1*ade6f848SJerome Forissier // SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause 2*ade6f848SJerome Forissier /* 3*ade6f848SJerome Forissier * Copyright Copyright (c) 2019 Huawei Technologies Co., Ltd 4*ade6f848SJerome Forissier */ 5*ade6f848SJerome Forissier /* 6*ade6f848SJerome Forissier * SM4 Encryption algorithm (SMS4 algorithm) 7*ade6f848SJerome Forissier * GM/T 0002-2012 Chinese National Standard ref:http://www.oscca.gov.cn/ 8*ade6f848SJerome Forissier * thanks to Xyssl 9*ade6f848SJerome Forissier * thnaks and refers to http://hi.baidu.com/numax/blog/item/80addfefddfb93e4cf1b3e61.html 10*ade6f848SJerome Forissier * author:goldboar 11*ade6f848SJerome Forissier * email:goldboar@163.com 12*ade6f848SJerome Forissier * 2012-4-20 13*ade6f848SJerome Forissier */ 14*ade6f848SJerome Forissier 15*ade6f848SJerome Forissier #include "sm4.h" 16*ade6f848SJerome Forissier #include <assert.h> 17*ade6f848SJerome Forissier #include <string.h> 18*ade6f848SJerome Forissier 19*ade6f848SJerome Forissier #define GET_UINT32_BE(n, b, i) \ 20*ade6f848SJerome Forissier do { \ 21*ade6f848SJerome Forissier (n) = ((uint32_t)(b)[(i)] << 24) | \ 22*ade6f848SJerome Forissier ((uint32_t)(b)[(i) + 1] << 16) | \ 23*ade6f848SJerome Forissier ((uint32_t)(b)[(i) + 2] << 8) | \ 24*ade6f848SJerome Forissier ((uint32_t)(b)[(i) + 3]); \ 25*ade6f848SJerome Forissier } while (0) 26*ade6f848SJerome Forissier 27*ade6f848SJerome Forissier #define PUT_UINT32_BE(n, b, i) \ 28*ade6f848SJerome Forissier do { \ 29*ade6f848SJerome Forissier (b)[(i)] = (uint8_t)((n) >> 24); \ 30*ade6f848SJerome Forissier (b)[(i) + 1] = (uint8_t)((n) >> 16); \ 31*ade6f848SJerome Forissier (b)[(i) + 2] = (uint8_t)((n) >> 8); \ 32*ade6f848SJerome Forissier (b)[(i) + 3] = (uint8_t)((n)); \ 33*ade6f848SJerome Forissier } while (0) 34*ade6f848SJerome Forissier 35*ade6f848SJerome Forissier #define SHL(x, n) (((x) & 0xFFFFFFFF) << (n)) 36*ade6f848SJerome Forissier #define ROTL(x, n) (SHL((x), (n)) | ((x) >> (32 - (n)))) 37*ade6f848SJerome Forissier 38*ade6f848SJerome Forissier #define SWAP(a, b) { uint32_t t = a; a = b; b = t; t = 0; } 39*ade6f848SJerome Forissier 40*ade6f848SJerome Forissier /* 41*ade6f848SJerome Forissier * Expanded SM4 S-boxes 42*ade6f848SJerome Forissier */ 43*ade6f848SJerome Forissier static const uint8_t SboxTable[16][16] = { 44*ade6f848SJerome Forissier {0xd6, 0x90, 0xe9, 0xfe, 0xcc, 0xe1, 0x3d, 0xb7, 45*ade6f848SJerome Forissier 0x16, 0xb6, 0x14, 0xc2, 0x28, 0xfb, 0x2c, 0x05}, 46*ade6f848SJerome Forissier {0x2b, 0x67, 0x9a, 0x76, 0x2a, 0xbe, 0x04, 0xc3, 47*ade6f848SJerome Forissier 0xaa, 0x44, 0x13, 0x26, 0x49, 0x86, 0x06, 0x99}, 48*ade6f848SJerome Forissier {0x9c, 0x42, 0x50, 0xf4, 0x91, 0xef, 0x98, 0x7a, 49*ade6f848SJerome Forissier 0x33, 0x54, 0x0b, 0x43, 0xed, 0xcf, 0xac, 0x62}, 50*ade6f848SJerome Forissier {0xe4, 0xb3, 0x1c, 0xa9, 0xc9, 0x08, 0xe8, 0x95, 51*ade6f848SJerome Forissier 0x80, 0xdf, 0x94, 0xfa, 0x75, 0x8f, 0x3f, 0xa6}, 52*ade6f848SJerome Forissier {0x47, 0x07, 0xa7, 0xfc, 0xf3, 0x73, 0x17, 0xba, 53*ade6f848SJerome Forissier 0x83, 0x59, 0x3c, 0x19, 0xe6, 0x85, 0x4f, 0xa8}, 54*ade6f848SJerome Forissier {0x68, 0x6b, 0x81, 0xb2, 0x71, 0x64, 0xda, 0x8b, 55*ade6f848SJerome Forissier 0xf8, 0xeb, 0x0f, 0x4b, 0x70, 0x56, 0x9d, 0x35}, 56*ade6f848SJerome Forissier {0x1e, 0x24, 0x0e, 0x5e, 0x63, 0x58, 0xd1, 0xa2, 57*ade6f848SJerome Forissier 0x25, 0x22, 0x7c, 0x3b, 0x01, 0x21, 0x78, 0x87}, 58*ade6f848SJerome Forissier {0xd4, 0x00, 0x46, 0x57, 0x9f, 0xd3, 0x27, 0x52, 59*ade6f848SJerome Forissier 0x4c, 0x36, 0x02, 0xe7, 0xa0, 0xc4, 0xc8, 0x9e}, 60*ade6f848SJerome Forissier {0xea, 0xbf, 0x8a, 0xd2, 0x40, 0xc7, 0x38, 0xb5, 61*ade6f848SJerome Forissier 0xa3, 0xf7, 0xf2, 0xce, 0xf9, 0x61, 0x15, 0xa1}, 62*ade6f848SJerome Forissier {0xe0, 0xae, 0x5d, 0xa4, 0x9b, 0x34, 0x1a, 0x55, 63*ade6f848SJerome Forissier 0xad, 0x93, 0x32, 0x30, 0xf5, 0x8c, 0xb1, 0xe3}, 64*ade6f848SJerome Forissier {0x1d, 0xf6, 0xe2, 0x2e, 0x82, 0x66, 0xca, 0x60, 65*ade6f848SJerome Forissier 0xc0, 0x29, 0x23, 0xab, 0x0d, 0x53, 0x4e, 0x6f}, 66*ade6f848SJerome Forissier {0xd5, 0xdb, 0x37, 0x45, 0xde, 0xfd, 0x8e, 0x2f, 67*ade6f848SJerome Forissier 0x03, 0xff, 0x6a, 0x72, 0x6d, 0x6c, 0x5b, 0x51}, 68*ade6f848SJerome Forissier {0x8d, 0x1b, 0xaf, 0x92, 0xbb, 0xdd, 0xbc, 0x7f, 69*ade6f848SJerome Forissier 0x11, 0xd9, 0x5c, 0x41, 0x1f, 0x10, 0x5a, 0xd8}, 70*ade6f848SJerome Forissier {0x0a, 0xc1, 0x31, 0x88, 0xa5, 0xcd, 0x7b, 0xbd, 71*ade6f848SJerome Forissier 0x2d, 0x74, 0xd0, 0x12, 0xb8, 0xe5, 0xb4, 0xb0}, 72*ade6f848SJerome Forissier {0x89, 0x69, 0x97, 0x4a, 0x0c, 0x96, 0x77, 0x7e, 73*ade6f848SJerome Forissier 0x65, 0xb9, 0xf1, 0x09, 0xc5, 0x6e, 0xc6, 0x84}, 74*ade6f848SJerome Forissier {0x18, 0xf0, 0x7d, 0xec, 0x3a, 0xdc, 0x4d, 0x20, 75*ade6f848SJerome Forissier 0x79, 0xee, 0x5f, 0x3e, 0xd7, 0xcb, 0x39, 0x48} 76*ade6f848SJerome Forissier }; 77*ade6f848SJerome Forissier 78*ade6f848SJerome Forissier /* System parameter */ 79*ade6f848SJerome Forissier static const uint32_t FK[4] = { 80*ade6f848SJerome Forissier 0xa3b1bac6, 0x56aa3350, 0x677d9197, 0xb27022dc 81*ade6f848SJerome Forissier }; 82*ade6f848SJerome Forissier 83*ade6f848SJerome Forissier /* Fixed parameter */ 84*ade6f848SJerome Forissier static const uint32_t CK[32] = { 85*ade6f848SJerome Forissier 0x00070e15, 0x1c232a31, 0x383f464d, 0x545b6269, 86*ade6f848SJerome Forissier 0x70777e85, 0x8c939aa1, 0xa8afb6bd, 0xc4cbd2d9, 87*ade6f848SJerome Forissier 0xe0e7eef5, 0xfc030a11, 0x181f262d, 0x343b4249, 88*ade6f848SJerome Forissier 0x50575e65, 0x6c737a81, 0x888f969d, 0xa4abb2b9, 89*ade6f848SJerome Forissier 0xc0c7ced5, 0xdce3eaf1, 0xf8ff060d, 0x141b2229, 90*ade6f848SJerome Forissier 0x30373e45, 0x4c535a61, 0x686f767d, 0x848b9299, 91*ade6f848SJerome Forissier 0xa0a7aeb5, 0xbcc3cad1, 0xd8dfe6ed, 0xf4fb0209, 92*ade6f848SJerome Forissier 0x10171e25, 0x2c333a41, 0x484f565d, 0x646b7279 93*ade6f848SJerome Forissier }; 94*ade6f848SJerome Forissier 95*ade6f848SJerome Forissier static uint8_t sm4Sbox(uint8_t inch) 96*ade6f848SJerome Forissier { 97*ade6f848SJerome Forissier uint8_t *tab = (uint8_t *)SboxTable; 98*ade6f848SJerome Forissier 99*ade6f848SJerome Forissier return tab[inch]; 100*ade6f848SJerome Forissier } 101*ade6f848SJerome Forissier 102*ade6f848SJerome Forissier static uint32_t sm4Lt(uint32_t ka) 103*ade6f848SJerome Forissier { 104*ade6f848SJerome Forissier uint32_t bb = 0; 105*ade6f848SJerome Forissier uint8_t a[4]; 106*ade6f848SJerome Forissier uint8_t b[4]; 107*ade6f848SJerome Forissier 108*ade6f848SJerome Forissier PUT_UINT32_BE(ka, a, 0); 109*ade6f848SJerome Forissier b[0] = sm4Sbox(a[0]); 110*ade6f848SJerome Forissier b[1] = sm4Sbox(a[1]); 111*ade6f848SJerome Forissier b[2] = sm4Sbox(a[2]); 112*ade6f848SJerome Forissier b[3] = sm4Sbox(a[3]); 113*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(bb, b, 0); 114*ade6f848SJerome Forissier 115*ade6f848SJerome Forissier return bb ^ ROTL(bb, 2) ^ ROTL(bb, 10) ^ ROTL(bb, 18) ^ ROTL(bb, 24); 116*ade6f848SJerome Forissier } 117*ade6f848SJerome Forissier 118*ade6f848SJerome Forissier static uint32_t sm4F(uint32_t x0, uint32_t x1, uint32_t x2, uint32_t x3, 119*ade6f848SJerome Forissier uint32_t rk) 120*ade6f848SJerome Forissier { 121*ade6f848SJerome Forissier return x0 ^ sm4Lt(x1 ^ x2 ^ x3 ^ rk); 122*ade6f848SJerome Forissier } 123*ade6f848SJerome Forissier 124*ade6f848SJerome Forissier static uint32_t sm4CalciRK(uint32_t ka) 125*ade6f848SJerome Forissier { 126*ade6f848SJerome Forissier uint32_t bb = 0; 127*ade6f848SJerome Forissier uint8_t a[4]; 128*ade6f848SJerome Forissier uint8_t b[4]; 129*ade6f848SJerome Forissier 130*ade6f848SJerome Forissier PUT_UINT32_BE(ka, a, 0); 131*ade6f848SJerome Forissier b[0] = sm4Sbox(a[0]); 132*ade6f848SJerome Forissier b[1] = sm4Sbox(a[1]); 133*ade6f848SJerome Forissier b[2] = sm4Sbox(a[2]); 134*ade6f848SJerome Forissier b[3] = sm4Sbox(a[3]); 135*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(bb, b, 0); 136*ade6f848SJerome Forissier 137*ade6f848SJerome Forissier return bb ^ ROTL(bb, 13) ^ ROTL(bb, 23); 138*ade6f848SJerome Forissier } 139*ade6f848SJerome Forissier 140*ade6f848SJerome Forissier static void sm4_setkey(uint32_t SK[32], const uint8_t key[16]) 141*ade6f848SJerome Forissier { 142*ade6f848SJerome Forissier uint32_t MK[4]; 143*ade6f848SJerome Forissier uint32_t k[36]; 144*ade6f848SJerome Forissier uint32_t i = 0; 145*ade6f848SJerome Forissier 146*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(MK[0], key, 0); 147*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(MK[1], key, 4); 148*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(MK[2], key, 8); 149*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(MK[3], key, 12); 150*ade6f848SJerome Forissier 151*ade6f848SJerome Forissier k[0] = MK[0] ^ FK[0]; 152*ade6f848SJerome Forissier k[1] = MK[1] ^ FK[1]; 153*ade6f848SJerome Forissier k[2] = MK[2] ^ FK[2]; 154*ade6f848SJerome Forissier k[3] = MK[3] ^ FK[3]; 155*ade6f848SJerome Forissier 156*ade6f848SJerome Forissier for (i = 0; i < 32; i++) { 157*ade6f848SJerome Forissier k[i + 4] = k[i] ^ sm4CalciRK(k[i + 1] ^ k[i + 2] ^ k[i + 3] ^ 158*ade6f848SJerome Forissier CK[i]); 159*ade6f848SJerome Forissier SK[i] = k[i + 4]; 160*ade6f848SJerome Forissier } 161*ade6f848SJerome Forissier } 162*ade6f848SJerome Forissier 163*ade6f848SJerome Forissier static void sm4_one_round(uint32_t sk[32], const uint8_t input[16], 164*ade6f848SJerome Forissier uint8_t output[16]) 165*ade6f848SJerome Forissier { 166*ade6f848SJerome Forissier uint32_t i = 0; 167*ade6f848SJerome Forissier uint32_t ulbuf[36]; 168*ade6f848SJerome Forissier 169*ade6f848SJerome Forissier memset(ulbuf, 0, sizeof(ulbuf)); 170*ade6f848SJerome Forissier 171*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(ulbuf[0], input, 0); 172*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(ulbuf[1], input, 4); 173*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(ulbuf[2], input, 8); 174*ade6f848SJerome Forissier GET_UINT32_BE(ulbuf[3], input, 12); 175*ade6f848SJerome Forissier 176*ade6f848SJerome Forissier for (i = 0; i < 32; i++) 177*ade6f848SJerome Forissier ulbuf[i + 4] = sm4F(ulbuf[i], ulbuf[i + 1], ulbuf[i + 2], 178*ade6f848SJerome Forissier ulbuf[i + 3], sk[i]); 179*ade6f848SJerome Forissier 180*ade6f848SJerome Forissier PUT_UINT32_BE(ulbuf[35], output, 0); 181*ade6f848SJerome Forissier PUT_UINT32_BE(ulbuf[34], output, 4); 182*ade6f848SJerome Forissier PUT_UINT32_BE(ulbuf[33], output, 8); 183*ade6f848SJerome Forissier PUT_UINT32_BE(ulbuf[32], output, 12); 184*ade6f848SJerome Forissier } 185*ade6f848SJerome Forissier 186*ade6f848SJerome Forissier void sm4_setkey_enc(struct sm4_context *ctx, const uint8_t key[16]) 187*ade6f848SJerome Forissier { 188*ade6f848SJerome Forissier ctx->mode = SM4_ENCRYPT; 189*ade6f848SJerome Forissier sm4_setkey(ctx->sk, key); 190*ade6f848SJerome Forissier } 191*ade6f848SJerome Forissier 192*ade6f848SJerome Forissier void sm4_setkey_dec(struct sm4_context *ctx, const uint8_t key[16]) 193*ade6f848SJerome Forissier { 194*ade6f848SJerome Forissier int i; 195*ade6f848SJerome Forissier 196*ade6f848SJerome Forissier ctx->mode = SM4_DECRYPT; 197*ade6f848SJerome Forissier sm4_setkey(ctx->sk, key); 198*ade6f848SJerome Forissier 199*ade6f848SJerome Forissier for (i = 0; i < 16; i++) 200*ade6f848SJerome Forissier SWAP(ctx->sk[i], ctx->sk[31 - i]); 201*ade6f848SJerome Forissier } 202*ade6f848SJerome Forissier 203*ade6f848SJerome Forissier void sm4_crypt_ecb(struct sm4_context *ctx, size_t length, const uint8_t *input, 204*ade6f848SJerome Forissier uint8_t *output) 205*ade6f848SJerome Forissier { 206*ade6f848SJerome Forissier assert(!(length % 16)); 207*ade6f848SJerome Forissier 208*ade6f848SJerome Forissier while (length > 0) { 209*ade6f848SJerome Forissier sm4_one_round(ctx->sk, input, output); 210*ade6f848SJerome Forissier input += 16; 211*ade6f848SJerome Forissier output += 16; 212*ade6f848SJerome Forissier length -= 16; 213*ade6f848SJerome Forissier } 214*ade6f848SJerome Forissier } 215*ade6f848SJerome Forissier 216*ade6f848SJerome Forissier void sm4_crypt_cbc(struct sm4_context *ctx, size_t length, uint8_t iv[16], 217*ade6f848SJerome Forissier const uint8_t *input, uint8_t *output) 218*ade6f848SJerome Forissier { 219*ade6f848SJerome Forissier int i; 220*ade6f848SJerome Forissier uint8_t temp[16]; 221*ade6f848SJerome Forissier 222*ade6f848SJerome Forissier assert(!(length % 16)); 223*ade6f848SJerome Forissier 224*ade6f848SJerome Forissier if (ctx->mode == SM4_ENCRYPT) { 225*ade6f848SJerome Forissier while (length > 0) { 226*ade6f848SJerome Forissier for (i = 0; i < 16; i++) 227*ade6f848SJerome Forissier output[i] = (uint8_t)(input[i] ^ iv[i]); 228*ade6f848SJerome Forissier sm4_one_round(ctx->sk, output, output); 229*ade6f848SJerome Forissier memcpy(iv, output, 16); 230*ade6f848SJerome Forissier input += 16; 231*ade6f848SJerome Forissier output += 16; 232*ade6f848SJerome Forissier length -= 16; 233*ade6f848SJerome Forissier } 234*ade6f848SJerome Forissier } else { 235*ade6f848SJerome Forissier /* SM4_DECRYPT */ 236*ade6f848SJerome Forissier while (length > 0) { 237*ade6f848SJerome Forissier memcpy(temp, input, 16); 238*ade6f848SJerome Forissier sm4_one_round(ctx->sk, input, output); 239*ade6f848SJerome Forissier for (i = 0; i < 16; i++) 240*ade6f848SJerome Forissier output[i] = (uint8_t)(output[i] ^ iv[i]); 241*ade6f848SJerome Forissier memcpy(iv, temp, 16); 242*ade6f848SJerome Forissier input += 16; 243*ade6f848SJerome Forissier output += 16; 244*ade6f848SJerome Forissier length -= 16; 245*ade6f848SJerome Forissier } 246*ade6f848SJerome Forissier } 247*ade6f848SJerome Forissier } 248*ade6f848SJerome Forissier 249*ade6f848SJerome Forissier void sm4_crypt_ctr(struct sm4_context *ctx, size_t length, uint8_t ctr[16], 250*ade6f848SJerome Forissier const uint8_t *input, uint8_t *output) 251*ade6f848SJerome Forissier { 252*ade6f848SJerome Forissier int i; 253*ade6f848SJerome Forissier uint8_t temp[16]; 254*ade6f848SJerome Forissier 255*ade6f848SJerome Forissier assert(!(length % 16)); 256*ade6f848SJerome Forissier 257*ade6f848SJerome Forissier while (length > 0) { 258*ade6f848SJerome Forissier memcpy(temp, ctr, 16); 259*ade6f848SJerome Forissier sm4_one_round(ctx->sk, ctr, ctr); 260*ade6f848SJerome Forissier for (i = 0; i < 16; i++) 261*ade6f848SJerome Forissier output[i] = (uint8_t)(input[i] ^ ctr[i]); 262*ade6f848SJerome Forissier memcpy(ctr, temp, 16); 263*ade6f848SJerome Forissier for (i = 16; i > 0; i--) 264*ade6f848SJerome Forissier if (++ctr[i - 1]) 265*ade6f848SJerome Forissier break; 266*ade6f848SJerome Forissier input += 16; 267*ade6f848SJerome Forissier output += 16; 268*ade6f848SJerome Forissier length -= 16; 269*ade6f848SJerome Forissier } 270*ade6f848SJerome Forissier } 271