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