bmw/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 <avr/pgmspace.h>
  31 #include "bmw_small.h"
  32
  33
  34 #define SHL32(a,n) ((a)<<(n))
  35 #define SHR32(a,n) ((a)>>(n))
  36 #define ROTL32(a,n) (((a)<<(n))|((a)>>(32-(n))))
  37 #define ROTR32(a,n) (((a)>>(n))|((a)<<(32-(n))))
  38
  39
  40 #define TWEAK   1
  41 #if TWEAK
  42 #  define BUG24   0
  43 #else
  44 #  define BUG24   1
  45 #endif
  46
  47 #define F0_HACK 1
  48
  49 #define DEBUG 0
  50
  51 #if DEBUG
  52  #include "cli.h"
  53
  54  void ctx_dump(const bmw_small_ctx_t* ctx){
  55         uint8_t i;
  56         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== ctx dump ===="));
  57         for(i=0; i<16;++i){
  58                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n h["));
  59                 cli_hexdump(&i, 1);
  60                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  61                 cli_hexdump_rev(&(ctx->h[i]), 4);
  62         }
  63         cli_putstr_P(PSTR("\r\n counter = "));
  64         cli_hexdump(&(ctx->counter), 4);
  65  }
  66
  67  void dump_x(const uint32_t* q, uint8_t elements, char x){
  68         uint8_t i;
  69         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== "));
  70         cli_putc(x);
  71         cli_putstr_P(PSTR(" dump ===="));
  72         for(i=0; i<elements;++i){
  73                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n "));
  74                 cli_putc(x);
  75                 cli_putstr_P(PSTR("["));
  76                 cli_hexdump(&i, 1);
  77                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  78                 cli_hexdump_rev(&(q[i]), 4);
  79         }
  80  }
  81 #else
  82  #define ctx_dump(x)
  83  #define dump_x(a,b,c)
  84 #endif
  85
  86 uint32_t bmw_small_s0(uint32_t x){
  87         uint32_t r;
  88         r =   SHR32(x, 1)
  89                 ^ SHL32(x, 3)
  90                 ^ ROTL32(x, 4)
  91                 ^ ROTR32(x, 13);
  92         return r;
  93 }
  94
  95 uint32_t bmw_small_s1(uint32_t x){
  96         uint32_t r;
  97         r =   SHR32(x, 1)
  98                 ^ SHL32(x, 2)
  99                 ^ ROTL32(x, 8)
 100                 ^ ROTR32(x, 9);
 101         return r;
 102 }
 103
 104 uint32_t bmw_small_s2(uint32_t x){
 105         uint32_t r;
 106         r =   SHR32(x, 2)
 107                 ^ SHL32(x, 1)
 108                 ^ ROTL32(x, 12)
 109                 ^ ROTR32(x, 7);
 110         return r;
 111 }
 112
 113 uint32_t bmw_small_s3(uint32_t x){
 114         uint32_t r;
 115         r =   SHR32(x, 2)
 116                 ^ SHL32(x, 2)
 117                 ^ ROTL32(x, 15)
 118                 ^ ROTR32(x, 3);
 119         return r;
 120 }
 121
 122 uint32_t bmw_small_s4(uint32_t x){
 123         uint32_t r;
 124         r =   SHR32(x, 1)
 125                 ^ x;
 126         return r;
 127 }
 128
 129 uint32_t bmw_small_s5(uint32_t x){
 130         uint32_t r;
 131         r =   SHR32(x, 2)
 132                 ^ x;
 133         return r;
 134 }
 135
 136 uint32_t bmw_small_r1(uint32_t x){
 137         uint32_t r;
 138         r =   ROTL32(x, 3);
 139         return r;
 140 }
 141
 142 uint32_t bmw_small_r2(uint32_t x){
 143         uint32_t r;
 144         r =   ROTL32(x, 7);
 145         return r;
 146 }
 147
 148 uint32_t bmw_small_r3(uint32_t x){
 149         uint32_t r;
 150         r =   ROTL32(x, 13);
 151         return r;
 152 }
 153
 154 uint32_t bmw_small_r4(uint32_t x){
 155         uint32_t r;
 156         r =   ROTL32(x, 16);
 157         return r;
 158 }
 159
 160 uint32_t bmw_small_r5(uint32_t x){
 161         uint32_t r;
 162         r =   ROTR32(x, 13);
 163         return r;
 164 }
 165
 166 uint32_t bmw_small_r6(uint32_t x){
 167         uint32_t r;
 168         r =   ROTR32(x, 9);
 169         return r;
 170 }
 171
 172 uint32_t bmw_small_r7(uint32_t x){
 173         uint32_t r;
 174         r =   ROTR32(x, 5);
 175         return r;
 176 }
 177 /*
 178 #define K 0x05555555L
 179 static
 180 uint32_t k_lut[] PROGMEM = {
 181         16L*K, 17L*K, 18L*K, 19L*K, 20L*K, 21L*K, 22L*K, 23L*K,
 182         24L*K, 25L*K, 26L*K, 27L*K, 28L*K, 29L*K, 30L*K, 31L*K
 183 };
 184 */
 185 /* same as above but precomputed to avoid compiler warnings */
 186
 187 static
 188 uint32_t k_lut[] PROGMEM = {
 189         0x55555550L, 0x5aaaaaa5L, 0x5ffffffaL,
 190         0x6555554fL, 0x6aaaaaa4L, 0x6ffffff9L,
 191         0x7555554eL, 0x7aaaaaa3L, 0x7ffffff8L,
 192         0x8555554dL, 0x8aaaaaa2L, 0x8ffffff7L,
 193         0x9555554cL, 0x9aaaaaa1L, 0x9ffffff6L,
 194         0xa555554bL };
 195
 196
 197 uint32_t bmw_small_expand1(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m, const void* h){
 198         uint32_t(*s[])(uint32_t) = {bmw_small_s1, bmw_small_s2, bmw_small_s3, bmw_small_s0};
 199         uint32_t r=0;
 200         uint8_t i;
 201         /* r = 0x05555555*(j+16); */
 202         for(i=0; i<16; ++i){
 203                 r += s[i%4](q[j+i]);
 204         }
 205 #if TWEAK
 206         r += (   ROTL32(((uint32_t*)m)[j&0xf],      ((j+0)&0xf)+1  )
 207                + ROTL32(((uint32_t*)m)[(j+3)&0xf],  ((j+3)&0xf)+1  )
 208                - ROTL32(((uint32_t*)m)[(j+10)&0xf], ((j+10)&0xf)+1 )
 209                + pgm_read_dword(k_lut+j)
 210              ) ^ ((uint32_t*)h)[(j+7)&0xf];
 211 #else
 212         r += pgm_read_dword(k_lut+j);
 213         r += ((uint32_t*)m)[j&0xf];
 214         r += ((uint32_t*)m)[(j+3)&0xf];
 215         r -= ((uint32_t*)m)[(j+10)&0xf];
 216 #endif
 217         return r;
 218 }
 219
 220 uint32_t bmw_small_expand2(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m, const void* h){
 221         uint32_t(*rf[])(uint32_t) = {bmw_small_r1, bmw_small_r2, bmw_small_r3,
 222                                      bmw_small_r4, bmw_small_r5, bmw_small_r6,
 223                                                              bmw_small_r7};
 224         uint32_t r=0;
 225         uint8_t i;
 226         for(i=0; i<14; i+=2){
 227                 r += q[j+i];
 228         }
 229         for(i=0; i<14; i+=2){
 230                 r += rf[i/2](q[j+i+1]);
 231         }
 232 #if TWEAK
 233         r += bmw_small_s4(q[j+14]);
 234         r += bmw_small_s5(q[j+15]);
 235 #else
 236         r += bmw_small_s5(q[j+14]);
 237         r += bmw_small_s4(q[j+15]);
 238 #endif
 239 #if TWEAK
 240         r += (   ROTL32(((uint32_t*)m)[j&0xf],      ((j+0)&0xf)+1  )
 241                + ROTL32(((uint32_t*)m)[(j+3)&0xf],  ((j+3)&0xf)+1  )
 242                - ROTL32(((uint32_t*)m)[(j+10)&0xf], ((j+10)&0xf)+1 )
 243                + pgm_read_dword(k_lut+j)
 244              ) ^ ((uint32_t*)h)[(j+7)&0xf];
 245 #else
 246         r += pgm_read_dword(k_lut+j);
 247         r += ((uint32_t*)m)[j&0xf];
 248         r += ((uint32_t*)m)[(j+3)&0xf];
 249         r -= ((uint32_t*)m)[(j+10)&0xf];
 250 #endif
 251         return r;
 252 }
 253
 254 #if F0_HACK
 255 static
 256 uint8_t f0_lut[] PROGMEM = {
 257          5<<1, ( 7<<1)+1, (10<<1)+0, (13<<1)+0, (14<<1)+0,
 258          6<<1, ( 8<<1)+1, (11<<1)+0, (14<<1)+0, (15<<1)+1,
 259          0<<1, ( 7<<1)+0, ( 9<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
 260          0<<1, ( 1<<1)+1, ( 8<<1)+0, (10<<1)+1, (13<<1)+0,
 261          1<<1, ( 2<<1)+0, ( 9<<1)+0, (11<<1)+1, (14<<1)+1,
 262          3<<1, ( 2<<1)+1, (10<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
 263          4<<1, ( 0<<1)+1, ( 3<<1)+1, (11<<1)+1, (13<<1)+0,
 264          1<<1, ( 4<<1)+1, ( 5<<1)+1, (12<<1)+1, (14<<1)+1,
 265          2<<1, ( 5<<1)+1, ( 6<<1)+1, (13<<1)+0, (15<<1)+1,
 266          0<<1, ( 3<<1)+1, ( 6<<1)+0, ( 7<<1)+1, (14<<1)+0,
 267          8<<1, ( 1<<1)+1, ( 4<<1)+1, ( 7<<1)+1, (15<<1)+0,
 268          8<<1, ( 0<<1)+1, ( 2<<1)+1, ( 5<<1)+1, ( 9<<1)+0,
 269          1<<1, ( 3<<1)+0, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (10<<1)+0,
 270          2<<1, ( 4<<1)+0, ( 7<<1)+0, (10<<1)+0, (11<<1)+0,
 271          3<<1, ( 5<<1)+1, ( 8<<1)+0, (11<<1)+1, (12<<1)+1,
 272         12<<1, ( 4<<1)+1, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (13<<1)+0
 273 };
 274
 275 void bmw_small_f0(uint32_t* q, uint32_t* h, const void* m){
 276         uint8_t i,j=-1,v,sign,l=0;
 277         uint32_t(*s[])(uint32_t)={ bmw_small_s0, bmw_small_s1, bmw_small_s2,
 278                                    bmw_small_s3, bmw_small_s4 };
 279         for(i=0; i<16; ++i){
 280                 ((uint32_t*)h)[i] ^= ((uint32_t*)m)[i];
 281         }
 282         dump_x(h, 16, 'T');
 283         // memset(q, 0, 4*16);
 284         for(i=0; i<5*16; ++i){
 285                 v = pgm_read_byte(f0_lut+i);
 286                 sign = v&1;
 287                 v >>=1;
 288                 if(i==l){
 289                         j++;
 290                         l+=5;
 291                         q[j] = h[v];
 292                         continue;
 293                 }
 294                 if(sign){
 295                         q[j] -= h[v];
 296                 }else{
 297                         q[j] += h[v];
 298                 }
 299         }
 300         dump_x(q, 16, 'W');
 301         for(i=0; i<16; ++i){
 302                 q[i] = s[i%5](q[i]);
 303         }
 304 #if TWEAK
 305         for(i=0; i<16; ++i){
 306                 ((uint32_t*)h)[i] ^= ((uint32_t*)m)[i];
 307         }
 308         for(i=0; i<16; ++i){
 309                 q[i] += h[(i+1)&0xf];
 310         }
 311 #endif
 312 }
 313
 314 #else
 315 void bmw_small_f0(uint32_t* q, uint32_t* h, const void* m){
 316         uint8_t i;
 317         uint32_t(*s[])(uint32_t)={ bmw_small_s0, bmw_small_s1, bmw_small_s2,
 318                                    bmw_small_s3, bmw_small_s4 };
 319         for(i=0; i<16; ++i){
 320                 ((uint32_t*)h)[i] ^= ((uint32_t*)m)[i];
 321         }
 322         dump_x(h, 16, 'T');
 323         q[ 0] = (h[ 5] - h[ 7] + h[10] + h[13] + h[14]);
 324         q[ 1] = (h[ 6] - h[ 8] + h[11] + h[14] - h[15]);
 325         q[ 2] = (h[ 0] + h[ 7] + h[ 9] - h[12] + h[15]);
 326         q[ 3] = (h[ 0] - h[ 1] + h[ 8] - h[10] + h[13]);
 327         q[ 4] = (h[ 1] + h[ 2] + h[ 9] - h[11] - h[14]);
 328         q[ 5] = (h[ 3] - h[ 2] + h[10] - h[12] + h[15]);
 329         q[ 6] = (h[ 4] - h[ 0] - h[ 3] - h[11] + h[13]);
 330         q[ 7] = (h[ 1] - h[ 4] - h[ 5] - h[12] - h[14]);
 331         q[ 8] = (h[ 2] - h[ 5] - h[ 6] + h[13] - h[15]);
 332         q[ 9] = (h[ 0] - h[ 3] + h[ 6] - h[ 7] + h[14]);
 333         q[10] = (h[ 8] - h[ 1] - h[ 4] - h[ 7] + h[15]);
 334         q[11] = (h[ 8] - h[ 0] - h[ 2] - h[ 5] + h[ 9]);
 335         q[12] = (h[ 1] + h[ 3] - h[ 6] - h[ 9] + h[10]);
 336         q[13] = (h[ 2] + h[ 4] + h[ 7] + h[10] + h[11]);
 337         q[14] = (h[ 3] - h[ 5] + h[ 8] - h[11] - h[12]);
 338         q[15] = (h[12] - h[ 4] - h[ 6] - h[ 9] + h[13]);
 339         dump_x(q, 16, 'W');
 340         for(i=0; i<16; ++i){
 341                 q[i] = s[i%5](q[i]);
 342         }
 343 #if TWEAK
 344         for(i=0; i<16; ++i){
 345                 ((uint32_t*)h)[i] ^= ((uint32_t*)m)[i];
 346         }
 347         for(i=0; i<16; ++i){
 348                 q[i] += h[(i+1)&0xf];
 349         }
 350 #endif
 351 }
 352 #endif
 353
 354 void bmw_small_f1(uint32_t* q, const void* m, const void* h){
 355         uint8_t i;
 356         q[16] = bmw_small_expand1(0, q, m, h);
 357         q[17] = bmw_small_expand1(1, q, m, h);
 358         for(i=2; i<16; ++i){
 359                 q[16+i] = bmw_small_expand2(i, q, m, h);
 360         }
 361 }
 362
 363 void bmw_small_f2(uint32_t* h, const uint32_t* q, const void* m){
 364         uint32_t xl=0, xh;
 365         uint8_t i;
 366         for(i=16;i<24;++i){
 367                 xl ^= q[i];
 368         }
 369         xh = xl;
 370         for(i=24;i<32;++i){
 371                 xh ^= q[i];
 372         }
 373 #if DEBUG
 374         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XL = "));
 375         cli_hexdump_rev(&xl, 4);
 376         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XH = "));
 377         cli_hexdump_rev(&xh, 4);
 378 #endif
 379         memcpy(h, m, 16*4);
 380         h[0] ^= SHL32(xh, 5) ^ SHR32(q[16], 5);
 381         h[1] ^= SHR32(xh, 7) ^ SHL32(q[17], 8);
 382         h[2] ^= SHR32(xh, 5) ^ SHL32(q[18], 5);
 383         h[3] ^= SHR32(xh, 1) ^ SHL32(q[19], 5);
 384         h[4] ^= SHR32(xh, 3) ^ q[20];
 385         h[5] ^= SHL32(xh, 6) ^ SHR32(q[21], 6);
 386         h[6] ^= SHR32(xh, 4) ^ SHL32(q[22], 6);
 387         h[7] ^= SHR32(xh,11) ^ SHL32(q[23], 2);
 388         for(i=0; i<8; ++i){
 389                 h[i] += xl ^ q[24+i] ^ q[i];
 390         }
 391         for(i=0; i<8; ++i){
 392                 h[8+i] ^= xh ^ q[24+i];
 393                 h[8+i] += ROTL32(h[(4+i)%8],i+9);
 394         }
 395         h[ 8] += SHL32(xl, 8) ^ q[23] ^ q[ 8];
 396         h[ 9] += SHR32(xl, 6) ^ q[16] ^ q[ 9];
 397         h[10] += SHL32(xl, 6) ^ q[17] ^ q[10];
 398         h[11] += SHL32(xl, 4) ^ q[18] ^ q[11];
 399         h[12] += SHR32(xl, 3) ^ q[19] ^ q[12];
 400         h[13] += SHR32(xl, 4) ^ q[20] ^ q[13];
 401         h[14] += SHR32(xl, 7) ^ q[21] ^ q[14];
 402         h[15] += SHR32(xl, 2) ^ q[22] ^ q[15];
 403 }
 404
 405 void bmw_small_nextBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block){
 406         uint32_t q[32];
 407         dump_x(block, 16, 'M');
 408         bmw_small_f0(q, ctx->h, block);
 409         dump_x(q, 16, 'Q');
 410         bmw_small_f1(q, block, ctx->h);
 411         dump_x(q, 32, 'Q');
 412         bmw_small_f2(ctx->h, q, block);
 413         ctx->counter += 1;
 414         ctx_dump(ctx);
 415 }
 416
 417 void bmw_small_lastBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 418         uint8_t buffer[64];
 419         while(length_b >= BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 420                 bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 421                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 422                 block = (uint8_t*)block + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 423         }
 424         memset(buffer, 0, 64);
 425         memcpy(buffer, block, (length_b+7)/8);
 426         buffer[length_b>>3] |= 0x80 >> (length_b&0x07);
 427         if(length_b+1>64*8-64){
 428                 bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 429                 memset(buffer, 0, 64-8);
 430                 ctx->counter -= 1;
 431         }
 432         *((uint64_t*)&(buffer[64-8])) = (uint64_t)(ctx->counter*512LL)+(uint64_t)length_b;
 433         bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 434 #if TWEAK
 435         uint8_t i;
 436         uint32_t q[32];
 437         memset(buffer, 0xaa, 64);
 438         for(i=0; i<16;++i){
 439                 buffer[i*4] = i+0xa0;
 440         }
 441 //      dump_x(buffer, 16, 'A');
 442         dump_x(ctx->h, 16, 'M');
 443         bmw_small_f0(q, (uint32_t*)buffer, ctx->h);
 444         dump_x(buffer, 16, 'a');
 445         dump_x(q, 16, 'Q');
 446         bmw_small_f1(q, ctx->h, (uint32_t*)buffer);
 447         dump_x(q, 32, 'Q');
 448         bmw_small_f2((uint32_t*)buffer, q, ctx->h);
 449         memcpy(ctx->h, buffer, 64);
 450 #endif
 451 }
 452
 453 void bmw224_init(bmw224_ctx_t* ctx){
 454         uint8_t i;
 455         ctx->h[0] = 0x00010203;
 456         for(i=1; i<16; ++i){
 457                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 458         }
 459 #if BUG24
 460         ctx->h[13] = 0x24353637;
 461 #endif
 462         ctx->counter=0;
 463         ctx_dump(ctx);
 464 }
 465
 466 void bmw256_init(bmw256_ctx_t* ctx){
 467         uint8_t i;
 468         ctx->h[0] = 0x40414243;
 469         for(i=1; i<16; ++i){
 470                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 471         }
 472         ctx->counter=0;
 473         ctx_dump(ctx);
 474 }
 475
 476 void bmw224_nextBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block){
 477         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 478 }
 479
 480 void bmw256_nextBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block){
 481         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 482 }
 483
 484 void bmw224_lastBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 485         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 486 }
 487
 488 void bmw256_lastBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 489         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 490 }
 491
 492 void bmw224_ctx2hash(void* dest, const bmw224_ctx_t* ctx){
 493         memcpy(dest, &(ctx->h[9]), 224/8);
 494 }
 495
 496 void bmw256_ctx2hash(void* dest, const bmw256_ctx_t* ctx){
 497         memcpy(dest, &(ctx->h[8]), 256/8);
 498 }
 499
 500 void bmw224(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 501         bmw_small_ctx_t ctx;
 502         bmw224_init(&ctx);
 503         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 504                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 505                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 506                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 507         }
 508         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 509         bmw224_ctx2hash(dest, &ctx);
 510 }
 511
 512 void bmw256(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 513         bmw_small_ctx_t ctx;
 514         bmw256_init(&ctx);
 515         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 516                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 517                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 518                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 519         }
 520         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 521         bmw256_ctx2hash(dest, &ctx);
 522 }
 523