bmw_large.c

   1 /* bmw_large.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_large.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_large.h"
  32
  33 #define SHL64(a,n) ((a)<<(n))
  34 #define SHR64(a,n) ((a)>>(n))
  35 #define ROTL64(a,n) (((a)<<(n))|((a)>>(64-(n))))
  36 #define ROTR64(a,n) (((a)>>(n))|((a)<<(64-(n))))
  37
  38 #define BUG24 1
  39 #define F0_HACK 1
  40 #define DEBUG 0
  41 #if DEBUG
  42  #include "cli.h"
  43
  44  void ctx_dump(const bmw_large_ctx_t* ctx){
  45         uint8_t i;
  46         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== ctx dump ===="));
  47         for(i=0; i<16;++i){
  48                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n h["));
  49                 cli_hexdump(&i, 1);
  50                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  51                 cli_hexdump_rev(&(ctx->h[i]), 8);
  52         }
  53         cli_putstr_P(PSTR("\r\n counter = "));
  54         cli_hexdump(&(ctx->counter), 4);
  55  }
  56
  57  void dump_x(const uint64_t* q, uint8_t elements, char x){
  58         uint8_t i;
  59         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== "));
  60         cli_putc(x);
  61         cli_putstr_P(PSTR(" dump ===="));
  62         for(i=0; i<elements;++i){
  63                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n "));
  64                 cli_putc(x);
  65                 cli_putstr_P(PSTR("["));
  66                 cli_hexdump(&i, 1);
  67                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  68                 cli_hexdump_rev(&(q[i]), 8);
  69         }
  70  }
  71 #else
  72  #define ctx_dump(x)
  73  #define dump_x(a,b,c)
  74 #endif
  75
  76 uint64_t bmw_large_s0(uint64_t x){
  77         uint64_t r;
  78         r =   SHR64(x, 1)
  79                 ^ SHL64(x, 3)
  80                 ^ ROTL64(x, 4)
  81                 ^ ROTR64(x, 64-37);
  82         return r;
  83 }
  84
  85 uint64_t bmw_large_s1(uint64_t x){
  86         uint64_t r;
  87         r =   SHR64(x, 1)
  88                 ^ SHL64(x, 2)
  89                 ^ ROTL64(x,13)
  90                 ^ ROTR64(x,64-43);
  91         return r;
  92 }
  93
  94 uint64_t bmw_large_s2(uint64_t x){
  95         uint64_t r;
  96         r =   SHR64(x, 2)
  97                 ^ SHL64(x, 1)
  98                 ^ ROTL64(x, 19)
  99                 ^ ROTR64(x, 64-53);
 100         return r;
 101 }
 102
 103 uint64_t bmw_large_s3(uint64_t x){
 104         uint64_t r;
 105         r =   SHR64(x, 2)
 106                 ^ SHL64(x, 2)
 107                 ^ ROTL64(x, 28)
 108                 ^ ROTR64(x, 64-59);
 109         return r;
 110 }
 111
 112 uint64_t bmw_large_s4(uint64_t x){
 113         uint64_t r;
 114         r =   SHR64(x, 1)
 115                 ^ x;
 116         return r;
 117 }
 118
 119 uint64_t bmw_large_s5(uint64_t x){
 120         uint64_t r;
 121         r =   SHR64(x, 2)
 122                 ^ x;
 123         return r;
 124 }
 125
 126 uint64_t bmw_large_r1(uint64_t x){
 127         uint64_t r;
 128         r =   ROTL64(x, 5);
 129         return r;
 130 }
 131
 132 uint64_t bmw_large_r2(uint64_t x){
 133         uint64_t r;
 134         r =   ROTL64(x, 11);
 135         return r;
 136 }
 137
 138 uint64_t bmw_large_r3(uint64_t x){
 139         uint64_t r;
 140         r =   ROTL64(x, 27);
 141         return r;
 142 }
 143
 144 uint64_t bmw_large_r4(uint64_t x){
 145         uint64_t r;
 146         r =   ROTL64(x, 32);
 147         return r;
 148 }
 149
 150 uint64_t bmw_large_r5(uint64_t x){
 151         uint64_t r;
 152         r =   ROTR64(x, 64-37);
 153         return r;
 154 }
 155
 156 uint64_t bmw_large_r6(uint64_t x){
 157         uint64_t r;
 158         r =   ROTR64(x, 64-43);
 159         return r;
 160 }
 161
 162 uint64_t bmw_large_r7(uint64_t x){
 163         uint64_t r;
 164         r =   ROTR64(x, 64-53);
 165         return r;
 166 }
 167
 168 #define K 0x0555555555555555LL
 169 static
 170 uint64_t k_lut[] PROGMEM = {
 171         16LL*K, 17LL*K, 18LL*K, 19LL*K, 20LL*K, 21LL*K, 22LL*K, 23LL*K,
 172         24LL*K, 25LL*K, 26LL*K, 27LL*K, 28LL*K, 29LL*K, 30LL*K, 31LL*K };
 173
 174
 175 uint64_t bmw_large_expand1(uint8_t j, const uint64_t* q, const void* m){
 176         uint64_t(*s[])(uint64_t) = {bmw_large_s1, bmw_large_s2, bmw_large_s3, bmw_large_s0};
 177         union{
 178                 uint64_t v64;
 179                 uint32_t v32[2];
 180         } r;
 181         uint8_t i;
 182         /* r = 0x0555555555555555LL*(j+16); */
 183         r.v32[0] = pgm_read_dword(((uint8_t*)k_lut+8*j));
 184         r.v32[1] = pgm_read_dword(((uint8_t*)k_lut+8*j+4));
 185         for(i=0; i<16; ++i){
 186                 r.v64 += s[i%4](q[j+i]);
 187         }
 188         r.v64 += ((uint64_t*)m)[j];
 189         r.v64 += ((uint64_t*)m)[j+3];
 190         r.v64 -= ((uint64_t*)m)[j+10];
 191         return r.v64;
 192 }
 193
 194 uint64_t bmw_large_expand2(uint8_t j, const uint64_t* q, const void* m){
 195         uint64_t(*rf[])(uint64_t) = {bmw_large_r1, bmw_large_r2, bmw_large_r3,
 196                                      bmw_large_r4, bmw_large_r5, bmw_large_r6,
 197                                                              bmw_large_r7};
 198         union{
 199                 uint64_t v64;
 200                 uint32_t v32[2];
 201         } r;
 202         uint8_t i;
 203         /* r = 0x0555555555555555LL*(j+16); */
 204         r.v32[0] = pgm_read_dword(((uint8_t*)k_lut+8*j));
 205         r.v32[1] = pgm_read_dword(((uint8_t*)k_lut+8*j+4));
 206         for(i=0; i<14; i+=2){
 207                 r.v64 += q[j+i];
 208         }
 209         for(i=0; i<14; i+=2){
 210                 r.v64 += rf[i/2](q[j+i+1]);
 211         }
 212         r.v64 += bmw_large_s5(q[j+14]);
 213         r.v64 += bmw_large_s4(q[j+15]);
 214         r.v64 += ((uint64_t*)m)[j];
 215         r.v64 += ((uint64_t*)m)[(j+3)%16];
 216         r.v64 -= ((uint64_t*)m)[(j+10)%16];
 217         return r.v64;
 218 }
 219
 220 #if F0_HACK
 221 static
 222 uint8_t f0_lut[] PROGMEM ={
 223          5<<1, ( 7<<1)+1, (10<<1)+0, (13<<1)+0, (14<<1)+0,
 224          6<<1, ( 8<<1)+1, (11<<1)+0, (14<<1)+0, (15<<1)+1,
 225          0<<1, ( 7<<1)+0, ( 9<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
 226          0<<1, ( 1<<1)+1, ( 8<<1)+0, (10<<1)+1, (13<<1)+0,
 227          1<<1, ( 2<<1)+0, ( 9<<1)+0, (11<<1)+1, (14<<1)+1,
 228          3<<1, ( 2<<1)+1, (10<<1)+0, (12<<1)+1, (15<<1)+0,
 229          4<<1, ( 0<<1)+1, ( 3<<1)+1, (11<<1)+1, (13<<1)+0,
 230          1<<1, ( 4<<1)+1, ( 5<<1)+1, (12<<1)+1, (14<<1)+1,
 231          2<<1, ( 5<<1)+1, ( 6<<1)+1, (13<<1)+0, (15<<1)+1,
 232          0<<1, ( 3<<1)+1, ( 6<<1)+0, ( 7<<1)+1, (14<<1)+0,
 233          8<<1, ( 1<<1)+1, ( 4<<1)+1, ( 7<<1)+1, (15<<1)+0,
 234          8<<1, ( 0<<1)+1, ( 2<<1)+1, ( 5<<1)+1, ( 9<<1)+0,
 235          1<<1, ( 3<<1)+0, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (10<<1)+0,
 236          2<<1, ( 4<<1)+0, ( 7<<1)+0, (10<<1)+0, (11<<1)+0,
 237          3<<1, ( 5<<1)+1, ( 8<<1)+0, (11<<1)+1, (12<<1)+1,
 238         12<<1, ( 4<<1)+1, ( 6<<1)+1, ( 9<<1)+1, (13<<1)+0
 239 };
 240
 241 void bmw_large_f0(uint64_t* q, uint64_t* h, const void* m){
 242         uint8_t i,j=0,v,sign,l=4;
 243         uint64_t(*s[])(uint64_t)={ bmw_large_s0, bmw_large_s1, bmw_large_s2,
 244                                    bmw_large_s3, bmw_large_s4 };
 245         for(i=0; i<16; ++i){
 246                 h[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
 247         }
 248         dump_x(h, 16, 'T');
 249         memset(q, 0, 4*16);
 250         for(i=0; i<5*16; ++i){
 251                 v = pgm_read_byte(f0_lut+i);
 252                 sign = v&1;
 253                 v >>=1;
 254                 if(sign){
 255                         q[j] -= h[v];
 256                 }else{
 257                         q[j] += h[v];
 258                 }
 259                 if(i==l){
 260                         j++;
 261                         l+=5;
 262                 }
 263         }
 264         dump_x(q, 16, 'W');
 265         for(i=0; i<16; ++i){
 266                 q[i] = s[i%5](q[i]);
 267         }
 268 }
 269
 270 #else
 271 void bmw_large_f0(uint64_t* q, uint64_t* h, const void* m){
 272         uint8_t i;
 273         uint64_t(*s[])(uint64_t)={ bmw_large_s0, bmw_large_s1, bmw_large_s2,
 274                                    bmw_large_s3, bmw_large_s4 };
 275         for(i=0; i<16; ++i){
 276                 h[i] ^= ((uint64_t*)m)[i];
 277         }
 278         dump_x(t, 16, 'T');
 279         q[ 0] = (h[ 5] - h[ 7] + h[10] + h[13] + h[14]);
 280         q[ 1] = (h[ 6] - h[ 8] + h[11] + h[14] - h[15]);
 281         q[ 2] = (h[ 0] + h[ 7] + h[ 9] - h[12] + h[15]);
 282         q[ 3] = (h[ 0] - h[ 1] + h[ 8] - h[10] + h[13]);
 283         q[ 4] = (h[ 1] + h[ 2] + h[ 9] - h[11] - h[14]);
 284         q[ 5] = (h[ 3] - h[ 2] + h[10] - h[12] + h[15]);
 285         q[ 6] = (h[ 4] - h[ 0] - h[ 3] - h[11] + h[13]);
 286         q[ 7] = (h[ 1] - h[ 4] - h[ 5] - h[12] - h[14]);
 287         q[ 8] = (h[ 2] - h[ 5] - h[ 6] + h[13] - h[15]);
 288         q[ 9] = (h[ 0] - h[ 3] + h[ 6] - h[ 7] + h[14]);
 289         q[10] = (h[ 8] - h[ 1] - h[ 4] - h[ 7] + h[15]);
 290         q[11] = (h[ 8] - h[ 0] - h[ 2] - h[ 5] + h[ 9]);
 291         q[12] = (h[ 1] + h[ 3] - h[ 6] - h[ 9] + h[10]);
 292         q[13] = (h[ 2] + h[ 4] + h[ 7] + h[10] + h[11]);
 293         q[14] = (h[ 3] - h[ 5] + h[ 8] - h[11] - h[12]);
 294         q[15] = (h[12] - h[ 4] - h[ 6] - h[ 9] + h[13]);
 295         dump_x(q, 16, 'W');
 296         for(i=0; i<16; ++i){
 297                 q[i] = s[i%5](q[i]);
 298         }
 299 }
 300 #endif
 301
 302 void bmw_large_f1(uint64_t* q, const void* m){
 303         uint8_t i;
 304         q[16] = bmw_large_expand1(0, q, m);
 305         q[17] = bmw_large_expand1(1, q, m);
 306         for(i=2; i<16; ++i){
 307                 q[16+i] = bmw_large_expand2(i, q, m);
 308         }
 309 }
 310
 311 void bmw_large_f2(uint64_t* h, const uint64_t* q, const void* m){
 312         uint64_t xl=0, xh;
 313         uint8_t i;
 314         for(i=16;i<24;++i){
 315                 xl ^= q[i];
 316         }
 317         xh = xl;
 318         for(i=24;i<32;++i){
 319                 xh ^= q[i];
 320         }
 321 #if DEBUG
 322         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XL = "));
 323         cli_hexdump_rev(&xl, 4);
 324         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XH = "));
 325         cli_hexdump_rev(&xh, 4);
 326 #endif
 327         memcpy(h, m, 16*8);
 328         h[0] ^= SHL64(xh, 5) ^ SHR64(q[16], 5);
 329         h[1] ^= SHR64(xh, 7) ^ SHL64(q[17], 8);
 330         h[2] ^= SHR64(xh, 5) ^ SHL64(q[18], 5);
 331         h[3] ^= SHR64(xh, 1) ^ SHL64(q[19], 5);
 332         h[4] ^= SHR64(xh, 3) ^ q[20];
 333         h[5] ^= SHL64(xh, 6) ^ SHR64(q[21], 6);
 334         h[6] ^= SHR64(xh, 4) ^ SHL64(q[22], 6);
 335         h[7] ^= SHR64(xh,11) ^ SHL64(q[23], 2);
 336         for(i=0; i<8; ++i){
 337                 h[i] += xl ^ q[24+i] ^ q[i];
 338         }
 339         for(i=0; i<8; ++i){
 340                 h[8+i] ^= xh ^ q[24+i];
 341                 h[8+i] += ROTL64(h[(4+i)%8],i+9);
 342         }
 343         h[ 8] += SHL64(xl, 8) ^ q[23] ^ q[ 8];
 344         h[ 9] += SHR64(xl, 6) ^ q[16] ^ q[ 9];
 345         h[10] += SHL64(xl, 6) ^ q[17] ^ q[10];
 346         h[11] += SHL64(xl, 4) ^ q[18] ^ q[11];
 347         h[12] += SHR64(xl, 3) ^ q[19] ^ q[12];
 348         h[13] += SHR64(xl, 4) ^ q[20] ^ q[13];
 349         h[14] += SHR64(xl, 7) ^ q[21] ^ q[14];
 350         h[15] += SHR64(xl, 2) ^ q[22] ^ q[15];
 351 }
 352
 353 void bmw_large_nextBlock(bmw_large_ctx_t* ctx, const void* block){
 354         uint64_t q[32];
 355         dump_x(block, 16, 'M');
 356         bmw_large_f0(q, ctx->h, block);
 357         dump_x(q, 16, 'Q');
 358         bmw_large_f1(q, block);
 359         dump_x(q, 32, 'Q');
 360         bmw_large_f2(ctx->h, q, block);
 361         ctx->counter += 1;
 362         ctx_dump(ctx);
 363 }
 364
 365 void bmw_large_lastBlock(bmw_large_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 366         uint8_t buffer[128];
 367         while(length_b >= BMW_LARGE_BLOCKSIZE){
 368                 bmw_large_nextBlock(ctx, block);
 369                 length_b -= BMW_LARGE_BLOCKSIZE;
 370                 block = (uint8_t*)block + BMW_LARGE_BLOCKSIZE_B;
 371         }
 372         memset(buffer, 0, 128);
 373         memcpy(buffer, block, (length_b+7)/8);
 374         buffer[length_b>>3] |= 0x80 >> (length_b&0x07);
 375         if(length_b+1>128*8-64){
 376                 bmw_large_nextBlock(ctx, buffer);
 377                 memset(buffer, 0, 128-8);
 378                 ctx->counter -= 1;
 379         }
 380         *((uint64_t*)&(buffer[128-8])) = (uint64_t)(ctx->counter*1024LL)+(uint64_t)length_b;
 381         bmw_large_nextBlock(ctx, buffer);
 382 }
 383
 384 void bmw384_init(bmw384_ctx_t* ctx){
 385         uint8_t i;
 386         ctx->h[0] = 0x0001020304050607LL;
 387         for(i=1; i<16; ++i){
 388                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x0808080808080808LL;
 389         }
 390 #if BUG24
 391         ctx->h[6] = 0x3031323324353637LL;
 392 #endif
 393         ctx->counter=0;
 394         ctx_dump(ctx);
 395 }
 396
 397 void bmw512_init(bmw512_ctx_t* ctx){
 398         uint8_t i;
 399         ctx->h[0] = 0x8081828384858687LL;
 400         for(i=1; i<16; ++i){
 401                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x0808080808080808LL;
 402         }
 403         ctx->counter=0;
 404         ctx_dump(ctx);
 405 }
 406
 407 void bmw384_nextBlock(bmw384_ctx_t* ctx, const void* block){
 408         bmw_large_nextBlock(ctx, block);
 409 }
 410
 411 void bmw512_nextBlock(bmw512_ctx_t* ctx, const void* block){
 412         bmw_large_nextBlock(ctx, block);
 413 }
 414
 415 void bmw384_lastBlock(bmw384_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 416         bmw_large_lastBlock(ctx, block, length_b);
 417 }
 418
 419 void bmw512_lastBlock(bmw512_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 420         bmw_large_lastBlock(ctx, block, length_b);
 421 }
 422
 423 void bmw384_ctx2hash(void* dest, const bmw384_ctx_t* ctx){
 424         memcpy(dest, &(ctx->h[10]), 384/8);
 425 }
 426
 427 void bmw512_ctx2hash(void* dest, const bmw512_ctx_t* ctx){
 428         memcpy(dest, &(ctx->h[8]), 512/8);
 429 }
 430
 431 void bmw384(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 432         bmw_large_ctx_t ctx;
 433         bmw384_init(&ctx);
 434         while(length_b>=BMW_LARGE_BLOCKSIZE){
 435                 bmw_large_nextBlock(&ctx, msg);
 436                 length_b -= BMW_LARGE_BLOCKSIZE;
 437                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_LARGE_BLOCKSIZE_B;
 438         }
 439         bmw_large_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 440         bmw384_ctx2hash(dest, &ctx);
 441 }
 442
 443 void bmw512(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 444         bmw_large_ctx_t ctx;
 445         bmw512_init(&ctx);
 446         while(length_b>=BMW_LARGE_BLOCKSIZE){
 447                 bmw_large_nextBlock(&ctx, msg);
 448                 length_b -= BMW_LARGE_BLOCKSIZE;
 449                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_LARGE_BLOCKSIZE_B;
 450         }
 451         bmw_large_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 452         bmw512_ctx2hash(dest, &ctx);
 453 }
 454