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 <string.h>
  24
  25 #include "config.h"
  26 #include "aes.h"
  27 #include "aes_internal.h"
  28 #include "error.h"
  29 #include "intreadwrite.h"
  30 #include "macros.h"
  31 #include "mem.h"
  32
  33 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
  34
  35 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
  36 {
  37     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
  38 }
  39
  40 static const uint8_t rcon[10] = {
  41     0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
  42 };
  43
  44 static uint8_t     sbox[256];
  45 static uint8_t inv_sbox[256];
  46 #if CONFIG_SMALL
  47 static uint32_t enc_multbl[1][256];
  48 static uint32_t dec_multbl[1][256];
  49 #else
  50 static uint32_t enc_multbl[4][256];
  51 static uint32_t dec_multbl[4][256];
  52 #endif
  53
  54 #if HAVE_BIGENDIAN
  55 #   define ROT(x, s) (((x) >> (s)) | ((x) << (32-(s))))
  56 #else
  57 #   define ROT(x, s) (((x) << (s)) | ((x) >> (32-(s))))
  58 #endif
  59
  60 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
  61                           const av_aes_block *round_key)
  62 {
  63     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
  64     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
  65 }
  66
  67 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
  68                             const av_aes_block *round_key)
  69 {
  70     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
  71     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
  72 }
  73
  74 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
  75                             const av_aes_block *round_key)
  76 {
  77     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
  78     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
  79 }
  80
  81 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
  82 {
  83     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
  84     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
  85
  86     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
  87     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
  88     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
  89     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
  90     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
  91     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
  92     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
  93     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
  94     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
  95     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
  96     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
  97     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
  98     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
  99     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
 100     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
 101     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
 102 }
 103
 104 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d)
 105 {
 106 #if CONFIG_SMALL
 107     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
 108 #else
 109     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
 110 #endif
 111 }
 112
 113 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3)
 114 {
 115     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
 116     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1    ][1], src[2][2], src[s3    ][3]);
 117     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3 - 1][1], src[3][2], src[s1 - 1][3]);
 118     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3    ][1], src[0][2], src[s1    ][3]);
 119     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1 - 1][1], src[1][2], src[s3 - 1][3]);
 120 }
 121
 122 static inline void aes_crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
 123                          uint32_t multbl[][256])
 124 {
 125     int r;
 126
 127     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
 128         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
 129         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
 130     }
 131
 132     subshift(&a->state[0], s, sbox);
 133 }
 134
 135 static void aes_encrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 136                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
 137 {
 138     while (count--) {
 139         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
 140         if (iv)
 141             addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
 142         aes_crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
 143         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 144         if (iv)
 145             memcpy(iv, dst, 16);
 146         src += 16;
 147         dst += 16;
 148     }
 149 }
 150
 151 static void aes_decrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 152                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
 153 {
 154     while (count--) {
 155         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
 156         aes_crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
 157         if (iv) {
 158             addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
 159             memcpy(iv, src, 16);
 160         }
 161         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 162         src += 16;
 163         dst += 16;
 164     }
 165 }
 166
 167 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 168                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
 169 {
 170     a->crypt(a, dst, src, count, iv, a->rounds);
 171 }
 172
 173 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
 174                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
 175                          const uint8_t *sbox)
 176 {
 177     int i;
 178
 179     for (i = 0; i < 256; i++) {
 180         int x = sbox[i];
 181         if (x) {
 182             int k, l, m, n;
 183             x = log8[x];
 184             k = alog8[x + log8[c[0]]];
 185             l = alog8[x + log8[c[1]]];
 186             m = alog8[x + log8[c[2]]];
 187             n = alog8[x + log8[c[3]]];
 188             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k, l, m, n), MKTAG(k, l, m, n));
 189 #if !CONFIG_SMALL
 190             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
 191             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
 192             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
 193 #endif
 194         }
 195     }
 196 }
 197
 198 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
 199 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
 200 {
 201     int i, j, t, rconpointer = 0;
 202     uint8_t tk[8][4];
 203     int KC = key_bits >> 5;
 204     int rounds = KC + 6;
 205     uint8_t log8[256];
 206     uint8_t alog8[512];
 207
 208     a->crypt = decrypt ? aes_decrypt : aes_encrypt;
 209
 210     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl) - 1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0]) - 1]) {
 211         j = 1;
 212         for (i = 0; i < 255; i++) {
 213             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
 214             log8[j] = i;
 215             j ^= j + j;
 216             if (j > 255)
 217                 j ^= 0x11B;
 218         }
 219         for (i = 0; i < 256; i++) {
 220             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
 221             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
 222             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
 223             inv_sbox[j] = i;
 224             sbox[i]     = j;
 225         }
 226         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
 227                      log8, alog8, inv_sbox);
 228         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
 229                      log8, alog8, sbox);
 230     }
 231
 232     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
 233         return AVERROR(EINVAL);
 234
 235     a->rounds = rounds;
 236
 237     memcpy(tk, key, KC * 4);
 238     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
 239
 240     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
 241         for (i = 0; i < 4; i++)
 242             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
 243         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
 244
 245         for (j = 1; j < KC; j++) {
 246             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
 247                 for (i = 0; i < 4; i++)
 248                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
 249             else
 250                 for (i = 0; i < 4; i++)
 251                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
 252         }
 253
 254         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
 255     }
 256
 257     if (decrypt) {
 258         for (i = 1; i < rounds; i++) {
 259             av_aes_block tmp[3];
 260             tmp[2] = a->round_key[i];
 261             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
 262             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
 263             a->round_key[i] = tmp[0];
 264         }
 265     } else {
 266         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++)
 267             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds - i]);
 268     }
 269
 270     return 0;
 271 }
 272