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  *      $FreeBSD$
  29  *
  30  */
  31
  32 #include "gfmult.h"
  33
  34 #define REV_POLY_REDUCT 0xe1    /* 0x87 bit reversed */
  35
  36 /* reverse the bits of a nibble */
  37 static const uint8_t nib_rev[] = {
  38         0x0, 0x8, 0x4, 0xc, 0x2, 0xa, 0x6, 0xe,
  39         0x1, 0x9, 0x5, 0xd, 0x3, 0xb, 0x7, 0xf,
  40 };
  41
  42 /* calculate v * 2 */
  43 static inline struct gf128
  44 gf128_mulalpha(struct gf128 v)
  45 {
  46         uint64_t mask;
  47
  48         mask = !!(v.v[1] & 1);
  49         mask = ~(mask - 1);
  50         v.v[1] = (v.v[1] >> 1) | ((v.v[0] & 1) << 63);
  51         v.v[0] = (v.v[0] >> 1) ^ ((mask & REV_POLY_REDUCT) << 56);
  52
  53         return v;
  54 }
  55
  56 /*
  57  * Generate a table for 0-16 * h.  Store the results in the table w/ indexes
  58  * bit reversed, and the words striped across the values.
  59  */
  60 void
  61 gf128_genmultable(struct gf128 h, struct gf128table *t)
  62 {
  63         struct gf128 tbl[16];
  64         int i;
  65
  66         tbl[0] = MAKE_GF128(0, 0);
  67         tbl[1] = h;
  68
  69         for (i = 2; i < 16; i += 2) {
  70                 tbl[i] = gf128_mulalpha(tbl[i / 2]);
  71                 tbl[i + 1] = gf128_add(tbl[i], h);
  72         }
  73
  74         for (i = 0; i < 16; i++) {
  75                 t->a[nib_rev[i]] = tbl[i].v[0] >> 32;
  76                 t->b[nib_rev[i]] = tbl[i].v[0];
  77                 t->c[nib_rev[i]] = tbl[i].v[1] >> 32;
  78                 t->d[nib_rev[i]] = tbl[i].v[1];
  79         }
  80 }
  81
  82 /*
  83  * Generate tables containing h, h^2, h^3 and h^4, starting at 0.
  84  */
  85 void
  86 gf128_genmultable4(struct gf128 h, struct gf128table4 *t)
  87 {
  88         struct gf128 h2, h3, h4;
  89
  90         gf128_genmultable(h, &t->tbls[0]);
  91
  92         h2 = gf128_mul(h, &t->tbls[0]);
  93
  94         gf128_genmultable(h2, &t->tbls[1]);
  95
  96         h3 = gf128_mul(h, &t->tbls[1]);
  97         gf128_genmultable(h3, &t->tbls[2]);
  98
  99         h4 = gf128_mul(h2, &t->tbls[1]);
 100         gf128_genmultable(h4, &t->tbls[3]);
 101 }
 102
 103 /*
 104  * Read a row from the table.
 105  */
 106 static inline struct gf128
 107 readrow(struct gf128table *tbl, unsigned bits)
 108 {
 109         struct gf128 r;
 110
 111         bits = bits % 16;
 112
 113         r.v[0] = ((uint64_t)tbl->a[bits] << 32) | tbl->b[bits];
 114         r.v[1] = ((uint64_t)tbl->c[bits] << 32) | tbl->d[bits];
 115
 116         return r;
 117 }
 118
 119 /*
 120  * These are the reduction values.  Since we are dealing with bit reversed
 121  * version, the values need to be bit reversed, AND the indexes are also
 122  * bit reversed to make lookups quicker.
 123  */
 124 static uint16_t reduction[] = {
 125         0x0000, 0x1c20, 0x3840, 0x2460, 0x7080, 0x6ca0, 0x48c0, 0x54e0,
 126         0xe100, 0xfd20, 0xd940, 0xc560, 0x9180, 0x8da0, 0xa9c0, 0xb5e0,
 127 };
 128
 129 /*
 130  * Calculate:
 131  * (x*2^4 + word[3,0]*h) *
 132  * 2^4 + word[7,4]*h) *
 133  * ...
 134  * 2^4 + word[63,60]*h
 135  */
 136 static struct gf128
 137 gfmultword(uint64_t word, struct gf128 x, struct gf128table *tbl)
 138 {
 139         struct gf128 row;
 140         unsigned bits;
 141         unsigned redbits;
 142         int i;
 143
 144         for (i = 0; i < 64; i += 4) {
 145                 bits = word % 16;
 146
 147                 /* fetch row */
 148                 row = readrow(tbl, bits);
 149
 150                 /* x * 2^4 */
 151                 redbits = x.v[1] % 16;
 152                 x.v[1] = (x.v[1] >> 4) | (x.v[0] % 16) << 60;
 153                 x.v[0] >>= 4;
 154                 x.v[0] ^= (uint64_t)reduction[redbits] << (64 - 16);
 155
 156                 word >>= 4;
 157
 158                 x = gf128_add(x, row);
 159         }
 160
 161         return x;
 162 }
 163
 164 /*
 165  * Calculate
 166  * (x*2^4 + worda[3,0]*h^4+wordb[3,0]*h^3+...+wordd[3,0]*h) *
 167  * ...
 168  * 2^4 + worda[63,60]*h^4+ ... + wordd[63,60]*h
 169  *
 170  * Passing/returning struct is .5% faster than passing in via pointer on
 171  * amd64.
 172  */
 173 static struct gf128
 174 gfmultword4(uint64_t worda, uint64_t wordb, uint64_t wordc, uint64_t wordd,
 175     struct gf128 x, struct gf128table4 *tbl)
 176 {
 177         struct gf128 rowa, rowb, rowc, rowd;
 178         unsigned bitsa, bitsb, bitsc, bitsd;
 179         unsigned redbits;
 180         int i;
 181
 182         /*
 183          * XXX - nibble reverse words to save a shift? probably not as
 184          * nibble reverse would take 20 ops (5 * 4) verse 16
 185          */
 186
 187         for (i = 0; i < 64; i += 4) {
 188                 bitsa = worda % 16;
 189                 bitsb = wordb % 16;
 190                 bitsc = wordc % 16;
 191                 bitsd = wordd % 16;
 192
 193                 /* fetch row */
 194                 rowa = readrow(&tbl->tbls[3], bitsa);
 195                 rowb = readrow(&tbl->tbls[2], bitsb);
 196                 rowc = readrow(&tbl->tbls[1], bitsc);
 197                 rowd = readrow(&tbl->tbls[0], bitsd);
 198
 199                 /* x * 2^4 */
 200                 redbits = x.v[1] % 16;
 201                 x.v[1] = (x.v[1] >> 4) | (x.v[0] % 16) << 60;
 202                 x.v[0] >>= 4;
 203                 x.v[0] ^= (uint64_t)reduction[redbits] << (64 - 16);
 204
 205                 worda >>= 4;
 206                 wordb >>= 4;
 207                 wordc >>= 4;
 208                 wordd >>= 4;
 209
 210                 x = gf128_add(x, gf128_add(rowa, gf128_add(rowb,
 211                     gf128_add(rowc, rowd))));
 212         }
 213
 214         return x;
 215 }
 216
 217 struct gf128
 218 gf128_mul(struct gf128 v, struct gf128table *tbl)
 219 {
 220         struct gf128 ret;
 221
 222         ret = MAKE_GF128(0, 0);
 223
 224         ret = gfmultword(v.v[1], ret, tbl);
 225         ret = gfmultword(v.v[0], ret, tbl);
 226
 227         return ret;
 228 }
 229
 230 /*
 231  * Calculate a*h^4 + b*h^3 + c*h^2 + d*h, or:
 232  * (((a*h+b)*h+c)*h+d)*h
 233  */
 234 struct gf128
 235 gf128_mul4(struct gf128 a, struct gf128 b, struct gf128 c, struct gf128 d,
 236     struct gf128table4 *tbl)
 237 {
 238         struct gf128 tmp;
 239
 240         tmp = MAKE_GF128(0, 0);
 241
 242         tmp = gfmultword4(a.v[1], b.v[1], c.v[1], d.v[1], tmp, tbl);
 243         tmp = gfmultword4(a.v[0], b.v[0], c.v[0], d.v[0], tmp, tbl);
 244
 245         return tmp;
 246 }
 247
 248 /*
 249  * a = data[0..15] + r
 250  * b = data[16..31]
 251  * c = data[32..47]
 252  * d = data[48..63]
 253  *
 254  * Calculate a*h^4 + b*h^3 + c*h^2 + d*h, or:
 255  * (((a*h+b)*h+c)*h+d)*h
 256  */
 257 struct gf128
 258 gf128_mul4b(struct gf128 r, const uint8_t *v, struct gf128table4 *tbl)
 259 {
 260         struct gf128 a, b, c, d;
 261         struct gf128 tmp;
 262
 263         tmp = MAKE_GF128(0, 0);
 264
 265         a = gf128_add(r, gf128_read(&v[0*16]));
 266         b = gf128_read(&v[1*16]);
 267         c = gf128_read(&v[2*16]);
 268         d = gf128_read(&v[3*16]);
 269
 270         tmp = gfmultword4(a.v[1], b.v[1], c.v[1], d.v[1], tmp, tbl);
 271         tmp = gfmultword4(a.v[0], b.v[0], c.v[0], d.v[0], tmp, tbl);
 272
 273         return tmp;
 274 }