testutils.c: Fix high bits of the mpz_urandomb used with mini-gmp.
[gd/nettle] / twofish.c
1 /* twofish.c
2
3    The twofish block cipher.
4
5    Copyright (C) 2001, 2014 Niels Möller
6    Copyright (C) 1999 Ruud de Rooij <ruud@debian.org>
7
8    Modifications for lsh, integrated testing
9    Copyright (C) 1999 J.H.M. Dassen (Ray) <jdassen@wi.LeidenUniv.nl>
10
11    This file is part of GNU Nettle.
12
13    GNU Nettle is free software: you can redistribute it and/or
14    modify it under the terms of either:
15
16      * the GNU Lesser General Public License as published by the Free
17        Software Foundation; either version 3 of the License, or (at your
18        option) any later version.
19
20    or
21
22      * the GNU General Public License as published by the Free
23        Software Foundation; either version 2 of the License, or (at your
24        option) any later version.
25
26    or both in parallel, as here.
27
28    GNU Nettle is distributed in the hope that it will be useful,
29    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
30    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
31    General Public License for more details.
32
33    You should have received copies of the GNU General Public License and
34    the GNU Lesser General Public License along with this program.  If
35    not, see http://www.gnu.org/licenses/.
36 */
37
38 #if HAVE_CONFIG_H
39 # include "config.h"
40 #endif
41
42 #include <assert.h>
43 #include <string.h>
44
45 #include "twofish.h"
46
47 #include "macros.h"
48
49 /* Bitwise rotations on 32-bit words.  These are defined as macros that
50  * evaluate their argument twice, so do not apply to any expressions with
51  * side effects.
52  */
53
54 #define rol1(x) (((x) << 1) | (((x) & 0x80000000) >> 31))
55 #define rol8(x) (((x) << 8) | (((x) & 0xFF000000) >> 24))
56 #define rol9(x) (((x) << 9) | (((x) & 0xFF800000) >> 23))
57 #define ror1(x) (((x) >> 1) | (((x) & 0x00000001) << 31))
58
59 /* ------------------------------------------------------------------------- */
60
61 /* The permutations q0 and q1.  These are fixed permutations on 8-bit values.
62  * The permutations have been computed using the program twofish-data,
63  * which is distributed along with this file.
64  */
65
66 static const uint8_t q0[256] = {
67   0xA9,0x67,0xB3,0xE8,0x04,0xFD,0xA3,0x76,
68   0x9A,0x92,0x80,0x78,0xE4,0xDD,0xD1,0x38,
69   0x0D,0xC6,0x35,0x98,0x18,0xF7,0xEC,0x6C,
70   0x43,0x75,0x37,0x26,0xFA,0x13,0x94,0x48,
71   0xF2,0xD0,0x8B,0x30,0x84,0x54,0xDF,0x23,
72   0x19,0x5B,0x3D,0x59,0xF3,0xAE,0xA2,0x82,
73   0x63,0x01,0x83,0x2E,0xD9,0x51,0x9B,0x7C,
74   0xA6,0xEB,0xA5,0xBE,0x16,0x0C,0xE3,0x61,
75   0xC0,0x8C,0x3A,0xF5,0x73,0x2C,0x25,0x0B,
76   0xBB,0x4E,0x89,0x6B,0x53,0x6A,0xB4,0xF1,
77   0xE1,0xE6,0xBD,0x45,0xE2,0xF4,0xB6,0x66,
78   0xCC,0x95,0x03,0x56,0xD4,0x1C,0x1E,0xD7,
79   0xFB,0xC3,0x8E,0xB5,0xE9,0xCF,0xBF,0xBA,
80   0xEA,0x77,0x39,0xAF,0x33,0xC9,0x62,0x71,
81   0x81,0x79,0x09,0xAD,0x24,0xCD,0xF9,0xD8,
82   0xE5,0xC5,0xB9,0x4D,0x44,0x08,0x86,0xE7,
83   0xA1,0x1D,0xAA,0xED,0x06,0x70,0xB2,0xD2,
84   0x41,0x7B,0xA0,0x11,0x31,0xC2,0x27,0x90,
85   0x20,0xF6,0x60,0xFF,0x96,0x5C,0xB1,0xAB,
86   0x9E,0x9C,0x52,0x1B,0x5F,0x93,0x0A,0xEF,
87   0x91,0x85,0x49,0xEE,0x2D,0x4F,0x8F,0x3B,
88   0x47,0x87,0x6D,0x46,0xD6,0x3E,0x69,0x64,
89   0x2A,0xCE,0xCB,0x2F,0xFC,0x97,0x05,0x7A,
90   0xAC,0x7F,0xD5,0x1A,0x4B,0x0E,0xA7,0x5A,
91   0x28,0x14,0x3F,0x29,0x88,0x3C,0x4C,0x02,
92   0xB8,0xDA,0xB0,0x17,0x55,0x1F,0x8A,0x7D,
93   0x57,0xC7,0x8D,0x74,0xB7,0xC4,0x9F,0x72,
94   0x7E,0x15,0x22,0x12,0x58,0x07,0x99,0x34,
95   0x6E,0x50,0xDE,0x68,0x65,0xBC,0xDB,0xF8,
96   0xC8,0xA8,0x2B,0x40,0xDC,0xFE,0x32,0xA4,
97   0xCA,0x10,0x21,0xF0,0xD3,0x5D,0x0F,0x00,
98   0x6F,0x9D,0x36,0x42,0x4A,0x5E,0xC1,0xE0,
99 };
100
101 static const uint8_t q1[256] = {
102   0x75,0xF3,0xC6,0xF4,0xDB,0x7B,0xFB,0xC8,
103   0x4A,0xD3,0xE6,0x6B,0x45,0x7D,0xE8,0x4B,
104   0xD6,0x32,0xD8,0xFD,0x37,0x71,0xF1,0xE1,
105   0x30,0x0F,0xF8,0x1B,0x87,0xFA,0x06,0x3F,
106   0x5E,0xBA,0xAE,0x5B,0x8A,0x00,0xBC,0x9D,
107   0x6D,0xC1,0xB1,0x0E,0x80,0x5D,0xD2,0xD5,
108   0xA0,0x84,0x07,0x14,0xB5,0x90,0x2C,0xA3,
109   0xB2,0x73,0x4C,0x54,0x92,0x74,0x36,0x51,
110   0x38,0xB0,0xBD,0x5A,0xFC,0x60,0x62,0x96,
111   0x6C,0x42,0xF7,0x10,0x7C,0x28,0x27,0x8C,
112   0x13,0x95,0x9C,0xC7,0x24,0x46,0x3B,0x70,
113   0xCA,0xE3,0x85,0xCB,0x11,0xD0,0x93,0xB8,
114   0xA6,0x83,0x20,0xFF,0x9F,0x77,0xC3,0xCC,
115   0x03,0x6F,0x08,0xBF,0x40,0xE7,0x2B,0xE2,
116   0x79,0x0C,0xAA,0x82,0x41,0x3A,0xEA,0xB9,
117   0xE4,0x9A,0xA4,0x97,0x7E,0xDA,0x7A,0x17,
118   0x66,0x94,0xA1,0x1D,0x3D,0xF0,0xDE,0xB3,
119   0x0B,0x72,0xA7,0x1C,0xEF,0xD1,0x53,0x3E,
120   0x8F,0x33,0x26,0x5F,0xEC,0x76,0x2A,0x49,
121   0x81,0x88,0xEE,0x21,0xC4,0x1A,0xEB,0xD9,
122   0xC5,0x39,0x99,0xCD,0xAD,0x31,0x8B,0x01,
123   0x18,0x23,0xDD,0x1F,0x4E,0x2D,0xF9,0x48,
124   0x4F,0xF2,0x65,0x8E,0x78,0x5C,0x58,0x19,
125   0x8D,0xE5,0x98,0x57,0x67,0x7F,0x05,0x64,
126   0xAF,0x63,0xB6,0xFE,0xF5,0xB7,0x3C,0xA5,
127   0xCE,0xE9,0x68,0x44,0xE0,0x4D,0x43,0x69,
128   0x29,0x2E,0xAC,0x15,0x59,0xA8,0x0A,0x9E,
129   0x6E,0x47,0xDF,0x34,0x35,0x6A,0xCF,0xDC,
130   0x22,0xC9,0xC0,0x9B,0x89,0xD4,0xED,0xAB,
131   0x12,0xA2,0x0D,0x52,0xBB,0x02,0x2F,0xA9,
132   0xD7,0x61,0x1E,0xB4,0x50,0x04,0xF6,0xC2,
133   0x16,0x25,0x86,0x56,0x55,0x09,0xBE,0x91,
134 };
135
136 /* ------------------------------------------------------------------------- */
137
138 /* uint32_t gf_multiply(uint8_t p, uint8_t a, uint8_t b)
139  *
140  * Multiplication in GF(2^8). Larger return type, to avoid need for
141  * type casts when the return value is shifted left.
142  *
143  * This function multiplies a times b in the Galois Field GF(2^8) with
144  * primitive polynomial p.
145  * The representation of the polynomials a, b, and p uses bits with
146  * values 2^i to represent the terms x^i.  The polynomial p contains an
147  * implicit term x^8.
148  *
149  * Note that addition and subtraction in GF(2^8) is simply the XOR
150  * operation.
151  */
152
153 static uint32_t
154 gf_multiply(uint8_t p, uint8_t a, uint8_t b)
155 {
156   uint32_t shift  = b;
157   uint8_t result = 0;
158   while (a)
159     {
160       if (a & 1) result ^= shift;
161       a = a >> 1;
162       shift = shift << 1;
163       if (shift & 0x100) shift ^= p;
164     }
165   return result;
166 }
167
168 /* ------------------------------------------------------------------------- */
169
170 /* The matrix RS as specified in section 4.3 the twofish paper. */
171
172 static const uint8_t rs_matrix[4][8] = {
173     { 0x01, 0xA4, 0x55, 0x87, 0x5A, 0x58, 0xDB, 0x9E },
174     { 0xA4, 0x56, 0x82, 0xF3, 0x1E, 0xC6, 0x68, 0xE5 },
175     { 0x02, 0xA1, 0xFC, 0xC1, 0x47, 0xAE, 0x3D, 0x19 },
176     { 0xA4, 0x55, 0x87, 0x5A, 0x58, 0xDB, 0x9E, 0x03 } };
177
178 /* uint32_t compute_s(uint32_t m1, uint32_t m2);
179  *
180  * Computes the value RS * M, where M is a byte vector composed of the
181  * bytes of m1 and m2.  Arithmetic is done in GF(2^8) with primitive
182  * polynomial x^8 + x^6 + x^3 + x^2 + 1.
183  *
184  * This function is used to compute the sub-keys S which are in turn used
185  * to generate the S-boxes.
186  */
187
188 static uint32_t
189 compute_s(uint32_t m1, uint32_t m2)
190 {
191   uint32_t s = 0;
192   int i;
193   for (i = 0; i < 4; i++)
194     s |=  ((  gf_multiply(0x4D, m1,       rs_matrix[i][0])
195             ^ gf_multiply(0x4D, m1 >> 8,  rs_matrix[i][1])
196             ^ gf_multiply(0x4D, m1 >> 16, rs_matrix[i][2])
197             ^ gf_multiply(0x4D, m1 >> 24, rs_matrix[i][3])
198             ^ gf_multiply(0x4D, m2,       rs_matrix[i][4])
199             ^ gf_multiply(0x4D, m2 >> 8,  rs_matrix[i][5])
200             ^ gf_multiply(0x4D, m2 >> 16, rs_matrix[i][6])
201             ^ gf_multiply(0x4D, m2 >> 24, rs_matrix[i][7])) << (i*8));
202   return s;
203 }
204
205 /* ------------------------------------------------------------------------- */
206
207 /* This table describes which q S-boxes are used for each byte in each stage
208  * of the function h, cf. figure 2 of the twofish paper.
209  */
210
211 static const uint8_t * const q_table[4][5] =
212   { { q1, q1, q0, q0, q1 },
213     { q0, q1, q1, q0, q0 },
214     { q0, q0, q0, q1, q1 },
215     { q1, q0, q1, q1, q0 } };
216
217 /* The matrix MDS as specified in section 4.3.2 of the twofish paper. */
218
219 static const uint8_t mds_matrix[4][4] = { { 0x01, 0xEF, 0x5B, 0x5B },
220                                  { 0x5B, 0xEF, 0xEF, 0x01 },
221                                  { 0xEF, 0x5B, 0x01, 0xEF },
222                                  { 0xEF, 0x01, 0xEF, 0x5B } };
223
224 /* uint32_t h_uint8_t(int k, int i, uint8_t x, uint8_t l0, uint8_t l1, uint8_t l2, uint8_t l3);
225  *
226  * Perform the h function (section 4.3.2) on one byte.  It consists of
227  * repeated applications of the q permutation, followed by a XOR with
228  * part of a sub-key.  Finally, the value is multiplied by one column of
229  * the MDS matrix.  To obtain the result for a full word, the results of
230  * h for the individual bytes are XORed.
231  *
232  * k is the key size (/ 64 bits), i is the byte number (0 = LSB), x is the
233  * actual byte to apply the function to; l0, l1, l2, and l3 are the
234  * appropriate bytes from the subkey.  Note that only l0..l(k-1) are used.
235  */
236
237 static uint32_t
238 h_byte(int k, int i, uint8_t x, uint8_t l0, uint8_t l1, uint8_t l2, uint8_t l3)
239 {
240   uint8_t y = q_table[i][4][l0 ^
241             q_table[i][3][l1 ^
242               q_table[i][2][k == 2 ? x : l2 ^
243                 q_table[i][1][k == 3 ? x : l3 ^ q_table[i][0][x]]]]];
244
245   return ( (gf_multiply(0x69, mds_matrix[0][i], y))
246            | (gf_multiply(0x69, mds_matrix[1][i], y) << 8)
247            | (gf_multiply(0x69, mds_matrix[2][i], y) << 16)
248            | (gf_multiply(0x69, mds_matrix[3][i], y) << 24) );
249 }
250
251 /* uint32_t h(int k, uint8_t x, uint32_t l0, uint32_t l1, uint32_t l2, uint32_t l3);
252  *
253  * Perform the function h on a word.  See the description of h_byte() above.
254  */
255
256 static uint32_t
257 h(int k, uint8_t x, uint32_t l0, uint32_t l1, uint32_t l2, uint32_t l3)
258 {
259   return (  h_byte(k, 0, x, l0,       l1,       l2,       l3)
260           ^ h_byte(k, 1, x, l0 >> 8,  l1 >> 8,  l2 >> 8,  l3 >> 8)
261           ^ h_byte(k, 2, x, l0 >> 16, l1 >> 16, l2 >> 16, l3 >> 16)
262           ^ h_byte(k, 3, x, l0 >> 24, l1 >> 24, l2 >> 24, l3 >> 24) );
263 }
264
265
266 /* ------------------------------------------------------------------------- */
267
268 /* API */
269
270 /* Structure which contains the tables containing the subkeys and the
271  * key-dependent s-boxes.
272  */
273
274
275 /* Set up internal tables required for twofish encryption and decryption.
276  *
277  * The key size is specified in bytes.  Key sizes up to 32 bytes are
278  * supported.  Larger key sizes are silently truncated.  
279  */
280
281 void
282 twofish_set_key(struct twofish_ctx *context,
283                 size_t keysize, const uint8_t *key)
284 {
285   uint8_t key_copy[32];
286   uint32_t m[8], s[4], t;
287   int i, j, k;
288
289   /* Extend key as necessary */
290
291   assert(keysize <= 32);
292
293   /* We do a little more copying than necessary, but that doesn't
294    * really matter. */
295   memset(key_copy, 0, 32);
296   memcpy(key_copy, key, keysize);
297
298   for (i = 0; i<8; i++)
299     m[i] = LE_READ_UINT32(key_copy + i*4);
300   
301   if (keysize <= 16)
302     k = 2;
303   else if (keysize <= 24)
304     k = 3;
305   else
306     k = 4;
307
308   /* Compute sub-keys */
309
310   for (i = 0; i < 20; i++)
311     {
312       t = h(k, 2*i+1, m[1], m[3], m[5], m[7]);
313       t = rol8(t);
314       t += (context->keys[2*i] =
315             t + h(k, 2*i, m[0], m[2], m[4], m[6]));
316       t = rol9(t);
317       context->keys[2*i+1] = t;
318     }
319
320   /* Compute key-dependent S-boxes */
321
322   for (i = 0; i < k; i++)
323     s[k-1-i] = compute_s(m[2*i], m[2*i+1]);
324
325   for (i = 0; i < 4; i++)
326     for (j = 0; j < 256; j++)
327       context->s_box[i][j] = h_byte(k, i, j,
328                                     s[0] >> (i*8),
329                                     s[1] >> (i*8),
330                                     s[2] >> (i*8),
331                                     s[3] >> (i*8));
332 }
333
334 void
335 twofish128_set_key(struct twofish_ctx *context, const uint8_t *key)
336 {
337   twofish_set_key (context, TWOFISH128_KEY_SIZE, key);
338 }
339 void
340 twofish192_set_key(struct twofish_ctx *context, const uint8_t *key)
341 {
342   twofish_set_key (context, TWOFISH192_KEY_SIZE, key);
343 }
344 void
345 twofish256_set_key(struct twofish_ctx *context, const uint8_t *key)
346 {
347   twofish_set_key (context, TWOFISH256_KEY_SIZE, key);
348 }
349
350 /* Encrypt blocks of 16 bytes of data with the twofish algorithm.
351  *
352  * Before this function can be used, twofish_set_key() must be used in order to
353  * set up various tables required for the encryption algorithm.
354  * 
355  * This function always encrypts 16 bytes of plaintext to 16 bytes of
356  * ciphertext.  The memory areas of the plaintext and the ciphertext can
357  * overlap.
358  */
359
360 void
361 twofish_encrypt(const struct twofish_ctx *context,
362                 size_t length,
363                 uint8_t *ciphertext,
364                 const uint8_t *plaintext)
365 {
366   const uint32_t * keys        = context->keys;
367   const uint32_t (*s_box)[256] = context->s_box;
368
369   assert( !(length % TWOFISH_BLOCK_SIZE) );
370   for ( ; length; length -= TWOFISH_BLOCK_SIZE)
371     {  
372       uint32_t words[4];
373       uint32_t r0, r1, r2, r3, t0, t1;
374       int i;
375
376       for (i = 0; i<4; i++, plaintext += 4)
377         words[i] = LE_READ_UINT32(plaintext);
378
379       r0 = words[0] ^ keys[0];
380       r1 = words[1] ^ keys[1];
381       r2 = words[2] ^ keys[2];
382       r3 = words[3] ^ keys[3];
383   
384       for (i = 0; i < 8; i++) {
385         t1 = (  s_box[1][r1 & 0xFF]
386                 ^ s_box[2][(r1 >> 8) & 0xFF]
387                 ^ s_box[3][(r1 >> 16) & 0xFF]
388                 ^ s_box[0][(r1 >> 24) & 0xFF]);
389         t0 = (  s_box[0][r0 & 0xFF]
390                 ^ s_box[1][(r0 >> 8) & 0xFF]
391                 ^ s_box[2][(r0 >> 16) & 0xFF]
392                 ^ s_box[3][(r0 >> 24) & 0xFF]) + t1;
393         r3 = (t1 + t0 + keys[4*i+9]) ^ rol1(r3);
394         r2 = (t0 + keys[4*i+8]) ^ r2;
395         r2 = ror1(r2);
396
397         t1 = (  s_box[1][r3 & 0xFF]
398                 ^ s_box[2][(r3 >> 8) & 0xFF]
399                 ^ s_box[3][(r3 >> 16) & 0xFF]
400                 ^ s_box[0][(r3 >> 24) & 0xFF]);
401         t0 = (  s_box[0][r2 & 0xFF]
402                 ^ s_box[1][(r2 >> 8) & 0xFF]
403                 ^ s_box[2][(r2 >> 16) & 0xFF]
404                 ^ s_box[3][(r2 >> 24) & 0xFF]) + t1;
405         r1 = (t1 + t0 + keys[4*i+11]) ^ rol1(r1);
406         r0 = (t0 + keys[4*i+10]) ^ r0;
407         r0 = ror1(r0);
408       }
409
410       words[0] = r2 ^ keys[4];
411       words[1] = r3 ^ keys[5];
412       words[2] = r0 ^ keys[6];
413       words[3] = r1 ^ keys[7];
414
415       for (i = 0; i<4; i++, ciphertext += 4)
416         LE_WRITE_UINT32(ciphertext, words[i]);
417     }
418 }
419
420 /* Decrypt blocks of 16 bytes of data with the twofish algorithm.
421  *
422  * Before this function can be used, twofish_set_key() must be used in order to
423  * set up various tables required for the decryption algorithm.
424  * 
425  * This function always decrypts 16 bytes of ciphertext to 16 bytes of
426  * plaintext.  The memory areas of the plaintext and the ciphertext can
427  * overlap.
428  */
429
430 void
431 twofish_decrypt(const struct twofish_ctx *context,
432                 size_t length,
433                 uint8_t *plaintext,
434                 const uint8_t *ciphertext)
435
436 {
437   const uint32_t *keys  = context->keys;
438   const uint32_t (*s_box)[256] = context->s_box;
439
440   assert( !(length % TWOFISH_BLOCK_SIZE) );
441   for ( ; length; length -= TWOFISH_BLOCK_SIZE)
442     {  
443       uint32_t words[4];
444       uint32_t r0, r1, r2, r3, t0, t1;
445       int i;
446
447       for (i = 0; i<4; i++, ciphertext += 4)
448         words[i] = LE_READ_UINT32(ciphertext);
449
450       r0 = words[2] ^ keys[6];
451       r1 = words[3] ^ keys[7];
452       r2 = words[0] ^ keys[4];
453       r3 = words[1] ^ keys[5];
454
455       for (i = 0; i < 8; i++) {
456         t1 = (  s_box[1][r3 & 0xFF]
457                 ^ s_box[2][(r3 >> 8) & 0xFF]
458                 ^ s_box[3][(r3 >> 16) & 0xFF]
459                 ^ s_box[0][(r3 >> 24) & 0xFF]);
460         t0 = (  s_box[0][r2 & 0xFF]
461                 ^ s_box[1][(r2 >> 8) & 0xFF]
462                 ^ s_box[2][(r2 >> 16) & 0xFF]
463                 ^ s_box[3][(r2 >> 24) & 0xFF]) + t1;
464         r1 = (t1 + t0 + keys[39-4*i]) ^ r1;
465         r1 = ror1(r1);
466         r0 = (t0 + keys[38-4*i]) ^ rol1(r0);
467
468         t1 = (  s_box[1][r1 & 0xFF]
469                 ^ s_box[2][(r1 >> 8) & 0xFF]
470                 ^ s_box[3][(r1 >> 16) & 0xFF]
471                 ^ s_box[0][(r1 >> 24) & 0xFF]);
472         t0 = (  s_box[0][r0 & 0xFF]
473                 ^ s_box[1][(r0 >> 8) & 0xFF]
474                 ^ s_box[2][(r0 >> 16) & 0xFF]
475                 ^ s_box[3][(r0 >> 24) & 0xFF]) + t1;
476         r3 = (t1 + t0 + keys[37-4*i]) ^ r3;
477         r3 = ror1(r3);
478         r2 = (t0 + keys[36-4*i]) ^ rol1(r2);
479       }
480
481       words[0] = r0 ^ keys[0];
482       words[1] = r1 ^ keys[1];
483       words[2] = r2 ^ keys[2];
484       words[3] = r3 ^ keys[3];
485
486       for (i = 0; i<4; i++, plaintext += 4)
487         LE_WRITE_UINT32(plaintext, words[i]);
488     }
489 }