xref: /optee_os/core/crypto/sm4.c (revision ade6f848e084d7c63f1e3866d7c059b8a9f9e834)
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