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Marcel Keller
345
Math/gf2n.cpp
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345
Math/gf2n.cpp
Normal file
@@ -0,0 +1,345 @@
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// (C) 2016 University of Bristol. See License.txt
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#include "Math/gf2n.h"
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#include "Exceptions/Exceptions.h"
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#include <stdint.h>
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#include <wmmintrin.h>
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#include <xmmintrin.h>
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#include <emmintrin.h>
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||||
int gf2n_short::n;
|
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int gf2n_short::t1;
|
||||
int gf2n_short::t2;
|
||||
int gf2n_short::t3;
|
||||
int gf2n_short::l0;
|
||||
int gf2n_short::l1;
|
||||
int gf2n_short::l2;
|
||||
int gf2n_short::l3;
|
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int gf2n_short::nterms;
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word gf2n_short::mask;
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||||
bool gf2n_short::useC;
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bool gf2n_short::rewind = false;
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||||
word gf2n_short_table[256][256];
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#define num_2_fields 4
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/* Require
|
||||
* 2*(n-1)-64+t1<64
|
||||
*/
|
||||
int fields_2[num_2_fields][4] = {
|
||||
{4,1,0,0},{8,4,3,1},{28,1,0,0},{40,20,15,10}
|
||||
};
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||||
void gf2n_short::init_tables()
|
||||
{
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if (sizeof(word)!=8)
|
||||
{ cout << "Word size is wrong" << endl;
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throw not_implemented();
|
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}
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int i,j;
|
||||
for (i=0; i<256; i++)
|
||||
{ for (j=0; j<256; j++)
|
||||
{ word ii=i,jj=j;
|
||||
gf2n_short_table[i][j]=0;
|
||||
while (ii!=0)
|
||||
{ if ((ii&1)==1) { gf2n_short_table[i][j]^=jj; }
|
||||
jj<<=1;
|
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ii>>=1;
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}
|
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}
|
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}
|
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}
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||||
void gf2n_short::init_field(int nn)
|
||||
{
|
||||
gf2n_short::init_tables();
|
||||
int i,j=-1;
|
||||
for (i=0; i<num_2_fields && j==-1; i++)
|
||||
{ if (nn==fields_2[i][0]) { j=i; } }
|
||||
if (j==-1) { throw invalid_params(); }
|
||||
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||||
n=nn;
|
||||
nterms=1;
|
||||
l0=64-n;
|
||||
t1=fields_2[j][1];
|
||||
l1=64+t1-n;
|
||||
if (fields_2[j][2]!=0)
|
||||
{ nterms=3;
|
||||
t2=fields_2[j][2];
|
||||
l2=64+t2-n;
|
||||
t3=fields_2[j][3];
|
||||
l3=64+t3-n;
|
||||
}
|
||||
if (2*(n-1)-64+t1>=64) { throw invalid_params(); }
|
||||
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||||
mask=(1ULL<<n)-1;
|
||||
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||||
useC=(Check_CPU_support_AES()==0);
|
||||
}
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||||
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||||
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||||
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||||
/* Takes 16bit x and y and returns the 32 bit product in c1 and c0
|
||||
ans = (c1<<16)^c0
|
||||
where c1 and c0 are 16 bit
|
||||
*/
|
||||
inline void mul16(word x,word y,word& c0,word& c1)
|
||||
{
|
||||
word a1=x&(0xFF), b1=y&(0xFF);
|
||||
word a2=x>>8, b2=y>>8;
|
||||
|
||||
c0=gf2n_short_table[a1][b1];
|
||||
c1=gf2n_short_table[a2][b2];
|
||||
word te=gf2n_short_table[a1][b2]^gf2n_short_table[a2][b1];
|
||||
c0^=(te&0xFF)<<8;
|
||||
c1^=te>>8;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* Takes 16 bit x and y and returns the 32 bit product */
|
||||
inline word mul16(word x,word y)
|
||||
{
|
||||
word a1=x&(0xFF), b1=y&(0xFF);
|
||||
word a2=x>>8, b2=y>>8;
|
||||
|
||||
word ans=gf2n_short_table[a2][b2]<<8;
|
||||
ans^=gf2n_short_table[a1][b2]^gf2n_short_table[a2][b1];
|
||||
ans<<=8;
|
||||
ans^=gf2n_short_table[a1][b1];
|
||||
|
||||
return ans;
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
/* Takes 16 bit x the 32 bit square */
|
||||
inline word sqr16(word x)
|
||||
{
|
||||
word a1=x&(0xFF),a2=x>>8;
|
||||
|
||||
word ans=gf2n_short_table[a2][a2]<<16;
|
||||
ans^=gf2n_short_table[a1][a1];
|
||||
|
||||
return ans;
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
void gf2n_short::reduce_trinomial(word xh,word xl)
|
||||
{
|
||||
// Deal with xh first
|
||||
a=xl;
|
||||
a^=(xh<<l0);
|
||||
a^=(xh<<l1);
|
||||
|
||||
// Now deal with last word
|
||||
word hi=a>>n;
|
||||
while (hi!=0)
|
||||
{ a&=mask;
|
||||
|
||||
a^=hi;
|
||||
a^=(hi<<t1);
|
||||
hi=a>>n;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
void gf2n_short::reduce_pentanomial(word xh,word xl)
|
||||
{
|
||||
// Deal with xh first
|
||||
a=xl;
|
||||
a^=(xh<<l0);
|
||||
a^=(xh<<l1);
|
||||
a^=(xh<<l2);
|
||||
a^=(xh<<l3);
|
||||
|
||||
// Now deal with last word
|
||||
word hi=a>>n;
|
||||
while (hi!=0)
|
||||
{ a&=mask;
|
||||
|
||||
a^=hi;
|
||||
a^=(hi<<t1);
|
||||
a^=(hi<<t2);
|
||||
a^=(hi<<t3);
|
||||
|
||||
hi=a>>n;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
void mul32(word x,word y,word& ans)
|
||||
{
|
||||
word a1=x&(0xFFFF),b1=y&(0xFFFF);
|
||||
word a2=x>>16, b2=y>>16;
|
||||
|
||||
word c0,c1;
|
||||
|
||||
ans=mul16(a1,b1);
|
||||
word upp=mul16(a2,b2);
|
||||
|
||||
mul16(a1,b2,c0,c1);
|
||||
ans^=c0<<16; upp^=c1;
|
||||
|
||||
mul16(a2,b1,c0,c1);
|
||||
ans^=c0<<16; upp^=c1;
|
||||
|
||||
ans^=(upp<<32);
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
void gf2n_short::mul(const gf2n_short& x,const gf2n_short& y)
|
||||
{
|
||||
word hi,lo;
|
||||
|
||||
if (gf2n_short::useC)
|
||||
{ /* Uses Karatsuba */
|
||||
word c,d,e,t;
|
||||
word xl=x.a&0xFFFFFFFF,yl=y.a&0xFFFFFFFF;
|
||||
word xh=x.a>>32,yh=y.a>>32;
|
||||
mul32(xl,yl,c);
|
||||
mul32(xh,yh,d);
|
||||
mul32((xl^xh),(yl^yh),e);
|
||||
t=c^e^d;
|
||||
lo=c^(t<<32);
|
||||
hi=d^(t>>32);
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
{ /* Use Intel Instructions */
|
||||
__m128i xx,yy,zz;
|
||||
uint64_t c[] __attribute__((aligned (16))) = { 0,0 };
|
||||
xx=_mm_set1_epi64x(x.a);
|
||||
yy=_mm_set1_epi64x(y.a);
|
||||
zz=_mm_clmulepi64_si128(xx,yy,0);
|
||||
_mm_store_si128((__m128i*)c,zz);
|
||||
lo=c[0];
|
||||
hi=c[1];
|
||||
}
|
||||
|
||||
reduce(hi,lo);
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
inline void sqr32(word x,word& ans)
|
||||
{
|
||||
word a1=x&(0xFFFF),a2=x>>16;
|
||||
ans=sqr16(a1)^(sqr16(a2)<<32);
|
||||
}
|
||||
|
||||
void gf2n_short::square()
|
||||
{
|
||||
word xh,xl;
|
||||
sqr32(a&0xFFFFFFFF,xl);
|
||||
sqr32(a>>32,xh);
|
||||
reduce(xh,xl);
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
void gf2n_short::square(const gf2n_short& bb)
|
||||
{
|
||||
word xh,xl;
|
||||
sqr32(bb.a&0xFFFFFFFF,xl);
|
||||
sqr32(bb.a>>32,xh);
|
||||
reduce(xh,xl);
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
void gf2n_short::invert()
|
||||
{
|
||||
if (is_one()) { return; }
|
||||
if (is_zero()) { throw division_by_zero(); }
|
||||
|
||||
word u,v=a,B=0,D=1,mod=1;
|
||||
|
||||
mod^=(1ULL<<n);
|
||||
mod^=(1ULL<<t1);
|
||||
if (nterms==3)
|
||||
{ mod^=(1ULL<<t2);
|
||||
mod^=(1ULL<<t3);
|
||||
}
|
||||
u=mod; v=a;
|
||||
|
||||
while (u!=0)
|
||||
{ while ((u&1)==0)
|
||||
{ u>>=1;
|
||||
if ((B&1)!=0) { B^=mod; }
|
||||
B>>=1;
|
||||
}
|
||||
while ((v&1)==0 && v!=0)
|
||||
{ v>>=1;
|
||||
if ((D&1)!=0) { D^=mod; }
|
||||
D>>=1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (u>=v) { u=u^v; B=B^D; }
|
||||
else { v=v^u; D=D^B; }
|
||||
}
|
||||
|
||||
a=D;
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
void gf2n_short::power(long i)
|
||||
{
|
||||
long n=i;
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if (n<0) { invert(); n=-n; }
|
||||
|
||||
gf2n_short T=*this;
|
||||
assign_one();
|
||||
while (n!=0)
|
||||
{ if ((n&1)!=0) { mul(*this,T); }
|
||||
n>>=1;
|
||||
T.square();
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
void gf2n_short::randomize(PRNG& G)
|
||||
{
|
||||
a=G.get_uint();
|
||||
a=(a<<32)^G.get_uint();
|
||||
a&=mask;
|
||||
}
|
||||
|
||||
|
||||
void gf2n_short::output(ostream& s,bool human) const
|
||||
{
|
||||
if (human)
|
||||
{ s << hex << a << dec << " "; }
|
||||
else
|
||||
{ s.write((char*) &a,sizeof(word)); }
|
||||
}
|
||||
|
||||
void gf2n_short::input(istream& s,bool human)
|
||||
{
|
||||
if (s.peek() == EOF)
|
||||
{ if (s.tellg() == 0)
|
||||
{ cout << "IO problem. Empty file?" << endl;
|
||||
throw file_error();
|
||||
}
|
||||
//throw end_of_file();
|
||||
s.clear(); // unset EOF flag
|
||||
s.seekg(0);
|
||||
if (!rewind)
|
||||
cout << "REWINDING - ONLY FOR BENCHMARKING" << endl;
|
||||
rewind = true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (human)
|
||||
{ s >> hex >> a >> dec; }
|
||||
else
|
||||
{ s.read((char*) &a,sizeof(word)); }
|
||||
|
||||
a &= mask;
|
||||
}
|
||||
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