git.sesse.net Git - ffmpeg/blob - 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 Libav.
   7  *
   8  * Libav 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  * Libav 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 Libav; if not, write to the Free Software
  20  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  21  */
  22
  23 #include "common.h"
  24 #include "aes.h"
  25 #include "intreadwrite.h"
  26 #include "timer.h"
  27
  28 typedef union {
  29     uint64_t u64[2];
  30     uint32_t u32[4];
  31     uint8_t u8x4[4][4];
  32     uint8_t u8[16];
  33 } av_aes_block;
  34
  35 typedef struct AVAES {
  36     // Note: round_key[16] is accessed in the init code, but this only
  37     // overwrites state, which does not matter (see also commit ba554c0).
  38     av_aes_block round_key[15];
  39     av_aes_block state[2];
  40     int rounds;
  41 } AVAES;
  42
  43 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
  44 {
  45     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
  46 }
  47
  48 static const uint8_t rcon[10] = {
  49   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
  50 };
  51
  52 static uint8_t     sbox[256];
  53 static uint8_t inv_sbox[256];
  54 #if CONFIG_SMALL
  55 static uint32_t enc_multbl[1][256];
  56 static uint32_t dec_multbl[1][256];
  57 #else
  58 static uint32_t enc_multbl[4][256];
  59 static uint32_t dec_multbl[4][256];
  60 #endif
  61
  62 #if HAVE_BIGENDIAN
  63 #   define ROT(x, s) ((x >> s) | (x << (32-s)))
  64 #else
  65 #   define ROT(x, s) ((x << s) | (x >> (32-s)))
  66 #endif
  67
  68 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
  69                           const av_aes_block *round_key)
  70 {
  71     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
  72     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
  73 }
  74
  75 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
  76                             const av_aes_block *round_key)
  77 {
  78     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
  79     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
  80 }
  81
  82 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
  83                             const av_aes_block *round_key)
  84 {
  85     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
  86     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
  87 }
  88
  89 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
  90 {
  91     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
  92     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
  93
  94     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
  95     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
  96     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
  97     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
  98     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
  99     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
 100     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
 101     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
 102     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
 103     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
 104     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
 105     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
 106     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
 107     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
 108     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
 109     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
 110 }
 111
 112 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
 113 #if CONFIG_SMALL
 114     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
 115 #else
 116     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
 117 #endif
 118 }
 119
 120 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
 121     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
 122     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
 123     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
 124     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
 125     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
 126 }
 127
 128 static inline void crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
 129                          uint32_t multbl[][256])
 130 {
 131     int r;
 132
 133     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
 134         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
 135         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
 136     }
 137
 138     subshift(&a->state[0], s, sbox);
 139 }
 140
 141 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 142                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
 143 {
 144     while (count--) {
 145         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
 146         if (decrypt) {
 147             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
 148             if (iv) {
 149                 addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
 150                 memcpy(iv, src, 16);
 151             }
 152             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 153         } else {
 154             if (iv)
 155                 addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
 156             crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
 157             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 158             if (iv)
 159                 memcpy(iv, dst, 16);
 160         }
 161         src += 16;
 162         dst += 16;
 163     }
 164 }
 165
 166 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
 167                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
 168                          const uint8_t *sbox)
 169 {
 170     int i;
 171
 172     for (i = 0; i < 256; i++) {
 173         int x = sbox[i];
 174         if (x) {
 175             int k, l, m, n;
 176             x = log8[x];
 177             k = alog8[x + log8[c[0]]];
 178             l = alog8[x + log8[c[1]]];
 179             m = alog8[x + log8[c[2]]];
 180             n = alog8[x + log8[c[3]]];
 181             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
 182 #if !CONFIG_SMALL
 183             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
 184             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
 185             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
 186 #endif
 187         }
 188     }
 189 }
 190
 191 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
 192 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
 193 {
 194     int i, j, t, rconpointer = 0;
 195     uint8_t tk[8][4];
 196     int KC = key_bits >> 5;
 197     int rounds = KC + 6;
 198     uint8_t log8[256];
 199     uint8_t alog8[512];
 200
 201     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
 202         j = 1;
 203         for (i = 0; i < 255; i++) {
 204             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
 205             log8[j] = i;
 206             j ^= j + j;
 207             if (j > 255)
 208                 j ^= 0x11B;
 209         }
 210         for (i = 0; i < 256; i++) {
 211             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
 212             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
 213             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
 214             inv_sbox[j] = i;
 215             sbox[i] = j;
 216         }
 217         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
 218                      log8, alog8, inv_sbox);
 219         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
 220                      log8, alog8, sbox);
 221     }
 222
 223     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
 224         return -1;
 225
 226     a->rounds = rounds;
 227
 228     memcpy(tk, key, KC * 4);
 229     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
 230
 231     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
 232         for (i = 0; i < 4; i++)
 233             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
 234         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
 235
 236         for (j = 1; j < KC; j++) {
 237             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
 238                 for (i = 0; i < 4; i++)
 239                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
 240             else
 241                 for (i = 0; i < 4; i++)
 242                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
 243         }
 244
 245         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
 246     }
 247
 248     if (decrypt) {
 249         for (i = 1; i < rounds; i++) {
 250             av_aes_block tmp[3];
 251             tmp[2] = a->round_key[i];
 252             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
 253             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
 254             a->round_key[i] = tmp[0];
 255         }
 256     } else {
 257         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
 258             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
 259         }
 260     }
 261
 262     return 0;
 263 }
 264
 265 #ifdef TEST
 266 #include <string.h>
 267 #include "lfg.h"
 268 #include "log.h"
 269
 270 int main(int argc, char **argv)
 271 {
 272     int i, j;
 273     AVAES b;
 274     uint8_t rkey[2][16] = {
 275         { 0 },
 276         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
 277           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
 278     };
 279     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
 280         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
 281           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
 282         { 0 }
 283     };
 284     uint8_t rct[2][16]= {
 285         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
 286           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
 287         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
 288           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
 289     };
 290     uint8_t temp[16];
 291     int err = 0;
 292
 293     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
 294
 295     for (i = 0; i < 2; i++) {
 296         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
 297         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
 298         for (j = 0; j < 16; j++) {
 299             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
 300                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
 301                        j, rpt[i][j], temp[j]);
 302                 err = 1;
 303             }
 304         }
 305     }
 306
 307     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
 308         AVAES ae, ad;
 309         AVLFG prng;
 310
 311         av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
 312         av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
 313         av_lfg_init(&prng, 1);
 314
 315         for (i = 0; i < 10000; i++) {
 316             for (j = 0; j < 16; j++) {
 317                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
 318             }
 319             {
 320                 START_TIMER;
 321                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
 322                 if (!(i & (i - 1)))
 323                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
 324                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
 325                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
 326                 STOP_TIMER("aes");
 327             }
 328             for (j = 0; j < 16; j++) {
 329                 if (pt[j] != temp[j]) {
 330                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
 331                            i, j, pt[j], temp[j]);
 332                 }
 333             }
 334         }
 335     }
 336     return err;
 337 }
 338 #endif