sys/opencrypto/gfmult.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2014 The FreeBSD Foundation
   3  *
   4  * This software was developed by John-Mark Gurney under
   5  * the sponsorship of the FreeBSD Foundation and
   6  * Rubicon Communications, LLC (Netgate).
   7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   8  * modification, are permitted provided that the following conditions
   9  * are met:
  10  * 1.  Redistributions of source code must retain the above copyright
  11  *     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  12  * 2.  Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  13  *     notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  14  *     documentation and/or other materials provided with the distribution.
  15  *
  16  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  17  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  18  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  19  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  20  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  21  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  22  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  23  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  24  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  25  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  26  * SUCH DAMAGE.
  27  *
  28  */
  29
  30 #include "gfmult.h"
  31
  32 #define REV_POLY_REDUCT 0xe1    /* 0x87 bit reversed */
  33
  34 /* reverse the bits of a nibble */
  35 static const uint8_t nib_rev[] = {
  36         0x0, 0x8, 0x4, 0xc, 0x2, 0xa, 0x6, 0xe,
  37         0x1, 0x9, 0x5, 0xd, 0x3, 0xb, 0x7, 0xf,
  38 };
  39
  40 /* calculate v * 2 */
  41 static inline struct gf128
  42 gf128_mulalpha(struct gf128 v)
  43 {
  44         uint64_t mask;
  45
  46         mask = !!(v.v[1] & 1);
  47         mask = ~(mask - 1);
  48         v.v[1] = (v.v[1] >> 1) | ((v.v[0] & 1) << 63);
  49         v.v[0] = (v.v[0] >> 1) ^ ((mask & REV_POLY_REDUCT) << 56);
  50
  51         return v;
  52 }
  53
  54 /*
  55  * Generate a table for 0-16 * h.  Store the results in the table w/ indexes
  56  * bit reversed, and the words striped across the values.
  57  */
  58 void
  59 gf128_genmultable(struct gf128 h, struct gf128table *t)
  60 {
  61         struct gf128 tbl[16];
  62         int i;
  63
  64         tbl[0] = MAKE_GF128(0, 0);
  65         tbl[1] = h;
  66
  67         for (i = 2; i < 16; i += 2) {
  68                 tbl[i] = gf128_mulalpha(tbl[i / 2]);
  69                 tbl[i + 1] = gf128_add(tbl[i], h);
  70         }
  71
  72         for (i = 0; i < 16; i++) {
  73                 t->a[nib_rev[i]] = tbl[i].v[0] >> 32;
  74                 t->b[nib_rev[i]] = tbl[i].v[0];
  75                 t->c[nib_rev[i]] = tbl[i].v[1] >> 32;
  76                 t->d[nib_rev[i]] = tbl[i].v[1];
  77         }
  78 }
  79
  80 /*
  81  * Generate tables containing h, h^2, h^3 and h^4, starting at 0.
  82  */
  83 void
  84 gf128_genmultable4(struct gf128 h, struct gf128table4 *t)
  85 {
  86         struct gf128 h2, h3, h4;
  87
  88         gf128_genmultable(h, &t->tbls[0]);
  89
  90         h2 = gf128_mul(h, &t->tbls[0]);
  91
  92         gf128_genmultable(h2, &t->tbls[1]);
  93
  94         h3 = gf128_mul(h, &t->tbls[1]);
  95         gf128_genmultable(h3, &t->tbls[2]);
  96
  97         h4 = gf128_mul(h2, &t->tbls[1]);
  98         gf128_genmultable(h4, &t->tbls[3]);
  99 }
 100
 101 /*
 102  * Read a row from the table.
 103  */
 104 static inline struct gf128
 105 readrow(struct gf128table *tbl, unsigned bits)
 106 {
 107         struct gf128 r;
 108
 109         bits = bits % 16;
 110
 111         r.v[0] = ((uint64_t)tbl->a[bits] << 32) | tbl->b[bits];
 112         r.v[1] = ((uint64_t)tbl->c[bits] << 32) | tbl->d[bits];
 113
 114         return r;
 115 }
 116
 117 /*
 118  * These are the reduction values.  Since we are dealing with bit reversed
 119  * version, the values need to be bit reversed, AND the indexes are also
 120  * bit reversed to make lookups quicker.
 121  */
 122 static uint16_t reduction[] = {
 123         0x0000, 0x1c20, 0x3840, 0x2460, 0x7080, 0x6ca0, 0x48c0, 0x54e0,
 124         0xe100, 0xfd20, 0xd940, 0xc560, 0x9180, 0x8da0, 0xa9c0, 0xb5e0,
 125 };
 126
 127 /*
 128  * Calculate:
 129  * (x*2^4 + word[3,0]*h) *
 130  * 2^4 + word[7,4]*h) *
 131  * ...
 132  * 2^4 + word[63,60]*h
 133  */
 134 static struct gf128
 135 gfmultword(uint64_t word, struct gf128 x, struct gf128table *tbl)
 136 {
 137         struct gf128 row;
 138         unsigned bits;
 139         unsigned redbits;
 140         int i;
 141
 142         for (i = 0; i < 64; i += 4) {
 143                 bits = word % 16;
 144
 145                 /* fetch row */
 146                 row = readrow(tbl, bits);
 147
 148                 /* x * 2^4 */
 149                 redbits = x.v[1] % 16;
 150                 x.v[1] = (x.v[1] >> 4) | (x.v[0] % 16) << 60;
 151                 x.v[0] >>= 4;
 152                 x.v[0] ^= (uint64_t)reduction[redbits] << (64 - 16);
 153
 154                 word >>= 4;
 155
 156                 x = gf128_add(x, row);
 157         }
 158
 159         return x;
 160 }
 161
 162 /*
 163  * Calculate
 164  * (x*2^4 + worda[3,0]*h^4+wordb[3,0]*h^3+...+wordd[3,0]*h) *
 165  * ...
 166  * 2^4 + worda[63,60]*h^4+ ... + wordd[63,60]*h
 167  *
 168  * Passing/returning struct is .5% faster than passing in via pointer on
 169  * amd64.
 170  */
 171 static struct gf128
 172 gfmultword4(uint64_t worda, uint64_t wordb, uint64_t wordc, uint64_t wordd,
 173     struct gf128 x, struct gf128table4 *tbl)
 174 {
 175         struct gf128 rowa, rowb, rowc, rowd;
 176         unsigned bitsa, bitsb, bitsc, bitsd;
 177         unsigned redbits;
 178         int i;
 179
 180         /*
 181          * XXX - nibble reverse words to save a shift? probably not as
 182          * nibble reverse would take 20 ops (5 * 4) verse 16
 183          */
 184
 185         for (i = 0; i < 64; i += 4) {
 186                 bitsa = worda % 16;
 187                 bitsb = wordb % 16;
 188                 bitsc = wordc % 16;
 189                 bitsd = wordd % 16;
 190
 191                 /* fetch row */
 192                 rowa = readrow(&tbl->tbls[3], bitsa);
 193                 rowb = readrow(&tbl->tbls[2], bitsb);
 194                 rowc = readrow(&tbl->tbls[1], bitsc);
 195                 rowd = readrow(&tbl->tbls[0], bitsd);
 196
 197                 /* x * 2^4 */
 198                 redbits = x.v[1] % 16;
 199                 x.v[1] = (x.v[1] >> 4) | (x.v[0] % 16) << 60;
 200                 x.v[0] >>= 4;
 201                 x.v[0] ^= (uint64_t)reduction[redbits] << (64 - 16);
 202
 203                 worda >>= 4;
 204                 wordb >>= 4;
 205                 wordc >>= 4;
 206                 wordd >>= 4;
 207
 208                 x = gf128_add(x, gf128_add(rowa, gf128_add(rowb,
 209                     gf128_add(rowc, rowd))));
 210         }
 211
 212         return x;
 213 }
 214
 215 struct gf128
 216 gf128_mul(struct gf128 v, struct gf128table *tbl)
 217 {
 218         struct gf128 ret;
 219
 220         ret = MAKE_GF128(0, 0);
 221
 222         ret = gfmultword(v.v[1], ret, tbl);
 223         ret = gfmultword(v.v[0], ret, tbl);
 224
 225         return ret;
 226 }
 227
 228 /*
 229  * Calculate a*h^4 + b*h^3 + c*h^2 + d*h, or:
 230  * (((a*h+b)*h+c)*h+d)*h
 231  */
 232 struct gf128
 233 gf128_mul4(struct gf128 a, struct gf128 b, struct gf128 c, struct gf128 d,
 234     struct gf128table4 *tbl)
 235 {
 236         struct gf128 tmp;
 237
 238         tmp = MAKE_GF128(0, 0);
 239
 240         tmp = gfmultword4(a.v[1], b.v[1], c.v[1], d.v[1], tmp, tbl);
 241         tmp = gfmultword4(a.v[0], b.v[0], c.v[0], d.v[0], tmp, tbl);
 242
 243         return tmp;
 244 }
 245
 246 /*
 247  * a = data[0..15] + r
 248  * b = data[16..31]
 249  * c = data[32..47]
 250  * d = data[48..63]
 251  *
 252  * Calculate a*h^4 + b*h^3 + c*h^2 + d*h, or:
 253  * (((a*h+b)*h+c)*h+d)*h
 254  */
 255 struct gf128
 256 gf128_mul4b(struct gf128 r, const uint8_t *v, struct gf128table4 *tbl)
 257 {
 258         struct gf128 a, b, c, d;
 259         struct gf128 tmp;
 260
 261         tmp = MAKE_GF128(0, 0);
 262
 263         a = gf128_add(r, gf128_read(&v[0*16]));
 264         b = gf128_read(&v[1*16]);
 265         c = gf128_read(&v[2*16]);
 266         d = gf128_read(&v[3*16]);
 267
 268         tmp = gfmultword4(a.v[1], b.v[1], c.v[1], d.v[1], tmp, tbl);
 269         tmp = gfmultword4(a.v[0], b.v[0], c.v[0], d.v[0], tmp, tbl);
 270
 271         return tmp;
 272 }