khazad/khazad.c

   1 /* khazad.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 #include <stdint.h>
  21 #include <avr/pgmspace.h>
  22 #include <string.h>
  23 #include "gf256mul.h"
  24 #include "memxor.h"
  25 #include "khazad.h"
  26
  27 /*
  28   | | | |     | | | |
  29   V V V V     V V V V
  30  +-------+   +-------+
  31  |   P   |   |   Q   |
  32  +-------+   +-------+
  33   | | \ \     / / | |
  34   | |  \ \   / /  | |
  35   | |   \ \ / /   | |
  36   | |    \ X /    | |
  37   | |     X X     | |
  38   | |    / X \    | |
  39   | |   / / \ \   | |
  40   | |  / /   \ \  | |
  41   | | / /     \ \ | |
  42   | | | |     | | | |
  43   V V V V     V V V V
  44  +-------+   +-------+
  45  |   Q   |   |   P   |
  46  +-------+   +-------+
  47   | | \ \     / / | |
  48   | |  \ \   / /  | |
  49   | |   \ \ / /   | |
  50   | |    \ X /    | |
  51   | |     X X     | |
  52   | |    / X \    | |
  53   | |   / / \ \   | |
  54   | |  / /   \ \  | |
  55   | | / /     \ \ | |
  56   | | | |     | | | |
  57   V V V V     V V V V
  58  +-------+   +-------+
  59  |   P   |   |   Q   |
  60  +-------+   +-------+
  61   | | | |    | | | |
  62   V V V V    V V V V
  63
  64
  65 P:
  66 3x Fx Ex 0x 5x 4x Bx Cx Dx Ax 9x 6x 7x 8x 2x 1x
  67 Q:
  68 9x Ex 5x 6x Ax 2x 3x Cx Fx 0x 4x Dx 7x Bx 1x 8x
  69 */
  70
  71 static const uint8_t pq_lut[16] PROGMEM = {
  72         0x39, 0xFE, 0xE5, 0x06, 0x5A, 0x42, 0xB3, 0xCC,
  73         0xDF, 0xA0, 0x94, 0x6D, 0x77, 0x8B, 0x21, 0x18
  74 };
  75
  76 uint8_t khazad_sbox(uint8_t a){
  77         uint8_t b,c,d,e;
  78         b = pgm_read_byte(pq_lut+(a>>4))&0xf0;
  79         c = pgm_read_byte(pq_lut+(a&0xf))&0x0f;
  80         d = (b>>2)&0x0c;
  81         e = (c<<2)&0x30;
  82         b = (b&0xc0)|e;
  83         c = (c&0x03)|d;
  84         b = pgm_read_byte(pq_lut+(b>>4))<<4;
  85         c = pgm_read_byte(pq_lut+(c&0xf))>>4;
  86         d = (b>>2)&0x0c;
  87         e = (c<<2)&0x30;
  88         b = (b&0xc0)|e;
  89         c = (c&0x03)|d;
  90         b = pgm_read_byte(pq_lut+(b>>4))&0xf0;
  91         c = pgm_read_byte(pq_lut+(c&0xf))&0x0f;
  92         return b|c;
  93 }
  94
  95 static void gamma_1(uint8_t *a){
  96         uint8_t i;
  97         for(i=0; i<8; ++i){
  98                 *a = khazad_sbox(*a);
  99                 a++;
 100         }
 101 }
 102
 103 /******************************************************************************/
 104 /* p8 (x) = x^8 + x^4 + x^3 + x^2 + 1 */
 105 #define POLYNOM 0x1D
 106
 107 /*
 108  * 01x 03x 04x 05x 06x 08x 0Bx 07x
 109  * 03x 01x 05x 04x 08x 06x 07x 0Bx
 110  * 04x 05x 01x 03x 0Bx 07x 06x 08x
 111  * 05x 04x 03x 01x 07x 0Bx 08x 06x
 112  * 06x 08x 0Bx 07x 01x 03x 04x 05x
 113  * 08x 06x 07x 0Bx 03x 01x 05x 04x
 114  * 0Bx 07x 06x 08x 04x 05x 01x 03x
 115  * 07x 0Bx 08x 06x 05x 04x 03x 01x
 116  */
 117
 118 static const uint8_t h[8][4] PROGMEM = {
 119         { 0x13, 0x45, 0x68, 0xB7 },
 120         { 0x31, 0x54, 0x86, 0x7B },
 121         { 0x45, 0x13, 0xB7, 0x68 },
 122         { 0x54, 0x31, 0x7B, 0x86 },
 123         { 0x68, 0xB7, 0x13, 0x45 },
 124         { 0x86, 0x7B, 0x31, 0x54 },
 125         { 0xB7, 0x68, 0x45, 0x13 },
 126         { 0x7B, 0x86, 0x54, 0x31 }
 127 };
 128
 129 static void theta(uint8_t *a){
 130         uint8_t i,j,x,accu;
 131         uint8_t c[8];
 132         uint8_t *hp;
 133         hp = (uint8_t*)h;
 134         for(i=0; i<8; ++i){
 135                 accu = 0;
 136                 for(j=0; j<4; ++j){
 137                         x = pgm_read_byte(hp++);
 138                         accu ^= gf256mul(*a++, x>>4, POLYNOM);
 139                         accu ^= gf256mul(*a++, x&0xf, POLYNOM);
 140                 }
 141                 a -= 8;
 142                 c[i] = accu;
 143         }
 144         memcpy(a, c, 8);
 145 }
 146
 147 /******************************************************************************/
 148
 149 static void khazad_round(uint8_t *a, const uint8_t *k){
 150         gamma_1(a);
 151         theta(a);
 152         memxor(a, k, 8);
 153 }
 154
 155 /******************************************************************************/
 156
 157 void khazad_init(const void *key, khazad_ctx_t *ctx){
 158         uint8_t c[8];
 159         uint8_t i,r=0;
 160         for(i=0; i<8; ++i){
 161                 c[i] = khazad_sbox(r*8+i);
 162         }
 163         memcpy(ctx->k[r], (uint8_t*)key+8, 8);
 164         khazad_round(ctx->k[r], c);
 165         memxor(ctx->k[r], (uint8_t*)key, 8);
 166         r=1;
 167         for(i=0; i<8; ++i){
 168                         c[i] = khazad_sbox(r*8+i);
 169         }
 170         memcpy(ctx->k[r], ctx->k[r-1], 8);
 171         khazad_round(ctx->k[r], c);
 172         memxor(ctx->k[r], (uint8_t*)key+8, 8);
 173         for(r=2; r<9; ++r){
 174                 for(i=0; i<8; ++i){
 175                                 c[i] = khazad_sbox(r*8+i);
 176                 }
 177                 memcpy(ctx->k[r], ctx->k[r-1], 8);
 178                 khazad_round(ctx->k[r], c);
 179                 memxor(ctx->k[r], ctx->k[r-2], 8);
 180         }
 181 }
 182
 183 /******************************************************************************/
 184
 185 void khazad_enc(void *buffer, const khazad_ctx_t *ctx){
 186         uint8_t r;
 187         memxor(buffer, ctx->k[0], 8);
 188         for(r=1; r<8; ++r){
 189                 khazad_round(buffer, ctx->k[r]);
 190         }
 191         gamma_1(buffer);
 192         memxor(buffer, ctx->k[8], 8);
 193 }
 194
 195 /******************************************************************************/
 196
 197 void khazad_dec(void *buffer, const khazad_ctx_t *ctx){
 198         uint8_t r=7;
 199         memxor(buffer, ctx->k[8], 8);
 200         gamma_1(buffer);
 201         do{
 202                 memxor(buffer, ctx->k[r--], 8);
 203                 theta(buffer);
 204                 gamma_1(buffer);
 205         }while(r);
 206         memxor(buffer, ctx->k[0], 8);
 207 }
 208
 209
 210
 211