Two new Poly1305 implementations: ctmul32 uses pure 32-bit multiplications (MUL15...
[BearSSL] / src / symcipher / poly1305_ctmul32.c
diff --git a/src/symcipher/poly1305_ctmul32.c b/src/symcipher/poly1305_ctmul32.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..15d9635
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,297 @@
+/*
+ * Copyright (c) 2017 Thomas Pornin <pornin@bolet.org>
+ *
+ * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining 
+ * a copy of this software and associated documentation files (the
+ * "Software"), to deal in the Software without restriction, including
+ * without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish,
+ * distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to
+ * permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to
+ * the following conditions:
+ *
+ * The above copyright notice and this permission notice shall be 
+ * included in all copies or substantial portions of the Software.
+ *
+ * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, 
+ * EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF
+ * MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND 
+ * NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS
+ * BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN
+ * ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN
+ * CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
+ * SOFTWARE.
+ */
+
+#include "inner.h"
+
+/*
+ * Perform the inner processing of blocks for Poly1305.
+ */
+static void
+poly1305_inner(uint32_t *a, const uint32_t *r, const void *data, size_t len)
+{
+       /*
+        * Implementation notes: we split the 130-bit values into ten
+        * 13-bit words. This gives us some space for carries and allows
+        * using only 32x32->32 multiplications, which are way faster than
+        * 32x32->64 multiplications on the ARM Cortex-M0/M0+, and also
+        * help in making constant-time code on the Cortex-M3.
+        *
+        * Since we compute modulo 2^130-5, the "upper words" become
+        * low words with a factor of 5; that is, x*2^130 = x*5 mod p.
+        * This has already been integrated in the r[] array, which
+        * is extended to the 0..18 range.
+        *
+        * In each loop iteration, a[] and r[] words are 13-bit each,
+        * except a[1] which may use 14 bits.
+        */
+       const unsigned char *buf;
+
+       buf = data;
+       while (len > 0) {
+               unsigned char tmp[16];
+               uint32_t b[10];
+               unsigned u, v;
+               uint32_t z, cc1, cc2;
+
+               /*
+                * If there is a partial block, right-pad it with zeros.
+                */
+               if (len < 16) {
+                       memset(tmp, 0, sizeof tmp);
+                       memcpy(tmp, buf, len);
+                       buf = tmp;
+                       len = 16;
+               }
+
+               /*
+                * Decode next block and apply the "high bit"; that value
+                * is added to the accumulator.
+                */
+               v = br_dec16le(buf);
+               a[0] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[2] << 3;
+               v |= buf[3] << 11;
+               a[1] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[4] << 6;
+               a[2] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[5] << 1;
+               v |= buf[6] << 9;
+               a[3] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[7] << 4;
+               v |= buf[8] << 12;
+               a[4] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[9] << 7;
+               a[5] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[10] << 2;
+               v |= buf[11] << 10;
+               a[6] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[12] << 5;
+               a[7] += v & 0x01FFF;
+               v = br_dec16le(buf + 13);
+               a[8] += v & 0x01FFF;
+               v >>= 13;
+               v |= buf[15] << 3;
+               a[9] += v | 0x00800;
+
+               /*
+                * At that point, all a[] values fit on 14 bits, while
+                * all r[] values fit on 13 bits. Thus products fit on
+                * 27 bits, and we can accumulate up to 31 of them in
+                * a 32-bit word and still have some room for carries.
+                */
+
+               /*
+                * Now a[] contains words with values up to 14 bits each.
+                * We perform the multiplication with r[].
+                *
+                * The extended words of r[] may be larger than 13 bits
+                * (they are 5 times a 13-bit word) so the full summation
+                * may yield values up to 46 times a 27-bit word, which
+                * does not fit on a 32-bit word. To avoid that issue, we
+                * must split the loop below in two, with a carry
+                * propagation operation in the middle.
+                */
+               cc1 = 0;
+               for (u = 0; u < 10; u ++) {
+                       uint32_t s;
+
+                       s = cc1
+                               + MUL15(a[0], r[u + 9 - 0])
+                               + MUL15(a[1], r[u + 9 - 1])
+                               + MUL15(a[2], r[u + 9 - 2])
+                               + MUL15(a[3], r[u + 9 - 3])
+                               + MUL15(a[4], r[u + 9 - 4]);
+                       b[u] = s & 0x1FFF;
+                       cc1 = s >> 13;
+               }
+               cc2 = 0;
+               for (u = 0; u < 10; u ++) {
+                       uint32_t s;
+
+                       s = b[u] + cc2
+                               + MUL15(a[5], r[u + 9 - 5])
+                               + MUL15(a[6], r[u + 9 - 6])
+                               + MUL15(a[7], r[u + 9 - 7])
+                               + MUL15(a[8], r[u + 9 - 8])
+                               + MUL15(a[9], r[u + 9 - 9]);
+                       b[u] = s & 0x1FFF;
+                       cc2 = s >> 13;
+               }
+               memcpy(a, b, sizeof b);
+
+               /*
+                * The two carries "loop back" with a factor of 5. We
+                * propagate them into a[0] and a[1].
+                */
+               z = cc1 + cc2;
+               z += (z << 2) + a[0];
+               a[0] = z & 0x1FFF;
+               a[1] += z >> 13;
+
+               buf += 16;
+               len -= 16;
+       }
+}
+
+/* see bearssl_block.h */
+void
+br_poly1305_ctmul32_run(const void *key, const void *iv,
+       void *data, size_t len, const void *aad, size_t aad_len,
+       void *tag, br_chacha20_run ichacha, int encrypt)
+{
+       unsigned char pkey[32], foot[16];
+       uint32_t z, r[19], acc[10], cc, ctl;
+       int i;
+
+       /*
+        * Compute the MAC key. The 'r' value is the first 16 bytes of
+        * pkey[].
+        */
+       memset(pkey, 0, sizeof pkey);
+       ichacha(key, iv, 0, pkey, sizeof pkey);
+
+       /*
+        * If encrypting, ChaCha20 must run first, followed by Poly1305.
+        * When decrypting, the operations are reversed.
+        */
+       if (encrypt) {
+               ichacha(key, iv, 1, data, len);
+       }
+
+       /*
+        * Run Poly1305. We must process the AAD, then ciphertext, then
+        * the footer (with the lengths). Note that the AAD and ciphertext
+        * are meant to be padded with zeros up to the next multiple of 16,
+        * and the length of the footer is 16 bytes as well.
+        */
+
+       /*
+        * Decode the 'r' value into 13-bit words, with the "clamping"
+        * operation applied.
+        */
+       z = br_dec32le(pkey) & 0x03FFFFFF;
+       r[9] = z & 0x1FFF;
+       r[10] = z >> 13;
+       z = (br_dec32le(pkey +  3) >> 2) & 0x03FFFF03;
+       r[11] = z & 0x1FFF;
+       r[12] = z >> 13;
+       z = (br_dec32le(pkey +  6) >> 4) & 0x03FFC0FF;
+       r[13] = z & 0x1FFF;
+       r[14] = z >> 13;
+       z = (br_dec32le(pkey +  9) >> 6) & 0x03F03FFF;
+       r[15] = z & 0x1FFF;
+       r[16] = z >> 13;
+       z = (br_dec32le(pkey + 12) >> 8) & 0x000FFFFF;
+       r[17] = z & 0x1FFF;
+       r[18] = z >> 13;
+
+       /*
+        * Extend r[] with the 5x factor pre-applied.
+        */
+       for (i = 0; i < 9; i ++) {
+               r[i] = MUL15(5, r[i + 10]);
+       }
+
+       /*
+        * Accumulator is 0.
+        */
+       memset(acc, 0, sizeof acc);
+
+       /*
+        * Process the additional authenticated data, ciphertext, and
+        * footer in due order.
+        */
+       br_enc64le(foot, (uint64_t)aad_len);
+       br_enc64le(foot + 8, (uint64_t)len);
+       poly1305_inner(acc, r, aad, aad_len);
+       poly1305_inner(acc, r, data, len);
+       poly1305_inner(acc, r, foot, sizeof foot);
+
+       /*
+        * Finalise modular reduction. This is done with carry propagation
+        * and applying the '2^130 = -5 mod p' rule. Note that the output
+        * of poly1035_inner() is already mostly reduced, since only
+        * acc[1] may be (very slightly) above 2^13. A single loop back
+        * to acc[1] will be enough to make the value fit in 130 bits.
+        */
+       cc = 0;
+       for (i = 1; i < 10; i ++) {
+               z = acc[i] + cc;
+               acc[i] = z & 0x1FFF;
+               cc = z >> 13;
+       }
+       z = acc[0] + cc + (cc << 2);
+       acc[0] = z & 0x1FFF;
+       acc[1] += z >> 13;
+
+       /*
+        * We may still have a value in the 2^130-5..2^130-1 range, in
+        * which case we must reduce it again. The code below selects,
+        * in constant-time, between 'acc' and 'acc-p',
+        */
+       ctl = GT(acc[0], 0x1FFA);
+       for (i = 1; i < 10; i ++) {
+               ctl &= EQ(acc[i], 0x1FFF);
+       }
+       acc[0] = MUX(ctl, acc[0] - 0x1FFB, acc[0]);
+       for (i = 1; i < 10; i ++) {
+               acc[i] &= ~(-ctl);
+       }
+
+       /*
+        * Convert back the accumulator to 32-bit words, and add the
+        * 's' value (second half of pkey[]). That addition is done
+        * modulo 2^128.
+        */
+       z = acc[0] + (acc[1] << 13) + br_dec16le(pkey + 16);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag, z & 0xFFFF);
+       z = (z >> 16) + (acc[2] << 10) + br_dec16le(pkey + 18);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag + 2, z & 0xFFFF);
+       z = (z >> 16) + (acc[3] << 7) + br_dec16le(pkey + 20);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag + 4, z & 0xFFFF);
+       z = (z >> 16) + (acc[4] << 4) + br_dec16le(pkey + 22);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag + 6, z & 0xFFFF);
+       z = (z >> 16) + (acc[5] << 1) + (acc[6] << 14) + br_dec16le(pkey + 24);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag + 8, z & 0xFFFF);
+       z = (z >> 16) + (acc[7] << 11) + br_dec16le(pkey + 26);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag + 10, z & 0xFFFF);
+       z = (z >> 16) + (acc[8] << 8) + br_dec16le(pkey + 28);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag + 12, z & 0xFFFF);
+       z = (z >> 16) + (acc[9] << 5) + br_dec16le(pkey + 30);
+       br_enc16le((unsigned char *)tag + 14, z & 0xFFFF);
+
+       /*
+        * If decrypting, then ChaCha20 runs _after_ Poly1305.
+        */
+       if (!encrypt) {
+               ichacha(key, iv, 1, data, len);
+       }
+}