src/plugins/crypto_native/aes.h

   1 /*
   2  *------------------------------------------------------------------
   3  * Copyright (c) 2020 Cisco and/or its affiliates.
   4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
   5  * you may not use this file except in compliance with the License.
   6  * You may obtain a copy of the License at:
   7  *
   8  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
   9  *
  10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
  12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  13  * See the License for the specific language governing permissions and
  14  * limitations under the License.
  15  *------------------------------------------------------------------
  16  */
  17
  18 #ifndef __aesni_h__
  19 #define __aesni_h__
  20
  21 typedef enum
  22 {
  23   AES_KEY_128 = 0,
  24   AES_KEY_192 = 1,
  25   AES_KEY_256 = 2,
  26 } aes_key_size_t;
  27
  28 #define AES_KEY_ROUNDS(x)               (10 + x * 2)
  29 #define AES_KEY_BYTES(x)                (16 + x * 8)
  30
  31 static const u8x16 byte_mask_scale = {
  32   0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
  33 };
  34
  35 static_always_inline u8x16
  36 aes_block_load (u8 * p)
  37 {
  38   return *(u8x16u *) p;
  39 }
  40
  41 static_always_inline u8x16
  42 aes_enc_round (u8x16 a, u8x16 k)
  43 {
  44 #if defined (__AES__)
  45   return (u8x16) _mm_aesenc_si128 ((__m128i) a, (__m128i) k);
  46 #elif defined (__ARM_FEATURE_AES)
  47   return vaesmcq_u8 (vaeseq_u8 (a, u8x16_splat (0))) ^ k;
  48 #endif
  49 }
  50
  51 static_always_inline u8x16
  52 aes_enc_last_round (u8x16 a, u8x16 k)
  53 {
  54 #if defined (__AES__)
  55   return (u8x16) _mm_aesenclast_si128 ((__m128i) a, (__m128i) k);
  56 #elif defined (__ARM_FEATURE_AES)
  57   return vaeseq_u8 (a, u8x16_splat (0)) ^ k;
  58 #endif
  59 }
  60
  61 #ifdef __x86_64__
  62
  63 static_always_inline u8x16
  64 aes_dec_round (u8x16 a, u8x16 k)
  65 {
  66   return (u8x16) _mm_aesdec_si128 ((__m128i) a, (__m128i) k);
  67 }
  68
  69 static_always_inline u8x16
  70 aes_dec_last_round (u8x16 a, u8x16 k)
  71 {
  72   return (u8x16) _mm_aesdeclast_si128 ((__m128i) a, (__m128i) k);
  73 }
  74 #endif
  75
  76 static_always_inline void
  77 aes_block_store (u8 * p, u8x16 r)
  78 {
  79   *(u8x16u *) p = r;
  80 }
  81
  82 static_always_inline u8x16
  83 aes_byte_mask (u8x16 x, u8 n_bytes)
  84 {
  85   return x & u8x16_is_greater (u8x16_splat (n_bytes), byte_mask_scale);
  86 }
  87
  88 static_always_inline u8x16
  89 aes_load_partial (u8x16u * p, int n_bytes)
  90 {
  91   ASSERT (n_bytes <= 16);
  92 #ifdef __AVX512F__
  93   __m128i zero = { };
  94   return (u8x16) _mm_mask_loadu_epi8 (zero, (1 << n_bytes) - 1, p);
  95 #else
  96   return aes_byte_mask (CLIB_MEM_OVERFLOW_LOAD (*, p), n_bytes);
  97 #endif
  98 }
  99
 100 static_always_inline void
 101 aes_store_partial (void *p, u8x16 r, int n_bytes)
 102 {
 103 #if __aarch64__
 104   clib_memcpy_fast (p, &r, n_bytes);
 105 #else
 106 #ifdef __AVX512F__
 107   _mm_mask_storeu_epi8 (p, (1 << n_bytes) - 1, (__m128i) r);
 108 #else
 109   u8x16 mask = u8x16_is_greater (u8x16_splat (n_bytes), byte_mask_scale);
 110   _mm_maskmoveu_si128 ((__m128i) r, (__m128i) mask, p);
 111 #endif
 112 #endif
 113 }
 114
 115
 116 static_always_inline u8x16
 117 aes_encrypt_block (u8x16 block, const u8x16 * round_keys, aes_key_size_t ks)
 118 {
 119   int rounds = AES_KEY_ROUNDS (ks);
 120   block ^= round_keys[0];
 121   for (int i = 1; i < rounds; i += 1)
 122     block = aes_enc_round (block, round_keys[i]);
 123   return aes_enc_last_round (block, round_keys[rounds]);
 124 }
 125
 126 static_always_inline u8x16
 127 aes_inv_mix_column (u8x16 a)
 128 {
 129 #if defined (__AES__)
 130   return (u8x16) _mm_aesimc_si128 ((__m128i) a);
 131 #elif defined (__ARM_FEATURE_AES)
 132   return vaesimcq_u8 (a);
 133 #endif
 134 }
 135
 136 #ifdef __x86_64__
 137 #define aes_keygen_assist(a, b) \
 138   (u8x16) _mm_aeskeygenassist_si128((__m128i) a, b)
 139
 140 /* AES-NI based AES key expansion based on code samples from
 141    Intel(r) Advanced Encryption Standard (AES) New Instructions White Paper
 142    (323641-001) */
 143
 144 static_always_inline void
 145 aes128_key_assist (u8x16 * rk, u8x16 r)
 146 {
 147   u8x16 t = rk[-1];
 148   t ^= u8x16_word_shift_left (t, 4);
 149   t ^= u8x16_word_shift_left (t, 4);
 150   t ^= u8x16_word_shift_left (t, 4);
 151   rk[0] = t ^ (u8x16) u32x4_shuffle ((u32x4) r, 3, 3, 3, 3);
 152 }
 153
 154 static_always_inline void
 155 aes128_key_expand (u8x16 * rk, u8x16 const *k)
 156 {
 157   rk[0] = k[0];
 158   aes128_key_assist (rk + 1, aes_keygen_assist (rk[0], 0x01));
 159   aes128_key_assist (rk + 2, aes_keygen_assist (rk[1], 0x02));
 160   aes128_key_assist (rk + 3, aes_keygen_assist (rk[2], 0x04));
 161   aes128_key_assist (rk + 4, aes_keygen_assist (rk[3], 0x08));
 162   aes128_key_assist (rk + 5, aes_keygen_assist (rk[4], 0x10));
 163   aes128_key_assist (rk + 6, aes_keygen_assist (rk[5], 0x20));
 164   aes128_key_assist (rk + 7, aes_keygen_assist (rk[6], 0x40));
 165   aes128_key_assist (rk + 8, aes_keygen_assist (rk[7], 0x80));
 166   aes128_key_assist (rk + 9, aes_keygen_assist (rk[8], 0x1b));
 167   aes128_key_assist (rk + 10, aes_keygen_assist (rk[9], 0x36));
 168 }
 169
 170 static_always_inline void
 171 aes192_key_assist (u8x16 * r1, u8x16 * r2, u8x16 key_assist)
 172 {
 173   u8x16 t;
 174   r1[0] ^= t = u8x16_word_shift_left (r1[0], 4);
 175   r1[0] ^= t = u8x16_word_shift_left (t, 4);
 176   r1[0] ^= u8x16_word_shift_left (t, 4);
 177   r1[0] ^= (u8x16) _mm_shuffle_epi32 ((__m128i) key_assist, 0x55);
 178   r2[0] ^= u8x16_word_shift_left (r2[0], 4);
 179   r2[0] ^= (u8x16) _mm_shuffle_epi32 ((__m128i) r1[0], 0xff);
 180 }
 181
 182 static_always_inline void
 183 aes192_key_expand (u8x16 * rk, u8x16u const *k)
 184 {
 185   u8x16 r1, r2;
 186
 187   rk[0] = r1 = k[0];
 188   /* *INDENT-OFF* */
 189   rk[1] = r2 = (u8x16) (u64x2) { *(u64 *) (k + 1), 0 };
 190   /* *INDENT-ON* */
 191
 192   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x1));
 193   rk[1] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) rk[1], (__m128d) r1, 0);
 194   rk[2] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) r1, (__m128d) r2, 1);
 195
 196   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x2));
 197   rk[3] = r1;
 198   rk[4] = r2;
 199
 200   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x4));
 201   rk[4] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) rk[4], (__m128d) r1, 0);
 202   rk[5] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) r1, (__m128d) r2, 1);
 203
 204   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x8));
 205   rk[6] = r1;
 206   rk[7] = r2;
 207
 208   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x10));
 209   rk[7] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) rk[7], (__m128d) r1, 0);
 210   rk[8] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) r1, (__m128d) r2, 1);
 211
 212   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x20));
 213   rk[9] = r1;
 214   rk[10] = r2;
 215
 216   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x40));
 217   rk[10] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) rk[10], (__m128d) r1, 0);
 218   rk[11] = (u8x16) _mm_shuffle_pd ((__m128d) r1, (__m128d) r2, 1);
 219
 220   aes192_key_assist (&r1, &r2, aes_keygen_assist (r2, 0x80));
 221   rk[12] = r1;
 222 }
 223
 224 static_always_inline void
 225 aes256_key_assist (u8x16 * rk, int i, u8x16 key_assist)
 226 {
 227   u8x16 r, t;
 228   rk += i;
 229   r = rk[-2];
 230   r ^= t = u8x16_word_shift_left (r, 4);
 231   r ^= t = u8x16_word_shift_left (t, 4);
 232   r ^= u8x16_word_shift_left (t, 4);
 233   r ^= (u8x16) u32x4_shuffle ((u32x4) key_assist, 3, 3, 3, 3);
 234   rk[0] = r;
 235
 236   if (i >= 14)
 237     return;
 238
 239   key_assist = aes_keygen_assist (rk[0], 0x0);
 240   r = rk[-1];
 241   r ^= t = u8x16_word_shift_left (r, 4);
 242   r ^= t = u8x16_word_shift_left (t, 4);
 243   r ^= u8x16_word_shift_left (t, 4);
 244   r ^= (u8x16) u32x4_shuffle ((u32x4) key_assist, 2, 2, 2, 2);
 245   rk[1] = r;
 246 }
 247
 248 static_always_inline void
 249 aes256_key_expand (u8x16 * rk, u8x16u const *k)
 250 {
 251   rk[0] = k[0];
 252   rk[1] = k[1];
 253   aes256_key_assist (rk, 2, aes_keygen_assist (rk[1], 0x01));
 254   aes256_key_assist (rk, 4, aes_keygen_assist (rk[3], 0x02));
 255   aes256_key_assist (rk, 6, aes_keygen_assist (rk[5], 0x04));
 256   aes256_key_assist (rk, 8, aes_keygen_assist (rk[7], 0x08));
 257   aes256_key_assist (rk, 10, aes_keygen_assist (rk[9], 0x10));
 258   aes256_key_assist (rk, 12, aes_keygen_assist (rk[11], 0x20));
 259   aes256_key_assist (rk, 14, aes_keygen_assist (rk[13], 0x40));
 260 }
 261 #endif
 262
 263 #ifdef __aarch64__
 264
 265 static const u8x16 aese_prep_mask1 =
 266   { 13, 14, 15, 12, 13, 14, 15, 12, 13, 14, 15, 12, 13, 14, 15, 12 };
 267 static const u8x16 aese_prep_mask2 =
 268   { 12, 13, 14, 15, 12, 13, 14, 15, 12, 13, 14, 15, 12, 13, 14, 15 };
 269
 270 static_always_inline void
 271 aes128_key_expand_round_neon (u8x16 * rk, u32 rcon)
 272 {
 273   u8x16 r, t, last_round = rk[-1], z = { };
 274   r = vqtbl1q_u8 (last_round, aese_prep_mask1);
 275   r = vaeseq_u8 (r, z);
 276   r ^= (u8x16) vdupq_n_u32 (rcon);
 277   r ^= last_round;
 278   r ^= t = vextq_u8 (z, last_round, 12);
 279   r ^= t = vextq_u8 (z, t, 12);
 280   r ^= vextq_u8 (z, t, 12);
 281   rk[0] = r;
 282 }
 283
 284 static_always_inline void
 285 aes128_key_expand (u8x16 * rk, const u8x16 * k)
 286 {
 287   rk[0] = k[0];
 288   aes128_key_expand_round_neon (rk + 1, 0x01);
 289   aes128_key_expand_round_neon (rk + 2, 0x02);
 290   aes128_key_expand_round_neon (rk + 3, 0x04);
 291   aes128_key_expand_round_neon (rk + 4, 0x08);
 292   aes128_key_expand_round_neon (rk + 5, 0x10);
 293   aes128_key_expand_round_neon (rk + 6, 0x20);
 294   aes128_key_expand_round_neon (rk + 7, 0x40);
 295   aes128_key_expand_round_neon (rk + 8, 0x80);
 296   aes128_key_expand_round_neon (rk + 9, 0x1b);
 297   aes128_key_expand_round_neon (rk + 10, 0x36);
 298 }
 299
 300 static_always_inline void
 301 aes192_key_expand_round_neon (u8x8 * rk, u32 rcon)
 302 {
 303   u8x8 r, last_round = rk[-1], z = { };
 304   u8x16 r2, z2 = { };
 305
 306   r2 = (u8x16) vdupq_lane_u64 ((uint64x1_t) last_round, 0);
 307   r2 = vqtbl1q_u8 (r2, aese_prep_mask1);
 308   r2 = vaeseq_u8 (r2, z2);
 309   r2 ^= (u8x16) vdupq_n_u32 (rcon);
 310
 311   r = (u8x8) vdup_laneq_u64 ((u64x2) r2, 0);
 312   r ^= rk[-3];
 313   r ^= vext_u8 (z, rk[-3], 4);
 314   rk[0] = r;
 315
 316   r = rk[-2] ^ vext_u8 (r, z, 4);
 317   r ^= vext_u8 (z, r, 4);
 318   rk[1] = r;
 319
 320   if (rcon == 0x80)
 321     return;
 322
 323   r = rk[-1] ^ vext_u8 (r, z, 4);
 324   r ^= vext_u8 (z, r, 4);
 325   rk[2] = r;
 326 }
 327
 328 static_always_inline void
 329 aes192_key_expand (u8x16 * ek, const u8x16u * k)
 330 {
 331   u8x8 *rk = (u8x8 *) ek;
 332   ek[0] = k[0];
 333   rk[2] = *(u8x8u *) (k + 1);
 334   aes192_key_expand_round_neon (rk + 3, 0x01);
 335   aes192_key_expand_round_neon (rk + 6, 0x02);
 336   aes192_key_expand_round_neon (rk + 9, 0x04);
 337   aes192_key_expand_round_neon (rk + 12, 0x08);
 338   aes192_key_expand_round_neon (rk + 15, 0x10);
 339   aes192_key_expand_round_neon (rk + 18, 0x20);
 340   aes192_key_expand_round_neon (rk + 21, 0x40);
 341   aes192_key_expand_round_neon (rk + 24, 0x80);
 342 }
 343
 344
 345 static_always_inline void
 346 aes256_key_expand_round_neon (u8x16 * rk, u32 rcon)
 347 {
 348   u8x16 r, t, z = { };
 349
 350   r = vqtbl1q_u8 (rk[-1], rcon ? aese_prep_mask1 : aese_prep_mask2);
 351   r = vaeseq_u8 (r, z);
 352   if (rcon)
 353     r ^= (u8x16) vdupq_n_u32 (rcon);
 354   r ^= rk[-2];
 355   r ^= t = vextq_u8 (z, rk[-2], 12);
 356   r ^= t = vextq_u8 (z, t, 12);
 357   r ^= vextq_u8 (z, t, 12);
 358   rk[0] = r;
 359 }
 360
 361 static_always_inline void
 362 aes256_key_expand (u8x16 * rk, u8x16 const *k)
 363 {
 364   rk[0] = k[0];
 365   rk[1] = k[1];
 366   aes256_key_expand_round_neon (rk + 2, 0x01);
 367   aes256_key_expand_round_neon (rk + 3, 0);
 368   aes256_key_expand_round_neon (rk + 4, 0x02);
 369   aes256_key_expand_round_neon (rk + 5, 0);
 370   aes256_key_expand_round_neon (rk + 6, 0x04);
 371   aes256_key_expand_round_neon (rk + 7, 0);
 372   aes256_key_expand_round_neon (rk + 8, 0x08);
 373   aes256_key_expand_round_neon (rk + 9, 0);
 374   aes256_key_expand_round_neon (rk + 10, 0x10);
 375   aes256_key_expand_round_neon (rk + 11, 0);
 376   aes256_key_expand_round_neon (rk + 12, 0x20);
 377   aes256_key_expand_round_neon (rk + 13, 0);
 378   aes256_key_expand_round_neon (rk + 14, 0x40);
 379 }
 380
 381 #endif
 382
 383 static_always_inline void
 384 aes_key_expand (u8x16 * key_schedule, u8 const *key, aes_key_size_t ks)
 385 {
 386   switch (ks)
 387     {
 388     case AES_KEY_128:
 389       aes128_key_expand (key_schedule, (u8x16u const *) key);
 390       break;
 391     case AES_KEY_192:
 392       aes192_key_expand (key_schedule, (u8x16u const *) key);
 393       break;
 394     case AES_KEY_256:
 395       aes256_key_expand (key_schedule, (u8x16u const *) key);
 396       break;
 397     }
 398 }
 399
 400 static_always_inline void
 401 aes_key_enc_to_dec (u8x16 * ke, u8x16 * kd, aes_key_size_t ks)
 402 {
 403   int rounds = AES_KEY_ROUNDS (ks);
 404
 405   kd[rounds] = ke[0];
 406   kd[0] = ke[rounds];
 407
 408   for (int i = 1; i < (rounds / 2); i++)
 409     {
 410       kd[rounds - i] = aes_inv_mix_column (ke[i]);
 411       kd[i] = aes_inv_mix_column (ke[rounds - i]);
 412     }
 413
 414   kd[rounds / 2] = aes_inv_mix_column (ke[rounds / 2]);
 415 }
 416
 417 #endif /* __aesni_h__ */
 418
 419 /*
 420  * fd.io coding-style-patch-verification: ON
 421  *
 422  * Local Variables:
 423  * eval: (c-set-style "gnu")
 424  * End:
 425  */