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 1
  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 uint32_t bmw_small_expand1(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m){
 178         uint32_t(*s[])(uint32_t) = {bmw_small_s1, bmw_small_s2, bmw_small_s3, bmw_small_s0};
 179         uint32_t r;
 180         uint8_t i;
 181         /* r = 0x05555555*(j+16); */
 182         r = pgm_read_dword(k_lut+j);
 183         for(i=0; i<16; ++i){
 184                 r += s[i%4](q[j+i]);
 185         }
 186         r += ((uint32_t*)m)[j];
 187         r += ((uint32_t*)m)[j+3];
 188         r -= ((uint32_t*)m)[j+10];
 189         return r;
 190 }
 191
 192 uint32_t bmw_small_expand2(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m){
 193         uint32_t(*rf[])(uint32_t) = {bmw_small_r1, bmw_small_r2, bmw_small_r3,
 194                                      bmw_small_r4, bmw_small_r5, bmw_small_r6,
 195                                                              bmw_small_r7};
 196         uint32_t r;
 197         uint8_t i;
 198         /* r = 0x05555555*(j+16); */
 199         r = pgm_read_dword(k_lut+j);
 200         for(i=0; i<14; i+=2){
 201                 r += q[j+i];
 202         }
 203         for(i=0; i<14; i+=2){
 204                 r += rf[i/2](q[j+i+1]);
 205         }
 206         r += bmw_small_s5(q[j+14]);
 207         r += bmw_small_s4(q[j+15]);
 208         r += ((uint32_t*)m)[j];
 209         r += ((uint32_t*)m)[(j+3)%16];
 210         r -= ((uint32_t*)m)[(j+10)%16];
 211         return r;
 212 }
 213 #if F0_HACK
 214 static
 215 uint8_t f0_lut[] PROGMEM = {
 216          5<<1, ( 7<<1)+1, (10<<1)+0, (13<<1)+0, (14<<1)+0,
 217          6<<1, ( 8<<1)+1, (11<<1)+0, (14<<1)+0, (15<<1)+1,
 218          0<<1, ( 7<<1)+0, ( 9<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
 219          0<<1, ( 1<<1)+1, ( 8<<1)+0, (10<<1)+1, (13<<1)+0,
 220          1<<1, ( 2<<1)+0, ( 9<<1)+0, (11<<1)+1, (14<<1)+1,
 221          3<<1, ( 2<<1)+1, (10<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
 222          4<<1, ( 0<<1)+1, ( 3<<1)+1, (11<<1)+1, (13<<1)+0,
 223          1<<1, ( 4<<1)+1, ( 5<<1)+1, (12<<1)+1, (14<<1)+1,
 224          2<<1, ( 5<<1)+1, ( 6<<1)+1, (13<<1)+0, (15<<1)+1,
 225          0<<1, ( 3<<1)+1, ( 6<<1)+0, ( 7<<1)+1, (14<<1)+0,
 226          8<<1, ( 1<<1)+1, ( 4<<1)+1, ( 7<<1)+1, (15<<1)+0,
 227          8<<1, ( 0<<1)+1, ( 2<<1)+1, ( 5<<1)+1, ( 9<<1)+0,
 228          1<<1, ( 3<<1)+0, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (10<<1)+0,
 229          2<<1, ( 4<<1)+0, ( 7<<1)+0, (10<<1)+0, (11<<1)+0,
 230          3<<1, ( 5<<1)+1, ( 8<<1)+0, (11<<1)+1, (12<<1)+1,
 231         12<<1, ( 4<<1)+1, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (13<<1)+0
 232 };
 233
 234 void bmw_small_f0(uint32_t* q, uint32_t* h, const void* m){
 235         uint8_t i,j=0,v,sign,l=4;
 236         uint32_t(*s[])(uint32_t)={ bmw_small_s0, bmw_small_s1, bmw_small_s2,
 237                                    bmw_small_s3, bmw_small_s4 };
 238         for(i=0; i<16; ++i){
 239                 h[i] ^= ((uint32_t*)m)[i];
 240         }
 241         dump_x(h, 16, 'T');
 242         memset(q, 0, 4*16);
 243         for(i=0; i<5*16; ++i){
 244                 v = pgm_read_byte(f0_lut+i);
 245                 sign = v&1;
 246                 v >>=1;
 247                 if(sign){
 248                         q[j] -= h[v];
 249                 }else{
 250                         q[j] += h[v];
 251                 }
 252                 if(i==l){
 253                         j++;
 254                         l+=5;
 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 }
 262
 263 #else
 264 void bmw_small_f0(uint32_t* q, uint32_t* h, const void* m){
 265         uint8_t i;
 266         uint32_t(*s[])(uint32_t)={ bmw_small_s0, bmw_small_s1, bmw_small_s2,
 267                                    bmw_small_s3, bmw_small_s4 };
 268         for(i=0; i<16; ++i){
 269                 h[i] ^= ((uint32_t*)m)[i];
 270         }
 271         dump_x(h, 16, 'T');
 272         q[ 0] = (h[ 5] - h[ 7] + h[10] + h[13] + h[14]);
 273         q[ 1] = (h[ 6] - h[ 8] + h[11] + h[14] - h[15]);
 274         q[ 2] = (h[ 0] + h[ 7] + h[ 9] - h[12] + h[15]);
 275         q[ 3] = (h[ 0] - h[ 1] + h[ 8] - h[10] + h[13]);
 276         q[ 4] = (h[ 1] + h[ 2] + h[ 9] - h[11] - h[14]);
 277         q[ 5] = (h[ 3] - h[ 2] + h[10] - h[12] + h[15]);
 278         q[ 6] = (h[ 4] - h[ 0] - h[ 3] - h[11] + h[13]);
 279         q[ 7] = (h[ 1] - h[ 4] - h[ 5] - h[12] - h[14]);
 280         q[ 8] = (h[ 2] - h[ 5] - h[ 6] + h[13] - h[15]);
 281         q[ 9] = (h[ 0] - h[ 3] + h[ 6] - h[ 7] + h[14]);
 282         q[10] = (h[ 8] - h[ 1] - h[ 4] - h[ 7] + h[15]);
 283         q[11] = (h[ 8] - h[ 0] - h[ 2] - h[ 5] + h[ 9]);
 284         q[12] = (h[ 1] + h[ 3] - h[ 6] - h[ 9] + h[10]);
 285         q[13] = (h[ 2] + h[ 4] + h[ 7] + h[10] + h[11]);
 286         q[14] = (h[ 3] - h[ 5] + h[ 8] - h[11] - h[12]);
 287         q[15] = (h[12] - h[ 4] - h[ 6] - h[ 9] + h[13]);
 288         dump_x(q, 16, 'W');
 289         for(i=0; i<16; ++i){
 290                 q[i] = s[i%5](q[i]);
 291         }
 292 }
 293 #endif
 294
 295 void bmw_small_f1(uint32_t* q, const void* m){
 296         uint8_t i;
 297         q[16] = bmw_small_expand1(0, q, m);
 298         q[17] = bmw_small_expand1(1, q, m);
 299         for(i=2; i<16; ++i){
 300                 q[16+i] = bmw_small_expand2(i, q, m);
 301         }
 302 }
 303
 304 void bmw_small_f2(uint32_t* h, const uint32_t* q, const void* m){
 305         uint32_t xl=0, xh;
 306         uint8_t i;
 307         for(i=16;i<24;++i){
 308                 xl ^= q[i];
 309         }
 310         xh = xl;
 311         for(i=24;i<32;++i){
 312                 xh ^= q[i];
 313         }
 314 #if DEBUG
 315         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XL = "));
 316         cli_hexdump_rev(&xl, 4);
 317         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XH = "));
 318         cli_hexdump_rev(&xh, 4);
 319 #endif
 320         memcpy(h, m, 16*4);
 321         h[0] ^= SHL32(xh, 5) ^ SHR32(q[16], 5);
 322         h[1] ^= SHR32(xh, 7) ^ SHL32(q[17], 8);
 323         h[2] ^= SHR32(xh, 5) ^ SHL32(q[18], 5);
 324         h[3] ^= SHR32(xh, 1) ^ SHL32(q[19], 5);
 325         h[4] ^= SHR32(xh, 3) ^ q[20];
 326         h[5] ^= SHL32(xh, 6) ^ SHR32(q[21], 6);
 327         h[6] ^= SHR32(xh, 4) ^ SHL32(q[22], 6);
 328         h[7] ^= SHR32(xh,11) ^ SHL32(q[23], 2);
 329         for(i=0; i<8; ++i){
 330                 h[i] += xl ^ q[24+i] ^ q[i];
 331         }
 332         for(i=0; i<8; ++i){
 333                 h[8+i] ^= xh ^ q[24+i];
 334                 h[8+i] += ROTL32(h[(4+i)%8],i+9);
 335         }
 336         h[ 8] += SHL32(xl, 8) ^ q[23] ^ q[ 8];
 337         h[ 9] += SHR32(xl, 6) ^ q[16] ^ q[ 9];
 338         h[10] += SHL32(xl, 6) ^ q[17] ^ q[10];
 339         h[11] += SHL32(xl, 4) ^ q[18] ^ q[11];
 340         h[12] += SHR32(xl, 3) ^ q[19] ^ q[12];
 341         h[13] += SHR32(xl, 4) ^ q[20] ^ q[13];
 342         h[14] += SHR32(xl, 7) ^ q[21] ^ q[14];
 343         h[15] += SHR32(xl, 2) ^ q[22] ^ q[15];
 344 }
 345
 346 void bmw_small_nextBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block){
 347         uint32_t q[32];
 348         dump_x(block, 16, 'M');
 349         bmw_small_f0(q, ctx->h, block);
 350         dump_x(q, 16, 'Q');
 351         bmw_small_f1(q, block);
 352         dump_x(q, 32, 'Q');
 353         bmw_small_f2(ctx->h, q, block);
 354         ctx->counter += 1;
 355         ctx_dump(ctx);
 356 }
 357
 358 void bmw_small_lastBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 359         uint8_t buffer[64];
 360         while(length_b >= BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 361                 bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 362                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 363                 block = (uint8_t*)block + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 364         }
 365         memset(buffer, 0, 64);
 366         memcpy(buffer, block, (length_b+7)/8);
 367         buffer[length_b>>3] |= 0x80 >> (length_b&0x07);
 368         if(length_b+1>64*8-64){
 369                 bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 370                 memset(buffer, 0, 64-8);
 371                 ctx->counter -= 1;
 372         }
 373         *((uint64_t*)&(buffer[64-8])) = (uint64_t)(ctx->counter*512LL)+(uint64_t)length_b;
 374         bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 375 }
 376
 377 void bmw224_init(bmw224_ctx_t* ctx){
 378         uint8_t i;
 379         ctx->h[0] = 0x00010203;
 380         for(i=1; i<16; ++i){
 381                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 382         }
 383 #if BUG24
 384         ctx->h[13] = 0x24353637;
 385 #endif
 386         ctx->counter=0;
 387         ctx_dump(ctx);
 388 }
 389
 390 void bmw256_init(bmw256_ctx_t* ctx){
 391         uint8_t i;
 392         ctx->h[0] = 0x40414243;
 393         for(i=1; i<16; ++i){
 394                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 395         }
 396         ctx->counter=0;
 397         ctx_dump(ctx);
 398 }
 399
 400 void bmw224_nextBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block){
 401         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 402 }
 403
 404 void bmw256_nextBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block){
 405         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 406 }
 407
 408 void bmw224_lastBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 409         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 410 }
 411
 412 void bmw256_lastBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 413         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 414 }
 415
 416 void bmw224_ctx2hash(void* dest, const bmw224_ctx_t* ctx){
 417         memcpy(dest, &(ctx->h[9]), 224/8);
 418 }
 419
 420 void bmw256_ctx2hash(void* dest, const bmw256_ctx_t* ctx){
 421         memcpy(dest, &(ctx->h[8]), 256/8);
 422 }
 423
 424 void bmw224(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 425         bmw_small_ctx_t ctx;
 426         bmw224_init(&ctx);
 427         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 428                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 429                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 430                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 431         }
 432         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 433         bmw224_ctx2hash(dest, &ctx);
 434 }
 435
 436 void bmw256(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 437         bmw_small_ctx_t ctx;
 438         bmw256_init(&ctx);
 439         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 440                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 441                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 442                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 443         }
 444         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 445         bmw256_ctx2hash(dest, &ctx);
 446 }
 447