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ecrypto / blowfish.el

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;;;  blowfish.el -- block cipher

;; Copyright (C) 1998 Ray Jones

;; Author: Ray Jones, rjones@pobox.com
;; Keywords: Blowfish, Schneier, oink, cipher, cypher, cryptography
;; Created: 1998-04-01

;; This program is free software; you can redistribute it and/or modify
;; it under the terms of the GNU General Public License as published by
;; the Free Software Foundation; either version 2, or (at your option)
;; any later version.
;;
;; This program is distributed in the hope that it will be useful,
;; but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
;; MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
;; GNU General Public License for more details.
;;
;; You should have received a copy of the GNU General Public License
;; along with this program; if not, you can either send email to this
;; program's maintainer or write to: The Free Software Foundation,
;; Inc.; 675 Massachusetts Avenue; Cambridge, MA 02139, USA.

;;; Commentary:

;; this code is Bruce Schneier's Blowfish encryption algorithm.  it is
;; fast, license-free, unpatented, and beleived secure.  it takes a
;; key of length 32-448 bits.  it works on 64-bit blocks.  further
;; information is available in Applied Cryptography by Schneier or at
;; http://www.counterpane.com/blowfish.html

;; to use, given a key:
;;
;; (let ((subkeys (blowfish-generate-keys key)) ;; returns a pair, the
;;                                              ;; P-array and the S-boxes
;;       (data [1 2 3 4]))
;;   ;; encipher data in place
;;   (blowfish-cipher-block data (car subkeys) (cdr subkeys))
;;   ;; decipher in place
;;   (blowfish-cipher-block data (car subkeys) (cdr subkeys) 'decrypt)
;;   ;; data should now be back to its starting value
;;   (assert (equal data [1 2 3 4])))

;; note: the time taken to generate subkeys is quite substantial, but
;; encryption and decryption afterwards is quite fast.

;; keys are vectors of 16-bit integers, with the vector being a
;; positive, even number of elements long.


;;; Code:
(require 'cl)

;; blowfish is a 64-bit algorithm, which operates on 32-bit pieces.
;; this code stores 32-bit numbers as vectors w/ 2 16-bit elements.

;; helper functions
(defsubst blowfish-xor (a b result)
  (aset result 0 (logxor (aref a 0) (aref b 0)))
  (aset result 1 (logxor (aref a 1) (aref b 1)))
  (assert (and (< (aref result 0) (ash 1 16))
	       (< (aref result 1) (ash 1 16))) nil
	       ""))

(defsubst blowfish-add (a b result)
  (let* ((low (+ (aref a 1) (aref b 1)))
	 (high (logand (+ (aref a 0) (aref b 0) (ash low -16))
		       #xFFFF)))
    (aset result 0 high)
    (aset result 1 (logand low #xFFFF)))
  (assert (and (< (aref result 0) (ash 1 16))
	       (< (aref result 1) (ash 1 16))) nil
	       ""))

(defun blowfish-cipher-block (data p-array s-boxes &optional direction)
  "encode or decode with the blowfish cipher, in place.
first arg is vector of 4 16-bit words (MSB order).
second arg is P-array to encrypt/decrypt with.
third arg is S-boxes to encrypt/decrypt with.
optional fourth arg is direction \(eq 'decrypt to decrypt\)."

  ;; split the data into two 32 bit pieces (stored as 2 16-bit pieces
  ;; each.)
  (let ((xl (vector (aref data 0) (aref data 1)))
	(xr (vector (aref data 2) (aref data 3)))
        (reverse (eq direction 'decrypt)))
    ;; 16 rounds
    (dotimes (idx 16)
      ;; mix in the p-array.  note the reverse order for decryption.
      (let ((p-val (aref p-array (if reverse (- 17 idx) idx))))
	(blowfish-xor xl p-val xl))
      ;; apply F
      (blowfish-f xl s-boxes xr)
      ;; swap low and high 32 bits
      (rotatef xl xr))

    ;; undo the last swap
    (rotatef xl xr)
    ;; mixin last two elements of P-array
    ;; (when comparing to section in AC 2nd Ed, note that this is 0
    ;; indexed, and the reverse order for decryption.
    (let ((p-val-16 (aref p-array (if reverse 1 16)))
	  (p-val-17 (aref p-array (if reverse 0 17))))
      (blowfish-xor xl p-val-17 xl)
      (blowfish-xor xr p-val-16 xr))

    ;; put the result back into the input vector
    (aset data 0 (aref xl 0))
    (aset data 1 (aref xl 1))
    (aset data 2 (aref xr 0))
    (aset data 3 (aref xr 1))
    
    ;; clean up
    (fillarray xl 0)
    (fillarray xr 0)))

(defvar *blowfish-f-scratch* [0 0]
  "scratch area for the blowfish-f function, to reduce allocation")

(defun blowfish-f (x s-boxes dest)
  "perform the blowfish F-function.  takes vector of two-16-bit
numbers and S-boxes to use as args, and the destination to xor the
result into.  uses *blowfish-f-scratch* to reduce allocation."
  ;; S-boxes are indexed into via 8-bit pieces of X
  (let* ((x0 (aref x 0))
	 (Sa (aref (aref s-boxes 0) (ash x0 -8)))
	 (Sb (aref (aref s-boxes 1) (logand x0 #xFF)))
	 (x1 (aref x 1))
	 (Sc (aref (aref s-boxes 2) (ash x1 -8)))
	 (Sd (aref (aref s-boxes 3) (logand x1 #xFF))))

    (blowfish-add Sa Sb *blowfish-f-scratch*)
    (blowfish-xor Sc *blowfish-f-scratch* *blowfish-f-scratch*)
    (blowfish-add Sd *blowfish-f-scratch* *blowfish-f-scratch*)
    (blowfish-xor *blowfish-f-scratch* dest dest)))

;; initialization constants for the P-array and S-boxes

(defconst blowfish-s-box-inits
  [
   [
    [#xd131 #x0ba6] [#x98df #xb5ac] [#x2ffd #x72db] [#xd01a #xdfb7]
    [#xb8e1 #xafed] [#x6a26 #x7e96] [#xba7c #x9045] [#xf12c #x7f99]
    [#x24a1 #x9947] [#xb391 #x6cf7] [#x0801 #xf2e2] [#x858e #xfc16]
    [#x6369 #x20d8] [#x7157 #x4e69] [#xa458 #xfea3] [#xf493 #x3d7e]
    [#x0d95 #x748f] [#x728e #xb658] [#x718b #xcd58] [#x8215 #x4aee]
    [#x7b54 #xa41d] [#xc25a #x59b5] [#x9c30 #xd539] [#x2af2 #x6013]
    [#xc5d1 #xb023] [#x2860 #x85f0] [#xca41 #x7918] [#xb8db #x38ef]
    [#x8e79 #xdcb0] [#x603a #x180e] [#x6c9e #x0e8b] [#xb01e #x8a3e]
    [#xd715 #x77c1] [#xbd31 #x4b27] [#x78af #x2fda] [#x5560 #x5c60]
    [#xe655 #x25f3] [#xaa55 #xab94] [#x5748 #x9862] [#x63e8 #x1440]
    [#x55ca #x396a] [#x2aab #x10b6] [#xb4cc #x5c34] [#x1141 #xe8ce]
    [#xa154 #x86af] [#x7c72 #xe993] [#xb3ee #x1411] [#x636f #xbc2a]
    [#x2ba9 #xc55d] [#x7418 #x31f6] [#xce5c #x3e16] [#x9b87 #x931e]
    [#xafd6 #xba33] [#x6c24 #xcf5c] [#x7a32 #x5381] [#x2895 #x8677]
    [#x3b8f #x4898] [#x6b4b #xb9af] [#xc4bf #xe81b] [#x6628 #x2193]
    [#x61d8 #x09cc] [#xfb21 #xa991] [#x487c #xac60] [#x5dec #x8032]
    [#xef84 #x5d5d] [#xe985 #x75b1] [#xdc26 #x2302] [#xeb65 #x1b88]
    [#x2389 #x3e81] [#xd396 #xacc5] [#x0f6d #x6ff3] [#x83f4 #x4239]
    [#x2e0b #x4482] [#xa484 #x2004] [#x69c8 #xf04a] [#x9e1f #x9b5e]
    [#x21c6 #x6842] [#xf6e9 #x6c9a] [#x670c #x9c61] [#xabd3 #x88f0]
    [#x6a51 #xa0d2] [#xd854 #x2f68] [#x960f #xa728] [#xab51 #x33a3]
    [#x6eef #x0b6c] [#x137a #x3be4] [#xba3b #xf050] [#x7efb #x2a98]
    [#xa1f1 #x651d] [#x39af #x0176] [#x66ca #x593e] [#x8243 #x0e88]
    [#x8cee #x8619] [#x456f #x9fb4] [#x7d84 #xa5c3] [#x3b8b #x5ebe]
    [#xe06f #x75d8] [#x85c1 #x2073] [#x401a #x449f] [#x56c1 #x6aa6]
    [#x4ed3 #xaa62] [#x363f #x7706] [#x1bfe #xdf72] [#x429b #x023d]
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    [#xe3fe #x501a] [#xb679 #x4c3b] [#x976c #xe0bd] [#x04c0 #x06ba]
    [#xc1a9 #x4fb6] [#x409f #x60c4] [#x5e5c #x9ec2] [#x196a #x2463]
    [#x68fb #x6faf] [#x3e6c #x53b5] [#x1339 #xb2eb] [#x3b52 #xec6f]
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   [#xe1b0 #x0428] [#x9598 #x3a1d] [#x06b8 #x9fb4] [#xce6e #xa048]
   [#x6f3f #x3b82] [#x3520 #xab82] [#x011a #x1d4b] [#x2772 #x27f8]
   [#x6115 #x60b1] [#xe793 #x3fdc] [#xbb3a #x792b] [#x3445 #x25bd]
   [#xa088 #x39e1] [#x51ce #x794b] [#x2f32 #xc9b7] [#xa01f #xbac9]
   [#xe01c #xc87e] [#xbcc7 #xd1f6] [#xcf01 #x11c3] [#xa1e8 #xaac7]
   [#x1a90 #x8749] [#xd44f #xbd9a] [#xd0da #xdecb] [#xd50a #xda38]
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   [#xbf97 #x222c] [#x15e6 #xfc2a] [#x0f91 #xfc71] [#x9b94 #x1525]
   [#xfae5 #x9361] [#xceb6 #x9ceb] [#xc2a8 #x6459] [#x12ba #xa8d1]
   [#xb6c1 #x075e] [#xe305 #x6a0c] [#x10d2 #x5065] [#xcb03 #xa442]
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   [#xdf35 #x9f8d] [#x9b99 #x2f2e] [#xe60b #x6f47] [#x0fe3 #xf11d]
   [#xe54c #xda54] [#x1eda #xd891] [#xce62 #x79cf] [#xcd3e #x7e6f]
   [#x1618 #xb166] [#xfd2c #x1d05] [#x848f #xd2c5] [#xf6fb #x2299]
   [#xf523 #xf357] [#xa632 #x7623] [#x93a8 #x3531] [#x56cc #xcd02]
   [#xacf0 #x8162] [#x5a75 #xebb5] [#x6e16 #x3697] [#x88d2 #x73cc]
   [#xde96 #x6292] [#x81b9 #x49d0] [#x4c50 #x901b] [#x71c6 #x5614]
   [#xe6c6 #xc7bd] [#x327a #x140a] [#x45e1 #xd006] [#xc3f2 #x7b9a]
   [#xc9aa #x53fd] [#x62a8 #x0f00] [#xbb25 #xbfe2] [#x35bd #xd2f6]
   [#x7112 #x6905] [#xb204 #x0222] [#xb6cb #xcf7c] [#xcd76 #x9c2b]
   [#x5311 #x3ec0] [#x1640 #xe3d3] [#x38ab #xbd60] [#x2547 #xadf0]
   [#xba38 #x209c] [#xf746 #xce76] [#x77af #xa1c5] [#x2075 #x6060]
   [#x85cb #xfe4e] [#x8ae8 #x8dd8] [#x7aaa #xf9b0] [#x4cf9 #xaa7e]
   [#x1948 #xc25c] [#x02fb #x8a8c] [#x01c3 #x6ae4] [#xd6eb #xe1f9]
   [#x90d4 #xf869] [#xa65c #xdea0] [#x3f09 #x252d] [#xc208 #xe69f]
   [#xb74e #x6132] [#xce77 #xe25b] [#x578f #xdfe3] [#x3ac3 #x72e6]
   ]])

(defconst blowfish-p-array-inits 
  [
   [#x243f #x6a88] [#x85a3 #x08d3] [#x1319 #x8a2e] [#x0370 #x7344]
   [#xa409 #x3822] [#x299f #x31d0] [#x082e #xfa98] [#xec4e #x6c89]
   [#x4528 #x21e6] [#x38d0 #x1377] [#xbe54 #x66cf] [#x34e9 #x0c6c]
   [#xc0ac #x29b7] [#xc97c #x50dd] [#x3f84 #xd5b5] [#xb547 #x0917]
   [#x9216 #xd5d9] [#x8979 #xfb1b]
   ])

(defun blowfish-generate-keys (key)
  "given a key vector \(an even number of 16-bit integers\), returns
the p-array and s-boxes for Blowfish encryption using that key, as a
pair: \(P-array . S-boxes\)."
  (let ((s-boxes (vector (make-vector 256 nil)
			 (make-vector 256 nil)
			 (make-vector 256 nil)
			 (make-vector 256 nil)))
	(p-array (make-vector 18 nil)))
    ;; copy the initial values into the s-boxes
    (dotimes (s 4)
      (let ((s-box (aref s-boxes s))
	    (inits (aref blowfish-s-box-inits s)))
	(dotimes (idx 256)
	  (aset s-box idx (copy-seq (aref inits idx))))))
    ;; copy the initial values into the p-array
    (dotimes (idx 18)
      (aset p-array idx (copy-seq (aref blowfish-p-array-inits idx))))

    ;; mix the key into the P-array
    (let ((keylen (length key)))
      (assert (and (>= keylen 2) (evenp keylen)) nil
	      "Blowfish key must be a positive multiple of 2 elements long.")

      (dotimes (idx 18)
	(let* ((keyidx (mod (* 2 idx) keylen))
	       (keyval (vector (aref key keyidx) 
			       (aref key (1+ keyidx))))
	       (p-entry (aref p-array idx)))
	  (blowfish-xor p-entry keyval p-entry)
	  ;; clean up
	  (fillarray keyval 0))))

    ;; begin the iterated filling of the P-array and S-boxes
    (let ((data (vector 0 0 0 0)))
      ;; fill the P-array
      (do ((idx 0 (+ idx 2)))
	  ((= idx 18))
	;; encipher data w/ the current P-array and S-boxes
	(blowfish-cipher-block data p-array s-boxes)
	;; replace the next two P-array elements with the new data
	(let ((Pa (aref p-array idx))
	      (Pb (aref p-array (1+ idx))))
	  (aset Pa 0 (aref data 0))
	  (aset Pa 1 (aref data 1))
	  (aset Pb 0 (aref data 2))
	  (aset Pb 1 (aref data 3))))

      ;; fill the S-boxes
      (dotimes (s 4)
	(do ((idx 0 (+ idx 2))
	     (s-box (aref s-boxes s)))
	    ((= idx 256))
	  ;; encipher data w/ the current P-array and S-boxes
	  (blowfish-cipher-block data p-array s-boxes)
	  ;; replace the next two S-box elements with the new data
	  (let ((Sa (aref s-box idx))
		(Sb (aref s-box (1+ idx))))
	    (aset Sa 0 (aref data 0))
	    (aset Sa 1 (aref data 1))
	    (aset Sb 0 (aref data 2))
	    (aset Sb 1 (aref data 3)))))

      ;; clean up
      (fillarray data 0))
      
    ;; return the result
    (cons p-array s-boxes)))
Tip: Filter by directory path e.g. /media app.js to search for public/media/app.js.
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