xref: /freebsd/sys/crypto/chacha20/chacha.c (revision 0957b409)
1 /*
2 chacha-merged.c version 20080118
3 D. J. Bernstein
4 Public domain.
5 */
6 
7 /* $OpenBSD: chacha.c,v 1.1 2013/11/21 00:45:44 djm Exp $ */
8 
9 #include <sys/cdefs.h>
10 __FBSDID("$FreeBSD$");
11 
12 #include <sys/param.h>
13 #include <sys/types.h>
14 
15 #include <crypto/chacha20/chacha.h>
16 
17 typedef uint8_t u8;
18 typedef uint32_t u32;
19 
20 typedef struct chacha_ctx chacha_ctx;
21 
22 #define U8C(v) (v##U)
23 #define U32C(v) (v##U)
24 
25 #define U8V(v) ((u8)(v) & U8C(0xFF))
26 #define U32V(v) ((u32)(v) & U32C(0xFFFFFFFF))
27 
28 #define ROTL32(v, n) \
29   (U32V((v) << (n)) | ((v) >> (32 - (n))))
30 
31 #define U8TO32_LITTLE(p) \
32   (((u32)((p)[0])      ) | \
33    ((u32)((p)[1]) <<  8) | \
34    ((u32)((p)[2]) << 16) | \
35    ((u32)((p)[3]) << 24))
36 
37 #define U32TO8_LITTLE(p, v) \
38   do { \
39     (p)[0] = U8V((v)      ); \
40     (p)[1] = U8V((v) >>  8); \
41     (p)[2] = U8V((v) >> 16); \
42     (p)[3] = U8V((v) >> 24); \
43   } while (0)
44 
45 #define ROTATE(v,c) (ROTL32(v,c))
46 #define XOR(v,w) ((v) ^ (w))
47 #define PLUS(v,w) (U32V((v) + (w)))
48 #define PLUSONE(v) (PLUS((v),1))
49 
50 #define QUARTERROUND(a,b,c,d) \
51   a = PLUS(a,b); d = ROTATE(XOR(d,a),16); \
52   c = PLUS(c,d); b = ROTATE(XOR(b,c),12); \
53   a = PLUS(a,b); d = ROTATE(XOR(d,a), 8); \
54   c = PLUS(c,d); b = ROTATE(XOR(b,c), 7);
55 
56 static const char sigma[16] = "expand 32-byte k";
57 static const char tau[16] = "expand 16-byte k";
58 
59 LOCAL void
60 chacha_keysetup(chacha_ctx *x,const u8 *k,u32 kbits)
61 {
62   const char *constants;
63 
64   x->input[4] = U8TO32_LITTLE(k + 0);
65   x->input[5] = U8TO32_LITTLE(k + 4);
66   x->input[6] = U8TO32_LITTLE(k + 8);
67   x->input[7] = U8TO32_LITTLE(k + 12);
68   if (kbits == 256) { /* recommended */
69     k += 16;
70     constants = sigma;
71   } else { /* kbits == 128 */
72     constants = tau;
73   }
74   x->input[8] = U8TO32_LITTLE(k + 0);
75   x->input[9] = U8TO32_LITTLE(k + 4);
76   x->input[10] = U8TO32_LITTLE(k + 8);
77   x->input[11] = U8TO32_LITTLE(k + 12);
78   x->input[0] = U8TO32_LITTLE(constants + 0);
79   x->input[1] = U8TO32_LITTLE(constants + 4);
80   x->input[2] = U8TO32_LITTLE(constants + 8);
81   x->input[3] = U8TO32_LITTLE(constants + 12);
82 }
83 
84 LOCAL void
85 chacha_ivsetup(chacha_ctx *x, const u8 *iv, const u8 *counter)
86 {
87   x->input[12] = counter == NULL ? 0 : U8TO32_LITTLE(counter + 0);
88   x->input[13] = counter == NULL ? 0 : U8TO32_LITTLE(counter + 4);
89   x->input[14] = U8TO32_LITTLE(iv + 0);
90   x->input[15] = U8TO32_LITTLE(iv + 4);
91 }
92 
93 LOCAL void
94 chacha_encrypt_bytes(chacha_ctx *x,const u8 *m,u8 *c,u32 bytes)
95 {
96   u32 x0, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10, x11, x12, x13, x14, x15;
97   u32 j0, j1, j2, j3, j4, j5, j6, j7, j8, j9, j10, j11, j12, j13, j14, j15;
98   u8 *ctarget = NULL;
99   u8 tmp[64];
100   u_int i;
101 
102   if (!bytes) return;
103 
104   j0 = x->input[0];
105   j1 = x->input[1];
106   j2 = x->input[2];
107   j3 = x->input[3];
108   j4 = x->input[4];
109   j5 = x->input[5];
110   j6 = x->input[6];
111   j7 = x->input[7];
112   j8 = x->input[8];
113   j9 = x->input[9];
114   j10 = x->input[10];
115   j11 = x->input[11];
116   j12 = x->input[12];
117   j13 = x->input[13];
118   j14 = x->input[14];
119   j15 = x->input[15];
120 
121   for (;;) {
122     if (bytes < 64) {
123 #ifndef KEYSTREAM_ONLY
124       for (i = 0;i < bytes;++i) tmp[i] = m[i];
125       m = tmp;
126 #endif
127       ctarget = c;
128       c = tmp;
129     }
130     x0 = j0;
131     x1 = j1;
132     x2 = j2;
133     x3 = j3;
134     x4 = j4;
135     x5 = j5;
136     x6 = j6;
137     x7 = j7;
138     x8 = j8;
139     x9 = j9;
140     x10 = j10;
141     x11 = j11;
142     x12 = j12;
143     x13 = j13;
144     x14 = j14;
145     x15 = j15;
146     for (i = 20;i > 0;i -= 2) {
147       QUARTERROUND( x0, x4, x8,x12)
148       QUARTERROUND( x1, x5, x9,x13)
149       QUARTERROUND( x2, x6,x10,x14)
150       QUARTERROUND( x3, x7,x11,x15)
151       QUARTERROUND( x0, x5,x10,x15)
152       QUARTERROUND( x1, x6,x11,x12)
153       QUARTERROUND( x2, x7, x8,x13)
154       QUARTERROUND( x3, x4, x9,x14)
155     }
156     x0 = PLUS(x0,j0);
157     x1 = PLUS(x1,j1);
158     x2 = PLUS(x2,j2);
159     x3 = PLUS(x3,j3);
160     x4 = PLUS(x4,j4);
161     x5 = PLUS(x5,j5);
162     x6 = PLUS(x6,j6);
163     x7 = PLUS(x7,j7);
164     x8 = PLUS(x8,j8);
165     x9 = PLUS(x9,j9);
166     x10 = PLUS(x10,j10);
167     x11 = PLUS(x11,j11);
168     x12 = PLUS(x12,j12);
169     x13 = PLUS(x13,j13);
170     x14 = PLUS(x14,j14);
171     x15 = PLUS(x15,j15);
172 
173 #ifndef KEYSTREAM_ONLY
174     x0 = XOR(x0,U8TO32_LITTLE(m + 0));
175     x1 = XOR(x1,U8TO32_LITTLE(m + 4));
176     x2 = XOR(x2,U8TO32_LITTLE(m + 8));
177     x3 = XOR(x3,U8TO32_LITTLE(m + 12));
178     x4 = XOR(x4,U8TO32_LITTLE(m + 16));
179     x5 = XOR(x5,U8TO32_LITTLE(m + 20));
180     x6 = XOR(x6,U8TO32_LITTLE(m + 24));
181     x7 = XOR(x7,U8TO32_LITTLE(m + 28));
182     x8 = XOR(x8,U8TO32_LITTLE(m + 32));
183     x9 = XOR(x9,U8TO32_LITTLE(m + 36));
184     x10 = XOR(x10,U8TO32_LITTLE(m + 40));
185     x11 = XOR(x11,U8TO32_LITTLE(m + 44));
186     x12 = XOR(x12,U8TO32_LITTLE(m + 48));
187     x13 = XOR(x13,U8TO32_LITTLE(m + 52));
188     x14 = XOR(x14,U8TO32_LITTLE(m + 56));
189     x15 = XOR(x15,U8TO32_LITTLE(m + 60));
190 #endif
191 
192     j12 = PLUSONE(j12);
193     if (!j12) {
194       j13 = PLUSONE(j13);
195       /* stopping at 2^70 bytes per nonce is user's responsibility */
196     }
197 
198     U32TO8_LITTLE(c + 0,x0);
199     U32TO8_LITTLE(c + 4,x1);
200     U32TO8_LITTLE(c + 8,x2);
201     U32TO8_LITTLE(c + 12,x3);
202     U32TO8_LITTLE(c + 16,x4);
203     U32TO8_LITTLE(c + 20,x5);
204     U32TO8_LITTLE(c + 24,x6);
205     U32TO8_LITTLE(c + 28,x7);
206     U32TO8_LITTLE(c + 32,x8);
207     U32TO8_LITTLE(c + 36,x9);
208     U32TO8_LITTLE(c + 40,x10);
209     U32TO8_LITTLE(c + 44,x11);
210     U32TO8_LITTLE(c + 48,x12);
211     U32TO8_LITTLE(c + 52,x13);
212     U32TO8_LITTLE(c + 56,x14);
213     U32TO8_LITTLE(c + 60,x15);
214 
215     if (bytes <= 64) {
216       if (bytes < 64) {
217         for (i = 0;i < bytes;++i) ctarget[i] = c[i];
218       }
219       x->input[12] = j12;
220       x->input[13] = j13;
221       return;
222     }
223     bytes -= 64;
224     c += 64;
225 #ifndef KEYSTREAM_ONLY
226     m += 64;
227 #endif
228   }
229 }
230