keccak/keccak.c

   1 /* keecak.c */
   2 /*
   3     This file is part of the AVR-Crypto-Lib.
   4     Copyright (C) 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 #include <stdint.h>
  21 #include <stdlib.h>
  22 #include <string.h>
  23 #include <avr/pgmspace.h>
  24 #include "memxor.h"
  25 #include "rotate64.h"
  26 #include "keccak.h"
  27
  28 #ifdef DEBUG
  29 #  undef DEBUG
  30 #endif
  31
  32 #define DEBUG 0
  33
  34 #if DEBUG
  35 #include "cli.h"
  36
  37 void keccak_dump_state(uint64_t a[5][5]){
  38         uint8_t i,j;
  39         for(i=0; i<5; ++i){
  40                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n"));
  41                 cli_putc('0'+i);
  42                 cli_putstr_P(PSTR(": "));
  43                 for(j=0; j<5; ++j){
  44                         cli_hexdump_rev(&(a[i][j]), 8);
  45                         cli_putc(' ');
  46                 }
  47         }
  48 }
  49
  50 void keccak_dump_ctx(keccak_ctx_t* ctx){
  51         keccak_dump_state(ctx->a);
  52         cli_putstr_P(PSTR("\r\nDBG: r: "));
  53         cli_hexdump_rev(&(ctx->r), 2);
  54         cli_putstr_P(PSTR("\t c: "));
  55         cli_hexdump_rev(&(ctx->c), 2);
  56         cli_putstr_P(PSTR("\t d: "));
  57         cli_hexdump(&(ctx->d), 1);
  58         cli_putstr_P(PSTR("\t bs: "));
  59         cli_hexdump(&(ctx->bs), 1);
  60 }
  61
  62 #endif
  63
  64 /*
  65 const uint64_t rc[] PROGMEM = {
  66        0x0000000000000001LL, 0x0000000000008082LL,
  67        0x800000000000808ALL, 0x8000000080008000LL,
  68        0x000000000000808BLL, 0x0000000080000001LL,
  69        0x8000000080008081LL, 0x8000000000008009LL,
  70        0x000000000000008ALL, 0x0000000000000088LL,
  71        0x0000000080008009LL, 0x000000008000000ALL,
  72        0x000000008000808BLL, 0x800000000000008BLL,
  73        0x8000000000008089LL, 0x8000000000008003LL,
  74        0x8000000000008002LL, 0x8000000000000080LL,
  75        0x000000000000800ALL, 0x800000008000000ALL,
  76        0x8000000080008081LL, 0x8000000000008080LL,
  77        0x0000000080000001LL, 0x8000000080008008LL
  78 };
  79 */
  80
  81 const static uint8_t rc_comp[] PROGMEM = {
  82                 0x01, 0x92, 0xda, 0x70,
  83                 0x9b, 0x21, 0xf1, 0x59,
  84                 0x8a, 0x88, 0x39, 0x2a,
  85                 0xbb, 0xcb, 0xd9, 0x53,
  86                 0x52, 0xc0, 0x1a, 0x6a,
  87                 0xf1, 0xd0, 0x21, 0x78,
  88 };
  89
  90 const static uint8_t r[5][5] PROGMEM = {
  91                 { ROT_CODE( 0), ROT_CODE(36), ROT_CODE( 3), ROT_CODE(41), ROT_CODE(18) },
  92                 { ROT_CODE( 1), ROT_CODE(44), ROT_CODE(10), ROT_CODE(45), ROT_CODE( 2) },
  93                 { ROT_CODE(62), ROT_CODE( 6), ROT_CODE(43), ROT_CODE(15), ROT_CODE(61) },
  94                 { ROT_CODE(28), ROT_CODE(55), ROT_CODE(25), ROT_CODE(21), ROT_CODE(56) },
  95                 { ROT_CODE(27), ROT_CODE(20), ROT_CODE(39), ROT_CODE( 8), ROT_CODE(14) }
  96 };
  97
  98 static inline
  99 void keccak_round(uint64_t *a, uint8_t rci){
 100         uint64_t b[5][5];
 101         uint8_t i, j;
 102         union {
 103                         uint64_t v64;
 104                         uint8_t v8[8];
 105                 } t;
 106         /* theta */
 107         for(i = 0; i < 5; ++i){
 108                 b[i][0] = a[i] ^ a[5 + i] ^ a[10 + i] ^ a[15 + i] ^ a[20 + i];
 109         }
 110         for(i = 0; i < 5; ++i){
 111                 t.v64 = b[(4 + i) % 5][0] ^ rotate64_1bit_left(b[(i + 1) % 5][0]);
 112                 for(j = 0; j < 5; ++j){
 113                         a[j * 5 + i] ^= t.v64;
 114                 }
 115         }
 116 #if DEBUG
 117         cli_putstr_P(PSTR("\r\nAfter theta:"));
 118         keccak_dump_state(a);
 119 #endif
 120         /* rho & pi */
 121         for(i = 0; i < 5; ++i){
 122                 for(j = 0; j < 5; ++j){
 123                         b[(2 * i + 3 * j) % 5][j] = rotate64left_code(a[j * 5 +i], pgm_read_byte(&(r[i][j])));
 124                 }
 125         }
 126 #if DEBUG
 127         cli_putstr_P(PSTR("\r\n--- after rho & pi ---"));
 128         keccak_dump_state(a);
 129 #endif
 130         /* chi */
 131         for(i = 0; i < 5; ++i){
 132                 for(j = 0; j < 5; ++j){
 133                         a[j * 5 + i] =  b[j][i] ^ ((~(b[j][(i + 1) % 5])) & (b[j][(i + 2) % 5]));
 134                 }
 135         }
 136 #if DEBUG
 137         cli_putstr_P(PSTR("\r\nAfter chi:"));
 138         keccak_dump_state(a);
 139 #endif
 140         /* iota */
 141
 142 //      memcpy_P(&t, &(rc_comp[rci]), 8);
 143         t.v64 = 0;
 144         t.v8[0] = pgm_read_byte(&(rc_comp[rci]));
 145         if(t.v8[0] & 0x40){
 146                 t.v8[7] = 0x80;
 147         }
 148         if(t.v8[0] & 0x20){
 149                 t.v8[3] = 0x80;
 150         }
 151         if(t.v8[0] & 0x10){
 152                 t.v8[1] = 0x80;
 153         }
 154         t.v8[0] &= 0x8F;
 155
 156         a[0] ^= t.v64;
 157 #if DEBUG
 158         cli_putstr_P(PSTR("\r\nAfter iota:"));
 159         keccak_dump_state(a);
 160 #endif
 161 }
 162
 163 void keccak_f1600(void* a){
 164         uint8_t i = 0;
 165         do {
 166 #if DEBUG
 167                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n\r\n--- Round "));
 168                 cli_hexdump(&i, 1);
 169                 cli_putstr_P(PSTR(" ---"));
 170 #endif
 171                 keccak_round((uint64_t*)a, i);
 172         } while (++i < 24);
 173 }
 174
 175 void keccak_nextBlock(keccak_ctx_t* ctx, const void* block){
 176         memxor(ctx->a, block, ctx->bs);
 177         keccak_f1600(ctx->a);
 178 }
 179
 180 void keccak_lastBlock(keccak_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 181     uint8_t length_B;
 182     while(length_b >= ctx->r){
 183         keccak_nextBlock(ctx, block);
 184         block = (uint8_t*)block + ctx->bs;
 185         length_b -=  ctx->r;
 186     }
 187     length_B = length_b / 8;
 188     memxor(ctx->a, block, length_B);
 189     /* append 1 */
 190     if(length_b & 7){
 191         /* we have some single bits */
 192         uint8_t t;
 193         t = ((uint8_t*)block)[length_B] >> (8 - (length_b & 7));
 194         t |= 0x01 << (length_b & 7);
 195         ctx->a[length_B] ^= t;
 196     }else{
 197         ctx->a[length_B] ^= 0x01;
 198     }
 199     if(length_b == ctx->r - 1){
 200         keccak_f1600(ctx->a);
 201     }
 202     ctx->a[ctx->bs - 1] ^= 0x80;
 203     keccak_f1600(ctx->a);
 204 }
 205
 206 void keccak_ctx2hash(void* dest, uint16_t length_b, keccak_ctx_t* ctx){
 207         while(length_b >= ctx->r){
 208                 memcpy(dest, ctx->a, ctx->bs);
 209                 dest = (uint8_t*)dest + ctx->bs;
 210                 length_b -= ctx->r;
 211                 keccak_f1600(ctx->a);
 212         }
 213         memcpy(dest, ctx->a, (length_b+7)/8);
 214 }
 215
 216 void keccak224_ctx2hash(void* dest, keccak_ctx_t* ctx){
 217         keccak_ctx2hash(dest, 224, ctx);
 218 }
 219
 220 void keccak256_ctx2hash(void* dest, keccak_ctx_t* ctx){
 221         keccak_ctx2hash(dest, 256, ctx);
 222 }
 223
 224 void keccak384_ctx2hash(void* dest, keccak_ctx_t* ctx){
 225         keccak_ctx2hash(dest, 384, ctx);
 226 }
 227
 228 void keccak512_ctx2hash(void* dest, keccak_ctx_t* ctx){
 229         keccak_ctx2hash(dest, 512, ctx);
 230 }
 231
 232 /*
 233   1. SHA3-224: ⌊Keccak[r = 1152, c =  448, d = 28]⌋224
 234   2. SHA3-256: ⌊Keccak[r = 1088, c =  512, d = 32]⌋256
 235   3. SHA3-384: ⌊Keccak[r =  832, c =  768, d = 48]⌋384
 236   4. SHA3-512: ⌊Keccak[r =  576, c = 1024, d = 64]⌋512
 237 */
 238 void keccak_init(uint16_t r, keccak_ctx_t* ctx){
 239         memset(ctx->a, 0x00, 5 * 5 * 8);
 240         ctx->r = r;
 241         ctx->bs = (uint8_t)(r / 8);
 242 }
 243
 244 void keccak224_init(keccak_ctx_t* ctx){
 245         keccak_init(1152, ctx);
 246 }
 247
 248 void keccak256_init(keccak_ctx_t* ctx){
 249         keccak_init(1088, ctx);
 250 }
 251
 252 void keccak384_init(keccak_ctx_t* ctx){
 253         keccak_init( 832, ctx);
 254 }
 255
 256 void keccak512_init(keccak_ctx_t* ctx){
 257         keccak_init( 576, ctx);
 258 }