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 #if FF_API_CONTEXT_SIZE
  44 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
  45 #endif
  46
  47 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
  48 {
  49     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
  50 }
  51
  52 static const uint8_t rcon[10] = {
  53   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
  54 };
  55
  56 static uint8_t     sbox[256];
  57 static uint8_t inv_sbox[256];
  58 #if CONFIG_SMALL
  59 static uint32_t enc_multbl[1][256];
  60 static uint32_t dec_multbl[1][256];
  61 #else
  62 static uint32_t enc_multbl[4][256];
  63 static uint32_t dec_multbl[4][256];
  64 #endif
  65
  66 #if HAVE_BIGENDIAN
  67 #   define ROT(x, s) ((x >> s) | (x << (32-s)))
  68 #else
  69 #   define ROT(x, s) ((x << s) | (x >> (32-s)))
  70 #endif
  71
  72 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
  73                           const av_aes_block *round_key)
  74 {
  75     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
  76     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
  77 }
  78
  79 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
  80                             const av_aes_block *round_key)
  81 {
  82     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
  83     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
  84 }
  85
  86 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
  87                             const av_aes_block *round_key)
  88 {
  89     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
  90     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
  91 }
  92
  93 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
  94 {
  95     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
  96     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
  97
  98     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
  99     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
 100     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
 101     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
 102     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
 103     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
 104     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
 105     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
 106     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
 107     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
 108     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
 109     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
 110     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
 111     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
 112     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
 113     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
 114 }
 115
 116 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
 117 #if CONFIG_SMALL
 118     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
 119 #else
 120     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
 121 #endif
 122 }
 123
 124 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
 125     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
 126     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
 127     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
 128     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
 129     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
 130 }
 131
 132 static inline void crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
 133                          uint32_t multbl[][256])
 134 {
 135     int r;
 136
 137     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
 138         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
 139         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
 140     }
 141
 142     subshift(&a->state[0], s, sbox);
 143 }
 144
 145 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 146                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
 147 {
 148     while (count--) {
 149         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
 150         if (decrypt) {
 151             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
 152             if (iv) {
 153                 addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
 154                 memcpy(iv, src, 16);
 155             }
 156             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 157         } else {
 158             if (iv)
 159                 addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
 160             crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
 161             addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 162             if (iv)
 163                 memcpy(iv, dst, 16);
 164         }
 165         src += 16;
 166         dst += 16;
 167     }
 168 }
 169
 170 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
 171                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
 172                          const uint8_t *sbox)
 173 {
 174     int i;
 175
 176     for (i = 0; i < 256; i++) {
 177         int x = sbox[i];
 178         if (x) {
 179             int k, l, m, n;
 180             x = log8[x];
 181             k = alog8[x + log8[c[0]]];
 182             l = alog8[x + log8[c[1]]];
 183             m = alog8[x + log8[c[2]]];
 184             n = alog8[x + log8[c[3]]];
 185             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
 186 #if !CONFIG_SMALL
 187             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
 188             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
 189             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
 190 #endif
 191         }
 192     }
 193 }
 194
 195 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
 196 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
 197 {
 198     int i, j, t, rconpointer = 0;
 199     uint8_t tk[8][4];
 200     int KC = key_bits >> 5;
 201     int rounds = KC + 6;
 202     uint8_t log8[256];
 203     uint8_t alog8[512];
 204
 205     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
 206         j = 1;
 207         for (i = 0; i < 255; i++) {
 208             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
 209             log8[j] = i;
 210             j ^= j + j;
 211             if (j > 255)
 212                 j ^= 0x11B;
 213         }
 214         for (i = 0; i < 256; i++) {
 215             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
 216             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
 217             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
 218             inv_sbox[j] = i;
 219             sbox[i] = j;
 220         }
 221         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
 222                      log8, alog8, inv_sbox);
 223         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
 224                      log8, alog8, sbox);
 225     }
 226
 227     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
 228         return -1;
 229
 230     a->rounds = rounds;
 231
 232     memcpy(tk, key, KC * 4);
 233     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
 234
 235     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
 236         for (i = 0; i < 4; i++)
 237             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
 238         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
 239
 240         for (j = 1; j < KC; j++) {
 241             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
 242                 for (i = 0; i < 4; i++)
 243                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
 244             else
 245                 for (i = 0; i < 4; i++)
 246                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
 247         }
 248
 249         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
 250     }
 251
 252     if (decrypt) {
 253         for (i = 1; i < rounds; i++) {
 254             av_aes_block tmp[3];
 255             tmp[2] = a->round_key[i];
 256             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
 257             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
 258             a->round_key[i] = tmp[0];
 259         }
 260     } else {
 261         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
 262             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
 263         }
 264     }
 265
 266     return 0;
 267 }
 268
 269 #ifdef TEST
 270 #include <string.h>
 271 #include "lfg.h"
 272 #include "log.h"
 273
 274 int main(int argc, char **argv)
 275 {
 276     int i, j;
 277     AVAES b;
 278     uint8_t rkey[2][16] = {
 279         { 0 },
 280         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
 281           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
 282     };
 283     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
 284         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
 285           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
 286         { 0 }
 287     };
 288     uint8_t rct[2][16]= {
 289         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
 290           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
 291         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
 292           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
 293     };
 294     uint8_t temp[16];
 295     int err = 0;
 296
 297     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
 298
 299     for (i = 0; i < 2; i++) {
 300         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
 301         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
 302         for (j = 0; j < 16; j++) {
 303             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
 304                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
 305                        j, rpt[i][j], temp[j]);
 306                 err = 1;
 307             }
 308         }
 309     }
 310
 311     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
 312         AVAES ae, ad;
 313         AVLFG prng;
 314
 315         av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
 316         av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
 317         av_lfg_init(&prng, 1);
 318
 319         for (i = 0; i < 10000; i++) {
 320             for (j = 0; j < 16; j++) {
 321                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
 322             }
 323             {
 324                 START_TIMER;
 325                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
 326                 if (!(i & (i - 1)))
 327                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
 328                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
 329                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
 330                 STOP_TIMER("aes");
 331             }
 332             for (j = 0; j < 16; j++) {
 333                 if (pt[j] != temp[j]) {
 334                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
 335                            i, j, pt[j], temp[j]);
 336                 }
 337             }
 338         }
 339     }
 340     return err;
 341 }
 342 #endif