{-# LANGUAGE BangPatterns, MagicHash #-}
-- |
-- Module      : Crypto.Cipher.AES.Haskell
-- License     : BSD-style
-- Maintainer  : Vincent Hanquez <vincent@snarc.org>
-- Stability   : experimental
-- Portability : Good

module Crypto.Cipher.AES.Haskell
	( Key
	, IV
	-- * Basic encryption and decryption
	, encrypt
	, decrypt
	-- * CBC encryption and decryption
	, encryptCBC
	, decryptCBC
	-- * key building mechanism
	, initKey128
	, initKey192
	, initKey256
	-- * Wrappers for "crypto-api" instances
	, AES128
	, AES192
	, AES256
	) where

import Data.Word
import Data.Vector.Unboxed (Vector)
import qualified Data.Vector.Unboxed as V
import Data.Bits
import Data.ByteString (ByteString)
import qualified Data.ByteString as B
import qualified Data.ByteString.Unsafe as B
import qualified Data.ByteString.Internal as B

import GHC.Prim (indexWord8OffAddr#, indexWord32OffAddr#, word2Int#, Addr#, remInt#)
import GHC.Word
import GHC.Types

import Foreign.Ptr
import Foreign.Storable

import Data.Tagged (Tagged(..))
import Crypto.Classes (BlockCipher(..))
import Data.Serialize (Serialize(..), getByteString, putByteString)

import Control.Monad (forM_)
import Control.Monad.Primitive

import Data.Primitive.ByteArray

import System.Endian (getSystemEndianness, Endianness(..))

newtype AES128 = A128 { unA128 :: Key }
newtype AES192 = A192 { unA192 :: Key }
newtype AES256 = A256 { unA256 :: Key }

instance BlockCipher AES128 where
	blockSize    = Tagged 128
	encryptBlock = encrypt . unA128
	decryptBlock = decrypt . unA128
	buildKey b   = either (const Nothing) (Just . A128) $ initKey128 b
	keyLength    = Tagged 128

instance BlockCipher AES192 where
	blockSize    = Tagged 128
	encryptBlock = encrypt . unA192
	decryptBlock = decrypt . unA192
	buildKey b   = either (const Nothing) (Just . A192) $ initKey192 b
	keyLength    = Tagged 192

instance BlockCipher AES256 where
	blockSize    = Tagged 128
	encryptBlock = encrypt . unA256
	decryptBlock = decrypt . unA256
	buildKey b   = either (const Nothing) (Just . A256) $ initKey256 b
	keyLength    = Tagged 256

serializeKey :: Key -> ByteString
serializeKey (Key v)
	| V.length v == 176 = B.pack $ map (V.unsafeIndex v) [0..15]
	| V.length v == 208 = B.pack $ map (V.unsafeIndex v) [0..23]
	| otherwise         = B.pack $ map (V.unsafeIndex v) [0..31]

instance Serialize AES128 where
	put = putByteString . serializeKey . unA128
	get = do
		raw <- getByteString (128 `div` 8)
		case buildKey raw of
			Nothing -> fail "Invalid raw key material."
			Just k  -> return k

instance Serialize AES192 where
	put = putByteString . serializeKey . unA192
	get = do
		raw <- getByteString (192 `div` 8)
		case buildKey raw of
			Nothing -> fail "Invalid raw key material."
			Just k  -> return k

instance Serialize AES256 where
	put = putByteString . serializeKey . unA256
	get = do
		raw <- getByteString (256 `div` 8)
		case buildKey raw of
			Nothing -> fail "Invalid raw key material."
			Just k  -> return k

data Key = Key (Vector Word8)
	deriving (Show,Eq)

type IV = B.ByteString
type Block = B.ByteString

type AESState = MutableByteArray RealWorld

{- | encrypt using CBC mode
 - IV need to be 16 bytes and the data to encrypt a multiple of 16 bytes -}
encryptCBC :: Key -> IV -> B.ByteString -> B.ByteString
encryptCBC key iv b
	| B.length iv /= 16        = error "invalid IV length"
	| B.length b `mod` 16 /= 0 = error "invalid data length"
	| otherwise                = B.concat $ encryptIter iv (makeChunks b)
		where
			encryptIter _   []     = []
			encryptIter iv' (x:xs) =
				let r = coreEncrypt key $ B.pack $ B.zipWith xor iv' x in
				r : encryptIter r xs

{- | encrypt using simple EBC mode -}
encrypt :: Key -> B.ByteString -> B.ByteString
encrypt key b
	| B.length b `mod` 16 /= 0 = error "invalid data length"
	| otherwise                = B.concat $ doChunks (coreEncrypt key) b

{- | decrypt using CBC mode
 - IV need to be 16 bytes and the data to decrypt a multiple of 16 bytes -}
decryptCBC :: Key -> IV -> B.ByteString -> B.ByteString
decryptCBC key iv b
	| B.length iv /= 16        = error "invalid IV length"
	| B.length b `mod` 16 /= 0 = error "invalid data length"
	| otherwise                = B.concat $ decryptIter iv (makeChunks b)
		where
			decryptIter _   []     = []
			decryptIter iv' (x:xs) =
				let r = B.pack $ B.zipWith xor iv' $ coreDecrypt key x in
				r : decryptIter x xs

{- | decrypt using simple EBC mode -}
decrypt :: Key -> B.ByteString -> B.ByteString
decrypt key b
	| B.length b `mod` 16 /= 0 = error "invalid data length"
	| otherwise                = B.concat $ doChunks (coreDecrypt key) b

doChunks :: (B.ByteString -> B.ByteString) -> B.ByteString -> [B.ByteString]
doChunks f b
    | B.null b  = []
    | otherwise =
        let (x, rest) = B.splitAt 16 b in
        if B.length rest >= 16
            then f x : doChunks f rest
            else [ f x ]

makeChunks :: B.ByteString -> [B.ByteString]
makeChunks = doChunks id

newAESState :: IO AESState
newAESState = newAlignedPinnedByteArray 16 16

coreEncrypt :: Key -> Block -> Block
coreEncrypt key input = B.unsafeCreate (B.length input) $ \ptr -> do
	st <- newAESState
	swapBlock input st
	aesMain (getNbr key) key st
	swapBlockInv st ptr

coreDecrypt :: Key -> Block -> Block
coreDecrypt key input = B.unsafeCreate (B.length input) $ \ptr -> do
	st <- newAESState
	swapBlock input st
	aesMainInv (getNbr key) key st
	swapBlockInv st ptr

getNbr :: Key -> Int
getNbr (Key v)
	| V.length v == 176 = 10
	| V.length v == 208 = 12
	| otherwise         = 14

initKey128, initKey192, initKey256 :: ByteString -> Either String Key

initKey128 = initKey 16
initKey192 = initKey 24
initKey256 = initKey 32

initKey :: Int -> ByteString -> Either String Key
initKey sz b
	| B.length b == sz = Right $ coreExpandKey (V.generate sz $ B.unsafeIndex b)
	| otherwise        = Left "wrong key size"

aesMain :: Int -> Key -> AESState -> IO ()
aesMain nbr key blk = do
	addRoundKey key 0 blk
	forM_ [1..nbr-1] $ \i -> do
		shiftRows blk >> mixColumns blk >> addRoundKey key i blk
	shiftRows blk >> addRoundKey key nbr blk

aesMainInv :: Int -> Key -> AESState -> IO ()
aesMainInv nbr key blk = do
	addRoundKey key nbr blk
	forM_ (reverse [1..nbr-1]) $ \i -> do
		shiftRowsInv blk >> addRoundKey key i blk >> mixColumnsInv blk
	shiftRowsInv blk >> addRoundKey key 0 blk

{-# INLINE swapIndex #-}
swapIndex :: Int -> Int
swapIndex 0 = 0
swapIndex 1 = 4
swapIndex 2 = 8
swapIndex 3 = 12
swapIndex 4 = 1
swapIndex 5 = 5
swapIndex 6 = 9
swapIndex 7 = 13
swapIndex 8 = 2
swapIndex 9 = 6
swapIndex 10 = 10
swapIndex 11 = 14
swapIndex 12 = 3
swapIndex 13 = 7
swapIndex 14 = 11
swapIndex 15 = 15
swapIndex _  = 0

coreExpandKey :: Vector Word8 -> Key
coreExpandKey vkey
	| V.length vkey == 16 = Key (V.concat (ek0 : ekN16))
	| V.length vkey == 24 = Key (V.concat (ek0 : ekN24))
	| V.length vkey == 32 = Key (V.concat (ek0 : ekN32))
	| otherwise           = Key (V.empty)
	where
		ek0 = vkey
		ekN16 = reverse $ snd $ foldl (generateFold generate16) (ek0, []) [1..10]

		ekN24 =
			let (lk, acc) = foldl (generateFold generate24) (ek0, []) [1..7] in
			let nk = generate16 lk 8 in
			reverse (nk : acc)

		ekN32 =
			let (lk, acc) = foldl (generateFold generate32) (ek0, []) [1..6] in
			let nk = generate16 lk 7 in
			reverse (nk : acc)

		generateFold gen (prevk, accK) it = let nk = gen prevk it in (nk, nk : accK)

		generate16 prevk it =
			let len = V.length prevk in
			let v0 = cR0 it (V.unsafeIndex prevk $ len - 4)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 3)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 2)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 1) in
			let eg0@(e0,e1,e2,e3)     = xorVector prevk 0 v0   in
			let eg1@(e4,e5,e6,e7)     = xorVector prevk 4 eg0  in
			let eg2@(e8,e9,e10,e11)   = xorVector prevk 8 eg1  in
			let     (e12,e13,e14,e15) = xorVector prevk 12 eg2 in
			V.fromList [e0,e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9,e10,e11,e12,e13,e14,e15]

		generate24 prevk it =
			let len = V.length prevk in
			let v0 = cR0 it (V.unsafeIndex prevk $ len - 4)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 3)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 2)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 1) in
			let eg0@(e0,e1,e2,e3)     = xorVector prevk 0 v0   in
			let eg1@(e4,e5,e6,e7)     = xorVector prevk 4 eg0  in
			let eg2@(e8,e9,e10,e11)   = xorVector prevk 8 eg1  in
			let eg3@(e12,e13,e14,e15) = xorVector prevk 12 eg2 in
			let eg4@(e16,e17,e18,e19) = xorVector prevk 16 eg3 in
			let     (e20,e21,e22,e23) = xorVector prevk 20 eg4 in
			V.fromList [e0,e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9,e10,e11,e12,e13,e14,e15,e16,e17,e18,e19,e20,e21,e22,e23]

		generate32 prevk it =
			let len = V.length prevk in
			let v0 = cR0 it (V.unsafeIndex prevk $ len - 4)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 3)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 2)
			                (V.unsafeIndex prevk $ len - 1) in
			let eg0@(e0,e1,e2,e3)     = xorVector prevk 0 v0   in
			let eg1@(e4,e5,e6,e7)     = xorVector prevk 4 eg0  in
			let eg2@(e8,e9,e10,e11)   = xorVector prevk 8 eg1  in
			let eg3@(e12,e13,e14,e15) = xorVector prevk 12 eg2 in
			let eg4@(e16,e17,e18,e19) = xorSboxVector prevk 16 eg3 in
			let eg5@(e20,e21,e22,e23) = xorVector prevk 20 eg4 in
			let eg6@(e24,e25,e26,e27) = xorVector prevk 24 eg5 in
			let     (e28,e29,e30,e31) = xorVector prevk 28 eg6 in
			V.fromList [e0,e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9,e10,e11,e12,e13,e14,e15,e16
			           ,e17,e18,e19,e20,e21,e22,e23,e24,e25,e26,e27,e28,e29,e30,e31]

		xorVector k i (t0,t1,t2,t3) =
			( V.unsafeIndex k (i+0) `xor` t0
			, V.unsafeIndex k (i+1) `xor` t1
			, V.unsafeIndex k (i+2) `xor` t2
			, V.unsafeIndex k (i+3) `xor` t3
			)

		xorSboxVector k i (t0,t1,t2,t3) =
			( V.unsafeIndex k (i+0) `xor` sbox t0
			, V.unsafeIndex k (i+1) `xor` sbox t1
			, V.unsafeIndex k (i+2) `xor` sbox t2
			, V.unsafeIndex k (i+3) `xor` sbox t3
			)

		cR0 it r0 r1 r2 r3 =
			(sbox r1 `xor` rcon it, sbox r2, sbox r3, sbox r0)

rotateR' :: Word32 -> Int -> Word32
rotateR' = case getSystemEndianness of
           LittleEndian -> rotateR
           BigEndian    -> rotateL
{-# INLINE rotateR' #-}

rotateL' :: Word32 -> Int -> Word32
rotateL' = case getSystemEndianness of
           LittleEndian -> rotateL
           BigEndian    -> rotateR
{-# INLINE rotateL' #-}


{-# INLINE shiftRows #-}
shiftRows :: AESState -> IO ()
shiftRows blk = do
	r32 blk 0 >>= w32 blk 0 . msbox32
	r32 blk 1 >>= \t1 -> w32 blk 1 $ rotateR' (msbox32 t1) 8
	r32 blk 2 >>= \t2 -> w32 blk 2 $ rotateR' (msbox32 t2) 16
	r32 blk 3 >>= \t3 -> w32 blk 3 $ rotateR' (msbox32 t3) 24

{-# INLINE addRoundKey #-}
addRoundKey :: Key -> Int -> AESState -> IO ()
addRoundKey (Key key) i blk = forM_ [0..15] $ \n -> do
	r8 blk n >>= \v1 -> w8 blk n $ v1 `xor` V.unsafeIndex key (16 * i + swapIndex n)

{-# INLINE mixColumns #-}
mixColumns :: AESState -> IO ()
mixColumns state = pr 0 >> pr 1 >> pr 2 >> pr 3
	where
		{-# INLINE pr #-}
		pr i = do
			cpy0 <- r8 state (0 * 4 + i)
			cpy1 <- r8 state (1 * 4 + i)
			cpy2 <- r8 state (2 * 4 + i)
			cpy3 <- r8 state (3 * 4 + i)

			let state0 = gm2 cpy0 `xor` gm1 cpy3 `xor` gm1 cpy2 `xor` gm3 cpy1
			let state4 = gm2 cpy1 `xor` gm1 cpy0 `xor` gm1 cpy3 `xor` gm3 cpy2
			let state8 = gm2 cpy2 `xor` gm1 cpy1 `xor` gm1 cpy0 `xor` gm3 cpy3
			let state12 = gm2 cpy3 `xor` gm1 cpy2 `xor` gm1 cpy1 `xor` gm3 cpy0

			w8 state (0 * 4 + i) state0
			w8 state (1 * 4 + i) state4
			w8 state (2 * 4 + i) state8
			w8 state (3 * 4 + i) state12
		{-# INLINE gm1 #-}
		gm1 a = a

{-# INLINE shiftRowsInv #-}
shiftRowsInv :: AESState -> IO ()
shiftRowsInv blk = do
	r32 blk 0 >>= w32 blk 0 . mrsbox32
	r32 blk 1 >>= \t1 -> w32 blk 1 $ mrsbox32 $ rotateL' t1 8
	r32 blk 2 >>= \t2 -> w32 blk 2 $ mrsbox32 $ rotateL' t2 16
	r32 blk 3 >>= \t3 -> w32 blk 3 $ mrsbox32 $ rotateL' t3 24

{-# INLINE mixColumnsInv #-}
mixColumnsInv :: AESState -> IO ()
mixColumnsInv state = pr 0 >> pr 1 >> pr 2 >> pr 3
	where
		{-# INLINE pr #-}
		pr i = do
			cpy0 <- r8 state (0 * 4 + i)
			cpy1 <- r8 state (1 * 4 + i)
			cpy2 <- r8 state (2 * 4 + i)
			cpy3 <- r8 state (3 * 4 + i)

			let state0  = gm14 cpy0 `xor` gm9 cpy3 `xor` gm13 cpy2 `xor` gm11 cpy1
			let state4  = gm14 cpy1 `xor` gm9 cpy0 `xor` gm13 cpy3 `xor` gm11 cpy2
			let state8  = gm14 cpy2 `xor` gm9 cpy1 `xor` gm13 cpy0 `xor` gm11 cpy3
			let state12 = gm14 cpy3 `xor` gm9 cpy2 `xor` gm13 cpy1 `xor` gm11 cpy0

			w8 state (0 * 4 + i) state0
			w8 state (1 * 4 + i) state4
			w8 state (2 * 4 + i) state8
			w8 state (3 * 4 + i) state12

{-# INLINE r8 #-}
r8 :: AESState -> Int -> IO Word8
r8 = readByteArray

{-# INLINE w8 #-}
w8 :: AESState -> Int -> Word8 -> IO ()
w8 = writeByteArray

{-# INLINE r32 #-}
r32 :: AESState -> Int -> IO Word32
r32 = readByteArray

{-# INLINE w32 #-}
w32 :: AESState -> Int -> Word32 -> IO ()
w32 = writeByteArray

msbox32 :: Word32 -> Word32
msbox32 w = sbox4 a .|. sbox3 b .|. sbox2 c .|. sbox1 d
	where
		a = fromIntegral (w `shiftR` 24)
		b = fromIntegral (w `shiftR` 16)
		c = fromIntegral (w `shiftR` 8)
		d = fromIntegral w

mrsbox32 :: Word32 -> Word32
mrsbox32 w = fromIntegral (rsbox a) `shiftL` 24 .|.
             fromIntegral (rsbox b) `shiftL` 16 .|.
             fromIntegral (rsbox c) `shiftL` 8  .|.
             fromIntegral (rsbox d)
	where
		a = fromIntegral (w `shiftR` 24)
		b = fromIntegral (w `shiftR` 16)
		c = fromIntegral (w `shiftR` 8)
		d = fromIntegral w


{-# INLINE swapBlock #-}
swapBlock :: ByteString -> AESState -> IO ()
swapBlock b blk = do -- V.generate 16 (\i -> B.unsafeIndex b $ swapIndex i)
	forM_ [0..15] $ \i -> w8 blk i $ B.unsafeIndex b $ swapIndex i

{-# INLINE swapBlockInv #-}
swapBlockInv :: AESState -> Ptr Word8 -> IO ()
swapBlockInv blk ptr = forM_ [0..15] $ \i -> r8 blk (swapIndex i) >>= pokeByteOff ptr i

{-# INLINE sbox #-}
sbox :: Word8 -> Word8
sbox (W8# w) = W8# (indexWord8OffAddr# table (word2Int# w))
	where !table =
		"\x63\x7c\x77\x7b\xf2\x6b\x6f\xc5\
		\\x30\x01\x67\x2b\xfe\xd7\xab\x76\
		\\xca\x82\xc9\x7d\xfa\x59\x47\xf0\
		\\xad\xd4\xa2\xaf\x9c\xa4\x72\xc0\
		\\xb7\xfd\x93\x26\x36\x3f\xf7\xcc\
		\\x34\xa5\xe5\xf1\x71\xd8\x31\x15\
		\\x04\xc7\x23\xc3\x18\x96\x05\x9a\
		\\x07\x12\x80\xe2\xeb\x27\xb2\x75\
		\\x09\x83\x2c\x1a\x1b\x6e\x5a\xa0\
		\\x52\x3b\xd6\xb3\x29\xe3\x2f\x84\
		\\x53\xd1\x00\xed\x20\xfc\xb1\x5b\
		\\x6a\xcb\xbe\x39\x4a\x4c\x58\xcf\
		\\xd0\xef\xaa\xfb\x43\x4d\x33\x85\
		\\x45\xf9\x02\x7f\x50\x3c\x9f\xa8\
		\\x51\xa3\x40\x8f\x92\x9d\x38\xf5\
		\\xbc\xb6\xda\x21\x10\xff\xf3\xd2\
		\\xcd\x0c\x13\xec\x5f\x97\x44\x17\
		\\xc4\xa7\x7e\x3d\x64\x5d\x19\x73\
		\\x60\x81\x4f\xdc\x22\x2a\x90\x88\
		\\x46\xee\xb8\x14\xde\x5e\x0b\xdb\
		\\xe0\x32\x3a\x0a\x49\x06\x24\x5c\
		\\xc2\xd3\xac\x62\x91\x95\xe4\x79\
		\\xe7\xc8\x37\x6d\x8d\xd5\x4e\xa9\
		\\x6c\x56\xf4\xea\x65\x7a\xae\x08\
		\\xba\x78\x25\x2e\x1c\xa6\xb4\xc6\
		\\xe8\xdd\x74\x1f\x4b\xbd\x8b\x8a\
		\\x70\x3e\xb5\x66\x48\x03\xf6\x0e\
		\\x61\x35\x57\xb9\x86\xc1\x1d\x9e\
		\\xe1\xf8\x98\x11\x69\xd9\x8e\x94\
		\\x9b\x1e\x87\xe9\xce\x55\x28\xdf\
		\\x8c\xa1\x89\x0d\xbf\xe6\x42\x68\
		\\x41\x99\x2d\x0f\xb0\x54\xbb\x16"#

{-# INLINE sbox1 #-}
{-# INLINE sbox2 #-}
{-# INLINE sbox3 #-}
{-# INLINE sbox4 #-}
sbox1, sbox2, sbox3, sbox4 :: Word8 -> Word32
sbox1 (W8# w) = W32# (indexWord32OffAddr# table (word2Int# w))
	where !(Table table) = sbox1Tab
sbox2 (W8# w) = W32# (indexWord32OffAddr# table (word2Int# w))
	where !(Table table) = sbox2Tab
sbox3 (W8# w) = W32# (indexWord32OffAddr# table (word2Int# w))
	where !(Table table) = sbox3Tab
sbox4 (W8# w) = W32# (indexWord32OffAddr# table (word2Int# w))
	where !(Table table) = sbox4Tab

sbox1Tab, sbox2Tab, sbox3Tab, sbox4Tab :: Table
sbox1Tab = if getSystemEndianness == LittleEndian then sbox_x000 else sbox_000x
sbox2Tab = if getSystemEndianness == LittleEndian then sbox_0x00 else sbox_00x0
sbox3Tab = if getSystemEndianness == LittleEndian then sbox_00x0 else sbox_0x00
sbox4Tab = if getSystemEndianness == LittleEndian then sbox_000x else sbox_x000

data Table = Table !Addr#

sbox_000x, sbox_00x0, sbox_0x00, sbox_x000 :: Table
sbox_000x = Table
		"\x00\x00\x00\x63\x00\x00\x00\x7c\x00\x00\x00\x77\x00\x00\x00\x7b\
		\\x00\x00\x00\xf2\x00\x00\x00\x6b\x00\x00\x00\x6f\x00\x00\x00\xc5\
		\\x00\x00\x00\x30\x00\x00\x00\x01\x00\x00\x00\x67\x00\x00\x00\x2b\
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gm2, gm3, gm9, gm11, gm13, gm14 :: Word8 -> Word8
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gm14 (W8# w) = W8# (indexWord8OffAddr# table (word2Int# w))
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