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 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 "common.h"
  24 #include "aes.h"
  25
  26 typedef union {
  27     uint64_t u64[2];
  28     uint32_t u32[4];
  29     uint8_t u8x4[4][4];
  30     uint8_t u8[16];
  31 } av_aes_block;
  32
  33 typedef struct AVAES{
  34     // Note: round_key[16] is accessed in the init code, but this only
  35     // overwrites state, which does not matter (see also r7471).
  36     av_aes_block round_key[15];
  37     av_aes_block state[2];
  38     int rounds;
  39 }AVAES;
  40
  41 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
  42
  43 static const uint8_t rcon[10] = {
  44   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
  45 };
  46
  47 static uint8_t     sbox[256];
  48 static uint8_t inv_sbox[256];
  49 #if CONFIG_SMALL
  50 static uint32_t enc_multbl[1][256];
  51 static uint32_t dec_multbl[1][256];
  52 #else
  53 static uint32_t enc_multbl[4][256];
  54 static uint32_t dec_multbl[4][256];
  55 #endif
  56
  57 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src, const av_aes_block *round_key){
  58     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
  59     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
  60 }
  61
  62 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box){
  63     av_aes_block *s1= (av_aes_block *)(s0[0].u8 - s);
  64     av_aes_block *s3= (av_aes_block *)(s0[0].u8 + s);
  65     s0[0].u8[0]=box[s0[1].u8[ 0]]; s0[0].u8[ 4]=box[s0[1].u8[ 4]]; s0[0].u8[ 8]=box[s0[1].u8[ 8]]; s0[0].u8[12]=box[s0[1].u8[12]];
  66     s1[0].u8[3]=box[s1[1].u8[ 7]]; s1[0].u8[ 7]=box[s1[1].u8[11]]; s1[0].u8[11]=box[s1[1].u8[15]]; s1[0].u8[15]=box[s1[1].u8[ 3]];
  67     s0[0].u8[2]=box[s0[1].u8[10]]; s0[0].u8[10]=box[s0[1].u8[ 2]]; s0[0].u8[ 6]=box[s0[1].u8[14]]; s0[0].u8[14]=box[s0[1].u8[ 6]];
  68     s3[0].u8[1]=box[s3[1].u8[13]]; s3[0].u8[13]=box[s3[1].u8[ 9]]; s3[0].u8[ 9]=box[s3[1].u8[ 5]]; s3[0].u8[ 5]=box[s3[1].u8[ 1]];
  69 }
  70
  71 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
  72 #if CONFIG_SMALL
  73 #define ROT(x,s) ((x<<s)|(x>>(32-s)))
  74     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
  75 #else
  76     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
  77 #endif
  78 }
  79
  80 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
  81     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
  82     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
  83     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
  84     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
  85     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
  86 }
  87
  88 static inline void crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox, uint32_t multbl[][256]){
  89     int r;
  90
  91     for(r=a->rounds-1; r>0; r--){
  92         mix(a->state, multbl, 3-s, 1+s);
  93         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
  94     }
  95     subshift(&a->state[0], s, sbox);
  96 }
  97
  98 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst_, const uint8_t *src_, int count, uint8_t *iv_, int decrypt){
  99     av_aes_block *dst = (av_aes_block *)dst_;
 100     const av_aes_block *src = (const av_aes_block *)src_;
 101     av_aes_block *iv = (av_aes_block *)iv_;
 102     while(count--){
 103         addkey(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
 104         if(decrypt) {
 105             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
 106             if(iv){
 107                 addkey(&a->state[0], &a->state[0], iv);
 108                 memcpy(iv, src, 16);
 109             }
 110             addkey(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 111         }else{
 112             if(iv) addkey(&a->state[1], &a->state[1], iv);
 113             crypt(a, 2,     sbox, enc_multbl);
 114             addkey(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 115             if(iv) memcpy(iv, dst, 16);
 116         }
 117         src++;
 118         dst++;
 119     }
 120 }
 121
 122 static void init_multbl2(uint8_t tbl[1024], const int c[4], const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8, const uint8_t *sbox){
 123     int i, j;
 124     for(i=0; i<1024; i++){
 125         int x= sbox[i>>2];
 126         if(x) tbl[i]= alog8[ log8[x] + log8[c[i&3]] ];
 127     }
 128 #if !CONFIG_SMALL
 129     for(j=256; j<1024; j++)
 130         for(i=0; i<4; i++)
 131             tbl[4*j+i]= tbl[4*j + ((i-1)&3) - 1024];
 132 #endif
 133 }
 134
 135 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
 136 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt) {
 137     int i, j, t, rconpointer = 0;
 138     uint8_t tk[8][4];
 139     int KC= key_bits>>5;
 140     int rounds= KC + 6;
 141     uint8_t  log8[256];
 142     uint8_t alog8[512];
 143
 144     if(!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]){
 145         j=1;
 146         for(i=0; i<255; i++){
 147             alog8[i]=
 148             alog8[i+255]= j;
 149             log8[j]= i;
 150             j^= j+j;
 151             if(j>255) j^= 0x11B;
 152         }
 153         for(i=0; i<256; i++){
 154             j= i ? alog8[255-log8[i]] : 0;
 155             j ^= (j<<1) ^ (j<<2) ^ (j<<3) ^ (j<<4);
 156             j = (j ^ (j>>8) ^ 99) & 255;
 157             inv_sbox[j]= i;
 158             sbox    [i]= j;
 159         }
 160         init_multbl2(dec_multbl[0], (const int[4]){0xe, 0x9, 0xd, 0xb}, log8, alog8, inv_sbox);
 161         init_multbl2(enc_multbl[0], (const int[4]){0x2, 0x1, 0x1, 0x3}, log8, alog8, sbox);
 162     }
 163
 164     if(key_bits!=128 && key_bits!=192 && key_bits!=256)
 165         return -1;
 166
 167     a->rounds= rounds;
 168
 169     memcpy(tk, key, KC*4);
 170
 171     for(t= 0; t < (rounds+1)*16;) {
 172         memcpy(a->round_key[0].u8+t, tk, KC*4);
 173         t+= KC*4;
 174
 175         for(i = 0; i < 4; i++)
 176             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC-1][(i+1)&3]];
 177         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
 178
 179         for(j = 1; j < KC; j++){
 180             if(KC != 8 || j != KC>>1)
 181                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^=      tk[j-1][i];
 182             else
 183                 for(i = 0; i < 4; i++) tk[j][i] ^= sbox[tk[j-1][i]];
 184         }
 185     }
 186
 187     if(decrypt){
 188         for(i=1; i<rounds; i++){
 189             av_aes_block tmp[3];
 190             memcpy(&tmp[2], &a->round_key[i], 16);
 191             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
 192             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
 193             memcpy(&a->round_key[i], &tmp[0], 16);
 194         }
 195     }else{
 196         for(i=0; i<(rounds+1)>>1; i++){
 197             for(j=0; j<16; j++)
 198                 FFSWAP(int, a->round_key[i].u8[j], a->round_key[rounds-i].u8[j]);
 199         }
 200     }
 201
 202     return 0;
 203 }
 204
 205 #ifdef TEST
 206 #include "lfg.h"
 207 #include "log.h"
 208
 209 int main(void){
 210     int i,j;
 211     AVAES ae, ad, b;
 212     uint8_t rkey[2][16]= {
 213         {0},
 214         {0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3, 0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59}};
 215     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
 216         {0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad, 0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3},
 217         {0}};
 218     uint8_t rct[2][16]= {
 219         {0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7, 0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf},
 220         {0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0, 0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65}};
 221     uint8_t temp[16];
 222     AVLFG prng;
 223
 224     av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
 225     av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
 226     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
 227     av_lfg_init(&prng, 1);
 228
 229     for(i=0; i<2; i++){
 230         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
 231         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
 232         for(j=0; j<16; j++)
 233             if(rpt[i][j] != temp[j])
 234                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n", j, rpt[i][j], temp[j]);
 235     }
 236
 237     for(i=0; i<10000; i++){
 238         for(j=0; j<16; j++){
 239             pt[j] = av_lfg_get(&prng);
 240         }
 241 {START_TIMER
 242         av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
 243         if(!(i&(i-1)))
 244             av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n", temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
 245         av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
 246 STOP_TIMER("aes")}
 247         for(j=0; j<16; j++){
 248             if(pt[j] != temp[j]){
 249                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n", i,j, pt[j], temp[j]);
 250             }
 251         }
 252     }
 253     return 0;
 254 }
 255 #endif