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 #define RP_IDX(i, j) ((((2 * j + 3 * i) % 5) * 5 + i) * 8)
  91
  92 uint8_t const rho_pi_idx_table[5][5] PROGMEM = {
  93         { RP_IDX(0, 0), RP_IDX(0, 1), RP_IDX(0, 2), RP_IDX(0, 3), RP_IDX(0, 4) },
  94         { RP_IDX(1, 0), RP_IDX(1, 1), RP_IDX(1, 2), RP_IDX(1, 3), RP_IDX(1, 4) },
  95         { RP_IDX(2, 0), RP_IDX(2, 1), RP_IDX(2, 2), RP_IDX(2, 3), RP_IDX(2, 4) },
  96         { RP_IDX(3, 0), RP_IDX(3, 1), RP_IDX(3, 2), RP_IDX(3, 3), RP_IDX(3, 4) },
  97         { RP_IDX(4, 0), RP_IDX(4, 1), RP_IDX(4, 2), RP_IDX(4, 3), RP_IDX(4, 4) }
  98 };
  99
 100 #define ROT_BIT(a) (( (a) <= 4) ? ((a) << 1) : (0x01 | ((8 - (a)) << 1)))
 101 #define ROT_CODE(a) ((((a) / 8 + ((((a) % 8) > 4) ? 1 : 0)) << 4) | ROT_BIT(((a) % 8)))
 102
 103 const uint8_t keccak_rotate_codes[5][5] PROGMEM = {
 104         { ROT_CODE( 0), ROT_CODE( 1), ROT_CODE(62), ROT_CODE(28), ROT_CODE(27) },
 105         { ROT_CODE(36), ROT_CODE(44), ROT_CODE( 6), ROT_CODE(55), ROT_CODE(20) },
 106         { ROT_CODE( 3), ROT_CODE(10), ROT_CODE(43), ROT_CODE(25), ROT_CODE(39) },
 107         { ROT_CODE(41), ROT_CODE(45), ROT_CODE(15), ROT_CODE(21), ROT_CODE( 8) },
 108         { ROT_CODE(18), ROT_CODE( 2), ROT_CODE(61), ROT_CODE(56), ROT_CODE(14) }
 109 };
 110
 111
 112 static inline
 113 void keccak_round(uint64_t *a, uint8_t rci){
 114         uint64_t b[5][5];
 115         uint8_t i, j;
 116         union {
 117                         uint64_t v64;
 118                         uint8_t v8[8];
 119                 } t;
 120     const uint8_t *rot_code = (const uint8_t*)keccak_rotate_codes;
 121     const uint8_t *idx_idx = (const uint8_t*)rho_pi_idx_table;
 122     uint64_t *a_tmp = (uint64_t*)a;
 123         /* theta */
 124         for(i = 0; i < 5; ++i){
 125                 b[i][0] = a[i] ^ a[5 + i] ^ a[10 + i] ^ a[15 + i] ^ a[20 + i];
 126         }
 127         for(i = 0; i < 5; ++i){
 128                 t.v64 = b[(4 + i) % 5][0] ^ rotate64_1bit_left(b[(i + 1) % 5][0]);
 129                 for(j = 0; j < 5; ++j){
 130                         a[j * 5 + i] ^= t.v64;
 131                 }
 132         }
 133 #if DEBUG
 134         cli_putstr_P(PSTR("\r\nAfter theta:"));
 135         keccak_dump_state(a);
 136 #endif
 137         /* rho & pi */
 138     for(i = 0; i < 25; ++i){
 139             *((uint64_t*)(((uint8_t*)b) + pgm_read_byte(idx_idx++))) =
 140                 rotate64left_code(*a_tmp++, pgm_read_byte(rot_code++));
 141
 142     }
 143 #if DEBUG
 144         cli_putstr_P(PSTR("\r\n--- after rho & pi ---"));
 145         keccak_dump_state(a);
 146 #endif
 147         /* chi */
 148         for(i = 0; i < 5; ++i){
 149                 for(j = 0; j < 5; ++j){
 150                         a[j * 5 + i] =  b[j][i] ^ ((~(b[j][(i + 1) % 5])) & (b[j][(i + 2) % 5]));
 151                 }
 152         }
 153
 154 #if DEBUG
 155         cli_putstr_P(PSTR("\r\nAfter chi:"));
 156         keccak_dump_state(a);
 157 #endif
 158         /* iota */
 159
 160 //      memcpy_P(&t, &(rc_comp[rci]), 8);
 161         t.v64 = 0;
 162         t.v8[0] = pgm_read_byte(&(rc_comp[rci]));
 163         if(t.v8[0] & 0x40){
 164                 t.v8[7] = 0x80;
 165         }
 166         if(t.v8[0] & 0x20){
 167                 t.v8[3] = 0x80;
 168         }
 169         if(t.v8[0] & 0x10){
 170                 t.v8[1] = 0x80;
 171         }
 172         t.v8[0] &= 0x8F;
 173
 174         a[0] ^= t.v64;
 175 #if DEBUG
 176         cli_putstr_P(PSTR("\r\nAfter iota:"));
 177         keccak_dump_state(a);
 178 #endif
 179 }
 180
 181 void keccak_f1600(void *a){
 182         uint8_t i = 0;
 183         do {
 184 #if DEBUG
 185                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n\r\n--- Round "));
 186                 cli_hexdump(&i, 1);
 187                 cli_putstr_P(PSTR(" ---"));
 188 #endif
 189                 keccak_round((uint64_t*)a, i);
 190         } while (++i < 24);
 191 }
 192
 193 void keccak_nextBlock(keccak_ctx_t *ctx, const void *block){
 194         memxor(ctx->a, block, ctx->bs);
 195         keccak_f1600(ctx->a);
 196 }
 197
 198 void keccak_lastBlock(keccak_ctx_t *ctx, const void *block, uint16_t length_b){
 199     uint8_t length_B;
 200     uint8_t t;
 201     while(length_b >= ctx->r){
 202         keccak_nextBlock(ctx, block);
 203         block = (uint8_t*)block + ctx->bs;
 204         length_b -=  ctx->r;
 205     }
 206     length_B = length_b / 8;
 207     memxor(ctx->a, block, length_B);
 208     /* append 1 */
 209     if(length_b & 7){
 210         /* we have some single bits */
 211         t = ((uint8_t*)block)[length_B] >> (8 - (length_b & 7));
 212         t |= 0x01 << (length_b & 7);;
 213     }else{
 214         t = 0x01;
 215     }
 216     ctx->a[length_B] ^= t;
 217     if(length_b == ctx->r - 1){
 218         keccak_f1600(ctx->a);
 219     }
 220     ctx->a[ctx->bs - 1] ^= 0x80;
 221     keccak_f1600(ctx->a);
 222 }
 223
 224 void keccak_ctx2hash(void *dest, uint16_t length_b, keccak_ctx_t *ctx){
 225         while(length_b >= ctx->r){
 226                 memcpy(dest, ctx->a, ctx->bs);
 227                 dest = (uint8_t*)dest + ctx->bs;
 228                 length_b -= ctx->r;
 229                 keccak_f1600(ctx->a);
 230         }
 231         memcpy(dest, ctx->a, (length_b+7)/8);
 232 }
 233
 234 void keccak224_ctx2hash(void *dest, keccak_ctx_t *ctx){
 235         keccak_ctx2hash(dest, 224, ctx);
 236 }
 237
 238 void keccak256_ctx2hash(void *dest, keccak_ctx_t *ctx){
 239         keccak_ctx2hash(dest, 256, ctx);
 240 }
 241
 242 void keccak384_ctx2hash(void *dest, keccak_ctx_t *ctx){
 243         keccak_ctx2hash(dest, 384, ctx);
 244 }
 245
 246 void keccak512_ctx2hash(void *dest, keccak_ctx_t *ctx){
 247         keccak_ctx2hash(dest, 512, ctx);
 248 }
 249
 250 /*
 251   1. SHA3-224: ⌊Keccak[r = 1152, c =  448, d = 28]⌋224
 252   2. SHA3-256: ⌊Keccak[r = 1088, c =  512, d = 32]⌋256
 253   3. SHA3-384: ⌊Keccak[r =  832, c =  768, d = 48]⌋384
 254   4. SHA3-512: ⌊Keccak[r =  576, c = 1024, d = 64]⌋512
 255 */
 256 void keccak_init(uint16_t r, keccak_ctx_t *ctx){
 257         memset(ctx->a, 0x00, 5 * 5 * 8);
 258         ctx->r = r;
 259         ctx->bs = (uint8_t)(r / 8);
 260 }
 261
 262 void keccak224_init(keccak_ctx_t *ctx){
 263         keccak_init(1152, ctx);
 264 }
 265
 266 void keccak256_init(keccak_ctx_t *ctx){
 267         keccak_init(1088, ctx);
 268 }
 269
 270 void keccak384_init(keccak_ctx_t *ctx){
 271         keccak_init( 832, ctx);
 272 }
 273
 274 void keccak512_init(keccak_ctx_t *ctx){
 275         keccak_init( 576, ctx);
 276 }