bmw_small.c

   1 /* bmw_small.c */
   2 /*
   3     This file is part of the AVR-Crypto-Lib.
   4     Copyright (C) 2009  Daniel Otte (daniel.otte@rub.de)
   5
   6     This program is free software: you can redistribute it and/or modify
   7     it under the terms of the GNU General Public License as published by
   8     the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
   9     (at your option) any later version.
  10
  11     This program is distributed in the hope that it will be useful,
  12     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14     GNU General Public License for more details.
  15
  16     You should have received a copy of the GNU General Public License
  17     along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  18 */
  19 /*
  20  * \file    bmw_small.c
  21  * \author  Daniel Otte
  22  * \email   daniel.otte@rub.de
  23  * \date    2009-04-27
  24  * \license GPLv3 or later
  25  *
  26  */
  27
  28 #include <stdint.h>
  29 #include <string.h>
  30 #include "bmw_small.h"
  31
  32 #define SHL32(a,n) ((a)<<(n))
  33 #define SHR32(a,n) ((a)>>(n))
  34 #define ROTL32(a,n) (((a)<<(n))|((a)>>(32-(n))))
  35 #define ROTR32(a,n) (((a)>>(n))|((a)<<(32-(n))))
  36
  37 #define BUG24 1
  38
  39 #define DEBUG 0
  40 #if DEBUG
  41  #include "cli.h"
  42
  43  void ctx_dump(const bmw_small_ctx_t* ctx){
  44         uint8_t i;
  45         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== ctx dump ===="));
  46         for(i=0; i<16;++i){
  47                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n h["));
  48                 cli_hexdump(&i, 1);
  49                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  50                 cli_hexdump_rev(&(ctx->h[i]), 4);
  51         }
  52         cli_putstr_P(PSTR("\r\n counter = "));
  53         cli_hexdump(&(ctx->counter), 4);
  54  }
  55
  56  void dump_x(const uint32_t* q, uint8_t elements, char x){
  57         uint8_t i;
  58         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== "));
  59         cli_putc(x);
  60         cli_putstr_P(PSTR(" dump ===="));
  61         for(i=0; i<elements;++i){
  62                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n "));
  63                 cli_putc(x);
  64                 cli_putstr_P(PSTR("["));
  65                 cli_hexdump(&i, 1);
  66                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  67                 cli_hexdump_rev(&(q[i]), 4);
  68         }
  69  }
  70 #else
  71  #define ctx_dump(x)
  72  #define dump_x(a,b,c)
  73 #endif
  74
  75 uint32_t bmw_small_s0(uint32_t x){
  76         uint32_t r;
  77         r =   SHR32(x, 1)
  78                 ^ SHL32(x, 3)
  79                 ^ ROTL32(x, 4)
  80                 ^ ROTR32(x, 13);
  81         return r;
  82 }
  83
  84 uint32_t bmw_small_s1(uint32_t x){
  85         uint32_t r;
  86         r =   SHR32(x, 1)
  87                 ^ SHL32(x, 2)
  88                 ^ ROTL32(x, 8)
  89                 ^ ROTR32(x, 9);
  90         return r;
  91 }
  92
  93 uint32_t bmw_small_s2(uint32_t x){
  94         uint32_t r;
  95         r =   SHR32(x, 2)
  96                 ^ SHL32(x, 1)
  97                 ^ ROTL32(x, 12)
  98                 ^ ROTR32(x, 7);
  99         return r;
 100 }
 101
 102 uint32_t bmw_small_s3(uint32_t x){
 103         uint32_t r;
 104         r =   SHR32(x, 2)
 105                 ^ SHL32(x, 2)
 106                 ^ ROTL32(x, 15)
 107                 ^ ROTR32(x, 3);
 108         return r;
 109 }
 110
 111 uint32_t bmw_small_s4(uint32_t x){
 112         uint32_t r;
 113         r =   SHR32(x, 1)
 114                 ^ x;
 115         return r;
 116 }
 117
 118 uint32_t bmw_small_s5(uint32_t x){
 119         uint32_t r;
 120         r =   SHR32(x, 2)
 121                 ^ x;
 122         return r;
 123 }
 124
 125 uint32_t bmw_small_r1(uint32_t x){
 126         uint32_t r;
 127         r =   ROTL32(x, 3);
 128         return r;
 129 }
 130
 131 uint32_t bmw_small_r2(uint32_t x){
 132         uint32_t r;
 133         r =   ROTL32(x, 7);
 134         return r;
 135 }
 136
 137 uint32_t bmw_small_r3(uint32_t x){
 138         uint32_t r;
 139         r =   ROTL32(x, 13);
 140         return r;
 141 }
 142
 143 uint32_t bmw_small_r4(uint32_t x){
 144         uint32_t r;
 145         r =   ROTL32(x, 16);
 146         return r;
 147 }
 148
 149 uint32_t bmw_small_r5(uint32_t x){
 150         uint32_t r;
 151         r =   ROTR32(x, 13);
 152         return r;
 153 }
 154
 155 uint32_t bmw_small_r6(uint32_t x){
 156         uint32_t r;
 157         r =   ROTR32(x, 9);
 158         return r;
 159 }
 160
 161 uint32_t bmw_small_r7(uint32_t x){
 162         uint32_t r;
 163         r =   ROTR32(x, 5);
 164         return r;
 165 }
 166
 167 uint32_t bmw_small_expand1(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m){
 168         uint32_t(*s[])(uint32_t) = {bmw_small_s1, bmw_small_s2, bmw_small_s3, bmw_small_s0};
 169         uint32_t r;
 170         uint8_t i;
 171         r = 0x05555555*(j+16);
 172         for(i=0; i<16; ++i){
 173                 r += s[i%4](q[j+i]);
 174         }
 175         r += ((uint32_t*)m)[j];
 176         r += ((uint32_t*)m)[j+3];
 177         r -= ((uint32_t*)m)[j+10];
 178         return r;
 179 }
 180
 181 uint32_t bmw_small_expand2(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m){
 182         uint32_t(*rf[])(uint32_t) = {bmw_small_r1, bmw_small_r2, bmw_small_r3,
 183                                      bmw_small_r4, bmw_small_r5, bmw_small_r6,
 184                                                              bmw_small_r7};
 185         uint32_t r;
 186         uint8_t i;
 187         r = 0x05555555*(j+16);
 188         for(i=0; i<14; i+=2){
 189                 r += q[j+i];
 190         }
 191         for(i=0; i<14; i+=2){
 192                 r += rf[i/2](q[j+i+1]);
 193         }
 194         r += bmw_small_s5(q[j+14]);
 195         r += bmw_small_s4(q[j+15]);
 196         r += ((uint32_t*)m)[j];
 197         r += ((uint32_t*)m)[(j+3)%16];
 198         r -= ((uint32_t*)m)[(j+10)%16];
 199         return r;
 200 }
 201
 202 void bmw_small_f0(uint32_t* q, const uint32_t* h, const void* m){
 203         uint32_t t[16];
 204         uint8_t i;
 205         uint32_t(*s[])(uint32_t)={ bmw_small_s0, bmw_small_s1, bmw_small_s2,
 206                                    bmw_small_s3, bmw_small_s4 };
 207         for(i=0; i<16; ++i){
 208                 t[i] = h[i] ^ ((uint32_t*)m)[i];
 209         }
 210         dump_x(t, 16, 'T');
 211         q[ 0] = (t[ 5] - t[ 7] + t[10] + t[13] + t[14]);
 212         q[ 1] = (t[ 6] - t[ 8] + t[11] + t[14] - t[15]);
 213         q[ 2] = (t[ 0] + t[ 7] + t[ 9] - t[12] + t[15]);
 214         q[ 3] = (t[ 0] - t[ 1] + t[ 8] - t[10] + t[13]);
 215         q[ 4] = (t[ 1] + t[ 2] + t[ 9] - t[11] - t[14]);
 216         q[ 5] = (t[ 3] - t[ 2] + t[10] - t[12] + t[15]);
 217         q[ 6] = (t[ 4] - t[ 0] - t[ 3] - t[11] + t[13]);
 218         q[ 7] = (t[ 1] - t[ 4] - t[ 5] - t[12] - t[14]);
 219         q[ 8] = (t[ 2] - t[ 5] - t[ 6] + t[13] - t[15]);
 220         q[ 9] = (t[ 0] - t[ 3] + t[ 6] - t[ 7] + t[14]);
 221         q[10] = (t[ 8] - t[ 1] - t[ 4] - t[ 7] + t[15]);
 222         q[11] = (t[ 8] - t[ 0] - t[ 2] - t[ 5] + t[ 9]);
 223         q[12] = (t[ 1] + t[ 3] - t[ 6] - t[ 9] + t[10]);
 224         q[13] = (t[ 2] + t[ 4] + t[ 7] + t[10] + t[11]);
 225         q[14] = (t[ 3] - t[ 5] + t[ 8] - t[11] - t[12]);
 226         q[15] = (t[12] - t[ 4] - t[ 6] - t[ 9] + t[13]);
 227         dump_x(q, 16, 'W');
 228         for(i=0; i<16; ++i){
 229                 q[i] = s[i%5](q[i]);
 230         }
 231 }
 232
 233 void bmw_small_f1(uint32_t* q, const void* m){
 234         uint8_t i;
 235         q[16] = bmw_small_expand1(0, q, m);
 236         q[17] = bmw_small_expand1(1, q, m);
 237         for(i=2; i<16; ++i){
 238                 q[16+i] = bmw_small_expand2(i, q, m);
 239         }
 240 }
 241
 242 void bmw_small_f2(uint32_t* h, const uint32_t* q, const void* m){
 243         uint32_t xl=0, xh;
 244         uint8_t i;
 245         for(i=16;i<24;++i){
 246                 xl ^= q[i];
 247         }
 248         xh = xl;
 249         for(i=24;i<32;++i){
 250                 xh ^= q[i];
 251         }
 252 #if DEBUG
 253         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XL = "));
 254         cli_hexdump_rev(&xl, 4);
 255         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XH = "));
 256         cli_hexdump_rev(&xh, 4);
 257 #endif
 258         memcpy(h, m, 16*4);
 259         h[0] ^= SHL32(xh, 5) ^ SHR32(q[16], 5);
 260         h[1] ^= SHR32(xh, 7) ^ SHL32(q[17], 8);
 261         h[2] ^= SHR32(xh, 5) ^ SHL32(q[18], 5);
 262         h[3] ^= SHR32(xh, 1) ^ SHL32(q[19], 5);
 263         h[4] ^= SHR32(xh, 3) ^ q[20];
 264         h[5] ^= SHL32(xh, 6) ^ SHR32(q[21], 6);
 265         h[6] ^= SHR32(xh, 4) ^ SHL32(q[22], 6);
 266         h[7] ^= SHR32(xh,11) ^ SHL32(q[23], 2);
 267         for(i=0; i<8; ++i){
 268                 h[i] += xl ^ q[24+i] ^ q[i];
 269         }
 270         for(i=0; i<8; ++i){
 271                 h[8+i] ^= xh ^ q[24+i];
 272                 h[8+i] += ROTL32(h[(4+i)%8],i+9);
 273         }
 274         h[ 8] += SHL32(xl, 8) ^ q[23] ^ q[ 8];
 275         h[ 9] += SHR32(xl, 6) ^ q[16] ^ q[ 9];
 276         h[10] += SHL32(xl, 6) ^ q[17] ^ q[10];
 277         h[11] += SHL32(xl, 4) ^ q[18] ^ q[11];
 278         h[12] += SHR32(xl, 3) ^ q[19] ^ q[12];
 279         h[13] += SHR32(xl, 4) ^ q[20] ^ q[13];
 280         h[14] += SHR32(xl, 7) ^ q[21] ^ q[14];
 281         h[15] += SHR32(xl, 2) ^ q[22] ^ q[15];
 282 }
 283
 284 void bmw_small_nextBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block){
 285         uint32_t q[32];
 286         dump_x(block, 16, 'M');
 287         bmw_small_f0(q, ctx->h, block);
 288         dump_x(q, 16, 'Q');
 289         bmw_small_f1(q, block);
 290         dump_x(q, 32, 'Q');
 291         bmw_small_f2(ctx->h, q, block);
 292         ctx->counter += 1;
 293         ctx_dump(ctx);
 294 }
 295
 296 void bmw_small_lastBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 297         uint8_t buffer[64];
 298         while(length_b >= BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 299                 bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 300                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 301                 block = (uint8_t*)block + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 302         }
 303         memset(buffer, 0, 64);
 304         memcpy(buffer, block, (length_b+7)/8);
 305         buffer[length_b>>3] |= 0x80 >> (length_b&0x07);
 306         if(length_b+1>64*8-64){
 307                 bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 308                 memset(buffer, 0, 64-8);
 309                 ctx->counter -= 1;
 310         }
 311         *((uint64_t*)&(buffer[64-8])) = (uint64_t)(ctx->counter*512LL)+(uint64_t)length_b;
 312         bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 313 }
 314
 315 void bmw224_init(bmw224_ctx_t* ctx){
 316         uint8_t i;
 317         ctx->h[0] = 0x00010203;
 318         for(i=1; i<16; ++i){
 319                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 320         }
 321 #if BUG24
 322         ctx->h[13] = 0x24353637;
 323 #endif
 324         ctx->counter=0;
 325         ctx_dump(ctx);
 326 }
 327
 328 void bmw256_init(bmw256_ctx_t* ctx){
 329         uint8_t i;
 330         ctx->h[0] = 0x40414243;
 331         for(i=1; i<16; ++i){
 332                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 333         }
 334         ctx->counter=0;
 335         ctx_dump(ctx);
 336 }
 337
 338 void bmw224_nextBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block){
 339         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 340 }
 341
 342 void bmw256_nextBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block){
 343         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 344 }
 345
 346 void bmw224_lastBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 347         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 348 }
 349
 350 void bmw256_lastBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 351         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 352 }
 353
 354 void bmw224_ctx2hash(void* dest, const bmw224_ctx_t* ctx){
 355         memcpy(dest, &(ctx->h[9]), 224/8);
 356 }
 357
 358 void bmw256_ctx2hash(void* dest, const bmw256_ctx_t* ctx){
 359         memcpy(dest, &(ctx->h[8]), 256/8);
 360 }
 361
 362 void bmw224(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 363         bmw_small_ctx_t ctx;
 364         bmw224_init(&ctx);
 365         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 366                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 367                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 368                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 369         }
 370         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 371         bmw224_ctx2hash(dest, &ctx);
 372 }
 373
 374 void bmw256(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 375         bmw_small_ctx_t ctx;
 376         bmw256_init(&ctx);
 377         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 378                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 379                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 380                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 381         }
 382         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 383         bmw256_ctx2hash(dest, &ctx);
 384 }
 385