Fix integer overrun and print progress.
[shamirs] / shamirssecret.c
index 893d9787f88a5cdd558e0557027f6ffffc08c74a..617f959cd1f846ecd2b42934b2b7b9bb9fd8b1d2 100644 (file)
 #include <sys/mman.h>
 
 #define MAX_LENGTH 1024
+#define ERROREXIT(str...) {fprintf(stderr, str); exit(1);}
 
 /*
- * Calculations across the finite field GF(p)
- * Lots of side-channel attacks in here
+ * Calculations across the finite field GF(2^8)
  */
-/*
-const uint8_t p = 251; // Largest 8-bit prime
+#define P 256
+
 static uint8_t field_add(uint8_t a, uint8_t b) {
-       assert(a < p && b < p);
-       return (((uint16_t)a) + ((uint16_t)b)) % p;
+       return a ^ b;
 }
 
 static uint8_t field_sub(uint8_t a, uint8_t b) {
-       assert(a < p && b < p);
-       return (((uint16_t)p) + ((uint16_t)a) - ((uint16_t)b)) % p;
+       return a ^ b;
 }
 
-static uint8_t field_mul(uint8_t a, uint8_t b) {
-       assert(a < p && b < p);
-       return (((uint16_t)a) * ((uint16_t)b)) % p;
+static uint8_t field_neg(uint8_t a) {
+       return field_sub(0, a);
 }
 
-static uint8_t field_pow(uint8_t a, uint8_t e) {
-       assert(a < p);
-       uint8_t ret = 1;
-       for (uint8_t i = 0; i < e; i++) {
-               ret = field_mul(ret, a);
-       }
+static const uint8_t exp[P] = {
+       0x01, 0x03, 0x05, 0x0f, 0x11, 0x33, 0x55, 0xff, 0x1a, 0x2e, 0x72, 0x96, 0xa1, 0xf8, 0x13, 0x35,
+       0x5f, 0xe1, 0x38, 0x48, 0xd8, 0x73, 0x95, 0xa4, 0xf7, 0x02, 0x06, 0x0a, 0x1e, 0x22, 0x66, 0xaa,
+       0xe5, 0x34, 0x5c, 0xe4, 0x37, 0x59, 0xeb, 0x26, 0x6a, 0xbe, 0xd9, 0x70, 0x90, 0xab, 0xe6, 0x31,
+       0x53, 0xf5, 0x04, 0x0c, 0x14, 0x3c, 0x44, 0xcc, 0x4f, 0xd1, 0x68, 0xb8, 0xd3, 0x6e, 0xb2, 0xcd,
+       0x4c, 0xd4, 0x67, 0xa9, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xd7, 0x62, 0xa6, 0xf1, 0x08, 0x18, 0x28, 0x78, 0x88,
+       0x83, 0x9e, 0xb9, 0xd0, 0x6b, 0xbd, 0xdc, 0x7f, 0x81, 0x98, 0xb3, 0xce, 0x49, 0xdb, 0x76, 0x9a,
+       0xb5, 0xc4, 0x57, 0xf9, 0x10, 0x30, 0x50, 0xf0, 0x0b, 0x1d, 0x27, 0x69, 0xbb, 0xd6, 0x61, 0xa3,
+       0xfe, 0x19, 0x2b, 0x7d, 0x87, 0x92, 0xad, 0xec, 0x2f, 0x71, 0x93, 0xae, 0xe9, 0x20, 0x60, 0xa0,
+       0xfb, 0x16, 0x3a, 0x4e, 0xd2, 0x6d, 0xb7, 0xc2, 0x5d, 0xe7, 0x32, 0x56, 0xfa, 0x15, 0x3f, 0x41,
+       0xc3, 0x5e, 0xe2, 0x3d, 0x47, 0xc9, 0x40, 0xc0, 0x5b, 0xed, 0x2c, 0x74, 0x9c, 0xbf, 0xda, 0x75,
+       0x9f, 0xba, 0xd5, 0x64, 0xac, 0xef, 0x2a, 0x7e, 0x82, 0x9d, 0xbc, 0xdf, 0x7a, 0x8e, 0x89, 0x80,
+       0x9b, 0xb6, 0xc1, 0x58, 0xe8, 0x23, 0x65, 0xaf, 0xea, 0x25, 0x6f, 0xb1, 0xc8, 0x43, 0xc5, 0x54,
+       0xfc, 0x1f, 0x21, 0x63, 0xa5, 0xf4, 0x07, 0x09, 0x1b, 0x2d, 0x77, 0x99, 0xb0, 0xcb, 0x46, 0xca,
+       0x45, 0xcf, 0x4a, 0xde, 0x79, 0x8b, 0x86, 0x91, 0xa8, 0xe3, 0x3e, 0x42, 0xc6, 0x51, 0xf3, 0x0e,
+       0x12, 0x36, 0x5a, 0xee, 0x29, 0x7b, 0x8d, 0x8c, 0x8f, 0x8a, 0x85, 0x94, 0xa7, 0xf2, 0x0d, 0x17,
+       0x39, 0x4b, 0xdd, 0x7c, 0x84, 0x97, 0xa2, 0xfd, 0x1c, 0x24, 0x6c, 0xb4, 0xc7, 0x52, 0xf6, 0x01};
+static const uint8_t log[P] = {
+       0x00, // log(0) is not defined
+       0xff, 0x19, 0x01, 0x32, 0x02, 0x1a, 0xc6, 0x4b, 0xc7, 0x1b, 0x68, 0x33, 0xee, 0xdf, 0x03, 0x64,
+       0x04, 0xe0, 0x0e, 0x34, 0x8d, 0x81, 0xef, 0x4c, 0x71, 0x08, 0xc8, 0xf8, 0x69, 0x1c, 0xc1, 0x7d,
+       0xc2, 0x1d, 0xb5, 0xf9, 0xb9, 0x27, 0x6a, 0x4d, 0xe4, 0xa6, 0x72, 0x9a, 0xc9, 0x09, 0x78, 0x65,
+       0x2f, 0x8a, 0x05, 0x21, 0x0f, 0xe1, 0x24, 0x12, 0xf0, 0x82, 0x45, 0x35, 0x93, 0xda, 0x8e, 0x96,
+       0x8f, 0xdb, 0xbd, 0x36, 0xd0, 0xce, 0x94, 0x13, 0x5c, 0xd2, 0xf1, 0x40, 0x46, 0x83, 0x38, 0x66,
+       0xdd, 0xfd, 0x30, 0xbf, 0x06, 0x8b, 0x62, 0xb3, 0x25, 0xe2, 0x98, 0x22, 0x88, 0x91, 0x10, 0x7e,
+       0x6e, 0x48, 0xc3, 0xa3, 0xb6, 0x1e, 0x42, 0x3a, 0x6b, 0x28, 0x54, 0xfa, 0x85, 0x3d, 0xba, 0x2b,
+       0x79, 0x0a, 0x15, 0x9b, 0x9f, 0x5e, 0xca, 0x4e, 0xd4, 0xac, 0xe5, 0xf3, 0x73, 0xa7, 0x57, 0xaf,
+       0x58, 0xa8, 0x50, 0xf4, 0xea, 0xd6, 0x74, 0x4f, 0xae, 0xe9, 0xd5, 0xe7, 0xe6, 0xad, 0xe8, 0x2c,
+       0xd7, 0x75, 0x7a, 0xeb, 0x16, 0x0b, 0xf5, 0x59, 0xcb, 0x5f, 0xb0, 0x9c, 0xa9, 0x51, 0xa0, 0x7f,
+       0x0c, 0xf6, 0x6f, 0x17, 0xc4, 0x49, 0xec, 0xd8, 0x43, 0x1f, 0x2d, 0xa4, 0x76, 0x7b, 0xb7, 0xcc,
+       0xbb, 0x3e, 0x5a, 0xfb, 0x60, 0xb1, 0x86, 0x3b, 0x52, 0xa1, 0x6c, 0xaa, 0x55, 0x29, 0x9d, 0x97,
+       0xb2, 0x87, 0x90, 0x61, 0xbe, 0xdc, 0xfc, 0xbc, 0x95, 0xcf, 0xcd, 0x37, 0x3f, 0x5b, 0xd1, 0x53,
+       0x39, 0x84, 0x3c, 0x41, 0xa2, 0x6d, 0x47, 0x14, 0x2a, 0x9e, 0x5d, 0x56, 0xf2, 0xd3, 0xab, 0x44,
+       0x11, 0x92, 0xd9, 0x23, 0x20, 0x2e, 0x89, 0xb4, 0x7c, 0xb8, 0x26, 0x77, 0x99, 0xe3, 0xa5, 0x67,
+       0x4a, 0xed, 0xde, 0xc5, 0x31, 0xfe, 0x18, 0x0d, 0x63, 0x8c, 0x80, 0xc0, 0xf7, 0x70, 0x07};
+
+// We disable lots of optimizations that result in non-constant runtime (+/- branch delays)
+static uint8_t field_mul_ret(uint8_t calc, uint8_t a, uint8_t b) __attribute__((optimize("-O0"))) __attribute__((noinline));
+static uint8_t field_mul_ret(uint8_t calc, uint8_t a, uint8_t b) {
+       uint8_t ret, ret2;
+       if (a == 0)
+               ret2 = 0;
+       else
+               ret2 = calc;
+       if (b == 0)
+               ret = 0;
+       else
+               ret = ret2;
        return ret;
 }
-
-static uint8_t field_neg(uint8_t a) {
-       assert(a < p);
-       if (a == 0)
-               return 0;
-       return p - a;
+static uint8_t field_mul(uint8_t a, uint8_t b)  {
+       return field_mul_ret(exp[(log[a] + log[b]) % 255], a, b);
 }
 
 static uint8_t field_invert(uint8_t a) {
-       // Brute force, yay!
-       assert(a < p);
-       for (uint8_t i = 0; i < p; i++) {
-               if (field_mul(i, a) == 1)
-                       return i;
-       }
-       assert(0);
-}*/
-
-
-
-/*
- * Calculations across the finite field GF(2^8)
- */
-const uint16_t p = 256;
-static uint8_t field_add(uint8_t a, uint8_t b) {
-       return a ^ b;
+       assert(a != 0);
+       return exp[0xff - log[a]]; // log[1] == 0xff
 }
 
-static uint8_t field_sub(uint8_t a, uint8_t b) {
-       return a ^ b;
+// We disable lots of optimizations that result in non-constant runtime (+/- branch delays)
+static uint8_t field_pow_ret(uint8_t calc, uint8_t a, uint8_t e) __attribute__((optimize("-O0"))) __attribute__((noinline));
+static uint8_t field_pow_ret(uint8_t calc, uint8_t a, uint8_t e) {
+       uint8_t ret, ret2;
+       if (a == 0)
+               ret2 = 0;
+       else
+               ret2 = calc;
+       if (e == 0)
+               ret = 1;
+       else
+               ret = ret2;
+       return ret;
+}
+static uint8_t field_pow(uint8_t a, uint8_t e) {
+       return field_pow_ret(exp[(log[a] * e) % 255], a, e);
 }
 
-static uint8_t field_mul(uint8_t a, uint8_t b) {
-       // TODO side-channel attacks here?
+#ifdef TEST
+static uint8_t field_mul_calc(uint8_t a, uint8_t b) {
+       // side-channel attacks here
        uint8_t ret = 0;
        uint8_t counter;
        uint8_t carry;
@@ -82,53 +117,42 @@ static uint8_t field_mul(uint8_t a, uint8_t b) {
                carry = (a & 0x80);
                a <<= 1;
                if (carry)
-                       a ^= 0x1b; /* what x^8 is modulo x^8 + x^4 + x^3 + x + 1 */
+                       a ^= 0x1b; // what x^8 is modulo x^8 + x^4 + x^3 + x + 1
                b >>= 1;
        }
        return ret;
 }
-
-// WARNING: Do not use if e is secret (potential side-channel attacks)
-static uint8_t field_pow(uint8_t a, uint8_t e) {
-       // TODO: This could be sped up pretty trivially
+static uint8_t field_pow_calc(uint8_t a, uint8_t e) {
        uint8_t ret = 1;
        for (uint8_t i = 0; i < e; i++)
                ret = field_mul(ret, a);
        return ret;
 }
+int main() {
+       // Test inversion with the logarithm tables
+       for (uint16_t i = 1; i < P; i++)
+               assert(field_mul_calc(i, field_invert(i)) == 1);
+
+       // Test multiplication with the logarithm tables
+       for (uint16_t i = 0; i < 2; i++) {
+               for (uint16_t j = 0; j < P; j++)
+                       assert(field_mul(i, j) == field_mul_calc(i, j));
+       }
 
-static uint8_t field_neg(uint8_t a) {
-       return field_sub(0, a);
-}
-
-static const uint8_t inverse[] = { // Multiplicative inverse of each element in the field
-       0xff, // 0 has no inverse
-       0x01, 0x8d, 0xf6, 0xcb, 0x52, 0x7b, 0xd1, 0xe8, 0x4f, 0x29, 0xc0, 0xb0, 0xe1, 0xe5, 0xc7, 0x74,
-       0xb4, 0xaa, 0x4b, 0x99, 0x2b, 0x60, 0x5f, 0x58, 0x3f, 0xfd, 0xcc, 0xff, 0x40, 0xee, 0xb2, 0x3a,
-       0x6e, 0x5a, 0xf1, 0x55, 0x4d, 0xa8, 0xc9, 0xc1, 0x0a, 0x98, 0x15, 0x30, 0x44, 0xa2, 0xc2, 0x2c,
-       0x45, 0x92, 0x6c, 0xf3, 0x39, 0x66, 0x42, 0xf2, 0x35, 0x20, 0x6f, 0x77, 0xbb, 0x59, 0x19, 0x1d,
-       0xfe, 0x37, 0x67, 0x2d, 0x31, 0xf5, 0x69, 0xa7, 0x64, 0xab, 0x13, 0x54, 0x25, 0xe9, 0x09, 0xed,
-       0x5c, 0x05, 0xca, 0x4c, 0x24, 0x87, 0xbf, 0x18, 0x3e, 0x22, 0xf0, 0x51, 0xec, 0x61, 0x17, 0x16,
-       0x5e, 0xaf, 0xd3, 0x49, 0xa6, 0x36, 0x43, 0xf4, 0x47, 0x91, 0xdf, 0x33, 0x93, 0x21, 0x3b, 0x79,
-       0xb7, 0x97, 0x85, 0x10, 0xb5, 0xba, 0x3c, 0xb6, 0x70, 0xd0, 0x06, 0xa1, 0xfa, 0x81, 0x82, 0x83,
-       0x7e, 0x7f, 0x80, 0x96, 0x73, 0xbe, 0x56, 0x9b, 0x9e, 0x95, 0xd9, 0xf7, 0x02, 0xb9, 0xa4, 0xde,
-       0x6a, 0x32, 0x6d, 0xd8, 0x8a, 0x84, 0x72, 0x2a, 0x14, 0x9f, 0x88, 0xf9, 0xdc, 0x89, 0x9a, 0xfb,
-       0x7c, 0x2e, 0xc3, 0x8f, 0xb8, 0x65, 0x48, 0x26, 0xc8, 0x12, 0x4a, 0xce, 0xe7, 0xd2, 0x62, 0x0c,
-       0xe0, 0x1f, 0xef, 0x11, 0x75, 0x78, 0x71, 0xa5, 0x8e, 0x76, 0x3d, 0xbd, 0xbc, 0x86, 0x57, 0x0b,
-       0x28, 0x2f, 0xa3, 0xda, 0xd4, 0xe4, 0x0f, 0xa9, 0x27, 0x53, 0x04, 0x1b, 0xfc, 0xac, 0xe6, 0x7a,
-       0x07, 0xae, 0x63, 0xc5, 0xdb, 0xe2, 0xea, 0x94, 0x8b, 0xc4, 0xd5, 0x9d, 0xf8, 0x90, 0x6b, 0xb1,
-       0x0d, 0xd6, 0xeb, 0xc6, 0x0e, 0xcf, 0xad, 0x08, 0x4e, 0xd7, 0xe3, 0x5d, 0x50, 0x1e, 0xb3, 0x5b,
-       0x23, 0x38, 0x34, 0x68, 0x46, 0x03, 0x8c, 0xdd, 0x9c, 0x7d, 0xa0, 0xcd, 0x1a, 0x41, 0x1c};
-static uint8_t field_invert(uint8_t a) {
-       assert(a != 0);
-       return inverse[a];
+       // Test exponentiation with the logarithm tables
+       for (uint16_t i = 0; i < P; i++) {
+               for (uint16_t j = 0; j < P; j++)
+                       assert(field_pow(i, j) == field_pow_calc(i, j));
+       }
 }
+#endif // defined(TEST)
 
 
 
 /*
  * Calculations across the polynomial q
  */
+#ifndef TEST
 static uint8_t calculateQ(uint8_t a[], uint8_t k, uint8_t x) {
        assert(x != 0); // q(0) == secret, though so does a[0]
        uint8_t ret = a[0];
@@ -155,14 +179,14 @@ uint8_t calculateSecret(uint8_t x[], uint8_t q[], uint8_t k) {
        return ret;
 }
 
-#define ERROREXIT(str...) {fprintf(stderr, str); exit(1);}
+
 
 int main(int argc, char* argv[]) {
        assert(mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE) == 0);
 
        char split = 0;
        uint8_t n = 0, k = 0;
-       char* files[p]; uint8_t files_count = 0;
+       char* files[P]; uint8_t files_count = 0;
        char *in_file = (void*)0, *out_file_param = (void*)0;
 
        int i;
@@ -182,16 +206,16 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
                        break;
                case 'n': {
                        int t = atoi(optarg);
-                       if (t <= 0 || t >= p)
-                               ERROREXIT("n must be > 0 and < %u\n", p)
+                       if (t <= 0 || t >= P)
+                               ERROREXIT("n must be > 0 and < %u\n", P)
                        else
                                n = t;
                        break;
                }
                case 'k': {
                        int t = atoi(optarg);
-                       if (t <= 0 || t >= p)
-                               ERROREXIT("n must be > 0 and < %u\n", p)
+                       if (t <= 0 || t >= P)
+                               ERROREXIT("n must be > 0 and < %u\n", P)
                        else
                                k = t;
                        break;
@@ -203,8 +227,8 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
                        out_file_param = optarg;
                        break;
                case 'f':
-                       if (files_count >= p-1)
-                               ERROREXIT("May only specify up to %u files\n", p-1)
+                       if (files_count >= P-1)
+                               ERROREXIT("May only specify up to %u files\n", P-1)
                        files[files_count++] = optarg;
                        break;
                case 'h':
@@ -240,7 +264,6 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
                        ERROREXIT("Could not open %s for reading.\n", in_file)
 
                uint8_t secret[MAX_LENGTH];
-               memset(secret, 0, MAX_LENGTH*sizeof(uint8_t));
 
                size_t secret_length = fread(secret, 1, MAX_LENGTH*sizeof(uint8_t), secret_file);
                if (secret_length == 0)
@@ -250,18 +273,18 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
                fclose(secret_file);
                printf("Using secret of length %lu\n", secret_length);
 
-               uint8_t a[secret_length][k], D[n][secret_length];
+               uint8_t a[k], D[n][secret_length];
 
-               for (uint8_t i = 0; i < secret_length; i++) {
-                       a[i][0] = secret[i];
+               for (uint32_t i = 0; i < secret_length; i++) {
+                       a[0] = secret[i];
 
-                       for (uint8_t j = 1; j < k; j++) {
-                               do
-                                       assert(fread(&a[i][j], sizeof(uint8_t), 1, random) == 1);
-                               while (a[i][j] >= p);
-                       }
+                       for (uint8_t j = 1; j < k; j++)
+                               assert(fread(&a[j], sizeof(uint8_t), 1, random) == 1);
                        for (uint8_t j = 0; j < n; j++)
-                               D[j][i] = calculateQ(a[i], k, j+1);
+                               D[j][i] = calculateQ(a, k, j+1);
+
+                       if (i % 32 == 0 && i != 0)
+                               printf("Finished processing %u bytes.\n", i);
                }
 
                char out_file_name_buf[strlen(out_file_param) + 4];
@@ -291,6 +314,11 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
                        printf("%02x", secret[i]);
                printf("\n");*/
 
+               // Clear sensitive data (No, GCC 4.7.2 is currently not optimizing this out)
+               memset(secret, 0, sizeof(uint8_t)*secret_length);
+               memset(a, 0, sizeof(uint8_t)*k);
+               memset(in_file, 0, strlen(in_file));
+
                fclose(random);
        } else {
                if (!k)
@@ -312,7 +340,7 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
 
                uint8_t secret[MAX_LENGTH];
 
-               uint8_t i = 0;
+               uint32_t i = 0;
                while (fread(&q[0], sizeof(uint8_t), 1, files_fps[0]) == 1) {
                        for (uint8_t j = 1; j < k; j++) {
                                if (fread(&q[j], sizeof(uint8_t), 1, files_fps[j]) != 1)
@@ -328,7 +356,16 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
 
                for (uint8_t i = 0; i < k; i++)
                        fclose(files_fps[i]);
+
+               // Clear sensitive data (No, GCC 4.7.2 is currently not optimizing this out)
+               memset(secret, 0, sizeof(uint8_t)*i);
+               memset(q, 0, sizeof(uint8_t)*k);
+               memset(out_file_param, 0, strlen(out_file_param));
+               for (uint8_t i = 0; i < k; i++)
+                       memset(files[i], 0, strlen(files[i]));
+               memset(x, 0, sizeof(uint8_t)*k);
        }
 
        return 0;
 }
+#endif // !defined(TEST)