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 #include "aes_internal.h"
  26 #include "intreadwrite.h"
  27 #include "timer.h"
  28
  29 const int av_aes_size= sizeof(AVAES);
  30
  31 struct AVAES *av_aes_alloc(void)
  32 {
  33     return av_mallocz(sizeof(struct AVAES));
  34 }
  35
  36 static const uint8_t rcon[10] = {
  37   0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36
  38 };
  39
  40 static uint8_t     sbox[256];
  41 static uint8_t inv_sbox[256];
  42 #if CONFIG_SMALL
  43 static uint32_t enc_multbl[1][256];
  44 static uint32_t dec_multbl[1][256];
  45 #else
  46 static uint32_t enc_multbl[4][256];
  47 static uint32_t dec_multbl[4][256];
  48 #endif
  49
  50 #if HAVE_BIGENDIAN
  51 #   define ROT(x, s) (((x) >> (s)) | ((x) << (32-(s))))
  52 #else
  53 #   define ROT(x, s) (((x) << (s)) | ((x) >> (32-(s))))
  54 #endif
  55
  56 static inline void addkey(av_aes_block *dst, const av_aes_block *src,
  57                           const av_aes_block *round_key)
  58 {
  59     dst->u64[0] = src->u64[0] ^ round_key->u64[0];
  60     dst->u64[1] = src->u64[1] ^ round_key->u64[1];
  61 }
  62
  63 static inline void addkey_s(av_aes_block *dst, const uint8_t *src,
  64                             const av_aes_block *round_key)
  65 {
  66     dst->u64[0] = AV_RN64(src)     ^ round_key->u64[0];
  67     dst->u64[1] = AV_RN64(src + 8) ^ round_key->u64[1];
  68 }
  69
  70 static inline void addkey_d(uint8_t *dst, const av_aes_block *src,
  71                             const av_aes_block *round_key)
  72 {
  73     AV_WN64(dst,     src->u64[0] ^ round_key->u64[0]);
  74     AV_WN64(dst + 8, src->u64[1] ^ round_key->u64[1]);
  75 }
  76
  77 static void subshift(av_aes_block s0[2], int s, const uint8_t *box)
  78 {
  79     av_aes_block *s1 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 - s);
  80     av_aes_block *s3 = (av_aes_block *) (s0[0].u8 + s);
  81
  82     s0[0].u8[ 0] = box[s0[1].u8[ 0]];
  83     s0[0].u8[ 4] = box[s0[1].u8[ 4]];
  84     s0[0].u8[ 8] = box[s0[1].u8[ 8]];
  85     s0[0].u8[12] = box[s0[1].u8[12]];
  86     s1[0].u8[ 3] = box[s1[1].u8[ 7]];
  87     s1[0].u8[ 7] = box[s1[1].u8[11]];
  88     s1[0].u8[11] = box[s1[1].u8[15]];
  89     s1[0].u8[15] = box[s1[1].u8[ 3]];
  90     s0[0].u8[ 2] = box[s0[1].u8[10]];
  91     s0[0].u8[10] = box[s0[1].u8[ 2]];
  92     s0[0].u8[ 6] = box[s0[1].u8[14]];
  93     s0[0].u8[14] = box[s0[1].u8[ 6]];
  94     s3[0].u8[ 1] = box[s3[1].u8[13]];
  95     s3[0].u8[13] = box[s3[1].u8[ 9]];
  96     s3[0].u8[ 9] = box[s3[1].u8[ 5]];
  97     s3[0].u8[ 5] = box[s3[1].u8[ 1]];
  98 }
  99
 100 static inline int mix_core(uint32_t multbl[][256], int a, int b, int c, int d){
 101 #if CONFIG_SMALL
 102     return multbl[0][a] ^ ROT(multbl[0][b], 8) ^ ROT(multbl[0][c], 16) ^ ROT(multbl[0][d], 24);
 103 #else
 104     return multbl[0][a] ^ multbl[1][b] ^ multbl[2][c] ^ multbl[3][d];
 105 #endif
 106 }
 107
 108 static inline void mix(av_aes_block state[2], uint32_t multbl[][256], int s1, int s3){
 109     uint8_t (*src)[4] = state[1].u8x4;
 110     state[0].u32[0] = mix_core(multbl, src[0][0], src[s1  ][1], src[2][2], src[s3  ][3]);
 111     state[0].u32[1] = mix_core(multbl, src[1][0], src[s3-1][1], src[3][2], src[s1-1][3]);
 112     state[0].u32[2] = mix_core(multbl, src[2][0], src[s3  ][1], src[0][2], src[s1  ][3]);
 113     state[0].u32[3] = mix_core(multbl, src[3][0], src[s1-1][1], src[1][2], src[s3-1][3]);
 114 }
 115
 116 static inline void aes_crypt(AVAES *a, int s, const uint8_t *sbox,
 117                          uint32_t multbl[][256])
 118 {
 119     int r;
 120
 121     for (r = a->rounds - 1; r > 0; r--) {
 122         mix(a->state, multbl, 3 - s, 1 + s);
 123         addkey(&a->state[1], &a->state[0], &a->round_key[r]);
 124     }
 125
 126     subshift(&a->state[0], s, sbox);
 127 }
 128
 129 static void aes_encrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 130                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
 131 {
 132     while (count--) {
 133         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
 134         if (iv)
 135             addkey_s(&a->state[1], iv, &a->state[1]);
 136         aes_crypt(a, 2, sbox, enc_multbl);
 137         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 138         if (iv)
 139             memcpy(iv, dst, 16);
 140         src += 16;
 141         dst += 16;
 142     }
 143 }
 144
 145 static void aes_decrypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 146                         int count, uint8_t *iv, int rounds)
 147 {
 148     while (count--) {
 149         addkey_s(&a->state[1], src, &a->round_key[rounds]);
 150         aes_crypt(a, 0, inv_sbox, dec_multbl);
 151         if (iv) {
 152             addkey_s(&a->state[0], iv, &a->state[0]);
 153             memcpy(iv, src, 16);
 154         }
 155         addkey_d(dst, &a->state[0], &a->round_key[0]);
 156         src += 16;
 157         dst += 16;
 158     }
 159 }
 160
 161 void av_aes_crypt(AVAES *a, uint8_t *dst, const uint8_t *src,
 162                   int count, uint8_t *iv, int decrypt)
 163 {
 164     a->crypt(a, dst, src, count, iv, a->rounds);
 165 }
 166
 167 static void init_multbl2(uint32_t tbl[][256], const int c[4],
 168                          const uint8_t *log8, const uint8_t *alog8,
 169                          const uint8_t *sbox)
 170 {
 171     int i;
 172
 173     for (i = 0; i < 256; i++) {
 174         int x = sbox[i];
 175         if (x) {
 176             int k, l, m, n;
 177             x = log8[x];
 178             k = alog8[x + log8[c[0]]];
 179             l = alog8[x + log8[c[1]]];
 180             m = alog8[x + log8[c[2]]];
 181             n = alog8[x + log8[c[3]]];
 182             tbl[0][i] = AV_NE(MKBETAG(k,l,m,n), MKTAG(k,l,m,n));
 183 #if !CONFIG_SMALL
 184             tbl[1][i] = ROT(tbl[0][i], 8);
 185             tbl[2][i] = ROT(tbl[0][i], 16);
 186             tbl[3][i] = ROT(tbl[0][i], 24);
 187 #endif
 188         }
 189     }
 190 }
 191
 192 // this is based on the reference AES code by Paulo Barreto and Vincent Rijmen
 193 int av_aes_init(AVAES *a, const uint8_t *key, int key_bits, int decrypt)
 194 {
 195     int i, j, t, rconpointer = 0;
 196     uint8_t tk[8][4];
 197     int KC = key_bits >> 5;
 198     int rounds = KC + 6;
 199     uint8_t log8[256];
 200     uint8_t alog8[512];
 201
 202     a->crypt = decrypt ? aes_decrypt : aes_encrypt;
 203
 204     if (!enc_multbl[FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl)-1][FF_ARRAY_ELEMS(enc_multbl[0])-1]) {
 205         j = 1;
 206         for (i = 0; i < 255; i++) {
 207             alog8[i] = alog8[i + 255] = j;
 208             log8[j] = i;
 209             j ^= j + j;
 210             if (j > 255)
 211                 j ^= 0x11B;
 212         }
 213         for (i = 0; i < 256; i++) {
 214             j = i ? alog8[255 - log8[i]] : 0;
 215             j ^= (j << 1) ^ (j << 2) ^ (j << 3) ^ (j << 4);
 216             j = (j ^ (j >> 8) ^ 99) & 255;
 217             inv_sbox[j] = i;
 218             sbox[i] = j;
 219         }
 220         init_multbl2(dec_multbl, (const int[4]) { 0xe, 0x9, 0xd, 0xb },
 221                      log8, alog8, inv_sbox);
 222         init_multbl2(enc_multbl, (const int[4]) { 0x2, 0x1, 0x1, 0x3 },
 223                      log8, alog8, sbox);
 224     }
 225
 226     if (key_bits != 128 && key_bits != 192 && key_bits != 256)
 227         return AVERROR(EINVAL);
 228
 229     a->rounds = rounds;
 230
 231     memcpy(tk, key, KC * 4);
 232     memcpy(a->round_key[0].u8, key, KC * 4);
 233
 234     for (t = KC * 4; t < (rounds + 1) * 16; t += KC * 4) {
 235         for (i = 0; i < 4; i++)
 236             tk[0][i] ^= sbox[tk[KC - 1][(i + 1) & 3]];
 237         tk[0][0] ^= rcon[rconpointer++];
 238
 239         for (j = 1; j < KC; j++) {
 240             if (KC != 8 || j != KC >> 1)
 241                 for (i = 0; i < 4; i++)
 242                     tk[j][i] ^= tk[j - 1][i];
 243             else
 244                 for (i = 0; i < 4; i++)
 245                     tk[j][i] ^= sbox[tk[j - 1][i]];
 246         }
 247
 248         memcpy(a->round_key[0].u8 + t, tk, KC * 4);
 249     }
 250
 251     if (decrypt) {
 252         for (i = 1; i < rounds; i++) {
 253             av_aes_block tmp[3];
 254             tmp[2] = a->round_key[i];
 255             subshift(&tmp[1], 0, sbox);
 256             mix(tmp, dec_multbl, 1, 3);
 257             a->round_key[i] = tmp[0];
 258         }
 259     } else {
 260         for (i = 0; i < (rounds + 1) >> 1; i++) {
 261             FFSWAP(av_aes_block, a->round_key[i], a->round_key[rounds-i]);
 262         }
 263     }
 264
 265     return 0;
 266 }
 267
 268 #ifdef TEST
 269 // LCOV_EXCL_START
 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[32], 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[32];
 295     uint8_t iv[2][16];
 296     int err = 0;
 297
 298     av_log_set_level(AV_LOG_DEBUG);
 299
 300     for (i = 0; i < 2; i++) {
 301         av_aes_init(&b, rkey[i], 128, 1);
 302         av_aes_crypt(&b, temp, rct[i], 1, NULL, 1);
 303         for (j = 0; j < 16; j++) {
 304             if (rpt[i][j] != temp[j]) {
 305                 av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %02X %02X\n",
 306                        j, rpt[i][j], temp[j]);
 307                 err = 1;
 308             }
 309         }
 310     }
 311
 312     if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "-t")) {
 313         AVAES ae, ad;
 314         AVLFG prng;
 315
 316         av_aes_init(&ae, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 0);
 317         av_aes_init(&ad, (const uint8_t*)"PI=3.141592654..", 128, 1);
 318         av_lfg_init(&prng, 1);
 319
 320         for (i = 0; i < 10000; i++) {
 321             for (j = 0; j < 32; j++) {
 322                 pt[j] = av_lfg_get(&prng);
 323             }
 324             for (j = 0; j < 16; j++) {
 325                 iv[0][j] = iv[1][j] = av_lfg_get(&prng);
 326             }
 327             {
 328                 START_TIMER;
 329                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 2, iv[0], 0);
 330                 if (!(i & (i - 1)))
 331                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
 332                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
 333                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 2, iv[1], 1);
 334                 av_aes_crypt(&ae, temp, pt, 2, NULL, 0);
 335                 if (!(i & (i - 1)))
 336                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%02X %02X %02X %02X\n",
 337                            temp[0], temp[5], temp[10], temp[15]);
 338                 av_aes_crypt(&ad, temp, temp, 2, NULL, 1);
 339                 STOP_TIMER("aes");
 340             }
 341             for (j = 0; j < 16; j++) {
 342                 if (pt[j] != temp[j]) {
 343                     av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d %d %02X %02X\n",
 344                            i, j, pt[j], temp[j]);
 345                 }
 346             }
 347         }
 348     }
 349     return err;
 350 }
 351 // LCOV_EXCL_STOP
 352 #endif