rijndael.c

   1 /*      $OpenBSD: rijndael.c,v 1.1 2000/10/13 18:59:14 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 BLOCK_SWAP
  63 #endif
  64
  65 /* For inverting byte order in input/output 32 bit words if needed  */
  66
  67 #ifdef  BLOCK_SWAP
  68 #define BYTE_SWAP
  69 #define WORD_SWAP
  70 #endif
  71
  72 #ifdef  BYTE_SWAP
  73 #define io_swap(x)  bswap(x)
  74 #else
  75 #define io_swap(x)  (x)
  76 #endif
  77
  78 /* For inverting the byte order of input/output blocks if needed    */
  79
  80 #ifdef  WORD_SWAP
  81
  82 #define get_block(x)                            \
  83     ((u4byte*)(x))[0] = io_swap(in_blk[3]);     \
  84     ((u4byte*)(x))[1] = io_swap(in_blk[2]);     \
  85     ((u4byte*)(x))[2] = io_swap(in_blk[1]);     \
  86     ((u4byte*)(x))[3] = io_swap(in_blk[0])
  87
  88 #define put_block(x)                            \
  89     out_blk[3] = io_swap(((u4byte*)(x))[0]);    \
  90     out_blk[2] = io_swap(((u4byte*)(x))[1]);    \
  91     out_blk[1] = io_swap(((u4byte*)(x))[2]);    \
  92     out_blk[0] = io_swap(((u4byte*)(x))[3])
  93
  94 #define get_key(x,len)                          \
  95     ((u4byte*)(x))[4] = ((u4byte*)(x))[5] =     \
  96     ((u4byte*)(x))[6] = ((u4byte*)(x))[7] = 0;  \
  97     switch((((len) + 63) / 64)) {               \
  98     case 2:                                     \
  99     ((u4byte*)(x))[0] = io_swap(in_key[3]);     \
 100     ((u4byte*)(x))[1] = io_swap(in_key[2]);     \
 101     ((u4byte*)(x))[2] = io_swap(in_key[1]);     \
 102     ((u4byte*)(x))[3] = io_swap(in_key[0]);     \
 103     break;                                      \
 104     case 3:                                     \
 105     ((u4byte*)(x))[0] = io_swap(in_key[5]);     \
 106     ((u4byte*)(x))[1] = io_swap(in_key[4]);     \
 107     ((u4byte*)(x))[2] = io_swap(in_key[3]);     \
 108     ((u4byte*)(x))[3] = io_swap(in_key[2]);     \
 109     ((u4byte*)(x))[4] = io_swap(in_key[1]);     \
 110     ((u4byte*)(x))[5] = io_swap(in_key[0]);     \
 111     break;                                      \
 112     case 4:                                     \
 113     ((u4byte*)(x))[0] = io_swap(in_key[7]);     \
 114     ((u4byte*)(x))[1] = io_swap(in_key[6]);     \
 115     ((u4byte*)(x))[2] = io_swap(in_key[5]);     \
 116     ((u4byte*)(x))[3] = io_swap(in_key[4]);     \
 117     ((u4byte*)(x))[4] = io_swap(in_key[3]);     \
 118     ((u4byte*)(x))[5] = io_swap(in_key[2]);     \
 119     ((u4byte*)(x))[6] = io_swap(in_key[1]);     \
 120     ((u4byte*)(x))[7] = io_swap(in_key[0]);     \
 121     }
 122
 123 #else
 124
 125 #define get_block(x)                            \
 126     ((u4byte*)(x))[0] = io_swap(in_blk[0]);     \
 127     ((u4byte*)(x))[1] = io_swap(in_blk[1]);     \
 128     ((u4byte*)(x))[2] = io_swap(in_blk[2]);     \
 129     ((u4byte*)(x))[3] = io_swap(in_blk[3])
 130
 131 #define put_block(x)                            \
 132     out_blk[0] = io_swap(((u4byte*)(x))[0]);    \
 133     out_blk[1] = io_swap(((u4byte*)(x))[1]);    \
 134     out_blk[2] = io_swap(((u4byte*)(x))[2]);    \
 135     out_blk[3] = io_swap(((u4byte*)(x))[3])
 136
 137 #define get_key(x,len)                          \
 138     ((u4byte*)(x))[4] = ((u4byte*)(x))[5] =     \
 139     ((u4byte*)(x))[6] = ((u4byte*)(x))[7] = 0;  \
 140     switch((((len) + 63) / 64)) {               \
 141     case 4:                                     \
 142     ((u4byte*)(x))[6] = io_swap(in_key[6]);     \
 143     ((u4byte*)(x))[7] = io_swap(in_key[7]);     \
 144     case 3:                                     \
 145     ((u4byte*)(x))[4] = io_swap(in_key[4]);     \
 146     ((u4byte*)(x))[5] = io_swap(in_key[5]);     \
 147     case 2:                                     \
 148     ((u4byte*)(x))[0] = io_swap(in_key[0]);     \
 149     ((u4byte*)(x))[1] = io_swap(in_key[1]);     \
 150     ((u4byte*)(x))[2] = io_swap(in_key[2]);     \
 151     ((u4byte*)(x))[3] = io_swap(in_key[3]);     \
 152     }
 153
 154 #endif
 155
 156 #define LARGE_TABLES
 157
 158 u1byte  pow_tab[256];
 159 u1byte  log_tab[256];
 160 u1byte  sbx_tab[256];
 161 u1byte  isb_tab[256];
 162 u4byte  rco_tab[ 10];
 163 u4byte  ft_tab[4][256];
 164 u4byte  it_tab[4][256];
 165
 166 #ifdef  LARGE_TABLES
 167   u4byte  fl_tab[4][256];
 168   u4byte  il_tab[4][256];
 169 #endif
 170
 171 u4byte  tab_gen = 0;
 172
 173 #define ff_mult(a,b)    (a && b ? pow_tab[(log_tab[a] + log_tab[b]) % 255] : 0)
 174
 175 #define f_rn(bo, bi, n, k)                          \
 176     bo[n] =  ft_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 177              ft_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
 178              ft_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 179              ft_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
 180
 181 #define i_rn(bo, bi, n, k)                          \
 182     bo[n] =  it_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 183              it_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
 184              it_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 185              it_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 186
 187 #ifdef LARGE_TABLES
 188
 189 #define ls_box(x)                \
 190     ( fl_tab[0][byte(x, 0)] ^    \
 191       fl_tab[1][byte(x, 1)] ^    \
 192       fl_tab[2][byte(x, 2)] ^    \
 193       fl_tab[3][byte(x, 3)] )
 194
 195 #define f_rl(bo, bi, n, k)                          \
 196     bo[n] =  fl_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 197              fl_tab[1][byte(bi[(n + 1) & 3],1)] ^   \
 198              fl_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 199              fl_tab[3][byte(bi[(n + 3) & 3],3)] ^ *(k + n)
 200
 201 #define i_rl(bo, bi, n, k)                          \
 202     bo[n] =  il_tab[0][byte(bi[n],0)] ^             \
 203              il_tab[1][byte(bi[(n + 3) & 3],1)] ^   \
 204              il_tab[2][byte(bi[(n + 2) & 3],2)] ^   \
 205              il_tab[3][byte(bi[(n + 1) & 3],3)] ^ *(k + n)
 206
 207 #else
 208
 209 #define ls_box(x)                            \
 210     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 0)] <<  0) ^    \
 211     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 1)] <<  8) ^    \
 212     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 2)] << 16) ^    \
 213     ((u4byte)sbx_tab[byte(x, 3)] << 24)
 214
 215 #define f_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 216     bo[n] = (u4byte)sbx_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 217         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],1)]),  8) ^  \
 218         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 219         rotl(((u4byte)sbx_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 220
 221 #define i_rl(bo, bi, n, k)                                      \
 222     bo[n] = (u4byte)isb_tab[byte(bi[n],0)] ^                    \
 223         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 3) & 3],1)]),  8) ^  \
 224         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 2) & 3],2)]), 16) ^  \
 225         rotl(((u4byte)isb_tab[byte(bi[(n + 1) & 3],3)]), 24) ^ *(k + n)
 226
 227 #endif
 228
 229 void
 230 gen_tabs(void)
 231 {
 232         u4byte  i, t;
 233         u1byte  p, q;
 234
 235         /* log and power tables for GF(2**8) finite field with  */
 236         /* 0x11b as modular polynomial - the simplest prmitive  */
 237         /* root is 0x11, used here to generate the tables       */
 238
 239         for(i = 0,p = 1; i < 256; ++i) {
 240                 pow_tab[i] = (u1byte)p; log_tab[p] = (u1byte)i;
 241
 242                 p = p ^ (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x01b : 0);
 243         }
 244
 245         log_tab[1] = 0; p = 1;
 246
 247         for(i = 0; i < 10; ++i) {
 248                 rco_tab[i] = p;
 249
 250                 p = (p << 1) ^ (p & 0x80 ? 0x1b : 0);
 251         }
 252
 253         /* note that the affine byte transformation matrix in   */
 254         /* rijndael specification is in big endian format with  */
 255         /* bit 0 as the most significant bit. In the remainder  */
 256         /* of the specification the bits are numbered from the  */
 257         /* least significant end of a byte.                     */
 258
 259         for(i = 0; i < 256; ++i) {
 260                 p = (i ? pow_tab[255 - log_tab[i]] : 0); q = p;
 261                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 262                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 263                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q;
 264                 q = (q >> 7) | (q << 1); p ^= q ^ 0x63;
 265                 sbx_tab[i] = (u1byte)p; isb_tab[p] = (u1byte)i;
 266         }
 267
 268         for(i = 0; i < 256; ++i) {
 269                 p = sbx_tab[i];
 270
 271 #ifdef  LARGE_TABLES
 272
 273                 t = p; fl_tab[0][i] = t;
 274                 fl_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 275                 fl_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 276                 fl_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 277 #endif
 278                 t = ((u4byte)ff_mult(2, p)) |
 279                         ((u4byte)p <<  8) |
 280                         ((u4byte)p << 16) |
 281                         ((u4byte)ff_mult(3, p) << 24);
 282
 283                 ft_tab[0][i] = t;
 284                 ft_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 285                 ft_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 286                 ft_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 287
 288                 p = isb_tab[i];
 289
 290 #ifdef  LARGE_TABLES
 291
 292                 t = p; il_tab[0][i] = t;
 293                 il_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 294                 il_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 295                 il_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 296 #endif
 297                 t = ((u4byte)ff_mult(14, p)) |
 298                         ((u4byte)ff_mult( 9, p) <<  8) |
 299                         ((u4byte)ff_mult(13, p) << 16) |
 300                         ((u4byte)ff_mult(11, p) << 24);
 301
 302                 it_tab[0][i] = t;
 303                 it_tab[1][i] = rotl(t,  8);
 304                 it_tab[2][i] = rotl(t, 16);
 305                 it_tab[3][i] = rotl(t, 24);
 306         }
 307
 308         tab_gen = 1;
 309 };
 310
 311 #define star_x(x) (((x) & 0x7f7f7f7f) << 1) ^ ((((x) & 0x80808080) >> 7) * 0x1b)
 312
 313 #define imix_col(y,x)       \
 314     u   = star_x(x);        \
 315     v   = star_x(u);        \
 316     w   = star_x(v);        \
 317     t   = w ^ (x);          \
 318    (y)  = u ^ v ^ w;        \
 319    (y) ^= rotr(u ^ t,  8) ^ \
 320           rotr(v ^ t, 16) ^ \
 321           rotr(t,24)
 322
 323 /* initialise the key schedule from the user supplied key   */
 324
 325 #define loop4(i)                                    \
 326 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 327     t ^= e_key[4 * i];     e_key[4 * i + 4] = t;    \
 328     t ^= e_key[4 * i + 1]; e_key[4 * i + 5] = t;    \
 329     t ^= e_key[4 * i + 2]; e_key[4 * i + 6] = t;    \
 330     t ^= e_key[4 * i + 3]; e_key[4 * i + 7] = t;    \
 331 }
 332
 333 #define loop6(i)                                    \
 334 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 335     t ^= e_key[6 * i];     e_key[6 * i + 6] = t;    \
 336     t ^= e_key[6 * i + 1]; e_key[6 * i + 7] = t;    \
 337     t ^= e_key[6 * i + 2]; e_key[6 * i + 8] = t;    \
 338     t ^= e_key[6 * i + 3]; e_key[6 * i + 9] = t;    \
 339     t ^= e_key[6 * i + 4]; e_key[6 * i + 10] = t;   \
 340     t ^= e_key[6 * i + 5]; e_key[6 * i + 11] = t;   \
 341 }
 342
 343 #define loop8(i)                                    \
 344 {   t = ls_box(rotr(t,  8)) ^ rco_tab[i];           \
 345     t ^= e_key[8 * i];     e_key[8 * i + 8] = t;    \
 346     t ^= e_key[8 * i + 1]; e_key[8 * i + 9] = t;    \
 347     t ^= e_key[8 * i + 2]; e_key[8 * i + 10] = t;   \
 348     t ^= e_key[8 * i + 3]; e_key[8 * i + 11] = t;   \
 349     t  = e_key[8 * i + 4] ^ ls_box(t);              \
 350     e_key[8 * i + 12] = t;                          \
 351     t ^= e_key[8 * i + 5]; e_key[8 * i + 13] = t;   \
 352     t ^= e_key[8 * i + 6]; e_key[8 * i + 14] = t;   \
 353     t ^= e_key[8 * i + 7]; e_key[8 * i + 15] = t;   \
 354 }
 355
 356 rijndael_ctx *
 357 rijndael_set_key(rijndael_ctx *ctx, const u4byte *in_key, const u4byte key_len,
 358                  int encrypt)
 359 {
 360         u4byte  i, t, u, v, w;
 361         u4byte *e_key = ctx->e_key;
 362         u4byte *d_key = ctx->d_key;
 363
 364         ctx->decrypt = !encrypt;
 365
 366         if(!tab_gen)
 367                 gen_tabs();
 368
 369         ctx->k_len = (key_len + 31) / 32;
 370
 371         e_key[0] = in_key[0]; e_key[1] = in_key[1];
 372         e_key[2] = in_key[2]; e_key[3] = in_key[3];
 373
 374         switch(ctx->k_len) {
 375         case 4: t = e_key[3];
 376                 for(i = 0; i < 10; ++i)
 377                         loop4(i);
 378                 break;
 379
 380         case 6: e_key[4] = in_key[4]; t = e_key[5] = in_key[5];
 381                 for(i = 0; i < 8; ++i)
 382                         loop6(i);
 383                 break;
 384
 385         case 8: e_key[4] = in_key[4]; e_key[5] = in_key[5];
 386                 e_key[6] = in_key[6]; t = e_key[7] = in_key[7];
 387                 for(i = 0; i < 7; ++i)
 388                         loop8(i);
 389                 break;
 390         }
 391
 392         if (!encrypt) {
 393                 d_key[0] = e_key[0]; d_key[1] = e_key[1];
 394                 d_key[2] = e_key[2]; d_key[3] = e_key[3];
 395
 396                 for(i = 4; i < 4 * ctx->k_len + 24; ++i) {
 397                         imix_col(d_key[i], e_key[i]);
 398                 }
 399         }
 400
 401         return ctx;
 402 };
 403
 404 /* encrypt a block of text  */
 405
 406 #define f_nround(bo, bi, k) \
 407     f_rn(bo, bi, 0, k);     \
 408     f_rn(bo, bi, 1, k);     \
 409     f_rn(bo, bi, 2, k);     \
 410     f_rn(bo, bi, 3, k);     \
 411     k += 4
 412
 413 #define f_lround(bo, bi, k) \
 414     f_rl(bo, bi, 0, k);     \
 415     f_rl(bo, bi, 1, k);     \
 416     f_rl(bo, bi, 2, k);     \
 417     f_rl(bo, bi, 3, k)
 418
 419 void
 420 rijndael_encrypt(rijndael_ctx *ctx, const u4byte *in_blk, u4byte *out_blk)
 421 {
 422         u4byte k_len = ctx->k_len;
 423         u4byte *e_key = ctx->e_key;
 424         u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 425
 426         b0[0] = in_blk[0] ^ e_key[0]; b0[1] = in_blk[1] ^ e_key[1];
 427         b0[2] = in_blk[2] ^ e_key[2]; b0[3] = in_blk[3] ^ e_key[3];
 428
 429         kp = e_key + 4;
 430
 431         if(k_len > 6) {
 432                 f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 433         }
 434
 435         if(k_len > 4) {
 436                 f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 437         }
 438
 439         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 440         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 441         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 442         f_nround(b1, b0, kp); f_nround(b0, b1, kp);
 443         f_nround(b1, b0, kp); f_lround(b0, b1, kp);
 444
 445         out_blk[0] = b0[0]; out_blk[1] = b0[1];
 446         out_blk[2] = b0[2]; out_blk[3] = b0[3];
 447 };
 448
 449 /* decrypt a block of text  */
 450
 451 #define i_nround(bo, bi, k) \
 452     i_rn(bo, bi, 0, k);     \
 453     i_rn(bo, bi, 1, k);     \
 454     i_rn(bo, bi, 2, k);     \
 455     i_rn(bo, bi, 3, k);     \
 456     k -= 4
 457
 458 #define i_lround(bo, bi, k) \
 459     i_rl(bo, bi, 0, k);     \
 460     i_rl(bo, bi, 1, k);     \
 461     i_rl(bo, bi, 2, k);     \
 462     i_rl(bo, bi, 3, k)
 463
 464 void
 465 rijndael_decrypt(rijndael_ctx *ctx, const u4byte *in_blk, u4byte *out_blk)
 466 {
 467         u4byte  b0[4], b1[4], *kp;
 468         u4byte k_len = ctx->k_len;
 469         u4byte *e_key = ctx->e_key;
 470         u4byte *d_key = ctx->d_key;
 471
 472         b0[0] = in_blk[0] ^ e_key[4 * k_len + 24]; b0[1] = in_blk[1] ^ e_key[4 * k_len + 25];
 473         b0[2] = in_blk[2] ^ e_key[4 * k_len + 26]; b0[3] = in_blk[3] ^ e_key[4 * k_len + 27];
 474
 475         kp = d_key + 4 * (k_len + 5);
 476
 477         if(k_len > 6) {
 478                 i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 479         }
 480
 481         if(k_len > 4) {
 482                 i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 483         }
 484
 485         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 486         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 487         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 488         i_nround(b1, b0, kp); i_nround(b0, b1, kp);
 489         i_nround(b1, b0, kp); i_lround(b0, b1, kp);
 490
 491         out_blk[0] = b0[0]; out_blk[1] = b0[1];
 492         out_blk[2] = b0[2]; out_blk[3] = b0[3];
 493 };