chiark - git - mdw - catacomb/blob - symm/mars.c

   1 /* -*-c-*-
   2  *
   3  * The MARS block cipher
   4  *
   5  * (c) 2001 Straylight/Edgeware
   6  */
   7
   8 /*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
   9  *
  10  * This file is part of Catacomb.
  11  *
  12  * Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
  13  * it under the terms of the GNU Library General Public License as
  14  * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
  15  * License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20  * GNU Library General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Library General Public
  23  * License along with Catacomb; if not, write to the Free
  24  * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
  25  * MA 02111-1307, USA.
  26  */
  27
  28 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
  29
  30 #include <assert.h>
  31 #include <stdio.h>
  32
  33 #include <mLib/bits.h>
  34
  35 #include "blkc.h"
  36 #include "gcipher.h"
  37 #include "mars.h"
  38 #include "mars-tab.h"
  39 #include "paranoia.h"
  40
  41 /*----- Global variables --------------------------------------------------*/
  42
  43 const octet mars_keysz[] = { KSZ_RANGE, MARS_KEYSZ, 0, 56, 4 };
  44
  45 /*----- Useful tables -----------------------------------------------------*/
  46
  47 static const uint32 s[512] = MARS_S;
  48 #define s0 (s +   0)
  49 #define s1 (s + 256)
  50 #define bb (s + 265)
  51
  52 /*----- Main code ---------------------------------------------------------*/
  53
  54 /* --- @mars_init@ --- *
  55  *
  56  * Arguments:   @mars_ctx *k@ = pointer to key block to fill in
  57  *              @const void *buf@ = pointer to buffer of key material
  58  *              @size_t sz@ = size of key material
  59  *
  60  * Returns:     ---
  61  *
  62  * Use:         Initializes a MARS key buffer.  MARS accepts key sizes
  63  *              between 128 and 448 bits which are a multiple of 32 bits.
  64  */
  65
  66 void mars_init(mars_ctx *k, const void *buf, size_t sz)
  67 {
  68   uint32 t[15];
  69   uint32 *kk = k->k;
  70   const octet *p;
  71   unsigned i, j, ii;
  72
  73   KSZ_ASSERT(mars, sz);
  74
  75   /* --- Copy the key into the temporary buffer --- */
  76
  77   p = buf;
  78   for (i = 0; i < sz/4; i++) {
  79     t[i] = LOAD32_L(p);
  80     p += 4;
  81   }
  82   t[i++] = sz/4;
  83   for (; i < 15; i++)
  84     t[i] = 0;
  85
  86   /* --- Now spit out the actual key material --- */
  87
  88   for (j = 0; j < 4; j++) {
  89     uint32 x;
  90
  91     /* --- Do the linear mixing stage --- */
  92
  93     for (i = 0; i < 15; i++) {
  94       x = t[(i + 8)%15] ^ t[(i + 13)%15];
  95       t[i] ^= ROL32(x, 3) ^ ((i << 2) | j);
  96     }
  97
  98     /* --- Now do the Feistel stirring stage --- */
  99
 100     x = t[14];
 101     for (ii = 0; ii < 4; ii++) {
 102       for (i = 0; i < 15; i++) {
 103         x = t[i] + s[x & 511u];
 104         t[i] = x = ROL32(x, 9);
 105       }
 106     }
 107
 108     /* --- And spit out the key material --- */
 109
 110     for (i = 0; i < 10; i++)
 111       *kk++ = t[(4 * i)%15];
 112   }
 113
 114   /* --- Finally, fix up the multiplicative entries --- */
 115
 116   for (i = 5; i < 37; i += 2) {
 117     uint32 w, m, x;
 118     j = k->k[i] & 3u;
 119     w = k->k[i] | 3u;
 120
 121     /* --- Compute the magic mask value --- */
 122
 123     m = 0;
 124     for (ii = 0; ii <= 22; ii++) {
 125       x = w >> ii;
 126       if ((x & 0x3ff) == 0x3ff || (x & 0x3ff) == 0)
 127         m |= 0x3ff << ii;
 128     }
 129     m &= ~(((w ^ (w << 1)) | (w ^ (w >> 1))) | 0x80000003);
 130
 131     /* --- Add in the bias entry to fix up the key --- */
 132
 133     x = ROL32(bb[j], k->k[i - 1]);
 134     k->k[i] = w ^ (x & m);
 135   }
 136 }
 137
 138 /* --- @mars_eblk@, @mars_dblk@ --- *
 139  *
 140  * Arguments:   @const mars_ctx *k@ = pointer to key block
 141  *              @const uint32 s[4]@ = pointer to source block
 142  *              @uint32 d[4]@ = pointer to destination block
 143  *
 144  * Returns:     ---
 145  *
 146  * Use:         Low-level block encryption and decryption.
 147  */
 148
 149 #define KADD(k, a, b, c, d)  a += *k++, b += *k++, c += *k++, d += *k++
 150 #define KSUB(k, a, b, c, d)  a -= *k++, b -= *k++, c -= *k++, d -= *k++
 151 #define IKADD(k, a, b, c, d) d += *--k, c += *--k, b += *--k, a += *--k
 152 #define IKSUB(k, a, b, c, d) d -= *--k, c -= *--k, b -= *--k, a -= *--k
 153
 154 #define MIX(a, b, c, d) do {                                            \
 155   b ^= s0[(a >>  0) & 0xff];                                            \
 156   b += s1[(a >>  8) & 0xff];                                            \
 157   c += s0[(a >> 16) & 0xff];                                            \
 158   d ^= s1[(a >> 24) & 0xff];                                            \
 159   a = ROL32(a, 8);                                                      \
 160 } while (0)
 161
 162 #define IMIX(a, b, c, d) do {                                           \
 163   a = ROR32(a, 8);                                                      \
 164   d ^= s1[(a >> 24) & 0xff];                                            \
 165   c -= s0[(a >> 16) & 0xff];                                            \
 166   b -= s1[(a >>  8) & 0xff];                                            \
 167   b ^= s0[(a >>  0) & 0xff];                                            \
 168 } while (0)
 169
 170 #define E(x, y, z, k, a) do {                                           \
 171   uint32 kx = *k++, ky = *k++;                                          \
 172   y = a + kx;                                                           \
 173   a = ROL32(a, 13); z = a * ky; z = ROL32(z, 5);                        \
 174   x = s[y & 511u] ^ z; y = ROL32(y, z);                                 \
 175   z = ROL32(z, 5); x ^= z; x = ROL32(x, z);                             \
 176 } while (0)
 177
 178 #define IE(x, y, z, k, a) do {                                          \
 179   uint32 ky = *--k, kx = *--k;                                          \
 180   z = a * ky;                                                           \
 181   a = ROR32(a, 13); y = a + kx; z = ROL32(z, 5);                        \
 182   x = s[y & 511u] ^ z; y = ROL32(y, z);                                 \
 183   z = ROL32(z, 5); x ^= z; x = ROL32(x, z);                             \
 184 } while (0)
 185
 186 #define ROUND(k, a, b, c, d) do {                                       \
 187   uint32 x, y, z;                                                       \
 188   E(x, y, z, k, a);                                                     \
 189   b += x; c += y; d ^= z;                                               \
 190 } while (0)
 191
 192 #define IROUND(k, a, b, c, d) do {                                      \
 193   uint32 x, y, z;                                                       \
 194   IE(x, y, z, k, a);                                                    \
 195   b -= x; c -= y; d ^= z;                                               \
 196 } while (0)
 197
 198 void mars_eblk(const mars_ctx *k, const uint32 *src, uint32 *dst)
 199 {
 200   uint32 a, b, c, d;
 201   const uint32 *kk = k->k;
 202
 203   a = src[0], b = src[1], c = src[2], d = src[3];
 204   KADD(kk, a, b, c, d);
 205
 206   MIX(a, b, c, d); a += d; MIX(b, c, d, a); b += c;
 207   MIX(c, d, a, b); MIX(d, a, b, c);
 208   MIX(a, b, c, d); a += d; MIX(b, c, d, a); b += c;
 209   MIX(c, d, a, b); MIX(d, a, b, c);
 210
 211   ROUND(kk, a, b, c, d); ROUND(kk, b, c, d, a);
 212   ROUND(kk, c, d, a, b); ROUND(kk, d, a, b, c);
 213   ROUND(kk, a, b, c, d); ROUND(kk, b, c, d, a);
 214   ROUND(kk, c, d, a, b); ROUND(kk, d, a, b, c);
 215
 216   ROUND(kk, a, d, c, b); ROUND(kk, b, a, d, c);
 217   ROUND(kk, c, b, a, d); ROUND(kk, d, c, b, a);
 218   ROUND(kk, a, d, c, b); ROUND(kk, b, a, d, c);
 219   ROUND(kk, c, b, a, d); ROUND(kk, d, c, b, a);
 220
 221   IMIX(a, d, c, b); IMIX(b, a, d, c);
 222   c -= b; IMIX(c, b, a, d); d -= a; IMIX(d, c, b, a);
 223   IMIX(a, d, c, b); IMIX(b, a, d, c);
 224   c -= b; IMIX(c, b, a, d); d -= a; IMIX(d, c, b, a);
 225
 226   KSUB(kk, a, b, c, d);
 227   dst[0] = a; dst[1] = b; dst[2] = c; dst[3] = d;
 228 }
 229
 230 void mars_dblk(const mars_ctx *k, const uint32 *src, uint32 *dst)
 231 {
 232   uint32 a, b, c, d;
 233   const uint32 *kk = k->k + 40;
 234
 235   a = src[0], b = src[1], c = src[2], d = src[3];
 236   IKADD(kk, a, b, c, d);
 237
 238   MIX(d, c, b, a); d += a; MIX(c, b, a, d); c += b;
 239   MIX(b, a, d, c); MIX(a, d, c, b);
 240   MIX(d, c, b, a); d += a; MIX(c, b, a, d); c += b;
 241   MIX(b, a, d, c); MIX(a, d, c, b);
 242
 243   IROUND(kk, d, c, b, a); IROUND(kk, c, b, a, d);
 244   IROUND(kk, b, a, d, c); IROUND(kk, a, d, c, b);
 245   IROUND(kk, d, c, b, a); IROUND(kk, c, b, a, d);
 246   IROUND(kk, b, a, d, c); IROUND(kk, a, d, c, b);
 247
 248   IROUND(kk, d, a, b, c); IROUND(kk, c, d, a, b);
 249   IROUND(kk, b, c, d, a); IROUND(kk, a, b, c, d);
 250   IROUND(kk, d, a, b, c); IROUND(kk, c, d, a, b);
 251   IROUND(kk, b, c, d, a); IROUND(kk, a, b, c, d);
 252
 253   IMIX(d, a, b, c); IMIX(c, d, a, b);
 254   b -= c; IMIX(b, c, d, a); a -= d; IMIX(a, b, c, d);
 255   IMIX(d, a, b, c); IMIX(c, d, a, b);
 256   b -= c; IMIX(b, c, d, a); a -= d; IMIX(a, b, c, d);
 257
 258   IKSUB(kk, a, b, c, d);
 259   dst[0] = a; dst[1] = b; dst[2] = c; dst[3] = d;
 260 }
 261
 262 BLKC_TEST(MARS, mars)
 263
 264 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/