sys/opencrypto/skipjack.c

   1 /*      $OpenBSD: skipjack.c,v 1.3 2001/05/05 00:31:34 angelos Exp $    */
   2 /*-
   3  * Further optimized test implementation of SKIPJACK algorithm
   4  * Mark Tillotson <markt@chaos.org.uk>, 25 June 98\r
   5  * Optimizations suit RISC (lots of registers) machine best.
   6  *
   7  * based on unoptimized implementation of
   8  * Panu Rissanen <bande@lut.fi> 960624
   9  *
  10  * SKIPJACK and KEA Algorithm Specifications
  11  * Version 2.0
  12  * 29 May 1998
  13 */
  14
  15 #include <sys/cdefs.h>
  16 __FBSDID("$FreeBSD$");
  17
  18 #include <sys/param.h>
  19
  20 #include <opencrypto/skipjack.h>
  21
  22 static const u_int8_t ftable[0x100] =
  23 {
  24         0xa3, 0xd7, 0x09, 0x83, 0xf8, 0x48, 0xf6, 0xf4,
  25         0xb3, 0x21, 0x15, 0x78, 0x99, 0xb1, 0xaf, 0xf9,
  26         0xe7, 0x2d, 0x4d, 0x8a, 0xce, 0x4c, 0xca, 0x2e,
  27         0x52, 0x95, 0xd9, 0x1e, 0x4e, 0x38, 0x44, 0x28,
  28         0x0a, 0xdf, 0x02, 0xa0, 0x17, 0xf1, 0x60, 0x68,
  29         0x12, 0xb7, 0x7a, 0xc3, 0xe9, 0xfa, 0x3d, 0x53,
  30         0x96, 0x84, 0x6b, 0xba, 0xf2, 0x63, 0x9a, 0x19,
  31         0x7c, 0xae, 0xe5, 0xf5, 0xf7, 0x16, 0x6a, 0xa2,
  32         0x39, 0xb6, 0x7b, 0x0f, 0xc1, 0x93, 0x81, 0x1b,
  33         0xee, 0xb4, 0x1a, 0xea, 0xd0, 0x91, 0x2f, 0xb8,
  34         0x55, 0xb9, 0xda, 0x85, 0x3f, 0x41, 0xbf, 0xe0,
  35         0x5a, 0x58, 0x80, 0x5f, 0x66, 0x0b, 0xd8, 0x90,
  36         0x35, 0xd5, 0xc0, 0xa7, 0x33, 0x06, 0x65, 0x69,
  37         0x45, 0x00, 0x94, 0x56, 0x6d, 0x98, 0x9b, 0x76,
  38         0x97, 0xfc, 0xb2, 0xc2, 0xb0, 0xfe, 0xdb, 0x20,
  39         0xe1, 0xeb, 0xd6, 0xe4, 0xdd, 0x47, 0x4a, 0x1d,
  40         0x42, 0xed, 0x9e, 0x6e, 0x49, 0x3c, 0xcd, 0x43,
  41         0x27, 0xd2, 0x07, 0xd4, 0xde, 0xc7, 0x67, 0x18,
  42         0x89, 0xcb, 0x30, 0x1f, 0x8d, 0xc6, 0x8f, 0xaa,
  43         0xc8, 0x74, 0xdc, 0xc9, 0x5d, 0x5c, 0x31, 0xa4,
  44         0x70, 0x88, 0x61, 0x2c, 0x9f, 0x0d, 0x2b, 0x87,
  45         0x50, 0x82, 0x54, 0x64, 0x26, 0x7d, 0x03, 0x40,
  46         0x34, 0x4b, 0x1c, 0x73, 0xd1, 0xc4, 0xfd, 0x3b,
  47         0xcc, 0xfb, 0x7f, 0xab, 0xe6, 0x3e, 0x5b, 0xa5,
  48         0xad, 0x04, 0x23, 0x9c, 0x14, 0x51, 0x22, 0xf0,
  49         0x29, 0x79, 0x71, 0x7e, 0xff, 0x8c, 0x0e, 0xe2,
  50         0x0c, 0xef, 0xbc, 0x72, 0x75, 0x6f, 0x37, 0xa1,
  51         0xec, 0xd3, 0x8e, 0x62, 0x8b, 0x86, 0x10, 0xe8,
  52         0x08, 0x77, 0x11, 0xbe, 0x92, 0x4f, 0x24, 0xc5,
  53         0x32, 0x36, 0x9d, 0xcf, 0xf3, 0xa6, 0xbb, 0xac,
  54         0x5e, 0x6c, 0xa9, 0x13, 0x57, 0x25, 0xb5, 0xe3,
  55         0xbd, 0xa8, 0x3a, 0x01, 0x05, 0x59, 0x2a, 0x46
  56 };
  57
  58 /*
  59  * For each key byte generate a table to represent the function
  60  *    ftable [in ^ keybyte]
  61  *
  62  * These tables used to save an XOR in each stage of the G-function
  63  * the tables are hopefully pointed to by register allocated variables
  64  * k0, k1..k9
  65  */
  66
  67 void
  68 subkey_table_gen (u_int8_t *key, u_int8_t **key_tables)
  69 {
  70         int i, k;
  71
  72         for (k = 0; k < 10; k++) {
  73                 u_int8_t   key_byte = key [k];
  74                 u_int8_t * table = key_tables[k];
  75                 for (i = 0; i < 0x100; i++)
  76                         table [i] = ftable [i ^ key_byte];
  77         }
  78 }
  79
  80
  81 #define g(k0, k1, k2, k3, ih, il, oh, ol) \
  82 { \
  83         oh = k##k0 [il] ^ ih; \
  84         ol = k##k1 [oh] ^ il; \
  85         oh = k##k2 [ol] ^ oh; \
  86         ol = k##k3 [oh] ^ ol; \
  87 }
  88
  89 #define g0(ih, il, oh, ol) g(0, 1, 2, 3, ih, il, oh, ol)
  90 #define g4(ih, il, oh, ol) g(4, 5, 6, 7, ih, il, oh, ol)
  91 #define g8(ih, il, oh, ol) g(8, 9, 0, 1, ih, il, oh, ol)
  92 #define g2(ih, il, oh, ol) g(2, 3, 4, 5, ih, il, oh, ol)
  93 #define g6(ih, il, oh, ol) g(6, 7, 8, 9, ih, il, oh, ol)
  94
  95
  96 #define g_inv(k0, k1, k2, k3, ih, il, oh, ol) \
  97 { \
  98         ol = k##k3 [ih] ^ il; \
  99         oh = k##k2 [ol] ^ ih; \
 100         ol = k##k1 [oh] ^ ol; \
 101         oh = k##k0 [ol] ^ oh; \
 102 }
 103
 104
 105 #define g0_inv(ih, il, oh, ol) g_inv(0, 1, 2, 3, ih, il, oh, ol)
 106 #define g4_inv(ih, il, oh, ol) g_inv(4, 5, 6, 7, ih, il, oh, ol)
 107 #define g8_inv(ih, il, oh, ol) g_inv(8, 9, 0, 1, ih, il, oh, ol)
 108 #define g2_inv(ih, il, oh, ol) g_inv(2, 3, 4, 5, ih, il, oh, ol)
 109 #define g6_inv(ih, il, oh, ol) g_inv(6, 7, 8, 9, ih, il, oh, ol)
 110
 111 /* optimized version of Skipjack algorithm
 112  *
 113  * the appropriate g-function is inlined for each round
 114  *
 115  * the data movement is minimized by rotating the names of the
 116  * variables w1..w4, not their contents (saves 3 moves per round)
 117  *
 118  * the loops are completely unrolled (needed to staticize choice of g)
 119  *
 120  * compiles to about 470 instructions on a Sparc (gcc -O)
 121  * which is about 58 instructions per byte, 14 per round.
 122  * gcc seems to leave in some unnecessary and with 0xFF operations
 123  * but only in the latter part of the functions.  Perhaps it
 124  * runs out of resources to properly optimize long inlined function?
 125  * in theory should get about 11 instructions per round, not 14
 126  */
 127
 128 void
 129 skipjack_forwards(u_int8_t *plain, u_int8_t *cipher, u_int8_t **key_tables)
 130 {
 131         u_int8_t wh1 = plain[0];  u_int8_t wl1 = plain[1];
 132         u_int8_t wh2 = plain[2];  u_int8_t wl2 = plain[3];
 133         u_int8_t wh3 = plain[4];  u_int8_t wl3 = plain[5];
 134         u_int8_t wh4 = plain[6];  u_int8_t wl4 = plain[7];
 135
 136         u_int8_t * k0 = key_tables [0];
 137         u_int8_t * k1 = key_tables [1];
 138         u_int8_t * k2 = key_tables [2];
 139         u_int8_t * k3 = key_tables [3];
 140         u_int8_t * k4 = key_tables [4];
 141         u_int8_t * k5 = key_tables [5];
 142         u_int8_t * k6 = key_tables [6];
 143         u_int8_t * k7 = key_tables [7];
 144         u_int8_t * k8 = key_tables [8];
 145         u_int8_t * k9 = key_tables [9];
 146
 147         /* first 8 rounds */
 148         g0 (wh1,wl1, wh1,wl1); wl4 ^= wl1 ^ 1; wh4 ^= wh1;
 149         g4 (wh4,wl4, wh4,wl4); wl3 ^= wl4 ^ 2; wh3 ^= wh4;
 150         g8 (wh3,wl3, wh3,wl3); wl2 ^= wl3 ^ 3; wh2 ^= wh3;
 151         g2 (wh2,wl2, wh2,wl2); wl1 ^= wl2 ^ 4; wh1 ^= wh2;
 152         g6 (wh1,wl1, wh1,wl1); wl4 ^= wl1 ^ 5; wh4 ^= wh1;
 153         g0 (wh4,wl4, wh4,wl4); wl3 ^= wl4 ^ 6; wh3 ^= wh4;
 154         g4 (wh3,wl3, wh3,wl3); wl2 ^= wl3 ^ 7; wh2 ^= wh3;
 155         g8 (wh2,wl2, wh2,wl2); wl1 ^= wl2 ^ 8; wh1 ^= wh2;
 156
 157         /* second 8 rounds */
 158         wh2 ^= wh1; wl2 ^= wl1 ^ 9 ; g2 (wh1,wl1, wh1,wl1);
 159         wh1 ^= wh4; wl1 ^= wl4 ^ 10; g6 (wh4,wl4, wh4,wl4);
 160         wh4 ^= wh3; wl4 ^= wl3 ^ 11; g0 (wh3,wl3, wh3,wl3);
 161         wh3 ^= wh2; wl3 ^= wl2 ^ 12; g4 (wh2,wl2, wh2,wl2);
 162         wh2 ^= wh1; wl2 ^= wl1 ^ 13; g8 (wh1,wl1, wh1,wl1);
 163         wh1 ^= wh4; wl1 ^= wl4 ^ 14; g2 (wh4,wl4, wh4,wl4);
 164         wh4 ^= wh3; wl4 ^= wl3 ^ 15; g6 (wh3,wl3, wh3,wl3);
 165         wh3 ^= wh2; wl3 ^= wl2 ^ 16; g0 (wh2,wl2, wh2,wl2);
 166
 167         /* third 8 rounds */
 168         g4 (wh1,wl1, wh1,wl1); wl4 ^= wl1 ^ 17; wh4 ^= wh1;
 169         g8 (wh4,wl4, wh4,wl4); wl3 ^= wl4 ^ 18; wh3 ^= wh4;
 170         g2 (wh3,wl3, wh3,wl3); wl2 ^= wl3 ^ 19; wh2 ^= wh3;
 171         g6 (wh2,wl2, wh2,wl2); wl1 ^= wl2 ^ 20; wh1 ^= wh2;
 172         g0 (wh1,wl1, wh1,wl1); wl4 ^= wl1 ^ 21; wh4 ^= wh1;
 173         g4 (wh4,wl4, wh4,wl4); wl3 ^= wl4 ^ 22; wh3 ^= wh4;
 174         g8 (wh3,wl3, wh3,wl3); wl2 ^= wl3 ^ 23; wh2 ^= wh3;
 175         g2 (wh2,wl2, wh2,wl2); wl1 ^= wl2 ^ 24; wh1 ^= wh2;
 176
 177         /* last 8 rounds */
 178         wh2 ^= wh1; wl2 ^= wl1 ^ 25; g6 (wh1,wl1, wh1,wl1);
 179         wh1 ^= wh4; wl1 ^= wl4 ^ 26; g0 (wh4,wl4, wh4,wl4);
 180         wh4 ^= wh3; wl4 ^= wl3 ^ 27; g4 (wh3,wl3, wh3,wl3);
 181         wh3 ^= wh2; wl3 ^= wl2 ^ 28; g8 (wh2,wl2, wh2,wl2);
 182         wh2 ^= wh1; wl2 ^= wl1 ^ 29; g2 (wh1,wl1, wh1,wl1);
 183         wh1 ^= wh4; wl1 ^= wl4 ^ 30; g6 (wh4,wl4, wh4,wl4);
 184         wh4 ^= wh3; wl4 ^= wl3 ^ 31; g0 (wh3,wl3, wh3,wl3);
 185         wh3 ^= wh2; wl3 ^= wl2 ^ 32; g4 (wh2,wl2, wh2,wl2);
 186
 187         /* pack into byte vector */
 188         cipher [0] = wh1;  cipher [1] = wl1;
 189         cipher [2] = wh2;  cipher [3] = wl2;
 190         cipher [4] = wh3;  cipher [5] = wl3;
 191         cipher [6] = wh4;  cipher [7] = wl4;
 192 }
 193
 194
 195 void
 196 skipjack_backwards (u_int8_t *cipher, u_int8_t *plain, u_int8_t **key_tables)
 197 {
 198         /* setup 4 16-bit portions */
 199         u_int8_t wh1 = cipher[0];  u_int8_t wl1 = cipher[1];
 200         u_int8_t wh2 = cipher[2];  u_int8_t wl2 = cipher[3];
 201         u_int8_t wh3 = cipher[4];  u_int8_t wl3 = cipher[5];
 202         u_int8_t wh4 = cipher[6];  u_int8_t wl4 = cipher[7];
 203
 204         u_int8_t * k0 = key_tables [0];
 205         u_int8_t * k1 = key_tables [1];
 206         u_int8_t * k2 = key_tables [2];
 207         u_int8_t * k3 = key_tables [3];
 208         u_int8_t * k4 = key_tables [4];
 209         u_int8_t * k5 = key_tables [5];
 210         u_int8_t * k6 = key_tables [6];
 211         u_int8_t * k7 = key_tables [7];
 212         u_int8_t * k8 = key_tables [8];
 213         u_int8_t * k9 = key_tables [9];
 214
 215         /* first 8 rounds */
 216         g4_inv (wh2,wl2, wh2,wl2); wl3 ^= wl2 ^ 32; wh3 ^= wh2;
 217         g0_inv (wh3,wl3, wh3,wl3); wl4 ^= wl3 ^ 31; wh4 ^= wh3;
 218         g6_inv (wh4,wl4, wh4,wl4); wl1 ^= wl4 ^ 30; wh1 ^= wh4;
 219         g2_inv (wh1,wl1, wh1,wl1); wl2 ^= wl1 ^ 29; wh2 ^= wh1;
 220         g8_inv (wh2,wl2, wh2,wl2); wl3 ^= wl2 ^ 28; wh3 ^= wh2;
 221         g4_inv (wh3,wl3, wh3,wl3); wl4 ^= wl3 ^ 27; wh4 ^= wh3;
 222         g0_inv (wh4,wl4, wh4,wl4); wl1 ^= wl4 ^ 26; wh1 ^= wh4;
 223         g6_inv (wh1,wl1, wh1,wl1); wl2 ^= wl1 ^ 25; wh2 ^= wh1;
 224
 225         /* second 8 rounds */
 226         wh1 ^= wh2; wl1 ^= wl2 ^ 24; g2_inv (wh2,wl2, wh2,wl2);
 227         wh2 ^= wh3; wl2 ^= wl3 ^ 23; g8_inv (wh3,wl3, wh3,wl3);
 228         wh3 ^= wh4; wl3 ^= wl4 ^ 22; g4_inv (wh4,wl4, wh4,wl4);
 229         wh4 ^= wh1; wl4 ^= wl1 ^ 21; g0_inv (wh1,wl1, wh1,wl1);
 230         wh1 ^= wh2; wl1 ^= wl2 ^ 20; g6_inv (wh2,wl2, wh2,wl2);
 231         wh2 ^= wh3; wl2 ^= wl3 ^ 19; g2_inv (wh3,wl3, wh3,wl3);
 232         wh3 ^= wh4; wl3 ^= wl4 ^ 18; g8_inv (wh4,wl4, wh4,wl4);
 233         wh4 ^= wh1; wl4 ^= wl1 ^ 17; g4_inv (wh1,wl1, wh1,wl1);
 234
 235         /* third 8 rounds */
 236         g0_inv (wh2,wl2, wh2,wl2); wl3 ^= wl2 ^ 16; wh3 ^= wh2;
 237         g6_inv (wh3,wl3, wh3,wl3); wl4 ^= wl3 ^ 15; wh4 ^= wh3;
 238         g2_inv (wh4,wl4, wh4,wl4); wl1 ^= wl4 ^ 14; wh1 ^= wh4;
 239         g8_inv (wh1,wl1, wh1,wl1); wl2 ^= wl1 ^ 13; wh2 ^= wh1;
 240         g4_inv (wh2,wl2, wh2,wl2); wl3 ^= wl2 ^ 12; wh3 ^= wh2;
 241         g0_inv (wh3,wl3, wh3,wl3); wl4 ^= wl3 ^ 11; wh4 ^= wh3;
 242         g6_inv (wh4,wl4, wh4,wl4); wl1 ^= wl4 ^ 10; wh1 ^= wh4;
 243         g2_inv (wh1,wl1, wh1,wl1); wl2 ^= wl1 ^ 9;  wh2 ^= wh1;
 244
 245         /* last 8 rounds */
 246         wh1 ^= wh2; wl1 ^= wl2 ^ 8; g8_inv (wh2,wl2, wh2,wl2);
 247         wh2 ^= wh3; wl2 ^= wl3 ^ 7; g4_inv (wh3,wl3, wh3,wl3);
 248         wh3 ^= wh4; wl3 ^= wl4 ^ 6; g0_inv (wh4,wl4, wh4,wl4);
 249         wh4 ^= wh1; wl4 ^= wl1 ^ 5; g6_inv (wh1,wl1, wh1,wl1);
 250         wh1 ^= wh2; wl1 ^= wl2 ^ 4; g2_inv (wh2,wl2, wh2,wl2);
 251         wh2 ^= wh3; wl2 ^= wl3 ^ 3; g8_inv (wh3,wl3, wh3,wl3);
 252         wh3 ^= wh4; wl3 ^= wl4 ^ 2; g4_inv (wh4,wl4, wh4,wl4);
 253         wh4 ^= wh1; wl4 ^= wl1 ^ 1; g0_inv (wh1,wl1, wh1,wl1);
 254
 255         /* pack into byte vector */
 256         plain [0] = wh1;  plain [1] = wl1;
 257         plain [2] = wh2;  plain [3] = wl2;
 258         plain [4] = wh3;  plain [5] = wl3;
 259         plain [6] = wh4;  plain [7] = wl4;
 260 }