Fixed package group
[platform/upstream/nettle.git] / descore.README
1 des - fast & portable DES encryption & decryption.
2 Copyright (C) 1992  Dana L. How
3
4 This program is free software; you can redistribute it and/or modify
5 it under the terms of the GNU Library General Public License as published by
6 the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
7 (at your option) any later version.
8
9 This program is distributed in the hope that it will be useful,
10 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12 GNU Library General Public License for more details.
13
14 You should have received a copy of the GNU Library General Public License
15 along with this program; if not, write to the Free Software
16 Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02111-1301  USA
17
18 Author's address: how@isl.stanford.edu
19
20
21 ==>> To compile after untarring/unsharring, just `make' <<==
22
23
24 This package was designed with the following goals:
25 1.      Highest possible encryption/decryption PERFORMANCE.
26 2.      PORTABILITY to any byte-addressable machine with a 32bit unsigned C type
27 3.      Plug-compatible replacement for KERBEROS's low-level routines.
28
29
30 performance comparison to other available des code which i could
31 compile on a SPARCStation 1 (cc -O4):
32
33 this code (byte-order independent):
34    30us per encryption (options: 64k tables, no IP/FP)
35    33us per encryption (options: 64k tables, FIPS standard bit ordering)
36    45us per encryption (options:  2k tables, no IP/FP)
37    49us per encryption (options:  2k tables, FIPS standard bit ordering)
38   275us to set a new key (uses 1k of key tables)
39         this has the quickest encryption/decryption routines i've seen.
40         since i was interested in fast des filters rather than crypt(3)
41         and password cracking, i haven't really bothered yet to speed up
42         the key setting routine. also, i have no interest in re-implementing
43         all the other junk in the mit kerberos des library, so i've just
44         provided my routines with little stub interfaces so they can be
45         used as drop-in replacements with mit's code or any of the mit-
46         compatible packages below. (note that the first two timings above
47         are highly variable because of cache effects).
48
49 kerberos des replacement from australia:
50    68us per encryption (uses 2k of tables)
51    96us to set a new key (uses 2.25k of key tables)
52         this is a very nice package which implements the most important
53         of the optimizations which i did in my encryption routines.
54         it's a bit weak on common low-level optimizations which is why
55         it's 39%-106% slower.  because he was interested in fast crypt(3) and
56         password-cracking applications,  he also used the same ideas to
57         speed up the key-setting routines with impressive results.
58         (at some point i may do the same in my package).  he also implements
59         the rest of the mit des library.
60         (code from eay@psych.psy.uq.oz.au via comp.sources.misc)
61
62 fast crypt(3) package from denmark:
63         the des routine here is buried inside a loop to do the
64         crypt function and i didn't feel like ripping it out and measuring
65         performance. his code takes 26 sparc instructions to compute one
66         des iteration; above, Quick (64k) takes 21 and Small (2k) takes 37.
67         he claims to use 280k of tables but the iteration calculation seems
68         to use only 128k.  his tables and code are machine independent.
69         (code from glad@daimi.aau.dk via alt.sources or comp.sources.misc)
70
71 swedish reimplementation of Kerberos des library
72   108us per encryption (uses 34k worth of tables)
73   134us to set a new key (uses 32k of key tables to get this speed!)
74         the tables used seem to be machine-independent;
75         he seems to have included a lot of special case code
76         so that, e.g., `long' loads can be used instead of 4 `char' loads
77         when the machine's architecture allows it.
78         (code obtained from chalmers.se:pub/des)
79
80 crack 3.3c package from england:
81         as in crypt above, the des routine is buried in a loop. it's
82         also very modified for crypt.  his iteration code uses 16k
83         of tables and appears to be slow.
84         (code obtained from aem@aber.ac.uk via alt.sources or comp.sources.misc)
85
86 ``highly optimized'' and tweaked Kerberos/Athena code (byte-order dependent):
87   165us per encryption (uses 6k worth of tables)
88   478us to set a new key (uses <1k of key tables)
89         so despite the comments in this code, it was possible to get
90         faster code AND smaller tables, as well as making the tables
91         machine-independent.
92         (code obtained from prep.ai.mit.edu)
93
94 UC Berkeley code (depends on machine-endedness):
95   226us per encryption
96 10848us to set a new key
97         table sizes are unclear, but they don't look very small
98         (code obtained from wuarchive.wustl.edu)
99
100
101 motivation and history
102
103 a while ago i wanted some des routines and the routines documented on sun's
104 man pages either didn't exist or dumped core.  i had heard of kerberos,
105 and knew that it used des,  so i figured i'd use its routines.  but once
106 i got it and looked at the code,  it really set off a lot of pet peeves -
107 it was too convoluted, the code had been written without taking
108 advantage of the regular structure of operations such as IP, E, and FP
109 (i.e. the author didn't sit down and think before coding),
110 it was excessively slow,  the author had attempted to clarify the code
111 by adding MORE statements to make the data movement more `consistent'
112 instead of simplifying his implementation and cutting down on all data
113 movement (in particular, his use of L1, R1, L2, R2), and it was full of
114 idiotic `tweaks' for particular machines which failed to deliver significant
115 speedups but which did obfuscate everything.  so i took the test data
116 from his verification program and rewrote everything else.
117
118 a while later i ran across the great crypt(3) package mentioned above.
119 the fact that this guy was computing 2 sboxes per table lookup rather
120 than one (and using a MUCH larger table in the process) emboldened me to
121 do the same - it was a trivial change from which i had been scared away
122 by the larger table size.  in his case he didn't realize you don't need to keep
123 the working data in TWO forms, one for easy use of half the sboxes in
124 indexing, the other for easy use of the other half; instead you can keep
125 it in the form for the first half and use a simple rotate to get the other
126 half.  this means i have (almost) half the data manipulation and half
127 the table size.  in fairness though he might be encoding something particular
128 to crypt(3) in his tables - i didn't check.
129
130 i'm glad that i implemented it the way i did, because this C version is
131 portable (the ifdef's are performance enhancements) and it is faster
132 than versions hand-written in assembly for the sparc!
133
134
135 porting notes
136
137 one thing i did not want to do was write an enormous mess
138 which depended on endedness and other machine quirks,
139 and which necessarily produced different code and different lookup tables
140 for different machines.  see the kerberos code for an example
141 of what i didn't want to do; all their endedness-specific `optimizations'
142 obfuscate the code and in the end were slower than a simpler machine
143 independent approach.  however, there are always some portability
144 considerations of some kind, and i have included some options
145 for varying numbers of register variables.
146 perhaps some will still regard the result as a mess!
147
148 1) i assume everything is byte addressable, although i don't actually
149    depend on the byte order, and that bytes are 8 bits.
150    i assume word pointers can be freely cast to and from char pointers.
151    note that 99% of C programs make these assumptions.
152    i always use unsigned char's if the high bit could be set.
153 2) the typedef `word' means a 32 bit unsigned integral type.
154    if `unsigned long' is not 32 bits, change the typedef in desCore.h.
155    i assume sizeof(word) == 4 EVERYWHERE.
156
157 the (worst-case) cost of my NOT doing endedness-specific optimizations
158 in the data loading and storing code surrounding the key iterations
159 is less than 12%.  also, there is the added benefit that
160 the input and output work areas do not need to be word-aligned.
161
162
163 OPTIONAL performance optimizations
164
165 1) you should define one of `i386,' `vax,' `mc68000,' or `sparc,'
166    whichever one is closest to the capabilities of your machine.
167    see the start of desCode.h to see exactly what this selection implies.
168    note that if you select the wrong one, the des code will still work;
169    these are just performance tweaks.
170 2) for those with functional `asm' keywords: you should change the
171    ROR and ROL macros to use machine rotate instructions if you have them.
172    this will save 2 instructions and a temporary per use,
173    or about 32 to 40 instructions per en/decryption.
174
175 these optimizations are all rather persnickety, yet with them you should
176 be able to get performance equal to assembly-coding, except that:
177 1) with the lack of a bit rotate operator in C, rotates have to be synthesized
178    from shifts.  so access to `asm' will speed things up if your machine
179    has rotates, as explained above in (3).
180 2) if your machine has less than 12 32-bit registers i doubt your compiler will
181    generate good code.
182    `i386' tries to configure the code for a 386 by only declaring 3 registers
183    (it appears that gcc can use ebx, esi and edi to hold register variables).
184    however, if you like assembly coding, the 386 does have 7 32-bit registers,
185    and if you use ALL of them, use `scaled by 8' address modes with displacement
186    and other tricks, you can get reasonable routines for DesQuickCore... with
187    about 250 instructions apiece.  For DesSmall... it will help to rearrange
188    des_keymap, i.e., now the sbox # is the high part of the index and
189    the 6 bits of data is the low part; it helps to exchange these.
190    since i have no way to conveniently test it i have not provided my
191    shoehorned 386 version.
192
193 coding notes
194
195 the en/decryption routines each use 6 necessary register variables,
196 with 4 being actively used at once during the inner iterations.
197 if you don't have 4 register variables get a new machine.
198 up to 8 more registers are used to hold constants in some configurations.
199
200 i assume that the use of a constant is more expensive than using a register:
201 a) additionally, i have tried to put the larger constants in registers.
202    registering priority was by the following:
203         anything more than 12 bits (bad for RISC and CISC)
204         greater than 127 in value (can't use movq or byte immediate on CISC)
205         9-127 (may not be able to use CISC shift immediate or add/sub quick),
206         1-8 were never registered, being the cheapest constants.
207 b) the compiler may be too stupid to realize table and table+256 should
208    be assigned to different constant registers and instead repetitively
209    do the arithmetic, so i assign these to explicit `m' register variables
210    when possible and helpful.
211
212 i assume that indexing is cheaper or equivalent to auto increment/decrement,
213 where the index is 7 bits unsigned or smaller.
214 this assumption is reversed for 68k and vax.
215
216 i assume that addresses can be cheaply formed from two registers,
217 or from a register and a small constant.  i never use the `two registers
218 and offset' form you see in some CISC machines.
219 all index scaling is done explicitly - no hidden shifts by log2(sizeof).
220
221 the code is written so that even a dumb compiler
222 should never need more than one hidden temporary,
223 increasing the chance that everything will fit in the registers.
224 KEEP THIS MORE SUBTLE POINT IN MIND IF YOU REWRITE ANYTHING.
225
226
227 special efficient data format
228
229 bits are manipulated in this arrangement most of the time (S7 S5 S3 S1):
230         003130292827xxxx242322212019xxxx161514131211xxxx080706050403xxxx
231 (the x bits are still there, i'm just emphasizing where the S boxes are).
232 bits are rotated left 4 when computing S6 S4 S2 S0:
233         282726252423xxxx201918171615xxxx121110090807xxxx040302010031xxxx
234 the rightmost two bits are usually cleared so the lower byte can be used
235 as an index into an sbox mapping table. the next two x'd bits are set
236 to various values to access different parts of the tables.
237
238
239 how to use the routines
240
241 datatypes:
242         pointer to 8 byte area of type DesData
243         used to hold keys and input/output blocks to des.
244
245         pointer to 128 byte area of type DesKeys
246         used to hold full 768-bit key.
247         must be long-aligned.
248
249 DesQuickInit()
250         call this before using any other routine with `Quick' in its name.
251         it generates the special 64k table these routines need.
252 DesQuickDone()
253         frees this table
254
255 DesMethod(m, k)
256         m points to a 128byte block, k points to an 8 byte des key
257         which must have odd parity (or -1 is returned) and which must
258         not be a (semi-)weak key (or -2 is returned).
259         normally DesMethod() returns 0.
260         m is filled in from k so that when one of the routines below
261         is called with m, the routine will act like standard des
262         en/decryption with the key k. if you use DesMethod,
263         you supply a standard 56bit key; however, if you fill in
264         m yourself, you will get a 768bit key - but then it won't
265         be standard.  it's 768bits not 1024 because the least significant
266         two bits of each byte are not used.  and yes, each byte controls
267         a specific sbox during a specific iteration.
268         NOTE: actually, every other word has been rotated right 4 bits
269         to reduce the number of temporaries needed when the key is used.
270         you really shouldn't use the 768bit format directly;  i should
271         provide a routine that converts 128 6-bit bytes (specified in
272         S-box mapping order or something) into the right format for you.
273         this would entail some byte concatenation and rotation.
274
275 Des{Small|Quick}{Fips|Core}{Encrypt|Decrypt}(d, m, s)
276         performs des on the 8 bytes at s into the 8 bytes at d. (d,s: char *).
277         uses m as a 768bit key as explained above.
278         the Encrypt|Decrypt choice is obvious.
279         Fips|Core determines whether a completely standard FIPS initial
280         and final permutation is done; if not, then the data is loaded
281         and stored in a nonstandard bit order (FIPS w/o IP/FP).
282         Fips slows down Quick by 10%, Small by 9%.
283         Small|Quick determines whether you use the normal routine
284         or the crazy quick one which gobbles up 64k more of memory.
285         Small is 50% slower then Quick, but Quick needs 32 times as much
286         memory.  Quick is included for programs that do nothing but DES,
287         e.g., encryption filters, etc.
288
289
290 Getting it to compile on your machine
291
292 there are no machine-dependencies in the code (see porting),
293 except perhaps the `now()' macro in desTest.c.
294 ALL generated tables are machine independent.
295 you should edit the Makefile with the appropriate optimization flags
296 for your compiler (MAX optimization).
297
298
299 Speeding up kerberos (and/or its des library)
300
301 note that i have included a kerberos-compatible interface in desUtil.c
302 through the functions des_key_sched() and des_ecb_encrypt().
303 to use these with kerberos or kerberos-compatible code put desCore.a
304 ahead of the kerberos-compatible library on your linker's command line.
305 you should not need to #include desCore.h;  just include the header
306 file provided with the kerberos library.
307
308 Other uses
309
310 the macros in desCode.h would be very useful for putting inline des
311 functions in more complicated encryption routines.