop4(i)                                    \
 304 { \
 305    t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 306     t ^= e_key[4 * i];     e_key[4 * i + 4] = t;    \
 307     t ^= e_key[4 * i + 1]; e_key[4 * i + 5] = t;    \
 308     t ^= e_key[4 * i + 2]; e_key[4 * i + 6] = t;    \
 309     t ^= e_key[4 * i + 3]; e_key[4 * i + 7] = t;    \
 310 }
 311
 312 #define loop6(i)                                    \
 313 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 314     t ^= e_key[6 * i];     e_key[6 * i + 6] = t;    \
 315     t ^= e_key[6 * i + 1]; e_key[6 * i + 7] = t;    \
 316     t ^= e_key[6 * i + 2]; e_key[6 * i + 8] = t;    \
 317     t ^= e_key[6 * i + 3]; e_key[6 * i + 9] = t;    \
 318     t ^= e_key[6 * i + 4]; e_key[6 * i + 10] = t;   \
 319     t ^= e_key[6 * i + 5]; e_key[6 * i + 11] = t;   \
 320 }
 321
 322 #define loop8(i)                                    \
 323 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 324     t ^= e_key[8 * i];     e_key[8 * i + 8] = t;    \
 325     t ^= e_key[8 * i + 1]; e_key[8 * i + 9] = t;    \
 326     t ^= e_key[8 * i + 2]; e_key[8 * i + 10] = t;   \
 327     t ^= e_key[8 * i + 3]; e_key[8 * i + 11] = t;   \
 328     t  = e_key[8 * i + 4] ^ ls_box(t);              \
 329     e_key[8 * i + 12] = t;                          \
 330     t ^= e_key[8 * i + 5]; e_key[8 * i + 13] = t;   \
 331     t ^= e_key[8 * i + 6]; e_key[8 * i + 14] = t;   \
 332     t ^= e_key[8 * i + 7]; e_key[8 * i + 15] = t;   \
 333 }
 334
 335 u4byte *rijndael_set_key(RijndaelContext *ctx,
 336                          const u4byte in_key[], const u4byte key_len)
 337 {
 338     u4byte  i, t, u, v, w;
 339     u4byte *e_key = ctx->e_key;
 340     u4byte *d_key = ctx->d_key;
 341     u4byte k_len;
 342
 343     if(!tab_gen)
 344         gen_tabs();
 345
 346     k_len = ctx->k_len = (key_len + 31) / 32;
 347
 348     e_key[0] = in_key[0]; e_key[1] = in_key[1];
 349     e_key[2] = in_key[2]; e_key[3] = in_key[3];
 350
 351     switch(k_len)
 352     {
 353         case 4: t = e_key[3];
 354                 for(i = 0; i < 10; ++i)
 355                     loop4(i);
 356                 break;
 357
 358         case 6: e_key[4] = in_key[4]; t = e_key[5] = in_key[5];
 359                 for(i = 0; i < 8; ++i)
 360                     loop6(i);
 361                 break;
 362
 363         case 8: e_key[4] = in_key[4]; e_key[5] = in_key[5];
 364                 e_key[6] = in_key[6]; t = e_key[7] = in_key[7];
 365                 for(i = 0; i < 7; ++i)
 366                     loop8(i);
 367                 break;
 368     }
 369
 370     d_key[0] = e_key[0]; d_key[1] = e_key[1];
 371     d_key[2] = e_key[2]; d_key[3] = e_key[3];
 372
 373     for(i = 4; i < 4 * k_len + 24; ++i)
 374     {
 375         imix_col(d_key[i], e_key[i]);
 376     }
 377
 378     return e_key;
 379 };
 380
 381 /* encrypt a block of text  */
 382
 383 #define f_nround(bo, bi, k) \
 384     f_rn(bo, bi, 0, k);     \
 385     f_rn(bo, bi, 1, k);     \
 386     f_rn(bo, bi, 2, k);     \
 387     f_rn(bo, bi, 3, k);     \
 388     k += 4
 389
 390 #define f_lround(bo, bi, k) \
 391     f_rl(bo, bi, 0, k);     \
 392     f_rl(bo, bi, 1, k);     \
 393     f_rl(bo, bi, 2, k);     \
 394     f_rl(bo, bi, 3, k)
 395
 396 void rijndael_encrypt(RijndaelContext *ctx,
 397                       const u4byte in_blk[4], u4byte out_blk[4])
 398 {
 399     u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 400     u4byte *e_key = ctx->e_key;
 401     u4byte k_len = ctx->k_len;
 402
 403     b0[0] = in_blk[0] ^ e_key[0]; b0[1] = in_blk[1] ^ e_key[1];
 404     b0[2] = in_blk[2] ^ e_key[2]; b0[3] = in_blk[3] ^ e_key[3];
 405
 406     kp = e_key + 4;
 407
 408     if(k_len > 6)
 409     {
 410         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 411     }
 412
 413     if(k_len > 4)
 414     {
 415         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 416     }
 417
 418     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 419     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 420     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 421     f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 422     f_nround(b1, b0, kp); f_lround(b0, b1, kp);
 423
 424     out_blk[0] = b0[0]; out_blk[1] = b0[1];
 425     out_blk[2] = b0[2]; out_blk[3] = b0[3];
 426 };
 427
 428 /* decrypt a block of text  */
 429
 430 #define i_nround(bo, bi, k) \
 431     i_rn(bo, bi, 0, k);     \
 432     i_rn(bo, bi, 1, k);     \
 433     i_rn(bo, bi, 2, k);     \
 434     i_rn(bo, bi, 3, k);     \
 435     k -= 4
 436
 437 #define i_lround(bo, bi, k) \
 438     i_rl(bo, bi, 0, k);     \
 439     i_rl(bo, bi, 1, k);     \
 440     i_rl(bo, bi, 2, k);     \
 441     i_rl(bo, bi, 3, k)
 442
 443 void rijndael_decrypt(RijndaelContext *ctx,
 444                       const u4byte in_blk[4], u4byte out_blk[4])
 445 {
 446     u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 447     u4byte *e_key = ctx->e_key;
 448     u4byte *d_key = ctx->d_key;
 449     u4byte k_len = ctx->k_len;
 450
 451     b0[0] = in_blk[0] ^ e_key[4 * k_len + 24]; b0[1] = in_blk[1] ^ e_key[4 * k_len + 25];
 452     b0[2] = in_blk[2] ^ e_key[4 * k_len + 26]; b0[3] = in_blk[3] ^ e_key[4 * k_len + 27];
 453
 454     kp = d_key + 4 * (k_len + 5);
 455
 456     if(k_len > 6)
 457     {
 458         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 459     }
 460
 461     if(k_len > 4)
 462     {
 463         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 464     }
 465
 466     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 467     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 468     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 469     i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 470     i_nround(b1, b0, kp); i_lround(b0, b1, kp);
 471
 472     out_blk[0] = b0[0]; out_blk[1] = b0[1];
 473     out_blk[2] = b0[2]; out_blk[3] = b0[3];
 474 };