bmw_small.c

   1 /* bmw_small.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_small.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_small.h"
  32
  33
  34 #define SHL32(a,n) ((a)<<(n))
  35 #define SHR32(a,n) ((a)>>(n))
  36 #define ROTL32(a,n) (((a)<<(n))|((a)>>(32-(n))))
  37 #define ROTR32(a,n) (((a)>>(n))|((a)<<(32-(n))))
  38
  39 #define BUG24 1
  40
  41 #define DEBUG 0
  42 #if DEBUG
  43  #include "cli.h"
  44
  45  void ctx_dump(const bmw_small_ctx_t* ctx){
  46         uint8_t i;
  47         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== ctx dump ===="));
  48         for(i=0; i<16;++i){
  49                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n h["));
  50                 cli_hexdump(&i, 1);
  51                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  52                 cli_hexdump_rev(&(ctx->h[i]), 4);
  53         }
  54         cli_putstr_P(PSTR("\r\n counter = "));
  55         cli_hexdump(&(ctx->counter), 4);
  56  }
  57
  58  void dump_x(const uint32_t* q, uint8_t elements, char x){
  59         uint8_t i;
  60         cli_putstr_P(PSTR("\r\n==== "));
  61         cli_putc(x);
  62         cli_putstr_P(PSTR(" dump ===="));
  63         for(i=0; i<elements;++i){
  64                 cli_putstr_P(PSTR("\r\n "));
  65                 cli_putc(x);
  66                 cli_putstr_P(PSTR("["));
  67                 cli_hexdump(&i, 1);
  68                 cli_putstr_P(PSTR("] = "));
  69                 cli_hexdump_rev(&(q[i]), 4);
  70         }
  71  }
  72 #else
  73  #define ctx_dump(x)
  74  #define dump_x(a,b,c)
  75 #endif
  76
  77 uint32_t bmw_small_s0(uint32_t x){
  78         uint32_t r;
  79         r =   SHR32(x, 1)
  80                 ^ SHL32(x, 3)
  81                 ^ ROTL32(x, 4)
  82                 ^ ROTR32(x, 13);
  83         return r;
  84 }
  85
  86 uint32_t bmw_small_s1(uint32_t x){
  87         uint32_t r;
  88         r =   SHR32(x, 1)
  89                 ^ SHL32(x, 2)
  90                 ^ ROTL32(x, 8)
  91                 ^ ROTR32(x, 9);
  92         return r;
  93 }
  94
  95 uint32_t bmw_small_s2(uint32_t x){
  96         uint32_t r;
  97         r =   SHR32(x, 2)
  98                 ^ SHL32(x, 1)
  99                 ^ ROTL32(x, 12)
 100                 ^ ROTR32(x, 7);
 101         return r;
 102 }
 103
 104 uint32_t bmw_small_s3(uint32_t x){
 105         uint32_t r;
 106         r =   SHR32(x, 2)
 107                 ^ SHL32(x, 2)
 108                 ^ ROTL32(x, 15)
 109                 ^ ROTR32(x, 3);
 110         return r;
 111 }
 112
 113 uint32_t bmw_small_s4(uint32_t x){
 114         uint32_t r;
 115         r =   SHR32(x, 1)
 116                 ^ x;
 117         return r;
 118 }
 119
 120 uint32_t bmw_small_s5(uint32_t x){
 121         uint32_t r;
 122         r =   SHR32(x, 2)
 123                 ^ x;
 124         return r;
 125 }
 126
 127 uint32_t bmw_small_r1(uint32_t x){
 128         uint32_t r;
 129         r =   ROTL32(x, 3);
 130         return r;
 131 }
 132
 133 uint32_t bmw_small_r2(uint32_t x){
 134         uint32_t r;
 135         r =   ROTL32(x, 7);
 136         return r;
 137 }
 138
 139 uint32_t bmw_small_r3(uint32_t x){
 140         uint32_t r;
 141         r =   ROTL32(x, 13);
 142         return r;
 143 }
 144
 145 uint32_t bmw_small_r4(uint32_t x){
 146         uint32_t r;
 147         r =   ROTL32(x, 16);
 148         return r;
 149 }
 150
 151 uint32_t bmw_small_r5(uint32_t x){
 152         uint32_t r;
 153         r =   ROTR32(x, 13);
 154         return r;
 155 }
 156
 157 uint32_t bmw_small_r6(uint32_t x){
 158         uint32_t r;
 159         r =   ROTR32(x, 9);
 160         return r;
 161 }
 162
 163 uint32_t bmw_small_r7(uint32_t x){
 164         uint32_t r;
 165         r =   ROTR32(x, 5);
 166         return r;
 167 }
 168
 169 #define K 0x05555555L
 170 uint32_t k_lut[] PROGMEM = {
 171         16L*K, 17L*K, 18L*K, 19L*K, 20L*K, 21L*K, 22L*K, 23L*K,
 172         24L*K, 25L*K, 26L*K, 27L*K, 28L*K, 29L*K, 30L*K, 31L*K
 173 };
 174
 175 uint32_t bmw_small_expand1(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m){
 176         uint32_t(*s[])(uint32_t) = {bmw_small_s1, bmw_small_s2, bmw_small_s3, bmw_small_s0};
 177         uint32_t r;
 178         uint8_t i;
 179         /* r = 0x05555555*(j+16); */
 180         r = pgm_read_dword(k_lut+j);
 181         for(i=0; i<16; ++i){
 182                 r += s[i%4](q[j+i]);
 183         }
 184         r += ((uint32_t*)m)[j];
 185         r += ((uint32_t*)m)[j+3];
 186         r -= ((uint32_t*)m)[j+10];
 187         return r;
 188 }
 189
 190 uint32_t bmw_small_expand2(uint8_t j, const uint32_t* q, const void* m){
 191         uint32_t(*rf[])(uint32_t) = {bmw_small_r1, bmw_small_r2, bmw_small_r3,
 192                                      bmw_small_r4, bmw_small_r5, bmw_small_r6,
 193                                                              bmw_small_r7};
 194         uint32_t r;
 195         uint8_t i;
 196         /* r = 0x05555555*(j+16); */
 197         r = pgm_read_dword(k_lut+j);
 198         for(i=0; i<14; i+=2){
 199                 r += q[j+i];
 200         }
 201         for(i=0; i<14; i+=2){
 202                 r += rf[i/2](q[j+i+1]);
 203         }
 204         r += bmw_small_s5(q[j+14]);
 205         r += bmw_small_s4(q[j+15]);
 206         r += ((uint32_t*)m)[j];
 207         r += ((uint32_t*)m)[(j+3)%16];
 208         r -= ((uint32_t*)m)[(j+10)%16];
 209         return r;
 210 }
 211
 212 void bmw_small_f0(uint32_t* q, const uint32_t* h, const void* m){
 213         uint32_t t[16];
 214         uint8_t i;
 215         uint32_t(*s[])(uint32_t)={ bmw_small_s0, bmw_small_s1, bmw_small_s2,
 216                                    bmw_small_s3, bmw_small_s4 };
 217         for(i=0; i<16; ++i){
 218                 t[i] = h[i] ^ ((uint32_t*)m)[i];
 219         }
 220         dump_x(t, 16, 'T');
 221         q[ 0] = (t[ 5] - t[ 7] + t[10] + t[13] + t[14]);
 222         q[ 1] = (t[ 6] - t[ 8] + t[11] + t[14] - t[15]);
 223         q[ 2] = (t[ 0] + t[ 7] + t[ 9] - t[12] + t[15]);
 224         q[ 3] = (t[ 0] - t[ 1] + t[ 8] - t[10] + t[13]);
 225         q[ 4] = (t[ 1] + t[ 2] + t[ 9] - t[11] - t[14]);
 226         q[ 5] = (t[ 3] - t[ 2] + t[10] - t[12] + t[15]);
 227         q[ 6] = (t[ 4] - t[ 0] - t[ 3] - t[11] + t[13]);
 228         q[ 7] = (t[ 1] - t[ 4] - t[ 5] - t[12] - t[14]);
 229         q[ 8] = (t[ 2] - t[ 5] - t[ 6] + t[13] - t[15]);
 230         q[ 9] = (t[ 0] - t[ 3] + t[ 6] - t[ 7] + t[14]);
 231         q[10] = (t[ 8] - t[ 1] - t[ 4] - t[ 7] + t[15]);
 232         q[11] = (t[ 8] - t[ 0] - t[ 2] - t[ 5] + t[ 9]);
 233         q[12] = (t[ 1] + t[ 3] - t[ 6] - t[ 9] + t[10]);
 234         q[13] = (t[ 2] + t[ 4] + t[ 7] + t[10] + t[11]);
 235         q[14] = (t[ 3] - t[ 5] + t[ 8] - t[11] - t[12]);
 236         q[15] = (t[12] - t[ 4] - t[ 6] - t[ 9] + t[13]);
 237         dump_x(q, 16, 'W');
 238         for(i=0; i<16; ++i){
 239                 q[i] = s[i%5](q[i]);
 240         }
 241 }
 242
 243 void bmw_small_f1(uint32_t* q, const void* m){
 244         uint8_t i;
 245         q[16] = bmw_small_expand1(0, q, m);
 246         q[17] = bmw_small_expand1(1, q, m);
 247         for(i=2; i<16; ++i){
 248                 q[16+i] = bmw_small_expand2(i, q, m);
 249         }
 250 }
 251
 252 void bmw_small_f2(uint32_t* h, const uint32_t* q, const void* m){
 253         uint32_t xl=0, xh;
 254         uint8_t i;
 255         for(i=16;i<24;++i){
 256                 xl ^= q[i];
 257         }
 258         xh = xl;
 259         for(i=24;i<32;++i){
 260                 xh ^= q[i];
 261         }
 262 #if DEBUG
 263         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XL = "));
 264         cli_hexdump_rev(&xl, 4);
 265         cli_putstr_P(PSTR("\r\n XH = "));
 266         cli_hexdump_rev(&xh, 4);
 267 #endif
 268         memcpy(h, m, 16*4);
 269         h[0] ^= SHL32(xh, 5) ^ SHR32(q[16], 5);
 270         h[1] ^= SHR32(xh, 7) ^ SHL32(q[17], 8);
 271         h[2] ^= SHR32(xh, 5) ^ SHL32(q[18], 5);
 272         h[3] ^= SHR32(xh, 1) ^ SHL32(q[19], 5);
 273         h[4] ^= SHR32(xh, 3) ^ q[20];
 274         h[5] ^= SHL32(xh, 6) ^ SHR32(q[21], 6);
 275         h[6] ^= SHR32(xh, 4) ^ SHL32(q[22], 6);
 276         h[7] ^= SHR32(xh,11) ^ SHL32(q[23], 2);
 277         for(i=0; i<8; ++i){
 278                 h[i] += xl ^ q[24+i] ^ q[i];
 279         }
 280         for(i=0; i<8; ++i){
 281                 h[8+i] ^= xh ^ q[24+i];
 282                 h[8+i] += ROTL32(h[(4+i)%8],i+9);
 283         }
 284         h[ 8] += SHL32(xl, 8) ^ q[23] ^ q[ 8];
 285         h[ 9] += SHR32(xl, 6) ^ q[16] ^ q[ 9];
 286         h[10] += SHL32(xl, 6) ^ q[17] ^ q[10];
 287         h[11] += SHL32(xl, 4) ^ q[18] ^ q[11];
 288         h[12] += SHR32(xl, 3) ^ q[19] ^ q[12];
 289         h[13] += SHR32(xl, 4) ^ q[20] ^ q[13];
 290         h[14] += SHR32(xl, 7) ^ q[21] ^ q[14];
 291         h[15] += SHR32(xl, 2) ^ q[22] ^ q[15];
 292 }
 293
 294 void bmw_small_nextBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block){
 295         uint32_t q[32];
 296         dump_x(block, 16, 'M');
 297         bmw_small_f0(q, ctx->h, block);
 298         dump_x(q, 16, 'Q');
 299         bmw_small_f1(q, block);
 300         dump_x(q, 32, 'Q');
 301         bmw_small_f2(ctx->h, q, block);
 302         ctx->counter += 1;
 303         ctx_dump(ctx);
 304 }
 305
 306 void bmw_small_lastBlock(bmw_small_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 307         uint8_t buffer[64];
 308         while(length_b >= BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 309                 bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 310                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 311                 block = (uint8_t*)block + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 312         }
 313         memset(buffer, 0, 64);
 314         memcpy(buffer, block, (length_b+7)/8);
 315         buffer[length_b>>3] |= 0x80 >> (length_b&0x07);
 316         if(length_b+1>64*8-64){
 317                 bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 318                 memset(buffer, 0, 64-8);
 319                 ctx->counter -= 1;
 320         }
 321         *((uint64_t*)&(buffer[64-8])) = (uint64_t)(ctx->counter*512LL)+(uint64_t)length_b;
 322         bmw_small_nextBlock(ctx, buffer);
 323 }
 324
 325 void bmw224_init(bmw224_ctx_t* ctx){
 326         uint8_t i;
 327         ctx->h[0] = 0x00010203;
 328         for(i=1; i<16; ++i){
 329                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 330         }
 331 #if BUG24
 332         ctx->h[13] = 0x24353637;
 333 #endif
 334         ctx->counter=0;
 335         ctx_dump(ctx);
 336 }
 337
 338 void bmw256_init(bmw256_ctx_t* ctx){
 339         uint8_t i;
 340         ctx->h[0] = 0x40414243;
 341         for(i=1; i<16; ++i){
 342                 ctx->h[i] = ctx->h[i-1]+ 0x04040404;
 343         }
 344         ctx->counter=0;
 345         ctx_dump(ctx);
 346 }
 347
 348 void bmw224_nextBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block){
 349         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 350 }
 351
 352 void bmw256_nextBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block){
 353         bmw_small_nextBlock(ctx, block);
 354 }
 355
 356 void bmw224_lastBlock(bmw224_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 357         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 358 }
 359
 360 void bmw256_lastBlock(bmw256_ctx_t* ctx, const void* block, uint16_t length_b){
 361         bmw_small_lastBlock(ctx, block, length_b);
 362 }
 363
 364 void bmw224_ctx2hash(void* dest, const bmw224_ctx_t* ctx){
 365         memcpy(dest, &(ctx->h[9]), 224/8);
 366 }
 367
 368 void bmw256_ctx2hash(void* dest, const bmw256_ctx_t* ctx){
 369         memcpy(dest, &(ctx->h[8]), 256/8);
 370 }
 371
 372 void bmw224(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 373         bmw_small_ctx_t ctx;
 374         bmw224_init(&ctx);
 375         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 376                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 377                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 378                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 379         }
 380         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 381         bmw224_ctx2hash(dest, &ctx);
 382 }
 383
 384 void bmw256(void* dest, const void* msg, uint32_t length_b){
 385         bmw_small_ctx_t ctx;
 386         bmw256_init(&ctx);
 387         while(length_b>=BMW_SMALL_BLOCKSIZE){
 388                 bmw_small_nextBlock(&ctx, msg);
 389                 length_b -= BMW_SMALL_BLOCKSIZE;
 390                 msg = (uint8_t*)msg + BMW_SMALL_BLOCKSIZE_B;
 391         }
 392         bmw_small_lastBlock(&ctx, msg, length_b);
 393         bmw256_ctx2hash(dest, &ctx);
 394 }
 395