xref: /freebsd/crypto/openssh/chacha.c (revision 535af610a4fdace6d50960c0ad9be0597eea7a1b)
1*535af610SEd Maste /* $OpenBSD: chacha.c,v 1.2 2023/07/17 05:26:38 djm Exp $ */
2f7167e0eSDag-Erling Smørgrav /*
3f7167e0eSDag-Erling Smørgrav chacha-merged.c version 20080118
4f7167e0eSDag-Erling Smørgrav D. J. Bernstein
5f7167e0eSDag-Erling Smørgrav Public domain.
6f7167e0eSDag-Erling Smørgrav */
7f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
8f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #include "includes.h"
9f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
10f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #include "chacha.h"
11f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
12f7167e0eSDag-Erling Smørgrav typedef unsigned char u8;
13f7167e0eSDag-Erling Smørgrav typedef unsigned int u32;
14f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
15f7167e0eSDag-Erling Smørgrav typedef struct chacha_ctx chacha_ctx;
16f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
17f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define U8C(v) (v##U)
18f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define U32C(v) (v##U)
19f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
20f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define U8V(v) ((u8)(v) & U8C(0xFF))
21f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define U32V(v) ((u32)(v) & U32C(0xFFFFFFFF))
22f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
23f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define ROTL32(v, n) \
24f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   (U32V((v) << (n)) | ((v) >> (32 - (n))))
25f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
26f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define U8TO32_LITTLE(p) \
27f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   (((u32)((p)[0])      ) | \
28f7167e0eSDag-Erling Smørgrav    ((u32)((p)[1]) <<  8) | \
29f7167e0eSDag-Erling Smørgrav    ((u32)((p)[2]) << 16) | \
30f7167e0eSDag-Erling Smørgrav    ((u32)((p)[3]) << 24))
31f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
32f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define U32TO8_LITTLE(p, v) \
33f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   do { \
34f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     (p)[0] = U8V((v)      ); \
35f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     (p)[1] = U8V((v) >>  8); \
36f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     (p)[2] = U8V((v) >> 16); \
37f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     (p)[3] = U8V((v) >> 24); \
38f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   } while (0)
39f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
40f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define ROTATE(v,c) (ROTL32(v,c))
41f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define XOR(v,w) ((v) ^ (w))
42f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define PLUS(v,w) (U32V((v) + (w)))
43f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define PLUSONE(v) (PLUS((v),1))
44f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
45f7167e0eSDag-Erling Smørgrav #define QUARTERROUND(a,b,c,d) \
46f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   a = PLUS(a,b); d = ROTATE(XOR(d,a),16); \
47f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   c = PLUS(c,d); b = ROTATE(XOR(b,c),12); \
48f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   a = PLUS(a,b); d = ROTATE(XOR(d,a), 8); \
49f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   c = PLUS(c,d); b = ROTATE(XOR(b,c), 7);
50f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
51f7167e0eSDag-Erling Smørgrav static const char sigma[16] = "expand 32-byte k";
52f7167e0eSDag-Erling Smørgrav static const char tau[16] = "expand 16-byte k";
53f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
54f7167e0eSDag-Erling Smørgrav void
chacha_keysetup(chacha_ctx * x,const u8 * k,u32 kbits)55f7167e0eSDag-Erling Smørgrav chacha_keysetup(chacha_ctx *x,const u8 *k,u32 kbits)
56f7167e0eSDag-Erling Smørgrav {
57f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   const char *constants;
58f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
59f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[4] = U8TO32_LITTLE(k + 0);
60f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[5] = U8TO32_LITTLE(k + 4);
61f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[6] = U8TO32_LITTLE(k + 8);
62f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[7] = U8TO32_LITTLE(k + 12);
63f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   if (kbits == 256) { /* recommended */
64f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     k += 16;
65f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     constants = sigma;
66f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   } else { /* kbits == 128 */
67f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     constants = tau;
68f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   }
69f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[8] = U8TO32_LITTLE(k + 0);
70f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[9] = U8TO32_LITTLE(k + 4);
71f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[10] = U8TO32_LITTLE(k + 8);
72f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[11] = U8TO32_LITTLE(k + 12);
73f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[0] = U8TO32_LITTLE(constants + 0);
74f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[1] = U8TO32_LITTLE(constants + 4);
75f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[2] = U8TO32_LITTLE(constants + 8);
76f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[3] = U8TO32_LITTLE(constants + 12);
77f7167e0eSDag-Erling Smørgrav }
78f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
79f7167e0eSDag-Erling Smørgrav void
chacha_ivsetup(chacha_ctx * x,const u8 * iv,const u8 * counter)80f7167e0eSDag-Erling Smørgrav chacha_ivsetup(chacha_ctx *x, const u8 *iv, const u8 *counter)
81f7167e0eSDag-Erling Smørgrav {
82f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[12] = counter == NULL ? 0 : U8TO32_LITTLE(counter + 0);
83f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[13] = counter == NULL ? 0 : U8TO32_LITTLE(counter + 4);
84f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[14] = U8TO32_LITTLE(iv + 0);
85f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   x->input[15] = U8TO32_LITTLE(iv + 4);
86f7167e0eSDag-Erling Smørgrav }
87f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
88f7167e0eSDag-Erling Smørgrav void
chacha_encrypt_bytes(chacha_ctx * x,const u8 * m,u8 * c,u32 bytes)89f7167e0eSDag-Erling Smørgrav chacha_encrypt_bytes(chacha_ctx *x,const u8 *m,u8 *c,u32 bytes)
90f7167e0eSDag-Erling Smørgrav {
91f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   u32 x0, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10, x11, x12, x13, x14, x15;
92f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   u32 j0, j1, j2, j3, j4, j5, j6, j7, j8, j9, j10, j11, j12, j13, j14, j15;
93f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   u8 *ctarget = NULL;
94f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   u8 tmp[64];
95f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   u_int i;
96f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
97f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   if (!bytes) return;
98f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
99f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j0 = x->input[0];
100f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j1 = x->input[1];
101f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j2 = x->input[2];
102f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j3 = x->input[3];
103f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j4 = x->input[4];
104f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j5 = x->input[5];
105f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j6 = x->input[6];
106f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j7 = x->input[7];
107f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j8 = x->input[8];
108f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j9 = x->input[9];
109f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j10 = x->input[10];
110f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j11 = x->input[11];
111f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j12 = x->input[12];
112f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j13 = x->input[13];
113f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j14 = x->input[14];
114f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   j15 = x->input[15];
115f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
116f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   for (;;) {
117f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     if (bytes < 64) {
118f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       for (i = 0;i < bytes;++i) tmp[i] = m[i];
119f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       m = tmp;
120f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       ctarget = c;
121f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       c = tmp;
122f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     }
123f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x0 = j0;
124f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x1 = j1;
125f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x2 = j2;
126f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x3 = j3;
127f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x4 = j4;
128f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x5 = j5;
129f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x6 = j6;
130f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x7 = j7;
131f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x8 = j8;
132f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x9 = j9;
133f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x10 = j10;
134f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x11 = j11;
135f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x12 = j12;
136f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x13 = j13;
137f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x14 = j14;
138f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x15 = j15;
139f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     for (i = 20;i > 0;i -= 2) {
140f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x0, x4, x8,x12)
141f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x1, x5, x9,x13)
142f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x2, x6,x10,x14)
143f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x3, x7,x11,x15)
144f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x0, x5,x10,x15)
145f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x1, x6,x11,x12)
146f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x2, x7, x8,x13)
147f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       QUARTERROUND( x3, x4, x9,x14)
148f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     }
149f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x0 = PLUS(x0,j0);
150f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x1 = PLUS(x1,j1);
151f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x2 = PLUS(x2,j2);
152f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x3 = PLUS(x3,j3);
153f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x4 = PLUS(x4,j4);
154f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x5 = PLUS(x5,j5);
155f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x6 = PLUS(x6,j6);
156f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x7 = PLUS(x7,j7);
157f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x8 = PLUS(x8,j8);
158f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x9 = PLUS(x9,j9);
159f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x10 = PLUS(x10,j10);
160f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x11 = PLUS(x11,j11);
161f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x12 = PLUS(x12,j12);
162f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x13 = PLUS(x13,j13);
163f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x14 = PLUS(x14,j14);
164f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x15 = PLUS(x15,j15);
165f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
166f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x0 = XOR(x0,U8TO32_LITTLE(m + 0));
167f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x1 = XOR(x1,U8TO32_LITTLE(m + 4));
168f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x2 = XOR(x2,U8TO32_LITTLE(m + 8));
169f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x3 = XOR(x3,U8TO32_LITTLE(m + 12));
170f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x4 = XOR(x4,U8TO32_LITTLE(m + 16));
171f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x5 = XOR(x5,U8TO32_LITTLE(m + 20));
172f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x6 = XOR(x6,U8TO32_LITTLE(m + 24));
173f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x7 = XOR(x7,U8TO32_LITTLE(m + 28));
174f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x8 = XOR(x8,U8TO32_LITTLE(m + 32));
175f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x9 = XOR(x9,U8TO32_LITTLE(m + 36));
176f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x10 = XOR(x10,U8TO32_LITTLE(m + 40));
177f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x11 = XOR(x11,U8TO32_LITTLE(m + 44));
178f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x12 = XOR(x12,U8TO32_LITTLE(m + 48));
179f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x13 = XOR(x13,U8TO32_LITTLE(m + 52));
180f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x14 = XOR(x14,U8TO32_LITTLE(m + 56));
181f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     x15 = XOR(x15,U8TO32_LITTLE(m + 60));
182f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
183f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     j12 = PLUSONE(j12);
184f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     if (!j12) {
185f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       j13 = PLUSONE(j13);
186f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       /* stopping at 2^70 bytes per nonce is user's responsibility */
187f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     }
188f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
189f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 0,x0);
190f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 4,x1);
191f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 8,x2);
192f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 12,x3);
193f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 16,x4);
194f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 20,x5);
195f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 24,x6);
196f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 28,x7);
197f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 32,x8);
198f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 36,x9);
199f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 40,x10);
200f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 44,x11);
201f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 48,x12);
202f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 52,x13);
203f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 56,x14);
204f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     U32TO8_LITTLE(c + 60,x15);
205f7167e0eSDag-Erling Smørgrav 
206f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     if (bytes <= 64) {
207f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       if (bytes < 64) {
208f7167e0eSDag-Erling Smørgrav         for (i = 0;i < bytes;++i) ctarget[i] = c[i];
209f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       }
210f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       x->input[12] = j12;
211f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       x->input[13] = j13;
212f7167e0eSDag-Erling Smørgrav       return;
213f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     }
214f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     bytes -= 64;
215f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     c += 64;
216f7167e0eSDag-Erling Smørgrav     m += 64;
217f7167e0eSDag-Erling Smørgrav   }
218f7167e0eSDag-Erling Smørgrav }
219