]> git.rkrishnan.org Git - tahoe-lafs/zfec.git/blobdiff - zfec/fec.c
zfec: rearrange files
[tahoe-lafs/zfec.git] / zfec / fec.c
diff --git a/zfec/fec.c b/zfec/fec.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..751c00a
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,572 @@
+/**
+ * zfec -- fast forward error correction library with Python interface
+ */
+
+#include "fec.h"
+
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+#include <assert.h>
+
+/*
+ * Primitive polynomials - see Lin & Costello, Appendix A,
+ * and  Lee & Messerschmitt, p. 453.
+ */
+static const char*const Pp="101110001";
+
+
+/*
+ * To speed up computations, we have tables for logarithm, exponent and
+ * inverse of a number.  We use a table for multiplication as well (it takes
+ * 64K, no big deal even on a PDA, especially because it can be
+ * pre-initialized an put into a ROM!), otherwhise we use a table of
+ * logarithms. In any case the macro gf_mul(x,y) takes care of
+ * multiplications.
+ */
+
+static gf gf_exp[510];  /* index->poly form conversion table    */
+static int gf_log[256]; /* Poly->index form conversion table    */
+static gf inverse[256]; /* inverse of field elem.               */
+                                /* inv[\alpha**i]=\alpha**(GF_SIZE-i-1) */
+
+/*
+ * modnn(x) computes x % GF_SIZE, where GF_SIZE is 2**GF_BITS - 1,
+ * without a slow divide.
+ */
+static gf
+modnn(int x) {
+    while (x >= 255) {
+        x -= 255;
+        x = (x >> 8) + (x & 255);
+    }
+    return x;
+}
+
+#define SWAP(a,b,t) {t tmp; tmp=a; a=b; b=tmp;}
+
+/*
+ * gf_mul(x,y) multiplies two numbers.  It is much faster to use a
+ * multiplication table.
+ *
+ * USE_GF_MULC, GF_MULC0(c) and GF_ADDMULC(x) can be used when multiplying
+ * many numbers by the same constant. In this case the first call sets the
+ * constant, and others perform the multiplications.  A value related to the
+ * multiplication is held in a local variable declared with USE_GF_MULC . See
+ * usage in _addmul1().
+ */
+static gf gf_mul_table[256][256];
+
+#define gf_mul(x,y) gf_mul_table[x][y]
+
+#define USE_GF_MULC register gf * __gf_mulc_
+
+#define GF_MULC0(c) __gf_mulc_ = gf_mul_table[c]
+#define GF_ADDMULC(dst, x) dst ^= __gf_mulc_[x]
+
+/*
+ * Generate GF(2**m) from the irreducible polynomial p(X) in p[0]..p[m]
+ * Lookup tables:
+ *     index->polynomial form          gf_exp[] contains j= \alpha^i;
+ *     polynomial form -> index form   gf_log[ j = \alpha^i ] = i
+ * \alpha=x is the primitive element of GF(2^m)
+ *
+ * For efficiency, gf_exp[] has size 2*GF_SIZE, so that a simple
+ * multiplication of two numbers can be resolved without calling modnn
+ */
+static void
+_init_mul_table(void) {
+  int i, j;
+  for (i = 0; i < 256; i++)
+      for (j = 0; j < 256; j++)
+          gf_mul_table[i][j] = gf_exp[modnn (gf_log[i] + gf_log[j])];
+
+  for (j = 0; j < 256; j++)
+      gf_mul_table[0][j] = gf_mul_table[j][0] = 0;
+}
+
+#define NEW_GF_MATRIX(rows, cols) \
+    (gf*)malloc(rows * cols)
+
+/*
+ * initialize the data structures used for computations in GF.
+ */
+static void
+generate_gf (void) {
+    int i;
+    gf mask;
+
+    mask = 1;                     /* x ** 0 = 1 */
+    gf_exp[8] = 0;          /* will be updated at the end of the 1st loop */
+    /*
+     * first, generate the (polynomial representation of) powers of \alpha,
+     * which are stored in gf_exp[i] = \alpha ** i .
+     * At the same time build gf_log[gf_exp[i]] = i .
+     * The first 8 powers are simply bits shifted to the left.
+     */
+    for (i = 0; i < 8; i++, mask <<= 1) {
+        gf_exp[i] = mask;
+        gf_log[gf_exp[i]] = i;
+        /*
+         * If Pp[i] == 1 then \alpha ** i occurs in poly-repr
+         * gf_exp[8] = \alpha ** 8
+         */
+        if (Pp[i] == '1')
+            gf_exp[8] ^= mask;
+    }
+    /*
+     * now gf_exp[8] = \alpha ** 8 is complete, so can also
+     * compute its inverse.
+     */
+    gf_log[gf_exp[8]] = 8;
+    /*
+     * Poly-repr of \alpha ** (i+1) is given by poly-repr of
+     * \alpha ** i shifted left one-bit and accounting for any
+     * \alpha ** 8 term that may occur when poly-repr of
+     * \alpha ** i is shifted.
+     */
+    mask = 1 << 7;
+    for (i = 9; i < 255; i++) {
+        if (gf_exp[i - 1] >= mask)
+            gf_exp[i] = gf_exp[8] ^ ((gf_exp[i - 1] ^ mask) << 1);
+        else
+            gf_exp[i] = gf_exp[i - 1] << 1;
+        gf_log[gf_exp[i]] = i;
+    }
+    /*
+     * log(0) is not defined, so use a special value
+     */
+    gf_log[0] = 255;
+    /* set the extended gf_exp values for fast multiply */
+    for (i = 0; i < 255; i++)
+        gf_exp[i + 255] = gf_exp[i];
+
+    /*
+     * again special cases. 0 has no inverse. This used to
+     * be initialized to 255, but it should make no difference
+     * since noone is supposed to read from here.
+     */
+    inverse[0] = 0;
+    inverse[1] = 1;
+    for (i = 2; i <= 255; i++)
+        inverse[i] = gf_exp[255 - gf_log[i]];
+}
+
+/*
+ * Various linear algebra operations that i use often.
+ */
+
+/*
+ * addmul() computes dst[] = dst[] + c * src[]
+ * This is used often, so better optimize it! Currently the loop is
+ * unrolled 16 times, a good value for 486 and pentium-class machines.
+ * The case c=0 is also optimized, whereas c=1 is not. These
+ * calls are unfrequent in my typical apps so I did not bother.
+ */
+#define addmul(dst, src, c, sz)                 \
+    if (c != 0) _addmul1(dst, src, c, sz)
+
+#define UNROLL 16               /* 1, 4, 8, 16 */
+static void
+_addmul1(register gf*restrict dst, const register gf*restrict src, gf c, size_t sz) {
+    USE_GF_MULC;
+    const gf* lim = &dst[sz - UNROLL + 1];
+
+    GF_MULC0 (c);
+
+#if (UNROLL > 1)                /* unrolling by 8/16 is quite effective on the pentium */
+    for (; dst < lim; dst += UNROLL, src += UNROLL) {
+        GF_ADDMULC (dst[0], src[0]);
+        GF_ADDMULC (dst[1], src[1]);
+        GF_ADDMULC (dst[2], src[2]);
+        GF_ADDMULC (dst[3], src[3]);
+#if (UNROLL > 4)
+        GF_ADDMULC (dst[4], src[4]);
+        GF_ADDMULC (dst[5], src[5]);
+        GF_ADDMULC (dst[6], src[6]);
+        GF_ADDMULC (dst[7], src[7]);
+#endif
+#if (UNROLL > 8)
+        GF_ADDMULC (dst[8], src[8]);
+        GF_ADDMULC (dst[9], src[9]);
+        GF_ADDMULC (dst[10], src[10]);
+        GF_ADDMULC (dst[11], src[11]);
+        GF_ADDMULC (dst[12], src[12]);
+        GF_ADDMULC (dst[13], src[13]);
+        GF_ADDMULC (dst[14], src[14]);
+        GF_ADDMULC (dst[15], src[15]);
+#endif
+    }
+#endif
+    lim += UNROLL - 1;
+    for (; dst < lim; dst++, src++)       /* final components */
+        GF_ADDMULC (*dst, *src);
+}
+
+/*
+ * computes C = AB where A is n*k, B is k*m, C is n*m
+ */
+static void
+_matmul(gf * a, gf * b, gf * c, unsigned n, unsigned k, unsigned m) {
+    unsigned row, col, i;
+
+    for (row = 0; row < n; row++) {
+        for (col = 0; col < m; col++) {
+            gf *pa = &a[row * k];
+            gf *pb = &b[col];
+            gf acc = 0;
+            for (i = 0; i < k; i++, pa++, pb += m)
+                acc ^= gf_mul (*pa, *pb);
+            c[row * m + col] = acc;
+        }
+    }
+}
+
+/*
+ * _invert_mat() takes a matrix and produces its inverse
+ * k is the size of the matrix.
+ * (Gauss-Jordan, adapted from Numerical Recipes in C)
+ * Return non-zero if singular.
+ */
+static void
+_invert_mat(gf* src, unsigned k) {
+    gf c, *p;
+    unsigned irow = 0;
+    unsigned icol = 0;
+    unsigned row, col, i, ix;
+
+    unsigned* indxc = (unsigned*) malloc (k * sizeof(unsigned));
+    unsigned* indxr = (unsigned*) malloc (k * sizeof(unsigned));
+    unsigned* ipiv = (unsigned*) malloc (k * sizeof(unsigned));
+    gf *id_row = NEW_GF_MATRIX (1, k);
+
+    memset (id_row, '\0', k * sizeof (gf));
+    /*
+     * ipiv marks elements already used as pivots.
+     */
+    for (i = 0; i < k; i++)
+        ipiv[i] = 0;
+
+    for (col = 0; col < k; col++) {
+        gf *pivot_row;
+        /*
+         * Zeroing column 'col', look for a non-zero element.
+         * First try on the diagonal, if it fails, look elsewhere.
+         */
+        if (ipiv[col] != 1 && src[col * k + col] != 0) {
+            irow = col;
+            icol = col;
+            goto found_piv;
+        }
+        for (row = 0; row < k; row++) {
+            if (ipiv[row] != 1) {
+                for (ix = 0; ix < k; ix++) {
+                    if (ipiv[ix] == 0) {
+                        if (src[row * k + ix] != 0) {
+                            irow = row;
+                            icol = ix;
+                            goto found_piv;
+                        }
+                    } else
+                        assert (ipiv[ix] <= 1);
+                }
+            }
+        }
+      found_piv:
+        ++(ipiv[icol]);
+        /*
+         * swap rows irow and icol, so afterwards the diagonal
+         * element will be correct. Rarely done, not worth
+         * optimizing.
+         */
+        if (irow != icol)
+            for (ix = 0; ix < k; ix++)
+                SWAP (src[irow * k + ix], src[icol * k + ix], gf);
+        indxr[col] = irow;
+        indxc[col] = icol;
+        pivot_row = &src[icol * k];
+        c = pivot_row[icol];
+        assert (c != 0);
+        if (c != 1) {                       /* otherwhise this is a NOP */
+            /*
+             * this is done often , but optimizing is not so
+             * fruitful, at least in the obvious ways (unrolling)
+             */
+            c = inverse[c];
+            pivot_row[icol] = 1;
+            for (ix = 0; ix < k; ix++)
+                pivot_row[ix] = gf_mul (c, pivot_row[ix]);
+        }
+        /*
+         * from all rows, remove multiples of the selected row
+         * to zero the relevant entry (in fact, the entry is not zero
+         * because we know it must be zero).
+         * (Here, if we know that the pivot_row is the identity,
+         * we can optimize the addmul).
+         */
+        id_row[icol] = 1;
+        if (memcmp (pivot_row, id_row, k * sizeof (gf)) != 0) {
+            for (p = src, ix = 0; ix < k; ix++, p += k) {
+                if (ix != icol) {
+                    c = p[icol];
+                    p[icol] = 0;
+                    addmul (p, pivot_row, c, k);
+                }
+            }
+        }
+        id_row[icol] = 0;
+    }                           /* done all columns */
+    for (col = k; col > 0; col--)
+        if (indxr[col-1] != indxc[col-1])
+            for (row = 0; row < k; row++)
+                SWAP (src[row * k + indxr[col-1]], src[row * k + indxc[col-1]], gf);
+}
+
+/*
+ * fast code for inverting a vandermonde matrix.
+ *
+ * NOTE: It assumes that the matrix is not singular and _IS_ a vandermonde
+ * matrix. Only uses the second column of the matrix, containing the p_i's.
+ *
+ * Algorithm borrowed from "Numerical recipes in C" -- sec.2.8, but largely
+ * revised for my purposes.
+ * p = coefficients of the matrix (p_i)
+ * q = values of the polynomial (known)
+ */
+void
+_invert_vdm (gf* src, unsigned k) {
+    unsigned i, j, row, col;
+    gf *b, *c, *p;
+    gf t, xx;
+
+    if (k == 1)                   /* degenerate case, matrix must be p^0 = 1 */
+        return;
+    /*
+     * c holds the coefficient of P(x) = Prod (x - p_i), i=0..k-1
+     * b holds the coefficient for the matrix inversion
+     */
+    c = NEW_GF_MATRIX (1, k);
+    b = NEW_GF_MATRIX (1, k);
+
+    p = NEW_GF_MATRIX (1, k);
+
+    for (j = 1, i = 0; i < k; i++, j += k) {
+        c[i] = 0;
+        p[i] = src[j];            /* p[i] */
+    }
+    /*
+     * construct coeffs. recursively. We know c[k] = 1 (implicit)
+     * and start P_0 = x - p_0, then at each stage multiply by
+     * x - p_i generating P_i = x P_{i-1} - p_i P_{i-1}
+     * After k steps we are done.
+     */
+    c[k - 1] = p[0];              /* really -p(0), but x = -x in GF(2^m) */
+    for (i = 1; i < k; i++) {
+        gf p_i = p[i];            /* see above comment */
+        for (j = k - 1 - (i - 1); j < k - 1; j++)
+            c[j] ^= gf_mul (p_i, c[j + 1]);
+        c[k - 1] ^= p_i;
+    }
+
+    for (row = 0; row < k; row++) {
+        /*
+         * synthetic division etc.
+         */
+        xx = p[row];
+        t = 1;
+        b[k - 1] = 1;             /* this is in fact c[k] */
+        for (i = k - 1; i > 0; i--) {
+            b[i-1] = c[i] ^ gf_mul (xx, b[i]);
+            t = gf_mul (xx, t) ^ b[i-1];
+        }
+        for (col = 0; col < k; col++)
+            src[col * k + row] = gf_mul (inverse[t], b[col]);
+    }
+    free (c);
+    free (b);
+    free (p);
+    return;
+}
+
+static int fec_initialized = 0;
+static void
+init_fec (void) {
+    generate_gf();
+    _init_mul_table();
+    fec_initialized = 1;
+}
+
+/*
+ * This section contains the proper FEC encoding/decoding routines.
+ * The encoding matrix is computed starting with a Vandermonde matrix,
+ * and then transforming it into a systematic matrix.
+ */
+
+#define FEC_MAGIC      0xFECC0DEC
+
+void
+fec_free (fec_t *p) {
+    assert (p != NULL && p->magic == (((FEC_MAGIC ^ p->k) ^ p->n) ^ (unsigned long) (p->enc_matrix)));
+    free (p->enc_matrix);
+    free (p);
+}
+
+fec_t *
+fec_new(unsigned short k, unsigned short n) {
+    unsigned row, col;
+    gf *p, *tmp_m;
+
+    fec_t *retval;
+
+    if (fec_initialized == 0)
+        init_fec ();
+
+    retval = (fec_t *) malloc (sizeof (fec_t));
+    retval->k = k;
+    retval->n = n;
+    retval->enc_matrix = NEW_GF_MATRIX (n, k);
+    retval->magic = ((FEC_MAGIC ^ k) ^ n) ^ (unsigned long) (retval->enc_matrix);
+    tmp_m = NEW_GF_MATRIX (n, k);
+    /*
+     * fill the matrix with powers of field elements, starting from 0.
+     * The first row is special, cannot be computed with exp. table.
+     */
+    tmp_m[0] = 1;
+    for (col = 1; col < k; col++)
+        tmp_m[col] = 0;
+    for (p = tmp_m + k, row = 0; row < n - 1; row++, p += k)
+        for (col = 0; col < k; col++)
+            p[col] = gf_exp[modnn (row * col)];
+
+    /*
+     * quick code to build systematic matrix: invert the top
+     * k*k vandermonde matrix, multiply right the bottom n-k rows
+     * by the inverse, and construct the identity matrix at the top.
+     */
+    _invert_vdm (tmp_m, k);        /* much faster than _invert_mat */
+    _matmul(tmp_m + k * k, tmp_m, retval->enc_matrix + k * k, n - k, k, k);
+    /*
+     * the upper matrix is I so do not bother with a slow multiply
+     */
+    memset (retval->enc_matrix, '\0', k * k * sizeof (gf));
+    for (p = retval->enc_matrix, col = 0; col < k; col++, p += k + 1)
+        *p = 1;
+    free (tmp_m);
+
+    return retval;
+}
+
+/* To make sure that we stay within cache in the inner loops of fec_encode().  (It would
+   probably help to also do this for fec_decode(). */
+#ifndef STRIDE
+#define STRIDE 8192
+#endif
+
+void
+fec_encode(const fec_t* code, const gf*restrict const*restrict const src, gf*restrict const*restrict const fecs, const unsigned*restrict const block_nums, size_t num_block_nums, size_t sz) {
+    unsigned char i, j;
+    size_t k;
+    unsigned fecnum;
+    const gf* p;
+
+    for (k = 0; k < sz; k += STRIDE) {
+        size_t stride = ((sz-k) < STRIDE)?(sz-k):STRIDE;
+        for (i=0; i<num_block_nums; i++) {
+            fecnum=block_nums[i];
+            assert (fecnum >= code->k);
+            memset(fecs[i]+k, 0, stride);
+            p = &(code->enc_matrix[fecnum * code->k]);
+            for (j = 0; j < code->k; j++)
+                addmul(fecs[i]+k, src[j]+k, p[j], stride);
+        }
+    }
+}
+
+/**
+ * Build decode matrix into some memory space.
+ *
+ * @param matrix a space allocated for a k by k matrix
+ */
+void
+build_decode_matrix_into_space(const fec_t*restrict const code, const unsigned*const restrict index, const unsigned k, gf*restrict const matrix) {
+    unsigned char i;
+    gf* p;
+    for (i=0, p=matrix; i < k; i++, p += k) {
+        if (index[i] < k) {
+            memset(p, 0, k);
+            p[i] = 1;
+        } else {
+            memcpy(p, &(code->enc_matrix[index[i] * code->k]), k);
+        }
+    }
+    _invert_mat (matrix, k);
+}
+
+void
+fec_decode(const fec_t* code, const gf*restrict const*restrict const inpkts, gf*restrict const*restrict const outpkts, const unsigned*restrict const index, size_t sz) {
+    gf* m_dec = (gf*)alloca(code->k * code->k);
+    unsigned char outix=0;
+    unsigned char row=0;
+    unsigned char col=0;
+    build_decode_matrix_into_space(code, index, code->k, m_dec);
+
+    for (row=0; row<code->k; row++) {
+        assert ((index[row] >= code->k) || (index[row] == row)); /* If the block whose number is i is present, then it is required to be in the i'th element. */
+        if (index[row] >= code->k) {
+            memset(outpkts[outix], 0, sz);
+            for (col=0; col < code->k; col++)
+                addmul(outpkts[outix], inpkts[col], m_dec[row * code->k + col], sz);
+            outix++;
+        }
+    }
+}
+
+/**
+ * zfec -- fast forward error correction library with Python interface
+ *
+ * Copyright (C) 2007-2010 Zooko Wilcox-O'Hearn
+ * Author: Zooko Wilcox-O'Hearn
+ *
+ * This file is part of zfec.
+ *
+ * See README.rst for licensing information.
+ */
+
+/*
+ * This work is derived from the "fec" software by Luigi Rizzo, et al., the
+ * copyright notice and licence terms of which are included below for reference.
+ * fec.c -- forward error correction based on Vandermonde matrices 980624 (C)
+ * 1997-98 Luigi Rizzo (luigi@iet.unipi.it)
+ *
+ * Portions derived from code by Phil Karn (karn@ka9q.ampr.org),
+ * Robert Morelos-Zaragoza (robert@spectra.eng.hawaii.edu) and Hari
+ * Thirumoorthy (harit@spectra.eng.hawaii.edu), Aug 1995
+ *
+ * Modifications by Dan Rubenstein (see Modifications.txt for
+ * their description.
+ * Modifications (C) 1998 Dan Rubenstein (drubenst@cs.umass.edu)
+ *
+ * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
+ * modification, are permitted provided that the following conditions
+ * are met:
+ *
+ * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
+ *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
+ * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above
+ *    copyright notice, this list of conditions and the following
+ *    disclaimer in the documentation and/or other materials
+ *    provided with the distribution.
+ *
+ * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHORS ``AS IS'' AND
+ * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
+ * THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A
+ * PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS
+ * BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY,
+ * OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO,
+ * PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA,
+ * OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
+ * THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR
+ * TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT
+ * OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY
+ * OF SUCH DAMAGE.
+ */