aes.c

   1
   2 #include "aes.h"
   3
   4
   5
   6
   7
   8
   9
  10 // The lookup-tables are marked const so they can be placed in read-only storage instead of RAM
  11 // The numbers below can be computed dynamically trading ROM for RAM -
  12 // This can be useful in (embedded) bootloader applications, where ROM is often limited.
  13 static const uint8_t sbox[256] = {
  14   //0     1    2      3     4    5     6     7      8    9     A      B    C     D     E     F
  15   0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
  16   0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
  17   0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
  18   0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
  19   0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
  20   0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
  21   0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
  22   0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
  23   0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
  24   0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
  25   0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
  26   0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
  27   0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
  28   0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
  29   0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
  30   0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16 };
  31
  32 #define getSBoxValue(num) (sbox[(num)])
  33
  34
  35 extern __m512i aes2(__m512i s,__m512i key)
  36 {
  37         alignas(64) uint8_t state[4][4][4];
  38         _mm512_store_epi32(state[0][0],s);
  39         alignas(64) uint8_t a[4][4][4];
  40
  41         const uint8_t U8_INV_FISRT_BIT_MASK[64] = {[0 ... 63] = 0xFE };//mask2
  42         const uint32_t COEFF[16] = {[0 ... 15] = 0x1b };//mul
  43         const uint8_t U8_FISRT_BIT_MASK[64] = {[0 ... 63] = 0x01 };//mask
  44         const uint32_t U32_FISRT_BYTE_MASK[16] = {[0 ... 15] = 0x000000FF };//mask3
  45         const uint32_t left1[16] = {0x00,0x18,0x10,0x08,0x00,0x18,0x10,0x08,0x00,0x18,0x10,0x08,0x00,0x18,0x10,0x08};//left
  46         const uint32_t right1[16] = {0x00,0x08,0x10,0x18,0x00,0x08,0x10,0x18,0x00,0x08,0x10,0x18,0x00,0x08,0x10,0x18};//right
  47         __m512i mask2 = _mm512_load_epi32 (U8_INV_FISRT_BIT_MASK);
  48         __m512i mul = _mm512_load_epi32 (COEFF);
  49         __m512i mask = _mm512_load_epi32 (U8_FISRT_BIT_MASK);
  50         __m512i mask3 = _mm512_load_epi32 (U32_FISRT_BYTE_MASK);
  51         __m512i left = _mm512_load_epi32 (left1);
  52         __m512i right = _mm512_load_epi32 (right1);
  53
  54
  55         for (uint8_t t = 0; t < 4; ++t)
  56                 for (uint8_t i = 0; i < 4; ++i)
  57                         for (uint8_t j = 0; j < 4; ++j)
  58                                  a[t][i][j] = getSBoxValue(state[t][j][i]); // substitute and swap columbs and rows
  59
  60
  61         __m512i in1 = _mm512_load_epi32 (a[0][0]);
  62         __m512i mix_left = _mm512_sllv_epi32(in1,left);
  63         __m512i mix_right = _mm512_srlv_epi32(in1,right);
  64         __m512i rotated = _mm512_or_si512(mix_right,mix_left);
  65         _mm512_store_epi32(a[0][0],rotated);
  66
  67
  68         for (uint8_t t = 0; t < 4; ++t)
  69                 for(int x = 0; x < 4;x++)
  70                         for(int y = 0; y < 4;y++)
  71                                 state[t][y][x] = a[t][x][y]; // unswap colimbs and rows
  72
  73
  74         __m512i in = _mm512_load_epi32 (state[0][0]);
  75         __m512i in_shiftR_8 = _mm512_srli_epi32(in,8);
  76         __m512i xor2 = _mm512_xor_si512(in_shiftR_8,in);
  77         __m512i in_shiftR_16 = _mm512_srli_epi32(in,16);
  78         __m512i xor1 = _mm512_xor_si512(in_shiftR_16,xor2);
  79         __m512i in_shiftR_24 = _mm512_srli_epi32(in,24);
  80         __m512i xor = _mm512_xor_si512(xor1,in_shiftR_24);
  81
  82         __m512i xor_byte = _mm512_and_si512(xor,mask3); // make byte
  83         __m512i xor_byte_coeff = _mm512_mullo_epi32(xor_byte,mask);
  84
  85         __m512i in_shiftL_24 = _mm512_slli_epi32(in,24);
  86         __m512i in_rotL_8 = _mm512_or_si512(in_shiftR_8,in_shiftL_24);
  87
  88         __m512i Tm  = _mm512_xor_si512(in_rotL_8,in);
  89
  90
  91
  92         __m512i in_shiftR_7 = _mm512_srli_epi32(Tm,7);
  93         __m512i in_shiftR_7_BYTE = _mm512_and_si512(in_shiftR_7,mask);
  94         __m512i mul_1b = _mm512_mullo_epi32(in_shiftR_7_BYTE,mul);
  95
  96         __m512i in_shiftL_1 = _mm512_slli_epi32(Tm,1);
  97         __m512i in_shiftL_1_BYTE = _mm512_and_si512(in_shiftL_1,mask2);
  98
  99         __m512i xtime = _mm512_xor_si512(mul_1b,in_shiftL_1_BYTE);
 100         __m512i tmp = _mm512_xor_si512(xor_byte_coeff,xtime);
 101         __m512i matrix_multiply = _mm512_xor_si512(tmp,in);
 102         return _mm512_xor_si512(key,matrix_multiply);
 103 }
 104
 105
 106
 107 extern void aes(_512_state* state,_512_key *k)
 108 {
 109         __m512i key = _mm512_load_epi32 (k);
 110         alignas(64) uint8_t a[4][4][4];
 111
 112         const uint8_t U8_INV_FISRT_BIT_MASK[64] = {[0 ... 63] = 0xFE };//mask2
 113         const uint32_t COEFF[16] = {[0 ... 15] = 0x1b };//mul
 114         const uint8_t U8_FISRT_BIT_MASK[64] = {[0 ... 63] = 0x01 };//mask
 115         const uint32_t U32_FISRT_BYTE_MASK[16] = {[0 ... 15] = 0x000000FF };//mask3
 116         const uint32_t left1[16] = {0x00,0x18,0x10,0x08,0x00,0x18,0x10,0x08,0x00,0x18,0x10,0x08,0x00,0x18,0x10,0x08};//left
 117         const uint32_t right1[16] = {0x00,0x08,0x10,0x18,0x00,0x08,0x10,0x18,0x00,0x08,0x10,0x18,0x00,0x08,0x10,0x18};//right
 118         __m512i mask2 = _mm512_load_epi32 (U8_INV_FISRT_BIT_MASK);
 119         __m512i mul = _mm512_load_epi32 (COEFF);
 120         __m512i mask = _mm512_load_epi32 (U8_FISRT_BIT_MASK);
 121         __m512i mask3 = _mm512_load_epi32 (U32_FISRT_BYTE_MASK);
 122         __m512i left = _mm512_load_epi32 (left1);
 123         __m512i right = _mm512_load_epi32 (right1);
 124
 125
 126         for (uint8_t t = 0; t < 4; ++t)
 127                 for (uint8_t i = 0; i < 4; ++i)
 128                         for (uint8_t j = 0; j < 4; ++j)
 129                                  a[t][i][j] = getSBoxValue((*state)[t][j][i]); // substitute and swap columbs and rows
 130
 131
 132         __m512i in1 = _mm512_load_epi32 (a[0][0]);
 133         __m512i mix_left = _mm512_sllv_epi32(in1,left);
 134         __m512i mix_right = _mm512_srlv_epi32(in1,right);
 135         __m512i rotated = _mm512_or_si512(mix_right,mix_left);
 136         _mm512_store_epi32(a[0][0],rotated);
 137
 138
 139         for (uint8_t t = 0; t < 4; ++t)
 140                 for(int x = 0; x < 4;x++)
 141                         for(int y = 0; y < 4;y++)
 142                                 (*state)[t][y][x] = a[t][x][y]; // unswap colimbs and rows
 143
 144
 145         __m512i in = _mm512_load_epi32 ((*state)[0][0]);
 146         __m512i in_shiftR_8 = _mm512_srli_epi32(in,8);
 147         __m512i xor2 = _mm512_xor_si512(in_shiftR_8,in);
 148         __m512i in_shiftR_16 = _mm512_srli_epi32(in,16);
 149         __m512i xor1 = _mm512_xor_si512(in_shiftR_16,xor2);
 150         __m512i in_shiftR_24 = _mm512_srli_epi32(in,24);
 151         __m512i xor = _mm512_xor_si512(xor1,in_shiftR_24);
 152
 153         __m512i xor_byte = _mm512_and_si512(xor,mask3); // make byte
 154         __m512i xor_byte_coeff = _mm512_mullo_epi32(xor_byte,mask);
 155
 156         __m512i in_shiftL_24 = _mm512_slli_epi32(in,24);
 157         __m512i in_rotL_8 = _mm512_or_si512(in_shiftR_8,in_shiftL_24);
 158
 159         __m512i Tm  = _mm512_xor_si512(in_rotL_8,in);
 160
 161
 162
 163         __m512i in_shiftR_7 = _mm512_srli_epi32(Tm,7);
 164         __m512i in_shiftR_7_BYTE = _mm512_and_si512(in_shiftR_7,mask);
 165         __m512i mul_1b = _mm512_mullo_epi32(in_shiftR_7_BYTE,mul);
 166
 167         __m512i in_shiftL_1 = _mm512_slli_epi32(Tm,1);
 168         __m512i in_shiftL_1_BYTE = _mm512_and_si512(in_shiftL_1,mask2);
 169
 170         __m512i xtime = _mm512_xor_si512(mul_1b,in_shiftL_1_BYTE);
 171         __m512i tmp = _mm512_xor_si512(xor_byte_coeff,xtime);
 172         __m512i matrix_multiply = _mm512_xor_si512(tmp,in);
 173         __m512i ret = _mm512_xor_si512(key,matrix_multiply);
 174         _mm512_store_epi32((*state)[0][0],ret);
 175 }
 176
 177