]> git.cryptolib.org Git - arm-crypto-lib.git/blob - bmw/bmw_large_speed.c
speed variant of bmw384/512
[arm-crypto-lib.git] / bmw / bmw_large_speed.c
1 /* bmw_large_speed.c */
2 /*
3     This file is part of the ARM-Crypto-Lib.
4     Copyright (C) 2006-2010  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_large.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_large.h"
31
32 #define SHL64(a,n)  ((a)<<(n))
33 #define SHR64(a,n)  ((a)>>(n))
34 #define ROTL64(a,n) (((a)<<(n))|((a)>>(64-(n))))
35 #define ROTR64(a,n) (((a)>>(n))|((a)<<(64-(n))))
36
37 #define TWEAK   1
38 #define BUG24   0
39 #define F0_HACK 0
40
41 #define DEBUG   0
42
43 #if DEBUG
44  #include "cli.h"
45
46  void ctx_dump(const bmw_large_ctx_t* ctx){
47         uint8_t i;
48         cli_putstr("\r\n==== ctx dump ====");
49         for(i=0; i<16;++i){
50                 cli_putstr("\r\n h[");
51                 cli_hexdump(&i, 1);
52                 cli_putstr("] = ");
53                 cli_hexdump_rev(&(ctx->h[i]), 8);
54         }
55         cli_putstr("\r\n counter = ");
56         cli_hexdump(&(ctx->counter), 4);
57  }
58
59  void dump_x(const uint64_t* q, uint8_t elements, char x){
60         uint8_t i;
61         cli_putstr("\r\n==== ");
62         cli_putc(x);
63         cli_putstr(" dump ====");
64         for(i=0; i<elements;++i){
65                 cli_putstr("\r\n ");
66                 cli_putc(x);
67                 cli_putstr("[");
68                 cli_hexdump(&i, 1);
69                 cli_putstr("] = ");
70                 cli_hexdump_rev(&(q[i]), 8);
71         }
72  }
73 #else
74  #define ctx_dump(x)
75  #define dump_x(a,b,c)
76 #endif
77
78 #define S64_0(x) ( (SHR64((x),   1)) ^ \
79                        (SHL64((x),   3)) ^ \
80                        (ROTL64((x),  4)) ^ \
81                        (ROTR64((x), 27)) )
82
83 #define S64_1(x) ( (SHR64((x),   1)) ^ \
84                        (SHL64((x),   2)) ^ \
85                        (ROTL64((x), 13)) ^ \
86                        (ROTR64((x), 21)) )
87
88 #define S64_2(x) ( (SHR64((x),   2)) ^ \
89                        (SHL64((x),   1)) ^ \
90                        (ROTL64((x), 19)) ^ \
91                        (ROTR64((x), 11)) )
92
93 #define S64_3(x) ( (SHR64((x),   2)) ^ \
94                        (SHL64((x),   2)) ^ \
95                        (ROTL64((x), 28)) ^ \
96                        (ROTR64((x),  5)) )
97
98 #define S64_4(x) ( (SHR64((x),   1)) ^ x)
99
100 #define S64_5(x) ( (SHR64((x),   2)) ^ x)
101
102 #define R64_1(x)    (ROTL64((x),  5))
103 #define R64_2(x)    (ROTL64((x), 11))
104 #define R64_3(x)    (ROTL64((x), 27))
105 #define R64_4(x)    (ROTL64((x), 32))
106 #define R64_5(x)    (ROTR64((x), 27))
107 #define R64_6(x)    (ROTR64((x), 21))
108 #define R64_7(x)    (ROTR64((x), 11))
109
110 /*
111 #define K    0x0555555555555555LL
112 #define MASK 0xFFFFFFFFFFFFFFFFLL
113 static
114 uint64_t k_lut[] PROGMEM = {
115         16LL*K, 17LL*K, 18LL*K, 19LL*K,
116         20LL*K, 21LL*K, 22LL*K, 23LL*K,
117         24LL*K, 25LL*K, 26LL*K, 27LL*K,
118         28LL*K, 29LL*K, 30LL*K, 31LL*K };
119 */
120 /* the same as above but precomputed to avoid compiler warnings */
121 static const
122 uint64_t k_lut[] = {
123         0x5555555555555550LL, 0x5aaaaaaaaaaaaaa5LL, 0x5ffffffffffffffaLL,
124         0x655555555555554fLL, 0x6aaaaaaaaaaaaaa4LL, 0x6ffffffffffffff9LL,
125         0x755555555555554eLL, 0x7aaaaaaaaaaaaaa3LL, 0x7ffffffffffffff8LL,
126         0x855555555555554dLL, 0x8aaaaaaaaaaaaaa2LL, 0x8ffffffffffffff7LL,
127         0x955555555555554cLL, 0x9aaaaaaaaaaaaaa1LL, 0x9ffffffffffffff6LL,
128         0xa55555555555554bLL };
129
130 static
131 uint64_t bmw_large_expand1(uint8_t j, const uint64_t* q, const void* m, const void* h){
132         uint64_t r;
133         /* r = 0x0555555555555555LL*(j+16); */
134         r  = (   ROTL64(((uint64_t*)m)[(j)&0xf],   ((j+ 0)&0xf)+1)
135                + ROTL64(((uint64_t*)m)[(j+3)&0xf], ((j+ 3)&0xf)+1)
136                + k_lut[j]
137                - ROTL64(((uint64_t*)m)[(j+10)&0xf],((j+10)&0xf)+1)
138              ) ^ ((uint64_t*)h)[(j+7)&0xf];
139         r += S64_1(q[j+ 0]) + S64_2(q[j+ 1]) + S64_3(q[j+ 2]) + S64_0(q[j+ 3]) +
140                  S64_1(q[j+ 4]) + S64_2(q[j+ 5]) + S64_3(q[j+ 6]) + S64_0(q[j+ 7]) +
141                  S64_1(q[j+ 8]) + S64_2(q[j+ 9]) + S64_3(q[j+10]) + S64_0(q[j+11]) +
142                  S64_1(q[j+12]) + S64_2(q[j+13]) + S64_3(q[j+14]) + S64_0(q[j+15]);
143
144         return r;
145 }
146
147 static
148 uint64_t bmw_large_expand2(uint8_t j, const uint64_t* q, const void* m, const void* h){
149         uint64_t r=0;
150         r  = (   ROTL64(((uint64_t*)m)[(j)&0xf],   ((j+ 0)&0xf)+1)
151                + ROTL64(((uint64_t*)m)[(j+3)&0xf], ((j+ 3)&0xf)+1)
152                + k_lut[j]
153                - ROTL64(((uint64_t*)m)[(j+10)&0xf],((j+10)&0xf)+1)
154              ) ^ ((uint64_t*)h)[(j+7)&0xf];
155         r += (q[j+ 0]) + R64_1(q[j+ 1]) + (q[j+ 2]) + R64_2(q[j+ 3]) +
156                  (q[j+ 4]) + R64_3(q[j+ 5]) + (q[j+ 6]) + R64_4(q[j+ 7]) +
157                  (q[j+ 8]) + R64_5(q[j+ 9]) + (q[j+10]) + R64_6(q[j+11]) +
158                  (q[j+12]) + R64_7(q[j+13]) + S64_4(q[j+14]) + S64_5(q[j+15]);
159
160         return r;
161 }
162
163 #if F0_HACK==2
164 /* to understand this implementation take a look at f0-opt-table.txt */
165 static uint16_t hack_table[5] = { 0x0311, 0xDDB3, 0x2A79, 0x07AA, 0x51C2 };
166 static uint8_t  offset_table[5]  = { 4+16, 6+16, 9+16, 12+16, 13+16 };
167
168
169 static
170 void bmw_large_f0(uint64_t* q, const uint64_t* h, const void* m){
171         uint16_t hack_reg;
172         uint8_t i,j,c;
173         uint64_t(*s[])(uint64_t)={ bmw_large_s0, bmw_large_s1, bmw_large_s2,
174                                    bmw_large_s3, bmw_large_s4 };
175         for(i=0; i<16; ++i){
176                 ((uint64_t*)h)[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
177         }
178         dump_x(h, 16, 'T');
179         memset(q, 0, 8*16);
180         c=4;
181         do{
182                 i=15;
183                 j = offset_table[c];
184                 hack_reg = hack_table[c];
185                 do{
186                         if(hack_reg&1){
187                                 q[i]-= h[j&15];
188                         }else{
189                                 q[i]+= h[j&15];
190                         }
191                         --j;
192                         hack_reg>>= 1;
193                 }while(i--!=0);
194         }while(c--!=0);
195         dump_x(q, 16, 'W');
196         for(i=0; i<16; ++i){
197                 q[i] = s[i%5](q[i]);
198         }
199 #if TWEAK
200         for(i=0; i<16; ++i){
201                 ((uint64_t*)h)[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
202         }
203         for(i=0; i<16; ++i){
204                 q[i] += h[(i+1)&0xf];
205         }
206 #endif /* TWEAK */
207 }
208 #endif /* F0_HACK==2 */
209
210 #if F0_HACK==1
211 static
212 uint8_t f0_lut[] PROGMEM ={
213          5<<1, ( 7<<1)+1, (10<<1)+0, (13<<1)+0, (14<<1)+0,
214          6<<1, ( 8<<1)+1, (11<<1)+0, (14<<1)+0, (15<<1)+1,
215          0<<1, ( 7<<1)+0, ( 9<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
216          0<<1, ( 1<<1)+1, ( 8<<1)+0, (10<<1)+1, (13<<1)+0,
217          1<<1, ( 2<<1)+0, ( 9<<1)+0, (11<<1)+1, (14<<1)+1,
218          3<<1, ( 2<<1)+1, (10<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
219          4<<1, ( 0<<1)+1, ( 3<<1)+1, (11<<1)+1, (13<<1)+0,
220          1<<1, ( 4<<1)+1, ( 5<<1)+1, (12<<1)+1, (14<<1)+1,
221          2<<1, ( 5<<1)+1, ( 6<<1)+1, (13<<1)+0, (15<<1)+1,
222          0<<1, ( 3<<1)+1, ( 6<<1)+0, ( 7<<1)+1, (14<<1)+0,
223          8<<1, ( 1<<1)+1, ( 4<<1)+1, ( 7<<1)+1, (15<<1)+0,
224          8<<1, ( 0<<1)+1, ( 2<<1)+1, ( 5<<1)+1, ( 9<<1)+0,
225          1<<1, ( 3<<1)+0, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (10<<1)+0,
226          2<<1, ( 4<<1)+0, ( 7<<1)+0, (10<<1)+0, (11<<1)+0,
227          3<<1, ( 5<<1)+1, ( 8<<1)+0, (11<<1)+1, (12<<1)+1,
228         12<<1, ( 4<<1)+1, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (13<<1)+0
229 };
230
231 static
232 void bmw_large_f0(uint64_t* q, const uint64_t* h, const void* m){
233         uint8_t i,j=-1,v,sign,l=0;
234         uint64_t(*s[])(uint64_t)={ bmw_large_s0, bmw_large_s1, bmw_large_s2,
235                                    bmw_large_s3, bmw_large_s4 };
236         for(i=0; i<16; ++i){
237                 ((uint64_t*)h)[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
238         }
239         dump_x(h, 16, 'T');
240 //      memset(q, 0, 4*16);
241         for(i=0; i<5*16; ++i){
242                 v = pgm_read_byte(f0_lut+i);
243                 sign = v&1;
244                 v >>=1;
245                 if(i==l){
246                         j++;
247                         l+=5;
248                         q[j] = h[v];
249                         continue;
250                 }
251                 if(sign){
252                         q[j] -= h[v];
253                 }else{
254                         q[j] += h[v];
255                 }
256         }
257         dump_x(q, 16, 'W');
258         for(i=0; i<16; ++i){
259                 q[i] = s[i%5](q[i]);
260         }
261 #if TWEAK
262         for(i=0; i<16; ++i){
263                 ((uint64_t*)h)[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
264         }
265         for(i=0; i<16; ++i){
266                 q[i] += h[(i+1)&0xf];
267         }
268 #endif /* TWEAK */
269 }
270 #endif /* F0_HACK==1 */
271
272 #if F0_HACK==0
273 static
274 void bmw_large_f0(uint64_t* q, const uint64_t* h, const void* m){
275         uint8_t i;
276         for(i=0; i<16; ++i){
277                 ((uint64_t*)h)[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
278         }
279 //      dump_x(t, 16, 'T');
280         q[ 0] = (h[ 5] - h[ 7] + h[10] + h[13] + h[14]);
281         q[ 1] = (h[ 6] - h[ 8] + h[11] + h[14] - h[15]);
282         q[ 2] = (h[ 0] + h[ 7] + h[ 9] - h[12] + h[15]);
283         q[ 3] = (h[ 0] - h[ 1] + h[ 8] - h[10] + h[13]);
284         q[ 4] = (h[ 1] + h[ 2] + h[ 9] - h[11] - h[14]);
285         q[ 5] = (h[ 3] - h[ 2] + h[10] - h[12] + h[15]);
286         q[ 6] = (h[ 4] - h[ 0] - h[ 3] - h[11] + h[13]);
287         q[ 7] = (h[ 1] - h[ 4] - h[ 5] - h[12] - h[14]);
288         q[ 8] = (h[ 2] - h[ 5] - h[ 6] + h[13] - h[15]);
289         q[ 9] = (h[ 0] - h[ 3] + h[ 6] - h[ 7] + h[14]);
290         q[10] = (h[ 8] - h[ 1] - h[ 4] - h[ 7] + h[15]);
291         q[11] = (h[ 8] - h[ 0] - h[ 2] - h[ 5] + h[ 9]);
292         q[12] = (h[ 1] + h[ 3] - h[ 6] - h[ 9] + h[10]);
293         q[13] = (h[ 2] + h[ 4] + h[ 7] + h[10] + h[11]);
294         q[14] = (h[ 3] - h[ 5] + h[ 8] - h[11] - h[12]);
295         q[15] = (h[12] - h[ 4] - h[ 6] - h[ 9] + h[13]);
296         dump_x(q, 16, 'W');
297         q[ 0] = S64_0(q[ 0]); q[ 1] = S64_1(q[ 1]); q[ 2] = S64_2(q[ 2]); q[ 3] = S64_3(q[ 3]); q[ 4] = S64_4(q[ 4]);
298         q[ 5] = S64_0(q[ 5]); q[ 6] = S64_1(q[ 6]); q[ 7] = S64_2(q[ 7]); q[ 8] = S64_3(q[ 8]); q[ 9] = S64_4(q[ 9]);
299         q[10] = S64_0(q[10]); q[11] = S64_1(q[11]); q[12] = S64_2(q[12]); q[13] = S64_3(q[13]); q[14] = S64_4(q[14]);
300         q[15] = S64_0(q[15]);
301
302         for(i=0; i<16; ++i){
303                 ((uint64_t*)h)[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
304         }
305         for(i=0; i<16; ++i){
306                 q[i] += h[(i+1)&0xf];
307         }
308 }
309 #endif /* F0_HACK==0 */
310
311 static
312 void bmw_large_f1(uint64_t* q, const void* m, const uint64_t* h){
313         uint8_t i;
314         q[16] = bmw_large_expand1(0, q, m, h);
315         q[17] = bmw_large_expand1(1, q, m, h);
316         for(i=2; i<16; ++i){
317                 q[16+i] = bmw_large_expand2(i, q, m, h);
318         }
319 }
320
321 static
322 void bmw_large_f2(uint64_t* h, const uint64_t* q, const void* m){
323         uint64_t xl=0, xh;
324         uint8_t i;
325         for(i=16;i<24;++i){
326                 xl ^= q[i];
327         }
328         xh = xl;
329         for(i=24;i<32;++i){
330                 xh ^= q[i];
331         }
332 #if DEBUG
333         cli_putstr("\r\n XL = ");
334         cli_hexdump_rev(&xl, 4);
335         cli_putstr("\r\n XH = ");
336         cli_hexdump_rev(&xh, 4);
337 #endif
338         memcpy(h, m, 16*8);
339         h[0] ^= SHL64(xh, 5) ^ SHR64(q[16], 5);
340         h[1] ^= SHR64(xh, 7) ^ SHL64(q[17], 8);
341         h[2] ^= SHR64(xh, 5) ^ SHL64(q[18], 5);
342         h[3] ^= SHR64(xh, 1) ^ SHL64(q[19], 5);
343         h[4] ^= SHR64(xh, 3) ^ q[20];
344         h[5] ^= SHL64(xh, 6) ^ SHR64(q[21], 6);
345         h[6] ^= SHR64(xh, 4) ^ SHL64(q[22], 6);
346         h[7] ^= SHR64(xh,11) ^ SHL64(q[23], 2);
347         for(i=0; i<8; ++i){
348                 h[i] += xl ^ q[24+i] ^ q[i];
349         }
350         for(i=0; i<8; ++i){
351                 h[8+i] ^= xh ^ q[24+i];
352                 h[8+i] += ROTL64(h[(4+i)%8],i+9);
353         }
354         h[ 8] += SHL64(xl, 8) ^ q[23] ^ q[ 8];
355         h[ 9] += SHR64(xl, 6) ^ q[16] ^ q[ 9];
356         h[10] += SHL64(xl, 6) ^ q[17] ^ q[10];
357         h[11] += SHL64(xl, 4) ^ q[18] ^ q[11];
358         h[12] += SHR64(xl, 3) ^ q[19] ^ q[12];
359         h[13] += SHR64(xl, 4) ^ q[20] ^ q[13];
360         h[14] += SHR64(xl, 7) ^ q[21] ^ q[14];
361         h[15] += SHR64(xl, 2) ^ q[22] ^ q[15];
362 }
363
364 void bmw_large_nextBlock(bmw_large_ctx_t* ctx, const void* block){
365         uint64_t q[32];
366         dump_x(block, 16, 'M');
367         bmw_large_f0(q, ctx->h, block);
368         dump_x(q, 16, 'Q');
369         bmw_large_f1(q, block, ctx->h);
370         dump_x(q, 32, 'Q');
371         bmw_large_f2(ctx->h, q, block);
372         ctx->counter += 1;
373         ctx_dump(ctx);
374 }
375
376 void bmw_large_lastBlock(bmw_large_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
377         uint8_t buffer[128];
378         while(length_b >= BMW_LARGE_BLOCKSIZE){
379                 bmw_large_nextBlock(ctx, block);
380                 length_b -= BMW_LARGE_BLOCKSIZE;
381                 block = (uint8_t*)block + BMW_LARGE_BLOCKSIZE_B;
382         }
383         memset(buffer, 0, 128);
384         memcpy(buffer, block, (length_b+7)/8);
385         buffer[length_b>>3] |= 0x80 >> (length_b&0x07);
386         if(length_b+1>128*8-64){
387                 bmw_large_nextBlock(ctx, buffer);
388                 memset(buffer, 0, 128-8);
389                 ctx->counter -= 1;
390         }
391         *((uint64_t*)&(buffer[128-8])) = (uint64_t)(ctx->counter*1024LL)+(uint64_t)length_b;
392         bmw_large_nextBlock(ctx, buffer);
393 #if TWEAK
394         uint8_t i;
395         uint64_t q[32];
396         memset(buffer, 0xaa, 128);
397         for(i=0; i<16; ++i){
398                 buffer[8*i] = i + 0xa0;
399         }
400         bmw_large_f0(q, (uint64_t*)buffer, ctx->h);
401         bmw_large_f1(q, ctx->h, (uint64_t*)buffer);
402         bmw_large_f2((uint64_t*)buffer, q, ctx->h);
403         memcpy(ctx->h, buffer, 128);
404 #endif
405 }
406
407 void bmw384_init(bmw384_ctx_t* ctx){
408         uint8_t i;
409         ctx->h[0] = 0x0001020304050607LL;
410         for(i=1; i<16; ++i){
411                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x0808080808080808LL;
412         }
413 #if BUG24
414         ctx->h[6] = 0x3031323324353637LL;
415 #endif
416         ctx->counter=0;
417         ctx_dump(ctx);
418 }
419
420 void bmw512_init(bmw512_ctx_t* ctx){
421         uint8_t i;
422         ctx->h[0] = 0x8081828384858687LL;
423         for(i=1; i<16; ++i){
424                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x0808080808080808LL;
425         }
426         ctx->counter=0;
427         ctx_dump(ctx);
428 }
429
430 void bmw384_nextBlock(bmw384_ctx_t* ctx, const void* block){
431         bmw_large_nextBlock(ctx, block);
432 }
433
434 void bmw512_nextBlock(bmw512_ctx_t* ctx, const void* block){
435         bmw_large_nextBlock(ctx, block);
436 }
437
438 void bmw384_lastBlock(bmw384_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
439         bmw_large_lastBlock(ctx, block, length_b);
440 }
441
442 void bmw512_lastBlock(bmw512_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
443         bmw_large_lastBlock(ctx, block, length_b);
444 }
445
446 void bmw384_ctx2hash(void* dest, const bmw384_ctx_t* ctx){
447         memcpy(dest, &(ctx->h[10]), 384/8);
448 }
449
450 void bmw512_ctx2hash(void* dest, const bmw512_ctx_t* ctx){
451         memcpy(dest, &(ctx->h[8]), 512/8);
452 }
453
454 void bmw384(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
455         bmw_large_ctx_t ctx;
456         bmw384_init(&ctx);
457         while(length_b>=BMW_LARGE_BLOCKSIZE){
458                 bmw_large_nextBlock(&ctx, msg);
459                 length_b -= BMW_LARGE_BLOCKSIZE;
460                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_LARGE_BLOCKSIZE_B;
461         }
462         bmw_large_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
463         bmw384_ctx2hash(dest, &ctx);
464 }
465
466 void bmw512(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
467         bmw_large_ctx_t ctx;
468         bmw512_init(&ctx);
469         while(length_b>=BMW_LARGE_BLOCKSIZE){
470                 bmw_large_nextBlock(&ctx, msg);
471                 length_b -= BMW_LARGE_BLOCKSIZE;
472                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_LARGE_BLOCKSIZE_B;
473         }
474         bmw_large_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
475         bmw512_ctx2hash(dest, &ctx);
476 }
477