rijndael.c

   1 /*      $OpenBSD: rijndael.c,v 1.6 2000/12/09 13:48:31 markus Exp $     */
   2
   3 /* This is an independent implementation of the encryption algorithm:   */
   4 /*                                                                      */
   5 /*         RIJNDAEL by Joan Daemen and Vincent Rijmen                   */
   6 /*                                                                      */
   7 /* which is a candidate algorithm in the Advanced Encryption Standard   */
   8 /* programme of the US National Institute of Standards and Technology.  */
   9 /*                                                                      */
  10 /* Copyright in this implementation is held by Dr B R Gladman but I     */
  11 /* hereby give permission for its free direct or derivative use subject */
  12 /* to acknowledgment of its origin and compliance with any conditions   */
  13 /* that the originators of the algorithm place on its exploitation.     */
  14 /*                                                                      */
  15 /* Dr Brian Gladman (gladman@seven77.demon.co.uk) 14th January 1999     */
  16
  17 /* Timing data for Rijndael (rijndael.c)
  18
  19 Algorithm: rijndael (rijndael.c)
  20
  21 128 bit key:
  22 Key Setup:    305/1389 cycles (encrypt/decrypt)
  23 Encrypt:       374 cycles =    68.4 mbits/sec
  24 Decrypt:       352 cycles =    72.7 mbits/sec
  25 Mean:          363 cycles =    70.5 mbits/sec
  26
  27 192 bit key:
  28 Key Setup:    277/1595 cycles (encrypt/decrypt)
  29 Encrypt:       439 cycles =    58.3 mbits/sec
  30 Decrypt:       425 cycles =    60.2 mbits/sec
  31 Mean:          432 cycles =    59.3 mbits/sec
  32
  33 256 bit key:
  34 Key Setup:    374/1960 cycles (encrypt/decrypt)
  35 Encrypt:       502 cycles =    51.0 mbits/sec
  36 Decrypt:       498 cycles =    51.4 mbits/sec
  37 Mean:          500 cycles =    51.2 mbits/sec
  38
  39 */
  40
  41 #include "config.h"
  42 #include "rijndael.h"
  43
  44 void gen_tabs   __P((void));
  45
  46 /* 3. Basic macros for speeding up generic operations               */
  47
  48 /* Circular rotate of 32 bit values                                 */
  49
  50 #define rotr(x,n)   (((x) >> ((int)(n))) | ((x) << (32 - (int)(n))))
  51 #define rotl(x,n)   (((x) << ((int)(n))) | ((x) >> (32 - (int)(n))))
  52
  53 /* Invert byte order in a 32 bit variable                           */
  54
  55 #define bswap(x)    ((rotl(x, 8) & 0x00ff00ff) | (rotr(x, 8) & 0xff00ff00))
  56
  57 /* Extract byte from a 32 bit quantity (little endian notation)     */
  58
  59 #define byte(x,n)   ((u1byte)((x) >> (8 * n)))
  60
  61 #if BYTE_ORDER != LITTLE_ENDIAN
  62 #define BYTE_SWAP
  63 #endif
  64
  65 #ifdef  BYTE_SWAP
  66 #define io_swap(x)  bswap(x)
  67 #else
  68 #define io_swap(x)  (x)
  69 #endif
  70
  71 #define LARGE_TABLES
  72
  73 u1byte  pow_tab[256];
  74 u1byte  log_tab[256];
  75 u1byte  sbx_tab[256];
  76 u1byte  isb_tab[256];
  77 u4byte  rco_tab[ 10];
  78 u4byte  ft_tab[4][256];
  79 u4byte  it_tab[4][256];
  80
  81 #ifdef  LARGE_TABLES
  82   u4byte  fl_tab[4][256];
  83   u4byte  il_tab[4][256];
  84 #endif
  85
  86 u4byte  tab_gen = 0;
  87
  88 #define ff_mult(a,b)    (a && b ? pow_tab[(log_tab[a] + log_tab[b]) % 255] : 0)
  89
  90 #define f_rn(bo, bi, n, k)                          \
  91     bo[n] =  ft_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
  92              ft_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
  93              ft_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
  94              ft_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
  95
  96 #define i_rn(bo, bi, n, k)                          \
  97     bo[n] =  it_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
  98              it_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
  99              it_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 100              it_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 101
 102 #ifdef LARGE_TABLES
 103
 104 #define ls_box(x)                \
 105     ( fl_tab[0][byte(x, 0)] ^    \
 106       fl_tab[1][byte(x, 1)] ^    \
 107       fl_tab[2][byte(x, 2)] ^    \
 108       fl_tab[3][byte(x, 3)] )
 109
 110 #define f_rl(bo, bi, n, k)                          \
 111     bo[n] =  fl_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 112              fl_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
 113              fl_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 114              fl_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
 115
 116 #define i_rl(bo, bi, n, k)                          \
 117     bo[n] =  il_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 118              il_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
 119              il_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 120              il_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 121
 122 #else
 123
 124 #define ls_box(x)                            \
 125     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 0)] <<  0) ^    \
 126     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 1)] <<  8) ^    \
 127     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 2)] << 16) ^    \
 128     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 3)] << 24)
 129
 130 #define f_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 131     bo[n] = (u4byte)sbx_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 132         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],1)]),  8) ^  \
 133         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 134         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 135
 136 #define i_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 137     bo[n] = (u4byte)isb_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 138         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],1)]),  8) ^  \
 139         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 140         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 141
 142 #endif
 143
 144 void
 145 gen_tabs(void)
 146 {
 147         u4byte  i, t;
 148         u1byte  p, q;
 149
 150         /* log and power tables for GF(2**8) finite field with  */
 151         /* 0x11b as modular polynomial - the simplest prmitive  */
 152         /* root is 0x11, used here to generate the tables       */
 153
 154         for(i = 0,p = 1; i < 256; ++i) {
 155                 pow_tab[i] = (u1byte)p; log_tab[p] = (u1byte)i;
 156
 157                 p = p ^ (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x01b : 0);
 158         }
 159
 160         log_tab[1] = 0; p = 1;
 161
 162         for(i = 0; i < 10; ++i) {
 163                 rco_tab[i] = p;
 164
 165                 p = (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x1b : 0);
 166         }
 167
 168         /* note that the affine byte transformation matrix in   */
 169         /* rijndael specification is in big endian format with  */
 170         /* bit 0 as the most significant bit. In the remainder  */
 171         /* of the specification the bits are numbered from the  */
 172         /* least significant end of a byte.                     */
 173
 174         for(i = 0; i < 256; ++i) {
 175                 p = (i ? pow_tab[255 - log_tab[i]] : 0); q = p;
 176                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 177                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 178                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 179                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q ^ 0x63;
 180                 sbx_tab[i] = (u1byte)p; isb_tab[p] = (u1byte)i;
 181         }
 182
 183         for(i = 0; i < 256; ++i) {
 184                 p = sbx_tab[i];
 185
 186 #ifdef  LARGE_TABLES
 187
 188                 t = p; fl_tab[0][i] = t;
 189                 fl_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 190                 fl_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 191                 fl_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 192 #endif
 193                 t = ((u4byte)ff_mult(2, p)) |
 194                         ((u4byte)p <<  8) |
 195                         ((u4byte)p << 16) |
 196                         ((u4byte)ff_mult(3, p) << 24);
 197
 198                 ft_tab[0][i] = t;
 199                 ft_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 200                 ft_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 201                 ft_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 202
 203                 p = isb_tab[i];
 204
 205 #ifdef  LARGE_TABLES
 206
 207                 t = p; il_tab[0][i] = t;
 208                 il_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 209                 il_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 210                 il_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 211 #endif
 212                 t = ((u4byte)ff_mult(14, p)) |
 213                         ((u4byte)ff_mult( 9, p) <<  8) |
 214                         ((u4byte)ff_mult(13, p) << 16) |
 215                         ((u4byte)ff_mult(11, p) << 24);
 216
 217                 it_tab[0][i] = t;
 218                 it_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 219                 it_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 220                 it_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 221         }
 222
 223         tab_gen = 1;
 224 }
 225
 226 #define star_x(x) (((x) & 0x7f7f7f7f) << 1) ^ ((((x) & 0x80808080) >> 7) * 0x1b)
 227
 228 #define imix_col(y,x)       \
 229     u   = star_x(x);        \
 230     v   = star_x(u);        \
 231     w   = star_x(v);        \
 232     t   = w ^ (x);          \
 233    (y)  = u ^ v ^ w;        \
 234    (y) ^= rotr(u ^ t,  8) ^ \
 235           rotr(v ^ t, 16) ^ \
 236           rotr(t,24)
 237
 238 /* initialise the key schedule from the user supplied key   */
 239
 240 #define loop4(i)                                    \
 241 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 242     t ^= e_key[4 * i];     e_key[4 * i + 4] = t;    \
 243     t ^= e_key[4 * i + 1]; e_key[4 * i + 5] = t;    \
 244     t ^= e_key[4 * i + 2]; e_key[4 * i + 6] = t;    \
 245     t ^= e_key[4 * i + 3]; e_key[4 * i + 7] = t;    \
 246 }
 247
 248 #define loop6(i)                                    \
 249 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 250     t ^= e_key[6 * i];     e_key[6 * i + 6] = t;    \
 251     t ^= e_key[6 * i + 1]; e_key[6 * i + 7] = t;    \
 252     t ^= e_key[6 * i + 2]; e_key[6 * i + 8] = t;    \
 253     t ^= e_key[6 * i + 3]; e_key[6 * i + 9] = t;    \
 254     t ^= e_key[6 * i + 4]; e_key[6 * i + 10] = t;   \
 255     t ^= e_key[6 * i + 5]; e_key[6 * i + 11] = t;   \
 256 }
 257
 258 #define loop8(i)                                    \
 259 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 260     t ^= e_key[8 * i];     e_key[8 * i + 8] = t;    \
 261     t ^= e_key[8 * i + 1]; e_key[8 * i + 9] = t;    \
 262     t ^= e_key[8 * i + 2]; e_key[8 * i + 10] = t;   \
 263     t ^= e_key[8 * i + 3]; e_key[8 * i + 11] = t;   \
 264     t  = e_key[8 * i + 4] ^ ls_box(t);              \
 265     e_key[8 * i + 12] = t;                          \
 266     t ^= e_key[8 * i + 5]; e_key[8 * i + 13] = t;   \
 267     t ^= e_key[8 * i + 6]; e_key[8 * i + 14] = t;   \
 268     t ^= e_key[8 * i + 7]; e_key[8 * i + 15] = t;   \
 269 }
 270
 271 rijndael_ctx *
 272 rijndael_set_key(rijndael_ctx *ctx, const u4byte *in_key, const u4byte key_len,
 273                  int encrypt)
 274 {
 275         u4byte  i, t, u, v, w;
 276         u4byte *e_key = ctx->e_key;
 277         u4byte *d_key = ctx->d_key;
 278
 279         ctx->decrypt = !encrypt;
 280
 281         if(!tab_gen)
 282                 gen_tabs();
 283
 284         ctx->k_len = (key_len + 31) / 32;
 285
 286         e_key[0] = io_swap(in_key[0]); e_key[1] = io_swap(in_key[1]);
 287         e_key[2] = io_swap(in_key[2]); e_key[3] = io_swap(in_key[3]);
 288
 289         switch(ctx->k_len) {
 290         case 4: t = e_key[3];
 291                 for(i = 0; i < 10; ++i)
 292                         loop4(i);
 293                 break;
 294
 295         case 6: e_key[4] = io_swap(in_key[4]); t = e_key[5] = io_swap(in_key[5]);
 296                 for(i = 0; i < 8; ++i)
 297                         loop6(i);
 298                 break;
 299
 300         case 8: e_key[4] = io_swap(in_key[4]); e_key[5] = io_swap(in_key[5]);
 301                 e_key[6] = io_swap(in_key[6]); t = e_key[7] = io_swap(in_key[7]);
 302                 for(i = 0; i < 7; ++i)
 303                         loop8(i);
 304                 break;
 305         }
 306
 307         if (!encrypt) {
 308                 d_key[0] = e_key[0]; d_key[1] = e_key[1];
 309                 d_key[2] = e_key[2]; d_key[3] = e_key[3];
 310
 311                 for(i = 4; i < 4 * ctx->k_len + 24; ++i) {
 312                         imix_col(d_key[i], e_key[i]);
 313                 }
 314         }
 315
 316         return ctx;
 317 }
 318
 319 /* encrypt a block of text  */
 320
 321 #define f_nround(bo, bi, k) \
 322     f_rn(bo, bi, 0, k);     \
 323     f_rn(bo, bi, 1, k);     \
 324     f_rn(bo, bi, 2, k);     \
 325     f_rn(bo, bi, 3, k);     \
 326     k += 4
 327
 328 #define f_lround(bo, bi, k) \
 329     f_rl(bo, bi, 0, k);     \
 330     f_rl(bo, bi, 1, k);     \
 331     f_rl(bo, bi, 2, k);     \
 332     f_rl(bo, bi, 3, k)
 333
 334 void
 335 rijndael_encrypt(rijndael_ctx *ctx, const u4byte *in_blk, u4byte *out_blk)
 336 {
 337         u4byte k_len = ctx->k_len;
 338         u4byte *e_key = ctx->e_key;
 339         u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 340
 341         b0[0] = io_swap(in_blk[0]) ^ e_key[0];
 342         b0[1] = io_swap(in_blk[1]) ^ e_key[1];
 343         b0[2] = io_swap(in_blk[2]) ^ e_key[2];
 344         b0[3] = io_swap(in_blk[3]) ^ e_key[3];
 345
 346         kp = e_key + 4;
 347
 348         if(k_len > 6) {
 349                 f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 350         }
 351
 352         if(k_len > 4) {
 353                 f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 354         }
 355
 356         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 357         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 358         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 359         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 360         f_nround(b1, b0, kp); f_lround(b0, b1, kp);
 361
 362         out_blk[0] = io_swap(b0[0]); out_blk[1] = io_swap(b0[1]);
 363         out_blk[2] = io_swap(b0[2]); out_blk[3] = io_swap(b0[3]);
 364 }
 365
 366 /* decrypt a block of text  */
 367
 368 #define i_nround(bo, bi, k) \
 369     i_rn(bo, bi, 0, k);     \
 370     i_rn(bo, bi, 1, k);     \
 371     i_rn(bo, bi, 2, k);     \
 372     i_rn(bo, bi, 3, k);     \
 373     k -= 4
 374
 375 #define i_lround(bo, bi, k) \
 376     i_rl(bo, bi, 0, k);     \
 377     i_rl(bo, bi, 1, k);     \
 378     i_rl(bo, bi, 2, k);     \
 379     i_rl(bo, bi, 3, k)
 380
 381 void
 382 rijndael_decrypt(rijndael_ctx *ctx, const u4byte *in_blk, u4byte *out_blk)
 383 {
 384         u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 385         u4byte k_len = ctx->k_len;
 386         u4byte *e_key = ctx->e_key;
 387         u4byte *d_key = ctx->d_key;
 388
 389         b0[0] = io_swap(in_blk[0]) ^ e_key[4 * k_len + 24];
 390         b0[1] = io_swap(in_blk[1]) ^ e_key[4 * k_len + 25];
 391         b0[2] = io_swap(in_blk[2]) ^ e_key[4 * k_len + 26];
 392         b0[3] = io_swap(in_blk[3]) ^ e_key[4 * k_len + 27];
 393
 394         kp = d_key + 4 * (k_len + 5);
 395
 396         if(k_len > 6) {
 397                 i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 398         }
 399
 400         if(k_len > 4) {
 401                 i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 402         }
 403
 404         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 405         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 406         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 407         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 408         i_nround(b1, b0, kp); i_lround(b0, b1, kp);
 409
 410         out_blk[0] = io_swap(b0[0]); out_blk[1] = io_swap(b0[1]);
 411         out_blk[2] = io_swap(b0[2]); out_blk[3] = io_swap(b0[3]);
 412 }