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
  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,
  58                           const av_aes_block *round_key)
  59 {
  60     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
  61     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
  62 }
  63
  64 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
  65 {
  66     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
  67     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
  68
  69     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
  70     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
  71     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
  72     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
  73     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
  74     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
  75     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
  76     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
  77     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
  78     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
  79     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
  80     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
  81     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
  82     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
  83     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
  84     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
  85 }
  86
  87 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
  88 #if CONFIG_SMALL
  89 #define ROT(x,s) ((x<<s)|(x>>(32-s)))
  90     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
  91 #else
  92     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
  93 #endif
  94 }
  95
  96 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
  97     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
  98     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
  99     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
 100     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
 101     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
 102 }
 103
 104 static inline void crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
 105                          uint32_t multbl[][256])
 106 {
 107     int r;
 108
 109     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
 110         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
 111         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
 112     }
 113
 114     subshift(&a->state[0], s, sbox);
 115 }
 116
 117 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst_, const uint8_t *src_,
 118                   int count, uint8_t *iv_, int decrypt)
 119 {
 120     av_aes_block       *dst = (av_aes_block *) dst_;
 121     const av_aes_block *src = (const av_aes_block *) src_;
 122     av_aes_block        *iv = (av_aes_block *) iv_;
 123
 124     while (count--) {
 125         addkey(&a->state[1], src, &a->round_key[a->rounds]);
 126         if (decrypt) {
 127             crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
 128             if (iv) {
 129                 addkey(&a->state[0], &a->state[0], iv);
 130                 memcpy(iv, src, 16);
 131             }
 132             addkey(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 133         } else {
 134             if (iv)
 135                 addkey(&a->state[1], &a->state[1], iv);
 136             crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
 137             addkey(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 138             if (iv)
 139                 memcpy(iv, dst, 16);
 140         }
 141         src++;
 142         dst++;
 143     }
 144 }
 145
 146 static void init_multbl2(uint8_t tbl[1024], const int c[4],
 147                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
 148                          const uint8_t *sbox)
 149 {
 150     int i, j;
 151
 152     for (i = 0; i < 1024; i++) {
 153         int x = sbox[i >> 2];
 154         if (x)
 155             tbl[i] = alog8[log8[x] + log8[c[i & 3]]];
 156     }
 157 #if !CONFIG_SMALL
 158     for (j = 256; j < 1024; j++)
 159         for (i = 0; i < 4; i++)
 160             tbl[4*j + i] = tbl[4*j + ((i - 1) & 3) - 1024];
 161 #endif
 162 }
 163
 164 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
 165 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
 166 {
 167     int i, j, t, rconpointer = 0;
 168     uint8_t tk[8][4];
 169     int KC = key_bits >> 5;
 170     int rounds = KC + 6;
 171     uint8_t log8[256];
 172     uint8_t alog8[512];
 173
 174     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
 175         j = 1;
 176         for (i = 0; i < 255; i++) {
 177             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
 178             log8[j] = i;
 179             j ^= j + j;
 180             if (j > 255)
 181                 j ^= 0x11B;
 182         }
 183         for (i = 0; i < 256; i++) {
 184             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
 185             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
 186             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
 187             inv_sbox[j] = i;
 188             sbox[i] = j;
 189         }
 190         init_multbl2(dec_multbl[0], (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
 191                      log8, alog8, inv_sbox);
 192         init_multbl2(enc_multbl[0], (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
 193                      log8, alog8, sbox);
 194     }
 195
 196     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
 197         return -1;
 198
 199     a->rounds = rounds;
 200
 201     memcpy(tk, key, KC * 4);
 202
 203     for (t = 0; t < (rounds + 1) * 16;) {
 204         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
 205         t += KC * 4;
 206
 207         for (i = 0; i < 4; i++)
 208             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
 209         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
 210
 211         for (j = 1; j < KC; j++) {
 212             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
 213                 for (i = 0; i < 4; i++)
 214                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
 215             else
 216                 for (i = 0; i < 4; i++)
 217                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
 218         }
 219     }
 220
 221     if (decrypt) {
 222         for (i = 1; i < rounds; i++) {
 223             av_aes_block tmp[3];
 224             memcpy(&tmp[2], &a->round_key[i], 16);
 225             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
 226             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
 227             memcpy(&a->round_key[i], &tmp[0], 16);
 228         }
 229     } else {
 230         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
 231             for (j = 0; j < 16; j++)
 232                 FFSWAP(int, a->round_key[i].u8[j], a->round_key[rounds-i].u8[j]);
 233         }
 234     }
 235
 236     return 0;
 237 }
 238
 239 #ifdef TEST
 240 #include <string.h>
 241 #include "lfg.h"
 242 #include "log.h"
 243
 244 int main(int argc, char **argv)
 245 {
 246     int i, j;
 247     AVAES b;
 248     uint8_t rkey[2][16] = {
 249         { 0 },
 250         { 0x10, 0xa5, 0x88, 0x69, 0xd7, 0x4b, 0xe5, 0xa3,
 251           0x74, 0xcf, 0x86, 0x7c, 0xfb, 0x47, 0x38, 0x59 }
 252     };
 253     uint8_t pt[16], rpt[2][16]= {
 254         { 0x6a, 0x84, 0x86, 0x7c, 0xd7, 0x7e, 0x12, 0xad,
 255           0x07, 0xea, 0x1b, 0xe8, 0x95, 0xc5, 0x3f, 0xa3 },
 256         { 0 }
 257     };
 258     uint8_t rct[2][16]= {
 259         { 0x73, 0x22, 0x81, 0xc0, 0xa0, 0xaa, 0xb8, 0xf7,
 260           0xa5, 0x4a, 0x0c, 0x67, 0xa0, 0xc4, 0x5e, 0xcf },
 261         { 0x6d, 0x25, 0x1e, 0x69, 0x44, 0xb0, 0x51, 0xe0,
 262           0x4e, 0xaa, 0x6f, 0xb4, 0xdb, 0xf7, 0x84, 0x65 }
 263     };
 264     uint8_t temp[16];
 265     int err = 0;
 266
 267     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
 268
 269     for (i = 0; i < 2; i++) {
 270         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
 271         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
 272         for (j = 0; j < 16; j++) {
 273             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
 274                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
 275                        j, rpt[i][j], temp[j]);
 276                 err = 1;
 277             }
 278         }
 279     }
 280
 281     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
 282         AVAES ae, ad;
 283         AVLFG prng;
 284
 285         av_aes_init(&ae, "PI=3.141592654..", 128, 0);
 286         av_aes_init(&ad, "PI=3.141592654..", 128, 1);
 287         av_lfg_init(&prng, 1);
 288
 289         for (i = 0; i < 10000; i++) {
 290             for (j = 0; j < 16; j++) {
 291                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
 292             }
 293             {
 294                 START_TIMER;
 295                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 1, NULL, 0);
 296                 if (!(i & (i - 1)))
 297                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
 298                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
 299                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 1, NULL, 1);
 300                 STOP_TIMER("aes");
 301             }
 302             for (j = 0; j < 16; j++) {
 303                 if (pt[j] != temp[j]) {
 304                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
 305                            i, j, pt[j], temp[j]);
 306                 }
 307             }
 308         }
 309     }
 310     return err;
 311 }
 312 #endif