grain/grain.c

   1 /* grain.c */
   2 /*
   3     This file is part of the AVR-Crypto-Lib.
   4     Copyright (C) 2006-2015 Daniel Otte (bg@nerilex.org)
   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  *
  21  * author: Daniel Otte
  22  * email:  bg@nerilex.org
  23  * license: GPLv3 or later
  24  *
  25  */
  26
  27
  28 #include <stdint.h>
  29 #include <string.h>
  30 #include <avr/pgmspace.h>
  31 #include "grain.h"
  32
  33
  34 #define GRAIN_REVERSEKEY
  35
  36 /* s0, s1, s2, ..., s78, s79 */
  37 #define S(i) ((ctx->lfsr[9-((i)/8)])>>(7-((i)%8)))
  38 /* b0, b1, b2, ..., b78, b79 */
  39 #define B(i) ((ctx->nfsr[9-((i)/8)])>>(7-((i)%8)))
  40 #define _B(i) (((ctx->nfsr[9-((i)/8)])>>(7-((i)%8)))&1)
  41
  42
  43 const uint8_t h_lut[4] PROGMEM = {0x4C, 0xB6, 0xD3, 0x26};
  44
  45 #ifdef GRAIN_BADOPTIMISATION
  46 const uint8_t g_lut[128] PROGMEM = {
  47         0xF0, 0xA5, 0x0F, 0x5A, 0x0F, 0x5A, 0xF0, 0xA5, 0x0F, 0x5A, 0xF0, 0xA5, 0xF0, 0x5A, 0x0F, 0x0F,
  48         0xC3, 0x96, 0x3C, 0x69, 0x3C, 0x69, 0xC3, 0x96, 0x9C, 0xC9, 0x63, 0x36, 0x63, 0xC9, 0x9C, 0x9C,
  49         0x0F, 0x5A, 0x0F, 0x5A, 0xF0, 0xA5, 0xF0, 0x5A, 0xF0, 0xA5, 0xF0, 0xA5, 0x0F, 0xA5, 0x0F, 0xF0,
  50         0x3C, 0x69, 0x3C, 0x69, 0xC3, 0x96, 0xC3, 0x69, 0x63, 0x36, 0x63, 0x36, 0x9C, 0x36, 0x9C, 0x63,
  51         0x0F, 0xD2, 0xF0, 0x2D, 0xF0, 0x2D, 0x0F, 0xD2, 0xF0, 0x2D, 0x0F, 0xD2, 0x0F, 0x2D, 0xF0, 0x78,
  52         0x3C, 0xE1, 0xC3, 0x1E, 0xC3, 0x1E, 0x3C, 0xE1, 0x63, 0xBE, 0x9C, 0x41, 0x9C, 0xBE, 0x63, 0xEB,
  53         0x00, 0xDD, 0x00, 0xDD, 0xFF, 0x22, 0xFF, 0xDD, 0xFF, 0x22, 0xFF, 0x22, 0x00, 0x22, 0xF0, 0x87,
  54         0xF3, 0x2E, 0xF3, 0x2E, 0x0C, 0xD1, 0x0C, 0x2E, 0xAC, 0x71, 0xAC, 0x71, 0x53, 0x71, 0xA3, 0xD4  };
  55 #endif
  56
  57 uint8_t grain_enc(grain_ctx_t *ctx){
  58         uint8_t s80, s0, c1, c2;
  59         uint8_t i;
  60         /* clock the LFSR */
  61         s0=S(0);
  62         s80 =S(62) ^ S(51) ^ S(38) ^ S(23) ^ S(13) ^ s0;
  63         s80 &= 1;
  64         c1 = s80;
  65         for(i=0; i<10; ++i){
  66                 c2 = (ctx->lfsr[i])>>7;
  67                 ctx->lfsr[i] = ((ctx->lfsr[i])<<1) | c1;
  68                 c1 = c2;
  69         }
  70         /* clock the NFSR */
  71         uint8_t b80;
  72 /*      778 Byte in this variant / 617 clks enc_time */
  73 #ifndef GRAIN_BADOPTIMISATION
  74     uint8_t a,b,d,e;
  75         b80 = B(62) ^ B(60) ^ B(52) ^ B(45) ^
  76               B(37) ^ B(33) ^ B(28) ^ B(21) ^
  77               B(14) ^ B( 9) ^ B( 0) ^ s0;
  78         b80 ^= (a = B(63) & B(60));
  79         b80 ^= (b = B(37) & B(33));
  80         b80 ^= B(15) & B( 9); // c
  81         b80 ^= (d = B(60) & B(52) & B(45));
  82         b80 ^= (e = B(33) & B(28) & B(21));
  83         b80 ^= B(63) & B(45) & B(28) & B(9); // f
  84         /* -- */
  85         b80 ^= b & B(60) & B(52); // g
  86         b80 ^= a & B(21) & B(15); // h
  87         b80 ^= d & B(63) & B(37); // i
  88         b80 ^= e & B(15) & B( 9); // j
  89         b80 ^= e & B(52) & B(45) & B(37); // k
  90 #else
  91         /* let's reorder the bits */
  92         uint16_t x;
  93
  94 /*
  95         x  = _B(21); x<<=1;
  96         x |= _B(33); x<<=1;
  97         x |= _B(9) ; x<<=1;
  98         x |= _B(45); x<<=1;
  99         x |= _B(52); x<<=1;
 100         x |= _B(37); x<<=1;
 101         x |= _B(60); x<<=1;
 102         x |= _B(28); x<<=1;
 103         x |= _B(15); x<<=1;
 104         x |= _B(63);
 105 */
 106         x  = ((ctx->nfsr[8])&0x41)<<1; // B15 & B09
 107         x |= ((ctx->nfsr[2])&0x09);    // B63 & B60
 108 //      x |= ((ctx->nfsr[4])&0x04)<<4; // B45
 109         x |= (((ctx->nfsr[5])&0x44) |
 110               ((ctx->nfsr[3])&0x08) |
 111               (((((ctx->nfsr[7])&0x04)<<3) |((ctx->nfsr[4])&0x04))<<2) )<<2; // B37 & B33
 112 //      x |= ((ctx->nfsr[3])&0x08)<<2; // B52
 113         x |= ((ctx->nfsr[6])&0x08)>>1; // B28
 114 //      x |= ((ctx->nfsr[7])&0x04)<<7; // B21
 115
 116
 117         b80 = pgm_read_byte(g_lut+(x/8))>>(x%8);
 118         b80 ^= s0 ^ B(62) ^ B(14) ^ B(0);
 119 #endif
 120         c1 = b80 & 1;
 121         for(i=0; i<10; ++i){
 122                 c2 = (ctx->nfsr[i])>>7;
 123                 ctx->nfsr[i] = ((ctx->nfsr[i])<<1) | c1;
 124                 c1 = c2;
 125         }
 126         /* now the h function */
 127         uint8_t h;
 128         i = (S(2)&1) |
 129             ((S(24)&1) << 1) |
 130             ((S(45)&1) << 2) |
 131             ((S(63)&1) << 3) |
 132             ((B(62)&1) << 4);
 133
 134         h = (pgm_read_byte(h_lut+(i/8)))>>(i%8);
 135
 136         h ^= B(0) ^ B(1) ^ B(3) ^ B(9) ^ B(30) ^ B(42) ^ B(55);
 137         return (h&1);
 138 }
 139
 140 uint8_t grain_getbyte(grain_ctx_t *ctx){
 141         uint8_t i=0;
 142         uint8_t r=0;
 143         do{
 144                 r >>= 1;
 145                 r |= grain_enc(ctx)?0x80:0x00;
 146         }while(++i<8);
 147         return r;
 148 }
 149
 150 #ifdef GRAIN_REVERSEKEY
 151
 152 static
 153 uint8_t reverse_bits(uint8_t a){
 154         uint8_t lut[16] = {
 155                 0x0, 0x8, 0x4, 0xC,   /* 0000 1000 0100 1100 */
 156                 0x2, 0xA, 0x6, 0xE,   /* 0010 1010 0110 1110 */
 157                 0x1, 0x9, 0x5, 0xD,   /* 0001 1001 0101 1101 */
 158                 0x3, 0xB, 0x7, 0xF }; /* 0011 1011 0111 1111 */
 159         uint8_t x;
 160         x = ((lut[a&0xf]) << 4) | lut[a>>4];
 161         return x;
 162 }
 163 #else
 164
 165 #define reverse_bits(a) (a)
 166
 167 #endif
 168
 169 void grain_init(const void *key, const void *iv, grain_ctx_t *ctx){
 170         uint8_t i,t;
 171
 172         /* load the 80bit key */
 173         for(i=0; i<10; ++i){
 174                 ctx->nfsr[9-i] = reverse_bits(((uint8_t*)key)[i]);
 175         }
 176         /* load the 64bit iv */
 177         for(i=0; i<8; ++i){
 178                 ctx->lfsr[9-i] = reverse_bits(((uint8_t*)iv)[i]);
 179         }
 180         /* set the other bits of iv to 1 */
 181         ctx->lfsr[0] = ctx->lfsr[1] = 0xFF;
 182
 183         /* run it 160 times */
 184         for(i=0; i<160; ++i){
 185                 t = grain_enc(ctx);
 186                 (ctx->lfsr[0]) ^= t;
 187                 (ctx->nfsr[0]) ^= t;
 188         }
 189 }
 190
 191
 192
 193
 194
 195