extra/crypto/aes/aes.factor

   1 ! Copyright (C) 2013 Fred Alger
   2 ! Some parts Copyright (C) 2008 Doug Coleman.
   3 ! See http://factorcode.org/license.txt for BSD license.
   4 USING: accessors arrays assocs byte-arrays crypto.aes.utils
   5 generalizations kernel literals math math.bitwise math.ranges
   6 namespaces sequences sequences.private sequences.unrolled ;
   7 IN: crypto.aes
   8
   9 CONSTANT: AES_BLOCK_SIZE 16
  10
  11 ! FIPS-197 AES
  12 ! input block, state, output block -- 4 32-bit words
  13 CONSTANT: FIPS-197 {
  14     { 128 10 } ! aes-128 -- Key(4) Block(4) Rounds(10)
  15     { 192 12 } ! aes-192 -- Key(6) Block(4) Rounds(12)
  16     { 256 14 } ! aes-256 -- Key(8) Block(4) Rounds(14)
  17 }
  18
  19 <PRIVATE
  20
  21 : (nrounds) ( byte-array -- rounds )
  22     length 8 * FIPS-197 at ;
  23
  24 <<
  25 CONSTANT: sbox B{
  26     0x63 0x7c 0x77 0x7b 0xf2 0x6b 0x6f 0xc5
  27     0x30 0x01 0x67 0x2b 0xfe 0xd7 0xab 0x76
  28     0xca 0x82 0xc9 0x7d 0xfa 0x59 0x47 0xf0
  29     0xad 0xd4 0xa2 0xaf 0x9c 0xa4 0x72 0xc0
  30     0xb7 0xfd 0x93 0x26 0x36 0x3f 0xf7 0xcc
  31     0x34 0xa5 0xe5 0xf1 0x71 0xd8 0x31 0x15
  32     0x04 0xc7 0x23 0xc3 0x18 0x96 0x05 0x9a
  33     0x07 0x12 0x80 0xe2 0xeb 0x27 0xb2 0x75
  34     0x09 0x83 0x2c 0x1a 0x1b 0x6e 0x5a 0xa0
  35     0x52 0x3b 0xd6 0xb3 0x29 0xe3 0x2f 0x84
  36     0x53 0xd1 0x00 0xed 0x20 0xfc 0xb1 0x5b
  37     0x6a 0xcb 0xbe 0x39 0x4a 0x4c 0x58 0xcf
  38     0xd0 0xef 0xaa 0xfb 0x43 0x4d 0x33 0x85
  39     0x45 0xf9 0x02 0x7f 0x50 0x3c 0x9f 0xa8
  40     0x51 0xa3 0x40 0x8f 0x92 0x9d 0x38 0xf5
  41     0xbc 0xb6 0xda 0x21 0x10 0xff 0xf3 0xd2
  42     0xcd 0x0c 0x13 0xec 0x5f 0x97 0x44 0x17
  43     0xc4 0xa7 0x7e 0x3d 0x64 0x5d 0x19 0x73
  44     0x60 0x81 0x4f 0xdc 0x22 0x2a 0x90 0x88
  45     0x46 0xee 0xb8 0x14 0xde 0x5e 0x0b 0xdb
  46     0xe0 0x32 0x3a 0x0a 0x49 0x06 0x24 0x5c
  47     0xc2 0xd3 0xac 0x62 0x91 0x95 0xe4 0x79
  48     0xe7 0xc8 0x37 0x6d 0x8d 0xd5 0x4e 0xa9
  49     0x6c 0x56 0xf4 0xea 0x65 0x7a 0xae 0x08
  50     0xba 0x78 0x25 0x2e 0x1c 0xa6 0xb4 0xc6
  51     0xe8 0xdd 0x74 0x1f 0x4b 0xbd 0x8b 0x8a
  52     0x70 0x3e 0xb5 0x66 0x48 0x03 0xf6 0x0e
  53     0x61 0x35 0x57 0xb9 0x86 0xc1 0x1d 0x9e
  54     0xe1 0xf8 0x98 0x11 0x69 0xd9 0x8e 0x94
  55     0x9b 0x1e 0x87 0xe9 0xce 0x55 0x28 0xdf
  56     0x8c 0xa1 0x89 0x0d 0xbf 0xe6 0x42 0x68
  57     0x41 0x99 0x2d 0x0f 0xb0 0x54 0xbb 0x16
  58 }
  59 >>
  60
  61 CONSTANT: inv-sbox $[
  62     256 <byte-array>
  63     dup 256 [ dup sbox nth rot set-nth ] with each-integer
  64 ]
  65
  66 ! applies sbox to each byte of word
  67 : subword ( word -- word' )
  68     [ gb0 sbox nth ] keep [ gb1 sbox nth ] keep
  69     [ gb2 sbox nth ] keep gb3 sbox nth >ui32 ;
  70
  71 ! applies inverse sbox to each byte of word
  72 : inv-subword ( word -- word' )
  73     [ gb0 inv-sbox nth ] keep [ gb1 inv-sbox nth ] keep
  74     [ gb2 inv-sbox nth ] keep gb3 inv-sbox nth >ui32 ;
  75
  76 : rotword ( n -- n ) 8 bitroll-32 ;
  77
  78 ! round constants, 2^n over GF(2^8)
  79 : rcon ( -- array )
  80     {
  81         0x00 0x01 0x02 0x04 0x08 0x10
  82         0x20 0x40 0x80 0x1b 0x36
  83     } ;
  84
  85 : (rcon-nth) ( n -- rcon[n] ) rcon nth 24 shift ;
  86
  87 ! Galois field product related
  88 : xtime ( x -- x' )
  89     [ 1 shift ]
  90     [ 0x80 bitand 0 = 0 0x1b ? ] bi bitxor 8 bits ;
  91
  92 ! generate t-box
  93 :: set-t ( T i -- )
  94     i sbox nth :> a1
  95     a1 xtime :> a2
  96     a1 a2 bitxor :> a3
  97
  98     a3 a1 a1 a2 >ui32 i T set-nth
  99     a1 a1 a2 a3 >ui32 i 0x100 + T set-nth
 100     a1 a2 a3 a1 >ui32 i 0x200 + T set-nth
 101     a2 a3 a1 a1 >ui32 i 0x300 + T set-nth ;
 102
 103 MEMO:: t-table ( -- array )
 104     1024 0 <array>
 105     dup 256 [ set-t ] with each-integer ;
 106
 107 ! generate inverse t-box
 108 :: set-d ( D i -- )
 109     i inv-sbox nth :> a1
 110     a1 xtime :> a2
 111     a2 xtime :> a4
 112     a4 xtime :> a8
 113     a8 a1 bitxor :> a9
 114     a9 a2 bitxor :> ab
 115     a9 a4 bitxor :> ad
 116     a8 a4 a2 bitxor bitxor :> ae
 117
 118     ab ad a9 ae >ui32 i D set-nth
 119     ad a9 ae ab >ui32 i 0x100 + D set-nth
 120     a9 ae ab ad >ui32 i 0x200 + D set-nth
 121     ae ab ad a9 >ui32 i 0x300 + D set-nth ;
 122
 123 MEMO:: d-table ( -- array )
 124     1024 0 <array>
 125     dup 256 [ set-d ] with each-integer ;
 126
 127
 128 :: (transform) ( a0 a1 a2 a3 table -- word' )
 129   a0 a1 a2 a3
 130   [ 0x100 + ] [ 0x200 + ] [ 0x300 + ] tri*
 131   [ table nth ] 4 napply
 132   bitxor bitxor bitxor ; inline
 133
 134 : t-transform ( a0 a1 a2 a3 -- word' ) t-table (transform) ;
 135 : d-transform ( a0 a1 a2 a3 -- word' ) d-table (transform) ;
 136
 137 ! key schedule
 138 ! expands an 128/192/256 bit key into an 176/208/240 byte schedule
 139
 140 SYMBOL: aes-expand-inner
 141 HOOK: key-expand-round aes-expand-inner  ( temp i -- temp' )
 142
 143 SINGLETON: aes-128-key
 144 SINGLETON: aes-256-key
 145
 146 : (add-rcon) ( word rcon-ndx -- word' )
 147     (rcon-nth) [ rotword subword ] dip bitxor ;
 148
 149 M: aes-128-key key-expand-round ( temp i -- temp' )
 150     4 /mod 0 = swap and [ (add-rcon) ] when* ;
 151
 152 ERROR: aes-192-256-not-implemented ;
 153 M: aes-256-key key-expand-round ( temp i -- temp' )
 154     aes-192-256-not-implemented ;
 155
 156 : (key-sched-round) ( output temp i -- output' )
 157     key-expand-round
 158     [ dup 4th-from-end ] dip bitxor suffix! ; inline
 159
 160 : (sched-interval) ( K Nr -- seq )
 161     [ length ] dip 1 + 4 * [a..b) ;    ! over the interval Nk...Nb(Nr + 1)
 162
 163 : (init-round) ( out -- out temp quot )
 164     [ ]
 165     [ last ]
 166     [
 167         length
 168         6 > [ aes-256-key ] [ aes-128-key ] if
 169     ] tri ;
 170
 171 ! K -- input key (byte-array), Nr -- number of rounds
 172 ! output: sched, Nb(Nr+1) byte key schedule
 173 : (expand-enc-key) ( K Nr -- sched )
 174     [ bytes>words ] dip
 175     [ drop (init-round) ]
 176     [ (sched-interval) ] 2bi
 177     [
 178         [ aes-expand-inner set ] dip
 179         [ (key-sched-round) dup last ] each
 180     ] with-scope
 181     drop ;
 182
 183 TUPLE: aes-state nrounds key state ;
 184
 185 : <aes> ( nrounds key state -- aes-state ) \ aes-state boa ;
 186
 187 ! grabs the 4n...4(n+1) words of the key
 188 : (key-at-nth-round) ( nth aes -- seq )
 189     [ 4 * dup 4 + ] [ key>> ] bi* <slice> ;
 190
 191 SYMBOL: aes-strategy
 192 HOOK: (expand-key) aes-strategy ( K Nr -- sched )
 193 HOOK: (first-round) aes-strategy ( aes -- aes' )
 194 HOOK: (counter) aes-strategy ( nrounds -- seq )
 195 HOOK: (round) aes-strategy ( state -- )
 196 HOOK: (add-key) aes-strategy ( aes -- aes' )
 197 HOOK: (final-round) aes-strategy ( aes -- aes' )
 198
 199 SINGLETON: aes-decrypt
 200 SINGLETON: aes-encrypt
 201
 202
 203 ! rotates the 2nd row left by one element
 204 ! rotates the 3rd row left by two elements
 205 ! rotates the 4th row left by three elements
 206 !
 207 ! Kind of ugly because the algorithm is specified and
 208 ! implemented in terms of columns. This approach is very
 209 ! efficient in terms of execution and only requires one new
 210 ! word to implement.
 211 !
 212 ! The alternative is to split into arrays of bytes, transpose,
 213 ! rotate each row n times, transpose again, and then
 214 ! smash them back into 4-byte words.
 215 :: (shift-rows) ( c0 c1 c2 c3 -- c0' c1' c2' c3' )
 216     c3 gb0   c2 gb1   c1 gb2   c0 gb3   >ui32   ! c0'
 217     c0 gb0   c3 gb1   c2 gb2   c1 gb3   >ui32   ! c1'
 218     c1 gb0   c0 gb1   c3 gb2   c2 gb3   >ui32   ! c2'
 219     c2 gb0   c1 gb1   c0 gb2   c3 gb3   >ui32 ; ! c3'
 220
 221 :: (unshift-rows) ( c0 c1 c2 c3 -- c0' c1' c2' c3' )
 222     c1 gb0   c2 gb1   c3 gb2   c0 gb3   >ui32   ! c0'
 223     c2 gb0   c3 gb1   c0 gb2   c1 gb3   >ui32   ! c1'
 224     c3 gb0   c0 gb1   c1 gb2   c2 gb3   >ui32   ! c2'
 225     c0 gb0   c1 gb1   c2 gb2   c3 gb3   >ui32 ; ! c3'
 226
 227 : (add-round-key) ( key state -- state' )
 228    4 [ bitxor ] unrolled-2map ;
 229
 230 : add-round-key ( aes n -- aes' )
 231     over (key-at-nth-round) swap
 232     [ (add-round-key) ] change-state ;
 233
 234 : add-final-round-key ( aes -- aes' )
 235     dup nrounds>> add-round-key ;
 236
 237 : add-first-round-key ( aes -- aes' )
 238     0 add-round-key ;
 239
 240 : aes-round ( state -- )
 241     dup first4-unsafe
 242     { [ first-diag t-transform ]
 243       [ second-diag t-transform ]
 244       [ third-diag t-transform ]
 245       [ fourth-diag t-transform ] } 4 ncleave
 246       set-first4-unsafe ;
 247
 248
 249 : shift-rows ( state -- state' )
 250     first4 (shift-rows) 4array ;
 251
 252 : unshift-rows ( state -- state' )
 253     first4 (unshift-rows) 4array ;
 254
 255 : final-round ( state -- state' )
 256     4 [ subword ] unrolled-map shift-rows ;
 257
 258 : (do-round) ( aes -- aes' )
 259     [ state>> (round) ] keep ;
 260
 261 M: aes-encrypt (expand-key) (expand-enc-key) ;
 262 M: aes-encrypt (first-round) add-first-round-key ;
 263 M: aes-encrypt (counter) [1..b) ;
 264 M: aes-encrypt (round) aes-round ;
 265 M: aes-encrypt (final-round) [ final-round ] change-state add-final-round-key ;
 266
 267 M:: aes-decrypt (expand-key) ( K Nr -- sched )
 268     K Nr (expand-enc-key) dup length :> key-length
 269     [
 270         [ 4 >= ] [ key-length 4 - < ] bi and
 271         [ subword ui32-rev> d-transform ] when
 272     ] map-index ;
 273
 274 M: aes-decrypt (first-round) ( aes -- aes' )
 275     add-final-round-key ;
 276
 277 M: aes-decrypt (counter) ( nrounds -- seq ) [1..b) <reversed> ;
 278 M: aes-decrypt (final-round) ( aes -- aes' )
 279     [ [ inv-subword ] map unshift-rows  ] change-state
 280     add-first-round-key ;
 281
 282 M: aes-decrypt (round) ( state -- )
 283     dup first4-unsafe
 284     { [ -first-diag d-transform ]
 285       [ -fourth-diag d-transform ]
 286       [ -third-diag d-transform ]
 287       [ -second-diag d-transform ] } 4 ncleave
 288       set-first4-unsafe ;
 289
 290
 291 : (aes-crypt) ( aes -- aes' )
 292     (first-round) [
 293         dup nrounds>> (counter)
 294         [ [ (do-round) ] dip add-round-key drop ] with each
 295     ] keep
 296     (final-round) ;
 297
 298 : (aes-expand-key) ( key -- nrounds expanded-key )
 299     [ (nrounds) ] keep over (expand-key) ;
 300
 301 : (aes-crypt-block-inner) ( nrounds key block -- crypted-block )
 302     <aes> (aes-crypt) state>> ;
 303
 304 : (aes-crypt-block) ( key block -- output-block )
 305     [ (aes-expand-key) ] dip bytes>words (aes-crypt-block-inner) ;
 306
 307 PRIVATE>
 308
 309 : aes-encrypt-block ( key block -- output )
 310     [ aes-encrypt aes-strategy set (aes-crypt-block) ] with-scope
 311     [ ui32> 4array reverse ] map concat ;
 312
 313 : aes-decrypt-block ( key block -- output )
 314     [ aes-decrypt aes-strategy set (aes-crypt-block) ] with-scope
 315     [ ui32> 4array reverse ] map concat ;