OneRoundIoT/NEW/scprng.cpp

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <stdlib.h>
   3 #include <stdint.h>
   4 #include <sys/time.h>
   5
   6
   7 typedef unsigned char uchar;
   8
   9
  10
  11
  12 typedef uint64_t u8;
  13
  14 extern "C" {
  15   int load_RGB_pixmap(char *filename, int *width, int *height, unsigned char**R_data, unsigned char**G_data, unsigned char**B_data);
  16   void store_RGB_pixmap(char *filename, unsigned char *R_data, unsigned char *G_data, unsigned char *B_data, int width, int height);
  17 }
  18 using namespace std;
  19
  20
  21
  22 typedef struct sfcctx { u8 a; u8 b; u8 c; u8 count; } sfcctx;
  23 #define rot64(x,k) (((x)<<(k))|((x)>>(64-(k))))
  24
  25 #define rotation  24
  26 #define right_shift 11
  27 #define left_shift 3
  28
  29
  30 static inline u8 sfc( sfcctx *x ) {
  31   u8 tmp = x->a + x->b + x->count++;
  32   x->a = x->b ^ (x->b >> right_shift);
  33   x->b = x->c + (x->c << left_shift);
  34   x->c = rot64(x->c, rotation) + tmp;
  35   return tmp;
  36 }
  37
  38 static inline void sfcinit(sfcctx *x, uint64_t seed) {
  39   x->a = seed;
  40   x->b = seed;
  41   x->c = seed;
  42   x->count = 1;
  43   for(int i=0;i<12;i++)
  44     sfc(x);
  45 }
  46
  47
  48
  49 typedef struct ranctx { u8 a; u8 b; u8 c; u8 d; } ranctx;
  50
  51
  52
  53 static inline u8 jsf( ranctx *x ) {
  54   u8 e = x->a - rot64(x->b, 7);
  55   x->a = x->b ^ rot64(x->c, 13);
  56   x->b = x->c + rot64(x->d, 37);
  57   x->c = x->d + e;
  58   x->d = e + x->a;
  59   return x->d;
  60 }
  61
  62 static inline void jsfinit(ranctx *x, uint64_t seed) {
  63   x->a = 0xf1ea5eed, x->b = x->c = x->d = seed;
  64 }
  65
  66
  67
  68
  69
  70
  71
  72
  73
  74 inline uint64_t xorshift64( const uint64_t state)
  75 {
  76   uint64_t x = state;
  77   x^= x << 13;
  78   x^= x >> 7;
  79   x^= x << 17;
  80   return x;
  81 }
  82
  83 static inline uint64_t splitmix64_stateless(uint64_t index) {
  84   uint64_t z = (index + UINT64_C(0x9E3779B97F4A7C15));
  85   z = (z ^ (z >> 30)) * UINT64_C(0xBF58476D1CE4E5B9);
  86   z = (z ^ (z >> 27)) * UINT64_C(0x94D049BB133111EB);
  87   return z ^ (z >> 31);
  88 }
  89
  90
  91 struct sulong2  {
  92   uint64_t x;
  93   uint64_t y;
  94 };
  95
  96 typedef struct sulong2 ulong2;
  97
  98 static inline uint64_t rotl(const uint64_t x, int k) {
  99   return (x << k) | (x >> (64 - k));
 100 }
 101
 102 // call this one before calling xoroshiro128plus
 103 static inline void xoroshiro128plus_seed(ulong2 *xoro,uint64_t seed) {
 104   xoro->x = splitmix64_stateless(seed);
 105   xoro->y = splitmix64_stateless(seed + 1);
 106 }
 107
 108 // returns random number, modifies xoroshiro128plus_s
 109 static inline uint64_t xoroshiro128plus(ulong2 *xoro) {
 110   const uint64_t s0 = xoro->x;
 111   uint64_t s1 = xoro->y;
 112   const uint64_t result = s0 + s1;
 113
 114   s1 ^= s0;
 115   xoro->x = rotl(s0, 55) ^ s1 ^ (s1 << 14); // a, b
 116   xoro->y = rotl(s1, 36);                   // c
 117
 118   return result;
 119 }
 120
 121
 122
 123
 124
 125
 126 double TimeStart()
 127 {
 128   struct timeval tstart;
 129   gettimeofday(&tstart,0);
 130   return( (double) (tstart.tv_sec + tstart.tv_usec*1e-6) );
 131 }
 132
 133 double TimeStop(double t)
 134 {
 135   struct timeval tend;
 136
 137   gettimeofday(&tend,0);
 138   t = (double) (tend.tv_sec + tend.tv_usec*1e-6) - t;
 139   return (t);
 140 }
 141
 142
 143 uint xorshift32(const uint t)
 144 {
 145   /* Algorithm "xor" from p. 4 of Marsaglia, "Xorshift RNGs" */
 146   uint x = t;
 147   x ^= x << 13;
 148   x ^= x >> 17;
 149   x ^= x << 5;
 150   return x;
 151 }
 152
 153
 154
 155
 156
 157 void rc4key(uchar *key, uchar *sc, int size_DK) {
 158
 159   for(int i=0;i<256;i++) {
 160     sc[i]=i;
 161   }
 162
 163
 164   uchar j0 = 0;
 165   for(int i0=0; i0<256; i0++) {
 166     j0 = (j0 + sc[i0] + key[i0%size_DK] )&0xFF;
 167     uchar tmp = sc[i0];
 168     sc[i0] = sc[j0 ];
 169     sc[j0] = tmp;
 170   }
 171 }
 172
 173
 174 void rc4keyperm(uchar *key,int len, int rp,int *sc, int size_DK) {
 175
 176   //sc=1:len;
 177
 178
 179
 180   for (int i=0;i<len;i++) {
 181     sc[i]=i;
 182   }
 183   for (int it = 0; it < rp; it++) {
 184     int j0 = 1;
 185     for(int i0 = 0; i0<len; i0++) {
 186       j0 = (j0 + sc[i0] + sc[j0] + key[i0%size_DK] )% len;
 187       int tmp = sc[i0];
 188       sc[i0] = sc[j0];
 189       sc[j0] = tmp;
 190     }
 191
 192   }
 193 }
 194
 195
 196 void scprng(uint64_t *plain, uint64_t* cipher, int bufsize, int nb_bloc, uint64_t *Val, uchar *Sbox1, uchar *Sbox2, int *Pbox, int *Pbox2, uchar *DK, int delta) {
 197   int update=0;
 198
 199
 200   for(int nb=0;nb<nb_bloc;nb++) {
 201
 202     for(int j=0;j<bufsize;j++) {
 203       //Val[j]=splitmix64_stateless(Val[j])^Val[Pbox[j]];
 204       //Val[j]=xorshift64(Val[j])^Val[Pbox[j]];  //fail
 205       Val[j]=xorshift64(Val[j])^Val[Pbox[j]]^Val[Pbox2[j]];
 206       //Val[j]=xoroshiro128plus(&xoro[j])^Val[Pbox[j]];
 207       //Val[j]=jsf(&ctx[j])^Val[Pbox[j]];  //good
 208       //Val[j]=sfc(&sfcd[j])^Val[Pbox[j]];  //good
 209     }
 210
 211     for(int j=0;j<bufsize;j++) {
 212       cipher[nb*bufsize+j]=Val[j]^plain[nb*bufsize+j];
 213     }
 214
 215
 216
 217
 218     if(update==delta) {
 219       update=0;
 220       uchar *ptr=(uchar*)Val;
 221       for(int j=0;j<bufsize*8;j++)
 222         ptr[j]^=Sbox2[Sbox1[ptr[j]+DK[j&63]]];
 223       rc4keyperm(ptr, bufsize, 1, Pbox, 64);
 224       //only for xorshift
 225       rc4keyperm(&ptr[32], bufsize, 1, Pbox2, 64);
 226
 227
 228       rc4key(ptr, Sbox1, 64);
 229       rc4key(&ptr[64], Sbox2, 64);
 230     }
 231     else
 232       update++;
 233   }
 234
 235
 236
 237 }
 238
 239
 240 int main() {
 241   printf("%d %d \n",sizeof(__uint64_t),sizeof(ulong));
 242
 243
 244   int width;
 245   int height;
 246   uchar *data_R, *data_G, *data_B;
 247   int imsize;
 248   uchar *buffer;
 249
 250   int size_buf=512;
 251
 252   int lena=1;
 253
 254    if(lena==1) {
 255     load_RGB_pixmap("lena.ppm", &width, &height, &data_R, &data_G, &data_B);
 256 //    load_RGB_pixmap("8192.ppm", &width, &height, &data_R, &data_G, &data_B);
 257     imsize=width*height*3;
 258 //  load_RGB_pixmap("No_ecb_mode_picture.ppm", &width, &height, &data_R, &data_G, &data_B);
 259   }
 260   else {
 261     width=height=size_buf;
 262     imsize=width*height;
 263     buffer=new uchar[imsize];
 264     for(int i=0;i<imsize;i++) {
 265       buffer[i]=lrand48();
 266     }
 267   }
 268
 269
 270   uchar* seq= new uchar[imsize];
 271   uchar* seq2= new uchar[imsize];
 272
 273   int oneD=width*height;
 274   if(lena) {
 275     for(int i=0;i<oneD;i++) {
 276       seq[i]=data_R[i];
 277       seq[oneD+i]=data_G[i];
 278       seq[2*oneD+i]=data_B[i];
 279     }
 280   }
 281   else {
 282     for(int i=0;i<oneD;i++) {
 283       seq[i]=buffer[i];
 284     }
 285   }
 286
 287   uint64_t *SEQ=(uint64_t*)seq;
 288   uint64_t *SEQ2=(uint64_t*)seq2;
 289
 290
 291
 292   uint64_t val=1021;
 293   uint64_t val2=1021;
 294
 295   uint r1=21,r2=93;
 296
 297   uchar DK[64];
 298   for(int i=0;i<64;i++)
 299     DK[i]=splitmix64_stateless(i);
 300
 301
 302   uchar Sbox1[256];
 303   uchar Sbox2[256];
 304   rc4key(DK, Sbox1, 8);
 305   rc4key(&DK[8], Sbox2, 8);
 306
 307   const int bufsize=128;
 308   int Pbox[bufsize];
 309   int Pbox2[bufsize];
 310   rc4keyperm(&DK[16], bufsize, 1, Pbox, 16);
 311   rc4keyperm(&DK[32], bufsize, 1, Pbox2, 16);
 312
 313
 314 //  uint64_t plain[bufsize];
 315 //  uint64_t cipher[bufsize];
 316
 317   ulong2 xoro[bufsize];
 318
 319   ranctx ctx[bufsize];
 320   sfcctx sfcd[bufsize];
 321
 322
 323   uint64_t Val[bufsize];
 324   for(int i=0;i<bufsize;i++) {
 325     Val[Pbox[i]]=splitmix64_stateless(i+DK[i&63]);
 326   }
 327
 328
 329   int delta=8;
 330
 331
 332
 333   uint nb_test=100;
 334   double t=TimeStart();
 335
 336   int nb_bloc=imsize/(bufsize*8);  //8 because we use 64bits numbers
 337
 338
 339
 340   for(uint iter=0;iter<nb_test;iter++) {
 341     scprng(SEQ, SEQ2, bufsize, nb_bloc, Val,Sbox1, Sbox2, Pbox, Pbox2, DK, delta);
 342   }
 343
 344   double time=TimeStop(t);
 345   printf("time %e\n",nb_test*nb_bloc*bufsize*8/time);
 346
 347   if(lena) {
 348     for(int i=0;i<oneD;i++) {
 349       data_R[i]=seq2[i];
 350       data_G[i]=seq2[oneD+i];
 351       data_B[i]=seq2[2*oneD+i];
 352     }
 353     store_RGB_pixmap("lena2.ppm", data_R, data_G, data_B, width, height);
 354   }
 355
 356
 357   //reinit of parameters
 358   rc4key(DK, Sbox1, 8);
 359   rc4key(&DK[8], Sbox2, 8);
 360
 361   rc4keyperm(&DK[16], bufsize, 1, Pbox, 16);
 362   rc4keyperm(&DK[32], bufsize, 1, Pbox2, 16);
 363   for(int i=0;i<bufsize;i++) {
 364     Val[Pbox[i]]=splitmix64_stateless(i+DK[i&63]);
 365   }
 366
 367   t=TimeStart();
 368   for(uint iter=0;iter<nb_test;iter++) {
 369     scprng(SEQ2, SEQ, bufsize, nb_bloc, Val,Sbox1, Sbox2, Pbox, Pbox2, DK, delta);
 370   }
 371
 372
 373   time=TimeStop(t);
 374   printf("time %e\n",nb_test*nb_bloc*bufsize*8/time);
 375
 376   if(lena) {
 377     for(int i=0;i<oneD;i++) {
 378       data_R[i]=seq[i];
 379       data_G[i]=seq[oneD+i];
 380       data_B[i]=seq[2*oneD+i];
 381     }
 382     store_RGB_pixmap("lena3.ppm", data_R, data_G, data_B, width, height);
 383   }
 384   else {
 385     bool equal=true;
 386     for(int i=0;i<imsize;i++) {
 387       //cout<<(int)buffer[i]<<endl;
 388       if(buffer[i]!=seq[i]) {
 389         equal=false;
 390       }
 391     }
 392 //    cout<<"RESULT CORRECT: "<<equal<<endl;
 393   }
 394
 395
 396
 397 }