ec/ecp_nistp*.c: sanitize for undefined/implmentation-specific behaviour.
[openssl.git] / crypto / ec / ecp_nistp256.c
1 /* crypto/ec/ecp_nistp256.c */
2 /*
3  * Written by Adam Langley (Google) for the OpenSSL project
4  */
5 /* Copyright 2011 Google Inc.
6  *
7  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
8  *
9  * you may not use this file except in compliance with the License.
10  * You may obtain a copy of the License at
11  *
12  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
13  *
14  *  Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
15  *  distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
16  *  WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
17  *  See the License for the specific language governing permissions and
18  *  limitations under the License.
19  */
20
21 /*
22  * A 64-bit implementation of the NIST P-256 elliptic curve point multiplication
23  *
24  * OpenSSL integration was taken from Emilia Kasper's work in ecp_nistp224.c.
25  * Otherwise based on Emilia's P224 work, which was inspired by my curve25519
26  * work which got its smarts from Daniel J. Bernstein's work on the same.
27  */
28
29 #include <openssl/opensslconf.h>
30 #ifndef OPENSSL_NO_EC_NISTP_64_GCC_128
31
32 # ifndef OPENSSL_SYS_VMS
33 #  include <stdint.h>
34 # else
35 #  include <inttypes.h>
36 # endif
37
38 # include <string.h>
39 # include <openssl/err.h>
40 # include "ec_lcl.h"
41
42 # if defined(__GNUC__) && (__GNUC__ > 3 || (__GNUC__ == 3 && __GNUC_MINOR__ >= 1))
43   /* even with gcc, the typedef won't work for 32-bit platforms */
44 typedef __uint128_t uint128_t;  /* nonstandard; implemented by gcc on 64-bit
45                                  * platforms */
46 typedef __int128_t int128_t;
47 # else
48 #  error "Need GCC 3.1 or later to define type uint128_t"
49 # endif
50
51 typedef uint8_t u8;
52 typedef uint32_t u32;
53 typedef uint64_t u64;
54
55 /*
56  * The underlying field. P256 operates over GF(2^256-2^224+2^192+2^96-1). We
57  * can serialise an element of this field into 32 bytes. We call this an
58  * felem_bytearray.
59  */
60
61 typedef u8 felem_bytearray[32];
62
63 /*
64  * These are the parameters of P256, taken from FIPS 186-3, page 86. These
65  * values are big-endian.
66  */
67 static const felem_bytearray nistp256_curve_params[5] = {
68     {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, /* p */
69      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
70      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
71      0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff},
72     {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, /* a = -3 */
73      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
74      0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
75      0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfc}, /* b */
76     {0x5a, 0xc6, 0x35, 0xd8, 0xaa, 0x3a, 0x93, 0xe7,
77      0xb3, 0xeb, 0xbd, 0x55, 0x76, 0x98, 0x86, 0xbc,
78      0x65, 0x1d, 0x06, 0xb0, 0xcc, 0x53, 0xb0, 0xf6,
79      0x3b, 0xce, 0x3c, 0x3e, 0x27, 0xd2, 0x60, 0x4b},
80     {0x6b, 0x17, 0xd1, 0xf2, 0xe1, 0x2c, 0x42, 0x47, /* x */
81      0xf8, 0xbc, 0xe6, 0xe5, 0x63, 0xa4, 0x40, 0xf2,
82      0x77, 0x03, 0x7d, 0x81, 0x2d, 0xeb, 0x33, 0xa0,
83      0xf4, 0xa1, 0x39, 0x45, 0xd8, 0x98, 0xc2, 0x96},
84     {0x4f, 0xe3, 0x42, 0xe2, 0xfe, 0x1a, 0x7f, 0x9b, /* y */
85      0x8e, 0xe7, 0xeb, 0x4a, 0x7c, 0x0f, 0x9e, 0x16,
86      0x2b, 0xce, 0x33, 0x57, 0x6b, 0x31, 0x5e, 0xce,
87      0xcb, 0xb6, 0x40, 0x68, 0x37, 0xbf, 0x51, 0xf5}
88 };
89
90 /*-
91  * The representation of field elements.
92  * ------------------------------------
93  *
94  * We represent field elements with either four 128-bit values, eight 128-bit
95  * values, or four 64-bit values. The field element represented is:
96  *   v[0]*2^0 + v[1]*2^64 + v[2]*2^128 + v[3]*2^192  (mod p)
97  * or:
98  *   v[0]*2^0 + v[1]*2^64 + v[2]*2^128 + ... + v[8]*2^512  (mod p)
99  *
100  * 128-bit values are called 'limbs'. Since the limbs are spaced only 64 bits
101  * apart, but are 128-bits wide, the most significant bits of each limb overlap
102  * with the least significant bits of the next.
103  *
104  * A field element with four limbs is an 'felem'. One with eight limbs is a
105  * 'longfelem'
106  *
107  * A field element with four, 64-bit values is called a 'smallfelem'. Small
108  * values are used as intermediate values before multiplication.
109  */
110
111 # define NLIMBS 4
112
113 typedef uint128_t limb;
114 typedef limb felem[NLIMBS];
115 typedef limb longfelem[NLIMBS * 2];
116 typedef u64 smallfelem[NLIMBS];
117
118 /* This is the value of the prime as four 64-bit words, little-endian. */
119 static const u64 kPrime[4] =
120     { 0xfffffffffffffffful, 0xffffffff, 0, 0xffffffff00000001ul };
121 static const u64 bottom63bits = 0x7ffffffffffffffful;
122
123 /*
124  * bin32_to_felem takes a little-endian byte array and converts it into felem
125  * form. This assumes that the CPU is little-endian.
126  */
127 static void bin32_to_felem(felem out, const u8 in[32])
128 {
129     out[0] = *((u64 *)&in[0]);
130     out[1] = *((u64 *)&in[8]);
131     out[2] = *((u64 *)&in[16]);
132     out[3] = *((u64 *)&in[24]);
133 }
134
135 /*
136  * smallfelem_to_bin32 takes a smallfelem and serialises into a little
137  * endian, 32 byte array. This assumes that the CPU is little-endian.
138  */
139 static void smallfelem_to_bin32(u8 out[32], const smallfelem in)
140 {
141     *((u64 *)&out[0]) = in[0];
142     *((u64 *)&out[8]) = in[1];
143     *((u64 *)&out[16]) = in[2];
144     *((u64 *)&out[24]) = in[3];
145 }
146
147 /* To preserve endianness when using BN_bn2bin and BN_bin2bn */
148 static void flip_endian(u8 *out, const u8 *in, unsigned len)
149 {
150     unsigned i;
151     for (i = 0; i < len; ++i)
152         out[i] = in[len - 1 - i];
153 }
154
155 /* BN_to_felem converts an OpenSSL BIGNUM into an felem */
156 static int BN_to_felem(felem out, const BIGNUM *bn)
157 {
158     felem_bytearray b_in;
159     felem_bytearray b_out;
160     unsigned num_bytes;
161
162     /* BN_bn2bin eats leading zeroes */
163     memset(b_out, 0, sizeof(b_out));
164     num_bytes = BN_num_bytes(bn);
165     if (num_bytes > sizeof(b_out)) {
166         ECerr(EC_F_BN_TO_FELEM, EC_R_BIGNUM_OUT_OF_RANGE);
167         return 0;
168     }
169     if (BN_is_negative(bn)) {
170         ECerr(EC_F_BN_TO_FELEM, EC_R_BIGNUM_OUT_OF_RANGE);
171         return 0;
172     }
173     num_bytes = BN_bn2bin(bn, b_in);
174     flip_endian(b_out, b_in, num_bytes);
175     bin32_to_felem(out, b_out);
176     return 1;
177 }
178
179 /* felem_to_BN converts an felem into an OpenSSL BIGNUM */
180 static BIGNUM *smallfelem_to_BN(BIGNUM *out, const smallfelem in)
181 {
182     felem_bytearray b_in, b_out;
183     smallfelem_to_bin32(b_in, in);
184     flip_endian(b_out, b_in, sizeof(b_out));
185     return BN_bin2bn(b_out, sizeof(b_out), out);
186 }
187
188 /*-
189  * Field operations
190  * ----------------
191  */
192
193 static void smallfelem_one(smallfelem out)
194 {
195     out[0] = 1;
196     out[1] = 0;
197     out[2] = 0;
198     out[3] = 0;
199 }
200
201 static void smallfelem_assign(smallfelem out, const smallfelem in)
202 {
203     out[0] = in[0];
204     out[1] = in[1];
205     out[2] = in[2];
206     out[3] = in[3];
207 }
208
209 static void felem_assign(felem out, const felem in)
210 {
211     out[0] = in[0];
212     out[1] = in[1];
213     out[2] = in[2];
214     out[3] = in[3];
215 }
216
217 /* felem_sum sets out = out + in. */
218 static void felem_sum(felem out, const felem in)
219 {
220     out[0] += in[0];
221     out[1] += in[1];
222     out[2] += in[2];
223     out[3] += in[3];
224 }
225
226 /* felem_small_sum sets out = out + in. */
227 static void felem_small_sum(felem out, const smallfelem in)
228 {
229     out[0] += in[0];
230     out[1] += in[1];
231     out[2] += in[2];
232     out[3] += in[3];
233 }
234
235 /* felem_scalar sets out = out * scalar */
236 static void felem_scalar(felem out, const u64 scalar)
237 {
238     out[0] *= scalar;
239     out[1] *= scalar;
240     out[2] *= scalar;
241     out[3] *= scalar;
242 }
243
244 /* longfelem_scalar sets out = out * scalar */
245 static void longfelem_scalar(longfelem out, const u64 scalar)
246 {
247     out[0] *= scalar;
248     out[1] *= scalar;
249     out[2] *= scalar;
250     out[3] *= scalar;
251     out[4] *= scalar;
252     out[5] *= scalar;
253     out[6] *= scalar;
254     out[7] *= scalar;
255 }
256
257 # define two105m41m9 (((limb)1) << 105) - (((limb)1) << 41) - (((limb)1) << 9)
258 # define two105 (((limb)1) << 105)
259 # define two105m41p9 (((limb)1) << 105) - (((limb)1) << 41) + (((limb)1) << 9)
260
261 /* zero105 is 0 mod p */
262 static const felem zero105 =
263     { two105m41m9, two105, two105m41p9, two105m41p9 };
264
265 /*-
266  * smallfelem_neg sets |out| to |-small|
267  * On exit:
268  *   out[i] < out[i] + 2^105
269  */
270 static void smallfelem_neg(felem out, const smallfelem small)
271 {
272     /* In order to prevent underflow, we subtract from 0 mod p. */
273     out[0] = zero105[0] - small[0];
274     out[1] = zero105[1] - small[1];
275     out[2] = zero105[2] - small[2];
276     out[3] = zero105[3] - small[3];
277 }
278
279 /*-
280  * felem_diff subtracts |in| from |out|
281  * On entry:
282  *   in[i] < 2^104
283  * On exit:
284  *   out[i] < out[i] + 2^105
285  */
286 static void felem_diff(felem out, const felem in)
287 {
288     /*
289      * In order to prevent underflow, we add 0 mod p before subtracting.
290      */
291     out[0] += zero105[0];
292     out[1] += zero105[1];
293     out[2] += zero105[2];
294     out[3] += zero105[3];
295
296     out[0] -= in[0];
297     out[1] -= in[1];
298     out[2] -= in[2];
299     out[3] -= in[3];
300 }
301
302 # define two107m43m11 (((limb)1) << 107) - (((limb)1) << 43) - (((limb)1) << 11)
303 # define two107 (((limb)1) << 107)
304 # define two107m43p11 (((limb)1) << 107) - (((limb)1) << 43) + (((limb)1) << 11)
305
306 /* zero107 is 0 mod p */
307 static const felem zero107 =
308     { two107m43m11, two107, two107m43p11, two107m43p11 };
309
310 /*-
311  * An alternative felem_diff for larger inputs |in|
312  * felem_diff_zero107 subtracts |in| from |out|
313  * On entry:
314  *   in[i] < 2^106
315  * On exit:
316  *   out[i] < out[i] + 2^107
317  */
318 static void felem_diff_zero107(felem out, const felem in)
319 {
320     /*
321      * In order to prevent underflow, we add 0 mod p before subtracting.
322      */
323     out[0] += zero107[0];
324     out[1] += zero107[1];
325     out[2] += zero107[2];
326     out[3] += zero107[3];
327
328     out[0] -= in[0];
329     out[1] -= in[1];
330     out[2] -= in[2];
331     out[3] -= in[3];
332 }
333
334 /*-
335  * longfelem_diff subtracts |in| from |out|
336  * On entry:
337  *   in[i] < 7*2^67
338  * On exit:
339  *   out[i] < out[i] + 2^70 + 2^40
340  */
341 static void longfelem_diff(longfelem out, const longfelem in)
342 {
343     static const limb two70m8p6 =
344         (((limb) 1) << 70) - (((limb) 1) << 8) + (((limb) 1) << 6);
345     static const limb two70p40 = (((limb) 1) << 70) + (((limb) 1) << 40);
346     static const limb two70 = (((limb) 1) << 70);
347     static const limb two70m40m38p6 =
348         (((limb) 1) << 70) - (((limb) 1) << 40) - (((limb) 1) << 38) +
349         (((limb) 1) << 6);
350     static const limb two70m6 = (((limb) 1) << 70) - (((limb) 1) << 6);
351
352     /* add 0 mod p to avoid underflow */
353     out[0] += two70m8p6;
354     out[1] += two70p40;
355     out[2] += two70;
356     out[3] += two70m40m38p6;
357     out[4] += two70m6;
358     out[5] += two70m6;
359     out[6] += two70m6;
360     out[7] += two70m6;
361
362     /* in[i] < 7*2^67 < 2^70 - 2^40 - 2^38 + 2^6 */
363     out[0] -= in[0];
364     out[1] -= in[1];
365     out[2] -= in[2];
366     out[3] -= in[3];
367     out[4] -= in[4];
368     out[5] -= in[5];
369     out[6] -= in[6];
370     out[7] -= in[7];
371 }
372
373 # define two64m0 (((limb)1) << 64) - 1
374 # define two110p32m0 (((limb)1) << 110) + (((limb)1) << 32) - 1
375 # define two64m46 (((limb)1) << 64) - (((limb)1) << 46)
376 # define two64m32 (((limb)1) << 64) - (((limb)1) << 32)
377
378 /* zero110 is 0 mod p */
379 static const felem zero110 = { two64m0, two110p32m0, two64m46, two64m32 };
380
381 /*-
382  * felem_shrink converts an felem into a smallfelem. The result isn't quite
383  * minimal as the value may be greater than p.
384  *
385  * On entry:
386  *   in[i] < 2^109
387  * On exit:
388  *   out[i] < 2^64
389  */
390 static void felem_shrink(smallfelem out, const felem in)
391 {
392     felem tmp;
393     u64 a, b, mask;
394     u64 high, low;
395     static const u64 kPrime3Test = 0x7fffffff00000001ul; /* 2^63 - 2^32 + 1 */
396
397     /* Carry 2->3 */
398     tmp[3] = zero110[3] + in[3] + ((u64)(in[2] >> 64));
399     /* tmp[3] < 2^110 */
400
401     tmp[2] = zero110[2] + (u64)in[2];
402     tmp[0] = zero110[0] + in[0];
403     tmp[1] = zero110[1] + in[1];
404     /* tmp[0] < 2**110, tmp[1] < 2^111, tmp[2] < 2**65 */
405
406     /*
407      * We perform two partial reductions where we eliminate the high-word of
408      * tmp[3]. We don't update the other words till the end.
409      */
410     a = tmp[3] >> 64;           /* a < 2^46 */
411     tmp[3] = (u64)tmp[3];
412     tmp[3] -= a;
413     tmp[3] += ((limb) a) << 32;
414     /* tmp[3] < 2^79 */
415
416     b = a;
417     a = tmp[3] >> 64;           /* a < 2^15 */
418     b += a;                     /* b < 2^46 + 2^15 < 2^47 */
419     tmp[3] = (u64)tmp[3];
420     tmp[3] -= a;
421     tmp[3] += ((limb) a) << 32;
422     /* tmp[3] < 2^64 + 2^47 */
423
424     /*
425      * This adjusts the other two words to complete the two partial
426      * reductions.
427      */
428     tmp[0] += b;
429     tmp[1] -= (((limb) b) << 32);
430
431     /*
432      * In order to make space in tmp[3] for the carry from 2 -> 3, we
433      * conditionally subtract kPrime if tmp[3] is large enough.
434      */
435     high = (u64)(tmp[3] >> 64);
436     /* As tmp[3] < 2^65, high is either 1 or 0 */
437     high = 0 - high;
438     /*-
439      * high is:
440      *   all ones   if the high word of tmp[3] is 1
441      *   all zeros  if the high word of tmp[3] if 0
442      */
443     low = (u64)tmp[3];
444     mask = 0 - (low >> 63);
445     /*-
446      * mask is:
447      *   all ones   if the MSB of low is 1
448      *   all zeros  if the MSB of low if 0
449      */
450     low &= bottom63bits;
451     low -= kPrime3Test;
452     /* if low was greater than kPrime3Test then the MSB is zero */
453     low = ~low;
454     low = 0 - (low >> 63);
455     /*-
456      * low is:
457      *   all ones   if low was > kPrime3Test
458      *   all zeros  if low was <= kPrime3Test
459      */
460     mask = (mask & low) | high;
461     tmp[0] -= mask & kPrime[0];
462     tmp[1] -= mask & kPrime[1];
463     /* kPrime[2] is zero, so omitted */
464     tmp[3] -= mask & kPrime[3];
465     /* tmp[3] < 2**64 - 2**32 + 1 */
466
467     tmp[1] += ((u64)(tmp[0] >> 64));
468     tmp[0] = (u64)tmp[0];
469     tmp[2] += ((u64)(tmp[1] >> 64));
470     tmp[1] = (u64)tmp[1];
471     tmp[3] += ((u64)(tmp[2] >> 64));
472     tmp[2] = (u64)tmp[2];
473     /* tmp[i] < 2^64 */
474
475     out[0] = tmp[0];
476     out[1] = tmp[1];
477     out[2] = tmp[2];
478     out[3] = tmp[3];
479 }
480
481 /* smallfelem_expand converts a smallfelem to an felem */
482 static void smallfelem_expand(felem out, const smallfelem in)
483 {
484     out[0] = in[0];
485     out[1] = in[1];
486     out[2] = in[2];
487     out[3] = in[3];
488 }
489
490 /*-
491  * smallfelem_square sets |out| = |small|^2
492  * On entry:
493  *   small[i] < 2^64
494  * On exit:
495  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
496  */
497 static void smallfelem_square(longfelem out, const smallfelem small)
498 {
499     limb a;
500     u64 high, low;
501
502     a = ((uint128_t) small[0]) * small[0];
503     low = a;
504     high = a >> 64;
505     out[0] = low;
506     out[1] = high;
507
508     a = ((uint128_t) small[0]) * small[1];
509     low = a;
510     high = a >> 64;
511     out[1] += low;
512     out[1] += low;
513     out[2] = high;
514
515     a = ((uint128_t) small[0]) * small[2];
516     low = a;
517     high = a >> 64;
518     out[2] += low;
519     out[2] *= 2;
520     out[3] = high;
521
522     a = ((uint128_t) small[0]) * small[3];
523     low = a;
524     high = a >> 64;
525     out[3] += low;
526     out[4] = high;
527
528     a = ((uint128_t) small[1]) * small[2];
529     low = a;
530     high = a >> 64;
531     out[3] += low;
532     out[3] *= 2;
533     out[4] += high;
534
535     a = ((uint128_t) small[1]) * small[1];
536     low = a;
537     high = a >> 64;
538     out[2] += low;
539     out[3] += high;
540
541     a = ((uint128_t) small[1]) * small[3];
542     low = a;
543     high = a >> 64;
544     out[4] += low;
545     out[4] *= 2;
546     out[5] = high;
547
548     a = ((uint128_t) small[2]) * small[3];
549     low = a;
550     high = a >> 64;
551     out[5] += low;
552     out[5] *= 2;
553     out[6] = high;
554     out[6] += high;
555
556     a = ((uint128_t) small[2]) * small[2];
557     low = a;
558     high = a >> 64;
559     out[4] += low;
560     out[5] += high;
561
562     a = ((uint128_t) small[3]) * small[3];
563     low = a;
564     high = a >> 64;
565     out[6] += low;
566     out[7] = high;
567 }
568
569 /*-
570  * felem_square sets |out| = |in|^2
571  * On entry:
572  *   in[i] < 2^109
573  * On exit:
574  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
575  */
576 static void felem_square(longfelem out, const felem in)
577 {
578     u64 small[4];
579     felem_shrink(small, in);
580     smallfelem_square(out, small);
581 }
582
583 /*-
584  * smallfelem_mul sets |out| = |small1| * |small2|
585  * On entry:
586  *   small1[i] < 2^64
587  *   small2[i] < 2^64
588  * On exit:
589  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
590  */
591 static void smallfelem_mul(longfelem out, const smallfelem small1,
592                            const smallfelem small2)
593 {
594     limb a;
595     u64 high, low;
596
597     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[0];
598     low = a;
599     high = a >> 64;
600     out[0] = low;
601     out[1] = high;
602
603     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[1];
604     low = a;
605     high = a >> 64;
606     out[1] += low;
607     out[2] = high;
608
609     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[0];
610     low = a;
611     high = a >> 64;
612     out[1] += low;
613     out[2] += high;
614
615     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[2];
616     low = a;
617     high = a >> 64;
618     out[2] += low;
619     out[3] = high;
620
621     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[1];
622     low = a;
623     high = a >> 64;
624     out[2] += low;
625     out[3] += high;
626
627     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[0];
628     low = a;
629     high = a >> 64;
630     out[2] += low;
631     out[3] += high;
632
633     a = ((uint128_t) small1[0]) * small2[3];
634     low = a;
635     high = a >> 64;
636     out[3] += low;
637     out[4] = high;
638
639     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[2];
640     low = a;
641     high = a >> 64;
642     out[3] += low;
643     out[4] += high;
644
645     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[1];
646     low = a;
647     high = a >> 64;
648     out[3] += low;
649     out[4] += high;
650
651     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[0];
652     low = a;
653     high = a >> 64;
654     out[3] += low;
655     out[4] += high;
656
657     a = ((uint128_t) small1[1]) * small2[3];
658     low = a;
659     high = a >> 64;
660     out[4] += low;
661     out[5] = high;
662
663     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[2];
664     low = a;
665     high = a >> 64;
666     out[4] += low;
667     out[5] += high;
668
669     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[1];
670     low = a;
671     high = a >> 64;
672     out[4] += low;
673     out[5] += high;
674
675     a = ((uint128_t) small1[2]) * small2[3];
676     low = a;
677     high = a >> 64;
678     out[5] += low;
679     out[6] = high;
680
681     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[2];
682     low = a;
683     high = a >> 64;
684     out[5] += low;
685     out[6] += high;
686
687     a = ((uint128_t) small1[3]) * small2[3];
688     low = a;
689     high = a >> 64;
690     out[6] += low;
691     out[7] = high;
692 }
693
694 /*-
695  * felem_mul sets |out| = |in1| * |in2|
696  * On entry:
697  *   in1[i] < 2^109
698  *   in2[i] < 2^109
699  * On exit:
700  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
701  */
702 static void felem_mul(longfelem out, const felem in1, const felem in2)
703 {
704     smallfelem small1, small2;
705     felem_shrink(small1, in1);
706     felem_shrink(small2, in2);
707     smallfelem_mul(out, small1, small2);
708 }
709
710 /*-
711  * felem_small_mul sets |out| = |small1| * |in2|
712  * On entry:
713  *   small1[i] < 2^64
714  *   in2[i] < 2^109
715  * On exit:
716  *   out[i] < 7 * 2^64 < 2^67
717  */
718 static void felem_small_mul(longfelem out, const smallfelem small1,
719                             const felem in2)
720 {
721     smallfelem small2;
722     felem_shrink(small2, in2);
723     smallfelem_mul(out, small1, small2);
724 }
725
726 # define two100m36m4 (((limb)1) << 100) - (((limb)1) << 36) - (((limb)1) << 4)
727 # define two100 (((limb)1) << 100)
728 # define two100m36p4 (((limb)1) << 100) - (((limb)1) << 36) + (((limb)1) << 4)
729 /* zero100 is 0 mod p */
730 static const felem zero100 =
731     { two100m36m4, two100, two100m36p4, two100m36p4 };
732
733 /*-
734  * Internal function for the different flavours of felem_reduce.
735  * felem_reduce_ reduces the higher coefficients in[4]-in[7].
736  * On entry:
737  *   out[0] >= in[6] + 2^32*in[6] + in[7] + 2^32*in[7]
738  *   out[1] >= in[7] + 2^32*in[4]
739  *   out[2] >= in[5] + 2^32*in[5]
740  *   out[3] >= in[4] + 2^32*in[5] + 2^32*in[6]
741  * On exit:
742  *   out[0] <= out[0] + in[4] + 2^32*in[5]
743  *   out[1] <= out[1] + in[5] + 2^33*in[6]
744  *   out[2] <= out[2] + in[7] + 2*in[6] + 2^33*in[7]
745  *   out[3] <= out[3] + 2^32*in[4] + 3*in[7]
746  */
747 static void felem_reduce_(felem out, const longfelem in)
748 {
749     int128_t c;
750     /* combine common terms from below */
751     c = in[4] + (in[5] << 32);
752     out[0] += c;
753     out[3] -= c;
754
755     c = in[5] - in[7];
756     out[1] += c;
757     out[2] -= c;
758
759     /* the remaining terms */
760     /* 256: [(0,1),(96,-1),(192,-1),(224,1)] */
761     out[1] -= (in[4] << 32);
762     out[3] += (in[4] << 32);
763
764     /* 320: [(32,1),(64,1),(128,-1),(160,-1),(224,-1)] */
765     out[2] -= (in[5] << 32);
766
767     /* 384: [(0,-1),(32,-1),(96,2),(128,2),(224,-1)] */
768     out[0] -= in[6];
769     out[0] -= (in[6] << 32);
770     out[1] += (in[6] << 33);
771     out[2] += (in[6] * 2);
772     out[3] -= (in[6] << 32);
773
774     /* 448: [(0,-1),(32,-1),(64,-1),(128,1),(160,2),(192,3)] */
775     out[0] -= in[7];
776     out[0] -= (in[7] << 32);
777     out[2] += (in[7] << 33);
778     out[3] += (in[7] * 3);
779 }
780
781 /*-
782  * felem_reduce converts a longfelem into an felem.
783  * To be called directly after felem_square or felem_mul.
784  * On entry:
785  *   in[0] < 2^64, in[1] < 3*2^64, in[2] < 5*2^64, in[3] < 7*2^64
786  *   in[4] < 7*2^64, in[5] < 5*2^64, in[6] < 3*2^64, in[7] < 2*64
787  * On exit:
788  *   out[i] < 2^101
789  */
790 static void felem_reduce(felem out, const longfelem in)
791 {
792     out[0] = zero100[0] + in[0];
793     out[1] = zero100[1] + in[1];
794     out[2] = zero100[2] + in[2];
795     out[3] = zero100[3] + in[3];
796
797     felem_reduce_(out, in);
798
799     /*-
800      * out[0] > 2^100 - 2^36 - 2^4 - 3*2^64 - 3*2^96 - 2^64 - 2^96 > 0
801      * out[1] > 2^100 - 2^64 - 7*2^96 > 0
802      * out[2] > 2^100 - 2^36 + 2^4 - 5*2^64 - 5*2^96 > 0
803      * out[3] > 2^100 - 2^36 + 2^4 - 7*2^64 - 5*2^96 - 3*2^96 > 0
804      *
805      * out[0] < 2^100 + 2^64 + 7*2^64 + 5*2^96 < 2^101
806      * out[1] < 2^100 + 3*2^64 + 5*2^64 + 3*2^97 < 2^101
807      * out[2] < 2^100 + 5*2^64 + 2^64 + 3*2^65 + 2^97 < 2^101
808      * out[3] < 2^100 + 7*2^64 + 7*2^96 + 3*2^64 < 2^101
809      */
810 }
811
812 /*-
813  * felem_reduce_zero105 converts a larger longfelem into an felem.
814  * On entry:
815  *   in[0] < 2^71
816  * On exit:
817  *   out[i] < 2^106
818  */
819 static void felem_reduce_zero105(felem out, const longfelem in)
820 {
821     out[0] = zero105[0] + in[0];
822     out[1] = zero105[1] + in[1];
823     out[2] = zero105[2] + in[2];
824     out[3] = zero105[3] + in[3];
825
826     felem_reduce_(out, in);
827
828     /*-
829      * out[0] > 2^105 - 2^41 - 2^9 - 2^71 - 2^103 - 2^71 - 2^103 > 0
830      * out[1] > 2^105 - 2^71 - 2^103 > 0
831      * out[2] > 2^105 - 2^41 + 2^9 - 2^71 - 2^103 > 0
832      * out[3] > 2^105 - 2^41 + 2^9 - 2^71 - 2^103 - 2^103 > 0
833      *
834      * out[0] < 2^105 + 2^71 + 2^71 + 2^103 < 2^106
835      * out[1] < 2^105 + 2^71 + 2^71 + 2^103 < 2^106
836      * out[2] < 2^105 + 2^71 + 2^71 + 2^71 + 2^103 < 2^106
837      * out[3] < 2^105 + 2^71 + 2^103 + 2^71 < 2^106
838      */
839 }
840
841 /*
842  * subtract_u64 sets *result = *result - v and *carry to one if the
843  * subtraction underflowed.
844  */
845 static void subtract_u64(u64 *result, u64 *carry, u64 v)
846 {
847     uint128_t r = *result;
848     r -= v;
849     *carry = (r >> 64) & 1;
850     *result = (u64)r;
851 }
852
853 /*
854  * felem_contract converts |in| to its unique, minimal representation. On
855  * entry: in[i] < 2^109
856  */
857 static void felem_contract(smallfelem out, const felem in)
858 {
859     unsigned i;
860     u64 all_equal_so_far = 0, result = 0, carry;
861
862     felem_shrink(out, in);
863     /* small is minimal except that the value might be > p */
864
865     all_equal_so_far--;
866     /*
867      * We are doing a constant time test if out >= kPrime. We need to compare
868      * each u64, from most-significant to least significant. For each one, if
869      * all words so far have been equal (m is all ones) then a non-equal
870      * result is the answer. Otherwise we continue.
871      */
872     for (i = 3; i < 4; i--) {
873         u64 equal;
874         uint128_t a = ((uint128_t) kPrime[i]) - out[i];
875         /*
876          * if out[i] > kPrime[i] then a will underflow and the high 64-bits
877          * will all be set.
878          */
879         result |= all_equal_so_far & ((u64)(a >> 64));
880
881         /*
882          * if kPrime[i] == out[i] then |equal| will be all zeros and the
883          * decrement will make it all ones.
884          */
885         equal = kPrime[i] ^ out[i];
886         equal--;
887         equal &= equal << 32;
888         equal &= equal << 16;
889         equal &= equal << 8;
890         equal &= equal << 4;
891         equal &= equal << 2;
892         equal &= equal << 1;
893         equal = 0 - (equal >> 63);
894
895         all_equal_so_far &= equal;
896     }
897
898     /*
899      * if all_equal_so_far is still all ones then the two values are equal
900      * and so out >= kPrime is true.
901      */
902     result |= all_equal_so_far;
903
904     /* if out >= kPrime then we subtract kPrime. */
905     subtract_u64(&out[0], &carry, result & kPrime[0]);
906     subtract_u64(&out[1], &carry, carry);
907     subtract_u64(&out[2], &carry, carry);
908     subtract_u64(&out[3], &carry, carry);
909
910     subtract_u64(&out[1], &carry, result & kPrime[1]);
911     subtract_u64(&out[2], &carry, carry);
912     subtract_u64(&out[3], &carry, carry);
913
914     subtract_u64(&out[2], &carry, result & kPrime[2]);
915     subtract_u64(&out[3], &carry, carry);
916
917     subtract_u64(&out[3], &carry, result & kPrime[3]);
918 }
919
920 static void smallfelem_square_contract(smallfelem out, const smallfelem in)
921 {
922     longfelem longtmp;
923     felem tmp;
924
925     smallfelem_square(longtmp, in);
926     felem_reduce(tmp, longtmp);
927     felem_contract(out, tmp);
928 }
929
930 static void smallfelem_mul_contract(smallfelem out, const smallfelem in1,
931                                     const smallfelem in2)
932 {
933     longfelem longtmp;
934     felem tmp;
935
936     smallfelem_mul(longtmp, in1, in2);
937     felem_reduce(tmp, longtmp);
938     felem_contract(out, tmp);
939 }
940
941 /*-
942  * felem_is_zero returns a limb with all bits set if |in| == 0 (mod p) and 0
943  * otherwise.
944  * On entry:
945  *   small[i] < 2^64
946  */
947 static limb smallfelem_is_zero(const smallfelem small)
948 {
949     limb result;
950     u64 is_p;
951
952     u64 is_zero = small[0] | small[1] | small[2] | small[3];
953     is_zero--;
954     is_zero &= is_zero << 32;
955     is_zero &= is_zero << 16;
956     is_zero &= is_zero << 8;
957     is_zero &= is_zero << 4;
958     is_zero &= is_zero << 2;
959     is_zero &= is_zero << 1;
960     is_zero = 0 - (is_zero >> 63);
961
962     is_p = (small[0] ^ kPrime[0]) |
963         (small[1] ^ kPrime[1]) |
964         (small[2] ^ kPrime[2]) | (small[3] ^ kPrime[3]);
965     is_p--;
966     is_p &= is_p << 32;
967     is_p &= is_p << 16;
968     is_p &= is_p << 8;
969     is_p &= is_p << 4;
970     is_p &= is_p << 2;
971     is_p &= is_p << 1;
972     is_p = 0 - (is_p >> 63);
973
974     is_zero |= is_p;
975
976     result = is_zero;
977     result |= ((limb) is_zero) << 64;
978     return result;
979 }
980
981 static int smallfelem_is_zero_int(const void *small)
982 {
983     return (int)(smallfelem_is_zero(small) & ((limb) 1));
984 }
985
986 /*-
987  * felem_inv calculates |out| = |in|^{-1}
988  *
989  * Based on Fermat's Little Theorem:
990  *   a^p = a (mod p)
991  *   a^{p-1} = 1 (mod p)
992  *   a^{p-2} = a^{-1} (mod p)
993  */
994 static void felem_inv(felem out, const felem in)
995 {
996     felem ftmp, ftmp2;
997     /* each e_I will hold |in|^{2^I - 1} */
998     felem e2, e4, e8, e16, e32, e64;
999     longfelem tmp;
1000     unsigned i;
1001
1002     felem_square(tmp, in);
1003     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^1 */
1004     felem_mul(tmp, in, ftmp);
1005     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^2 - 2^0 */
1006     felem_assign(e2, ftmp);
1007     felem_square(tmp, ftmp);
1008     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^3 - 2^1 */
1009     felem_square(tmp, ftmp);
1010     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^4 - 2^2 */
1011     felem_mul(tmp, ftmp, e2);
1012     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^4 - 2^0 */
1013     felem_assign(e4, ftmp);
1014     felem_square(tmp, ftmp);
1015     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^5 - 2^1 */
1016     felem_square(tmp, ftmp);
1017     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^6 - 2^2 */
1018     felem_square(tmp, ftmp);
1019     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^7 - 2^3 */
1020     felem_square(tmp, ftmp);
1021     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^8 - 2^4 */
1022     felem_mul(tmp, ftmp, e4);
1023     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^8 - 2^0 */
1024     felem_assign(e8, ftmp);
1025     for (i = 0; i < 8; i++) {
1026         felem_square(tmp, ftmp);
1027         felem_reduce(ftmp, tmp);
1028     }                           /* 2^16 - 2^8 */
1029     felem_mul(tmp, ftmp, e8);
1030     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^16 - 2^0 */
1031     felem_assign(e16, ftmp);
1032     for (i = 0; i < 16; i++) {
1033         felem_square(tmp, ftmp);
1034         felem_reduce(ftmp, tmp);
1035     }                           /* 2^32 - 2^16 */
1036     felem_mul(tmp, ftmp, e16);
1037     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^32 - 2^0 */
1038     felem_assign(e32, ftmp);
1039     for (i = 0; i < 32; i++) {
1040         felem_square(tmp, ftmp);
1041         felem_reduce(ftmp, tmp);
1042     }                           /* 2^64 - 2^32 */
1043     felem_assign(e64, ftmp);
1044     felem_mul(tmp, ftmp, in);
1045     felem_reduce(ftmp, tmp);    /* 2^64 - 2^32 + 2^0 */
1046     for (i = 0; i < 192; i++) {
1047         felem_square(tmp, ftmp);
1048         felem_reduce(ftmp, tmp);
1049     }                           /* 2^256 - 2^224 + 2^192 */
1050
1051     felem_mul(tmp, e64, e32);
1052     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^64 - 2^0 */
1053     for (i = 0; i < 16; i++) {
1054         felem_square(tmp, ftmp2);
1055         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1056     }                           /* 2^80 - 2^16 */
1057     felem_mul(tmp, ftmp2, e16);
1058     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^80 - 2^0 */
1059     for (i = 0; i < 8; i++) {
1060         felem_square(tmp, ftmp2);
1061         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1062     }                           /* 2^88 - 2^8 */
1063     felem_mul(tmp, ftmp2, e8);
1064     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^88 - 2^0 */
1065     for (i = 0; i < 4; i++) {
1066         felem_square(tmp, ftmp2);
1067         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1068     }                           /* 2^92 - 2^4 */
1069     felem_mul(tmp, ftmp2, e4);
1070     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^92 - 2^0 */
1071     felem_square(tmp, ftmp2);
1072     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^93 - 2^1 */
1073     felem_square(tmp, ftmp2);
1074     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^94 - 2^2 */
1075     felem_mul(tmp, ftmp2, e2);
1076     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^94 - 2^0 */
1077     felem_square(tmp, ftmp2);
1078     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^95 - 2^1 */
1079     felem_square(tmp, ftmp2);
1080     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^96 - 2^2 */
1081     felem_mul(tmp, ftmp2, in);
1082     felem_reduce(ftmp2, tmp);   /* 2^96 - 3 */
1083
1084     felem_mul(tmp, ftmp2, ftmp);
1085     felem_reduce(out, tmp);     /* 2^256 - 2^224 + 2^192 + 2^96 - 3 */
1086 }
1087
1088 static void smallfelem_inv_contract(smallfelem out, const smallfelem in)
1089 {
1090     felem tmp;
1091
1092     smallfelem_expand(tmp, in);
1093     felem_inv(tmp, tmp);
1094     felem_contract(out, tmp);
1095 }
1096
1097 /*-
1098  * Group operations
1099  * ----------------
1100  *
1101  * Building on top of the field operations we have the operations on the
1102  * elliptic curve group itself. Points on the curve are represented in Jacobian
1103  * coordinates
1104  */
1105
1106 /*-
1107  * point_double calculates 2*(x_in, y_in, z_in)
1108  *
1109  * The method is taken from:
1110  *   http://hyperelliptic.org/EFD/g1p/auto-shortw-jacobian-3.html#doubling-dbl-2001-b
1111  *
1112  * Outputs can equal corresponding inputs, i.e., x_out == x_in is allowed.
1113  * while x_out == y_in is not (maybe this works, but it's not tested).
1114  */
1115 static void
1116 point_double(felem x_out, felem y_out, felem z_out,
1117              const felem x_in, const felem y_in, const felem z_in)
1118 {
1119     longfelem tmp, tmp2;
1120     felem delta, gamma, beta, alpha, ftmp, ftmp2;
1121     smallfelem small1, small2;
1122
1123     felem_assign(ftmp, x_in);
1124     /* ftmp[i] < 2^106 */
1125     felem_assign(ftmp2, x_in);
1126     /* ftmp2[i] < 2^106 */
1127
1128     /* delta = z^2 */
1129     felem_square(tmp, z_in);
1130     felem_reduce(delta, tmp);
1131     /* delta[i] < 2^101 */
1132
1133     /* gamma = y^2 */
1134     felem_square(tmp, y_in);
1135     felem_reduce(gamma, tmp);
1136     /* gamma[i] < 2^101 */
1137     felem_shrink(small1, gamma);
1138
1139     /* beta = x*gamma */
1140     felem_small_mul(tmp, small1, x_in);
1141     felem_reduce(beta, tmp);
1142     /* beta[i] < 2^101 */
1143
1144     /* alpha = 3*(x-delta)*(x+delta) */
1145     felem_diff(ftmp, delta);
1146     /* ftmp[i] < 2^105 + 2^106 < 2^107 */
1147     felem_sum(ftmp2, delta);
1148     /* ftmp2[i] < 2^105 + 2^106 < 2^107 */
1149     felem_scalar(ftmp2, 3);
1150     /* ftmp2[i] < 3 * 2^107 < 2^109 */
1151     felem_mul(tmp, ftmp, ftmp2);
1152     felem_reduce(alpha, tmp);
1153     /* alpha[i] < 2^101 */
1154     felem_shrink(small2, alpha);
1155
1156     /* x' = alpha^2 - 8*beta */
1157     smallfelem_square(tmp, small2);
1158     felem_reduce(x_out, tmp);
1159     felem_assign(ftmp, beta);
1160     felem_scalar(ftmp, 8);
1161     /* ftmp[i] < 8 * 2^101 = 2^104 */
1162     felem_diff(x_out, ftmp);
1163     /* x_out[i] < 2^105 + 2^101 < 2^106 */
1164
1165     /* z' = (y + z)^2 - gamma - delta */
1166     felem_sum(delta, gamma);
1167     /* delta[i] < 2^101 + 2^101 = 2^102 */
1168     felem_assign(ftmp, y_in);
1169     felem_sum(ftmp, z_in);
1170     /* ftmp[i] < 2^106 + 2^106 = 2^107 */
1171     felem_square(tmp, ftmp);
1172     felem_reduce(z_out, tmp);
1173     felem_diff(z_out, delta);
1174     /* z_out[i] < 2^105 + 2^101 < 2^106 */
1175
1176     /* y' = alpha*(4*beta - x') - 8*gamma^2 */
1177     felem_scalar(beta, 4);
1178     /* beta[i] < 4 * 2^101 = 2^103 */
1179     felem_diff_zero107(beta, x_out);
1180     /* beta[i] < 2^107 + 2^103 < 2^108 */
1181     felem_small_mul(tmp, small2, beta);
1182     /* tmp[i] < 7 * 2^64 < 2^67 */
1183     smallfelem_square(tmp2, small1);
1184     /* tmp2[i] < 7 * 2^64 */
1185     longfelem_scalar(tmp2, 8);
1186     /* tmp2[i] < 8 * 7 * 2^64 = 7 * 2^67 */
1187     longfelem_diff(tmp, tmp2);
1188     /* tmp[i] < 2^67 + 2^70 + 2^40 < 2^71 */
1189     felem_reduce_zero105(y_out, tmp);
1190     /* y_out[i] < 2^106 */
1191 }
1192
1193 /*
1194  * point_double_small is the same as point_double, except that it operates on
1195  * smallfelems
1196  */
1197 static void
1198 point_double_small(smallfelem x_out, smallfelem y_out, smallfelem z_out,
1199                    const smallfelem x_in, const smallfelem y_in,
1200                    const smallfelem z_in)
1201 {
1202     felem felem_x_out, felem_y_out, felem_z_out;
1203     felem felem_x_in, felem_y_in, felem_z_in;
1204
1205     smallfelem_expand(felem_x_in, x_in);
1206     smallfelem_expand(felem_y_in, y_in);
1207     smallfelem_expand(felem_z_in, z_in);
1208     point_double(felem_x_out, felem_y_out, felem_z_out,
1209                  felem_x_in, felem_y_in, felem_z_in);
1210     felem_shrink(x_out, felem_x_out);
1211     felem_shrink(y_out, felem_y_out);
1212     felem_shrink(z_out, felem_z_out);
1213 }
1214
1215 /* copy_conditional copies in to out iff mask is all ones. */
1216 static void copy_conditional(felem out, const felem in, limb mask)
1217 {
1218     unsigned i;
1219     for (i = 0; i < NLIMBS; ++i) {
1220         const limb tmp = mask & (in[i] ^ out[i]);
1221         out[i] ^= tmp;
1222     }
1223 }
1224
1225 /* copy_small_conditional copies in to out iff mask is all ones. */
1226 static void copy_small_conditional(felem out, const smallfelem in, limb mask)
1227 {
1228     unsigned i;
1229     const u64 mask64 = mask;
1230     for (i = 0; i < NLIMBS; ++i) {
1231         out[i] = ((limb) (in[i] & mask64)) | (out[i] & ~mask);
1232     }
1233 }
1234
1235 /*-
1236  * point_add calcuates (x1, y1, z1) + (x2, y2, z2)
1237  *
1238  * The method is taken from:
1239  *   http://hyperelliptic.org/EFD/g1p/auto-shortw-jacobian-3.html#addition-add-2007-bl,
1240  * adapted for mixed addition (z2 = 1, or z2 = 0 for the point at infinity).
1241  *
1242  * This function includes a branch for checking whether the two input points
1243  * are equal, (while not equal to the point at infinity). This case never
1244  * happens during single point multiplication, so there is no timing leak for
1245  * ECDH or ECDSA signing.
1246  */
1247 static void point_add(felem x3, felem y3, felem z3,
1248                       const felem x1, const felem y1, const felem z1,
1249                       const int mixed, const smallfelem x2,
1250                       const smallfelem y2, const smallfelem z2)
1251 {
1252     felem ftmp, ftmp2, ftmp3, ftmp4, ftmp5, ftmp6, x_out, y_out, z_out;
1253     longfelem tmp, tmp2;
1254     smallfelem small1, small2, small3, small4, small5;
1255     limb x_equal, y_equal, z1_is_zero, z2_is_zero;
1256
1257     felem_shrink(small3, z1);
1258
1259     z1_is_zero = smallfelem_is_zero(small3);
1260     z2_is_zero = smallfelem_is_zero(z2);
1261
1262     /* ftmp = z1z1 = z1**2 */
1263     smallfelem_square(tmp, small3);
1264     felem_reduce(ftmp, tmp);
1265     /* ftmp[i] < 2^101 */
1266     felem_shrink(small1, ftmp);
1267
1268     if (!mixed) {
1269         /* ftmp2 = z2z2 = z2**2 */
1270         smallfelem_square(tmp, z2);
1271         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1272         /* ftmp2[i] < 2^101 */
1273         felem_shrink(small2, ftmp2);
1274
1275         felem_shrink(small5, x1);
1276
1277         /* u1 = ftmp3 = x1*z2z2 */
1278         smallfelem_mul(tmp, small5, small2);
1279         felem_reduce(ftmp3, tmp);
1280         /* ftmp3[i] < 2^101 */
1281
1282         /* ftmp5 = z1 + z2 */
1283         felem_assign(ftmp5, z1);
1284         felem_small_sum(ftmp5, z2);
1285         /* ftmp5[i] < 2^107 */
1286
1287         /* ftmp5 = (z1 + z2)**2 - (z1z1 + z2z2) = 2z1z2 */
1288         felem_square(tmp, ftmp5);
1289         felem_reduce(ftmp5, tmp);
1290         /* ftmp2 = z2z2 + z1z1 */
1291         felem_sum(ftmp2, ftmp);
1292         /* ftmp2[i] < 2^101 + 2^101 = 2^102 */
1293         felem_diff(ftmp5, ftmp2);
1294         /* ftmp5[i] < 2^105 + 2^101 < 2^106 */
1295
1296         /* ftmp2 = z2 * z2z2 */
1297         smallfelem_mul(tmp, small2, z2);
1298         felem_reduce(ftmp2, tmp);
1299
1300         /* s1 = ftmp2 = y1 * z2**3 */
1301         felem_mul(tmp, y1, ftmp2);
1302         felem_reduce(ftmp6, tmp);
1303         /* ftmp6[i] < 2^101 */
1304     } else {
1305         /*
1306          * We'll assume z2 = 1 (special case z2 = 0 is handled later)
1307          */
1308
1309         /* u1 = ftmp3 = x1*z2z2 */
1310         felem_assign(ftmp3, x1);
1311         /* ftmp3[i] < 2^106 */
1312
1313         /* ftmp5 = 2z1z2 */
1314         felem_assign(ftmp5, z1);
1315         felem_scalar(ftmp5, 2);
1316         /* ftmp5[i] < 2*2^106 = 2^107 */
1317
1318         /* s1 = ftmp2 = y1 * z2**3 */
1319         felem_assign(ftmp6, y1);
1320         /* ftmp6[i] < 2^106 */
1321     }
1322
1323     /* u2 = x2*z1z1 */
1324     smallfelem_mul(tmp, x2, small1);
1325     felem_reduce(ftmp4, tmp);
1326
1327     /* h = ftmp4 = u2 - u1 */
1328     felem_diff_zero107(ftmp4, ftmp3);
1329     /* ftmp4[i] < 2^107 + 2^101 < 2^108 */
1330     felem_shrink(small4, ftmp4);
1331
1332     x_equal = smallfelem_is_zero(small4);
1333
1334     /* z_out = ftmp5 * h */
1335     felem_small_mul(tmp, small4, ftmp5);
1336     felem_reduce(z_out, tmp);
1337     /* z_out[i] < 2^101 */
1338
1339     /* ftmp = z1 * z1z1 */
1340     smallfelem_mul(tmp, small1, small3);
1341     felem_reduce(ftmp, tmp);
1342
1343     /* s2 = tmp = y2 * z1**3 */
1344     felem_small_mul(tmp, y2, ftmp);
1345     felem_reduce(ftmp5, tmp);
1346
1347     /* r = ftmp5 = (s2 - s1)*2 */
1348     felem_diff_zero107(ftmp5, ftmp6);
1349     /* ftmp5[i] < 2^107 + 2^107 = 2^108 */
1350     felem_scalar(ftmp5, 2);
1351     /* ftmp5[i] < 2^109 */
1352     felem_shrink(small1, ftmp5);
1353     y_equal = smallfelem_is_zero(small1);
1354
1355     if (x_equal && y_equal && !z1_is_zero && !z2_is_zero) {
1356         point_double(x3, y3, z3, x1, y1, z1);
1357         return;
1358     }
1359
1360     /* I = ftmp = (2h)**2 */
1361     felem_assign(ftmp, ftmp4);
1362     felem_scalar(ftmp, 2);
1363     /* ftmp[i] < 2*2^108 = 2^109 */
1364     felem_square(tmp, ftmp);
1365     felem_reduce(ftmp, tmp);
1366
1367     /* J = ftmp2 = h * I */
1368     felem_mul(tmp, ftmp4, ftmp);
1369     felem_reduce(ftmp2, tmp);
1370
1371     /* V = ftmp4 = U1 * I */
1372     felem_mul(tmp, ftmp3, ftmp);
1373     felem_reduce(ftmp4, tmp);
1374
1375     /* x_out = r**2 - J - 2V */
1376     smallfelem_square(tmp, small1);
1377     felem_reduce(x_out, tmp);
1378     felem_assign(ftmp3, ftmp4);
1379     felem_scalar(ftmp4, 2);
1380     felem_sum(ftmp4, ftmp2);
1381     /* ftmp4[i] < 2*2^101 + 2^101 < 2^103 */
1382     felem_diff(x_out, ftmp4);
1383     /* x_out[i] < 2^105 + 2^101 */
1384
1385     /* y_out = r(V-x_out) - 2 * s1 * J */
1386     felem_diff_zero107(ftmp3, x_out);
1387     /* ftmp3[i] < 2^107 + 2^101 < 2^108 */
1388     felem_small_mul(tmp, small1, ftmp3);
1389     felem_mul(tmp2, ftmp6, ftmp2);
1390     longfelem_scalar(tmp2, 2);
1391     /* tmp2[i] < 2*2^67 = 2^68 */
1392     longfelem_diff(tmp, tmp2);
1393     /* tmp[i] < 2^67 + 2^70 + 2^40 < 2^71 */
1394     felem_reduce_zero105(y_out, tmp);
1395     /* y_out[i] < 2^106 */
1396
1397     copy_small_conditional(x_out, x2, z1_is_zero);
1398     copy_conditional(x_out, x1, z2_is_zero);
1399     copy_small_conditional(y_out, y2, z1_is_zero);
1400     copy_conditional(y_out, y1, z2_is_zero);
1401     copy_small_conditional(z_out, z2, z1_is_zero);
1402     copy_conditional(z_out, z1, z2_is_zero);
1403     felem_assign(x3, x_out);
1404     felem_assign(y3, y_out);
1405     felem_assign(z3, z_out);
1406 }
1407
1408 /*
1409  * point_add_small is the same as point_add, except that it operates on
1410  * smallfelems
1411  */
1412 static void point_add_small(smallfelem x3, smallfelem y3, smallfelem z3,
1413                             smallfelem x1, smallfelem y1, smallfelem z1,
1414                             smallfelem x2, smallfelem y2, smallfelem z2)
1415 {
1416     felem felem_x3, felem_y3, felem_z3;
1417     felem felem_x1, felem_y1, felem_z1;
1418     smallfelem_expand(felem_x1, x1);
1419     smallfelem_expand(felem_y1, y1);
1420     smallfelem_expand(felem_z1, z1);
1421     point_add(felem_x3, felem_y3, felem_z3, felem_x1, felem_y1, felem_z1, 0,
1422               x2, y2, z2);
1423     felem_shrink(x3, felem_x3);
1424     felem_shrink(y3, felem_y3);
1425     felem_shrink(z3, felem_z3);
1426 }
1427
1428 /*-
1429  * Base point pre computation
1430  * --------------------------
1431  *
1432  * Two different sorts of precomputed tables are used in the following code.
1433  * Each contain various points on the curve, where each point is three field
1434  * elements (x, y, z).
1435  *
1436  * For the base point table, z is usually 1 (0 for the point at infinity).
1437  * This table has 2 * 16 elements, starting with the following:
1438  * index | bits    | point
1439  * ------+---------+------------------------------
1440  *     0 | 0 0 0 0 | 0G
1441  *     1 | 0 0 0 1 | 1G
1442  *     2 | 0 0 1 0 | 2^64G
1443  *     3 | 0 0 1 1 | (2^64 + 1)G
1444  *     4 | 0 1 0 0 | 2^128G
1445  *     5 | 0 1 0 1 | (2^128 + 1)G
1446  *     6 | 0 1 1 0 | (2^128 + 2^64)G
1447  *     7 | 0 1 1 1 | (2^128 + 2^64 + 1)G
1448  *     8 | 1 0 0 0 | 2^192G
1449  *     9 | 1 0 0 1 | (2^192 + 1)G
1450  *    10 | 1 0 1 0 | (2^192 + 2^64)G
1451  *    11 | 1 0 1 1 | (2^192 + 2^64 + 1)G
1452  *    12 | 1 1 0 0 | (2^192 + 2^128)G
1453  *    13 | 1 1 0 1 | (2^192 + 2^128 + 1)G
1454  *    14 | 1 1 1 0 | (2^192 + 2^128 + 2^64)G
1455  *    15 | 1 1 1 1 | (2^192 + 2^128 + 2^64 + 1)G
1456  * followed by a copy of this with each element multiplied by 2^32.
1457  *
1458  * The reason for this is so that we can clock bits into four different
1459  * locations when doing simple scalar multiplies against the base point,
1460  * and then another four locations using the second 16 elements.
1461  *
1462  * Tables for other points have table[i] = iG for i in 0 .. 16. */
1463
1464 /* gmul is the table of precomputed base points */
1465 static const smallfelem gmul[2][16][3] = {
1466     {{{0, 0, 0, 0},
1467       {0, 0, 0, 0},
1468       {0, 0, 0, 0}},
1469      {{0xf4a13945d898c296, 0x77037d812deb33a0, 0xf8bce6e563a440f2,
1470        0x6b17d1f2e12c4247},
1471       {0xcbb6406837bf51f5, 0x2bce33576b315ece, 0x8ee7eb4a7c0f9e16,
1472        0x4fe342e2fe1a7f9b},
1473       {1, 0, 0, 0}},
1474      {{0x90e75cb48e14db63, 0x29493baaad651f7e, 0x8492592e326e25de,
1475        0x0fa822bc2811aaa5},
1476       {0xe41124545f462ee7, 0x34b1a65050fe82f5, 0x6f4ad4bcb3df188b,
1477        0xbff44ae8f5dba80d},
1478       {1, 0, 0, 0}},
1479      {{0x93391ce2097992af, 0xe96c98fd0d35f1fa, 0xb257c0de95e02789,
1480        0x300a4bbc89d6726f},
1481       {0xaa54a291c08127a0, 0x5bb1eeada9d806a5, 0x7f1ddb25ff1e3c6f,
1482        0x72aac7e0d09b4644},
1483       {1, 0, 0, 0}},
1484      {{0x57c84fc9d789bd85, 0xfc35ff7dc297eac3, 0xfb982fd588c6766e,
1485        0x447d739beedb5e67},
1486       {0x0c7e33c972e25b32, 0x3d349b95a7fae500, 0xe12e9d953a4aaff7,
1487        0x2d4825ab834131ee},
1488       {1, 0, 0, 0}},
1489      {{0x13949c932a1d367f, 0xef7fbd2b1a0a11b7, 0xddc6068bb91dfc60,
1490        0xef9519328a9c72ff},
1491       {0x196035a77376d8a8, 0x23183b0895ca1740, 0xc1ee9807022c219c,
1492        0x611e9fc37dbb2c9b},
1493       {1, 0, 0, 0}},
1494      {{0xcae2b1920b57f4bc, 0x2936df5ec6c9bc36, 0x7dea6482e11238bf,
1495        0x550663797b51f5d8},
1496       {0x44ffe216348a964c, 0x9fb3d576dbdefbe1, 0x0afa40018d9d50e5,
1497        0x157164848aecb851},
1498       {1, 0, 0, 0}},
1499      {{0xe48ecafffc5cde01, 0x7ccd84e70d715f26, 0xa2e8f483f43e4391,
1500        0xeb5d7745b21141ea},
1501       {0xcac917e2731a3479, 0x85f22cfe2844b645, 0x0990e6a158006cee,
1502        0xeafd72ebdbecc17b},
1503       {1, 0, 0, 0}},
1504      {{0x6cf20ffb313728be, 0x96439591a3c6b94a, 0x2736ff8344315fc5,
1505        0xa6d39677a7849276},
1506       {0xf2bab833c357f5f4, 0x824a920c2284059b, 0x66b8babd2d27ecdf,
1507        0x674f84749b0b8816},
1508       {1, 0, 0, 0}},
1509      {{0x2df48c04677c8a3e, 0x74e02f080203a56b, 0x31855f7db8c7fedb,
1510        0x4e769e7672c9ddad},
1511       {0xa4c36165b824bbb0, 0xfb9ae16f3b9122a5, 0x1ec0057206947281,
1512        0x42b99082de830663},
1513       {1, 0, 0, 0}},
1514      {{0x6ef95150dda868b9, 0xd1f89e799c0ce131, 0x7fdc1ca008a1c478,
1515        0x78878ef61c6ce04d},
1516       {0x9c62b9121fe0d976, 0x6ace570ebde08d4f, 0xde53142c12309def,
1517        0xb6cb3f5d7b72c321},
1518       {1, 0, 0, 0}},
1519      {{0x7f991ed2c31a3573, 0x5b82dd5bd54fb496, 0x595c5220812ffcae,
1520        0x0c88bc4d716b1287},
1521       {0x3a57bf635f48aca8, 0x7c8181f4df2564f3, 0x18d1b5b39c04e6aa,
1522        0xdd5ddea3f3901dc6},
1523       {1, 0, 0, 0}},
1524      {{0xe96a79fb3e72ad0c, 0x43a0a28c42ba792f, 0xefe0a423083e49f3,
1525        0x68f344af6b317466},
1526       {0xcdfe17db3fb24d4a, 0x668bfc2271f5c626, 0x604ed93c24d67ff3,
1527        0x31b9c405f8540a20},
1528       {1, 0, 0, 0}},
1529      {{0xd36b4789a2582e7f, 0x0d1a10144ec39c28, 0x663c62c3edbad7a0,
1530        0x4052bf4b6f461db9},
1531       {0x235a27c3188d25eb, 0xe724f33999bfcc5b, 0x862be6bd71d70cc8,
1532        0xfecf4d5190b0fc61},
1533       {1, 0, 0, 0}},
1534      {{0x74346c10a1d4cfac, 0xafdf5cc08526a7a4, 0x123202a8f62bff7a,
1535        0x1eddbae2c802e41a},
1536       {0x8fa0af2dd603f844, 0x36e06b7e4c701917, 0x0c45f45273db33a0,
1537        0x43104d86560ebcfc},
1538       {1, 0, 0, 0}},
1539      {{0x9615b5110d1d78e5, 0x66b0de3225c4744b, 0x0a4a46fb6aaf363a,
1540        0xb48e26b484f7a21c},
1541       {0x06ebb0f621a01b2d, 0xc004e4048b7b0f98, 0x64131bcdfed6f668,
1542        0xfac015404d4d3dab},
1543       {1, 0, 0, 0}}},
1544     {{{0, 0, 0, 0},
1545       {0, 0, 0, 0},
1546       {0, 0, 0, 0}},
1547      {{0x3a5a9e22185a5943, 0x1ab919365c65dfb6, 0x21656b32262c71da,
1548        0x7fe36b40af22af89},
1549       {0xd50d152c699ca101, 0x74b3d5867b8af212, 0x9f09f40407dca6f1,
1550        0xe697d45825b63624},
1551       {1, 0, 0, 0}},
1552      {{0xa84aa9397512218e, 0xe9a521b074ca0141, 0x57880b3a18a2e902,
1553        0x4a5b506612a677a6},
1554       {0x0beada7a4c4f3840, 0x626db15419e26d9d, 0xc42604fbe1627d40,
1555        0xeb13461ceac089f1},
1556       {1, 0, 0, 0}},
1557      {{0xf9faed0927a43281, 0x5e52c4144103ecbc, 0xc342967aa815c857,
1558        0x0781b8291c6a220a},
1559       {0x5a8343ceeac55f80, 0x88f80eeee54a05e3, 0x97b2a14f12916434,
1560        0x690cde8df0151593},
1561       {1, 0, 0, 0}},
1562      {{0xaee9c75df7f82f2a, 0x9e4c35874afdf43a, 0xf5622df437371326,
1563        0x8a535f566ec73617},
1564       {0xc5f9a0ac223094b7, 0xcde533864c8c7669, 0x37e02819085a92bf,
1565        0x0455c08468b08bd7},
1566       {1, 0, 0, 0}},
1567      {{0x0c0a6e2c9477b5d9, 0xf9a4bf62876dc444, 0x5050a949b6cdc279,
1568        0x06bada7ab77f8276},
1569       {0xc8b4aed1ea48dac9, 0xdebd8a4b7ea1070f, 0x427d49101366eb70,
1570        0x5b476dfd0e6cb18a},
1571       {1, 0, 0, 0}},
1572      {{0x7c5c3e44278c340a, 0x4d54606812d66f3b, 0x29a751b1ae23c5d8,
1573        0x3e29864e8a2ec908},
1574       {0x142d2a6626dbb850, 0xad1744c4765bd780, 0x1f150e68e322d1ed,
1575        0x239b90ea3dc31e7e},
1576       {1, 0, 0, 0}},
1577      {{0x78c416527a53322a, 0x305dde6709776f8e, 0xdbcab759f8862ed4,
1578        0x820f4dd949f72ff7},
1579       {0x6cc544a62b5debd4, 0x75be5d937b4e8cc4, 0x1b481b1b215c14d3,
1580        0x140406ec783a05ec},
1581       {1, 0, 0, 0}},
1582      {{0x6a703f10e895df07, 0xfd75f3fa01876bd8, 0xeb5b06e70ce08ffe,
1583        0x68f6b8542783dfee},
1584       {0x90c76f8a78712655, 0xcf5293d2f310bf7f, 0xfbc8044dfda45028,
1585        0xcbe1feba92e40ce6},
1586       {1, 0, 0, 0}},
1587      {{0xe998ceea4396e4c1, 0xfc82ef0b6acea274, 0x230f729f2250e927,
1588        0xd0b2f94d2f420109},
1589       {0x4305adddb38d4966, 0x10b838f8624c3b45, 0x7db2636658954e7a,
1590        0x971459828b0719e5},
1591       {1, 0, 0, 0}},
1592      {{0x4bd6b72623369fc9, 0x57f2929e53d0b876, 0xc2d5cba4f2340687,
1593        0x961610004a866aba},
1594       {0x49997bcd2e407a5e, 0x69ab197d92ddcb24, 0x2cf1f2438fe5131c,
1595        0x7acb9fadcee75e44},
1596       {1, 0, 0, 0}},
1597      {{0x254e839423d2d4c0, 0xf57f0c917aea685b, 0xa60d880f6f75aaea,
1598        0x24eb9acca333bf5b},
1599       {0xe3de4ccb1cda5dea, 0xfeef9341c51a6b4f, 0x743125f88bac4c4d,
1600        0x69f891c5acd079cc},
1601       {1, 0, 0, 0}},
1602      {{0xeee44b35702476b5, 0x7ed031a0e45c2258, 0xb422d1e7bd6f8514,
1603        0xe51f547c5972a107},
1604       {0xa25bcd6fc9cf343d, 0x8ca922ee097c184e, 0xa62f98b3a9fe9a06,
1605        0x1c309a2b25bb1387},
1606       {1, 0, 0, 0}},
1607      {{0x9295dbeb1967c459, 0xb00148833472c98e, 0xc504977708011828,
1608        0x20b87b8aa2c4e503},
1609       {0x3063175de057c277, 0x1bd539338fe582dd, 0x0d11adef5f69a044,
1610        0xf5c6fa49919776be},
1611       {1, 0, 0, 0}},
1612      {{0x8c944e760fd59e11, 0x3876cba1102fad5f, 0xa454c3fad83faa56,
1613        0x1ed7d1b9332010b9},
1614       {0xa1011a270024b889, 0x05e4d0dcac0cd344, 0x52b520f0eb6a2a24,
1615        0x3a2b03f03217257a},
1616       {1, 0, 0, 0}},
1617      {{0xf20fc2afdf1d043d, 0xf330240db58d5a62, 0xfc7d229ca0058c3b,
1618        0x15fee545c78dd9f6},
1619       {0x501e82885bc98cda, 0x41ef80e5d046ac04, 0x557d9f49461210fb,
1620        0x4ab5b6b2b8753f81},
1621       {1, 0, 0, 0}}}
1622 };
1623
1624 /*
1625  * select_point selects the |idx|th point from a precomputation table and
1626  * copies it to out.
1627  */
1628 static void select_point(const u64 idx, unsigned int size,
1629                          const smallfelem pre_comp[16][3], smallfelem out[3])
1630 {
1631     unsigned i, j;
1632     u64 *outlimbs = &out[0][0];
1633     memset(outlimbs, 0, 3 * sizeof(smallfelem));
1634
1635     for (i = 0; i < size; i++) {
1636         const u64 *inlimbs = (u64 *)&pre_comp[i][0][0];
1637         u64 mask = i ^ idx;
1638         mask |= mask >> 4;
1639         mask |= mask >> 2;
1640         mask |= mask >> 1;
1641         mask &= 1;
1642         mask--;
1643         for (j = 0; j < NLIMBS * 3; j++)
1644             outlimbs[j] |= inlimbs[j] & mask;
1645     }
1646 }
1647
1648 /* get_bit returns the |i|th bit in |in| */
1649 static char get_bit(const felem_bytearray in, int i)
1650 {
1651     if ((i < 0) || (i >= 256))
1652         return 0;
1653     return (in[i >> 3] >> (i & 7)) & 1;
1654 }
1655
1656 /*
1657  * Interleaved point multiplication using precomputed point multiples: The
1658  * small point multiples 0*P, 1*P, ..., 17*P are in pre_comp[], the scalars
1659  * in scalars[]. If g_scalar is non-NULL, we also add this multiple of the
1660  * generator, using certain (large) precomputed multiples in g_pre_comp.
1661  * Output point (X, Y, Z) is stored in x_out, y_out, z_out
1662  */
1663 static void batch_mul(felem x_out, felem y_out, felem z_out,
1664                       const felem_bytearray scalars[],
1665                       const unsigned num_points, const u8 *g_scalar,
1666                       const int mixed, const smallfelem pre_comp[][17][3],
1667                       const smallfelem g_pre_comp[2][16][3])
1668 {
1669     int i, skip;
1670     unsigned num, gen_mul = (g_scalar != NULL);
1671     felem nq[3], ftmp;
1672     smallfelem tmp[3];
1673     u64 bits;
1674     u8 sign, digit;
1675
1676     /* set nq to the point at infinity */
1677     memset(nq, 0, 3 * sizeof(felem));
1678
1679     /*
1680      * Loop over all scalars msb-to-lsb, interleaving additions of multiples
1681      * of the generator (two in each of the last 32 rounds) and additions of
1682      * other points multiples (every 5th round).
1683      */
1684     skip = 1;                   /* save two point operations in the first
1685                                  * round */
1686     for (i = (num_points ? 255 : 31); i >= 0; --i) {
1687         /* double */
1688         if (!skip)
1689             point_double(nq[0], nq[1], nq[2], nq[0], nq[1], nq[2]);
1690
1691         /* add multiples of the generator */
1692         if (gen_mul && (i <= 31)) {
1693             /* first, look 32 bits upwards */
1694             bits = get_bit(g_scalar, i + 224) << 3;
1695             bits |= get_bit(g_scalar, i + 160) << 2;
1696             bits |= get_bit(g_scalar, i + 96) << 1;
1697             bits |= get_bit(g_scalar, i + 32);
1698             /* select the point to add, in constant time */
1699             select_point(bits, 16, g_pre_comp[1], tmp);
1700
1701             if (!skip) {
1702                 /* Arg 1 below is for "mixed" */
1703                 point_add(nq[0], nq[1], nq[2],
1704                           nq[0], nq[1], nq[2], 1, tmp[0], tmp[1], tmp[2]);
1705             } else {
1706                 smallfelem_expand(nq[0], tmp[0]);
1707                 smallfelem_expand(nq[1], tmp[1]);
1708                 smallfelem_expand(nq[2], tmp[2]);
1709                 skip = 0;
1710             }
1711
1712             /* second, look at the current position */
1713             bits = get_bit(g_scalar, i + 192) << 3;
1714             bits |= get_bit(g_scalar, i + 128) << 2;
1715             bits |= get_bit(g_scalar, i + 64) << 1;
1716             bits |= get_bit(g_scalar, i);
1717             /* select the point to add, in constant time */
1718             select_point(bits, 16, g_pre_comp[0], tmp);
1719             /* Arg 1 below is for "mixed" */
1720             point_add(nq[0], nq[1], nq[2],
1721                       nq[0], nq[1], nq[2], 1, tmp[0], tmp[1], tmp[2]);
1722         }
1723
1724         /* do other additions every 5 doublings */
1725         if (num_points && (i % 5 == 0)) {
1726             /* loop over all scalars */
1727             for (num = 0; num < num_points; ++num) {
1728                 bits = get_bit(scalars[num], i + 4) << 5;
1729                 bits |= get_bit(scalars[num], i + 3) << 4;
1730                 bits |= get_bit(scalars[num], i + 2) << 3;
1731                 bits |= get_bit(scalars[num], i + 1) << 2;
1732                 bits |= get_bit(scalars[num], i) << 1;
1733                 bits |= get_bit(scalars[num], i - 1);
1734                 ec_GFp_nistp_recode_scalar_bits(&sign, &digit, bits);
1735
1736                 /*
1737                  * select the point to add or subtract, in constant time
1738                  */
1739                 select_point(digit, 17, pre_comp[num], tmp);
1740                 smallfelem_neg(ftmp, tmp[1]); /* (X, -Y, Z) is the negative
1741                                                * point */
1742                 copy_small_conditional(ftmp, tmp[1], (((limb) sign) - 1));
1743                 felem_contract(tmp[1], ftmp);
1744
1745                 if (!skip) {
1746                     point_add(nq[0], nq[1], nq[2],
1747                               nq[0], nq[1], nq[2],
1748                               mixed, tmp[0], tmp[1], tmp[2]);
1749                 } else {
1750                     smallfelem_expand(nq[0], tmp[0]);
1751                     smallfelem_expand(nq[1], tmp[1]);
1752                     smallfelem_expand(nq[2], tmp[2]);
1753                     skip = 0;
1754                 }
1755             }
1756         }
1757     }
1758     felem_assign(x_out, nq[0]);
1759     felem_assign(y_out, nq[1]);
1760     felem_assign(z_out, nq[2]);
1761 }
1762
1763 /* Precomputation for the group generator. */
1764 typedef struct {
1765     smallfelem g_pre_comp[2][16][3];
1766     int references;
1767 } NISTP256_PRE_COMP;
1768
1769 const EC_METHOD *EC_GFp_nistp256_method(void)
1770 {
1771     static const EC_METHOD ret = {
1772         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1773         NID_X9_62_prime_field,
1774         ec_GFp_nistp256_group_init,
1775         ec_GFp_simple_group_finish,
1776         ec_GFp_simple_group_clear_finish,
1777         ec_GFp_nist_group_copy,
1778         ec_GFp_nistp256_group_set_curve,
1779         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1780         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1781         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1782         ec_GFp_simple_point_init,
1783         ec_GFp_simple_point_finish,
1784         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1785         ec_GFp_simple_point_copy,
1786         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1787         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1788         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1789         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1790         ec_GFp_nistp256_point_get_affine_coordinates,
1791         0 /* point_set_compressed_coordinates */ ,
1792         0 /* point2oct */ ,
1793         0 /* oct2point */ ,
1794         ec_GFp_simple_add,
1795         ec_GFp_simple_dbl,
1796         ec_GFp_simple_invert,
1797         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1798         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1799         ec_GFp_simple_cmp,
1800         ec_GFp_simple_make_affine,
1801         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1802         ec_GFp_nistp256_points_mul,
1803         ec_GFp_nistp256_precompute_mult,
1804         ec_GFp_nistp256_have_precompute_mult,
1805         ec_GFp_nist_field_mul,
1806         ec_GFp_nist_field_sqr,
1807         0 /* field_div */ ,
1808         0 /* field_encode */ ,
1809         0 /* field_decode */ ,
1810         0                       /* field_set_to_one */
1811     };
1812
1813     return &ret;
1814 }
1815
1816 /******************************************************************************/
1817 /*
1818  * FUNCTIONS TO MANAGE PRECOMPUTATION
1819  */
1820
1821 static NISTP256_PRE_COMP *nistp256_pre_comp_new()
1822 {
1823     NISTP256_PRE_COMP *ret = NULL;
1824     ret = (NISTP256_PRE_COMP *) OPENSSL_malloc(sizeof(*ret));
1825     if (!ret) {
1826         ECerr(EC_F_NISTP256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1827         return ret;
1828     }
1829     memset(ret->g_pre_comp, 0, sizeof(ret->g_pre_comp));
1830     ret->references = 1;
1831     return ret;
1832 }
1833
1834 static void *nistp256_pre_comp_dup(void *src_)
1835 {
1836     NISTP256_PRE_COMP *src = src_;
1837
1838     /* no need to actually copy, these objects never change! */
1839     CRYPTO_add(&src->references, 1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1840
1841     return src_;
1842 }
1843
1844 static void nistp256_pre_comp_free(void *pre_)
1845 {
1846     int i;
1847     NISTP256_PRE_COMP *pre = pre_;
1848
1849     if (!pre)
1850         return;
1851
1852     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1853     if (i > 0)
1854         return;
1855
1856     OPENSSL_free(pre);
1857 }
1858
1859 static void nistp256_pre_comp_clear_free(void *pre_)
1860 {
1861     int i;
1862     NISTP256_PRE_COMP *pre = pre_;
1863
1864     if (!pre)
1865         return;
1866
1867     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1868     if (i > 0)
1869         return;
1870
1871     OPENSSL_cleanse(pre, sizeof(*pre));
1872     OPENSSL_free(pre);
1873 }
1874
1875 /******************************************************************************/
1876 /*
1877  * OPENSSL EC_METHOD FUNCTIONS
1878  */
1879
1880 int ec_GFp_nistp256_group_init(EC_GROUP *group)
1881 {
1882     int ret;
1883     ret = ec_GFp_simple_group_init(group);
1884     group->a_is_minus3 = 1;
1885     return ret;
1886 }
1887
1888 int ec_GFp_nistp256_group_set_curve(EC_GROUP *group, const BIGNUM *p,
1889                                     const BIGNUM *a, const BIGNUM *b,
1890                                     BN_CTX *ctx)
1891 {
1892     int ret = 0;
1893     BN_CTX *new_ctx = NULL;
1894     BIGNUM *curve_p, *curve_a, *curve_b;
1895
1896     if (ctx == NULL)
1897         if ((ctx = new_ctx = BN_CTX_new()) == NULL)
1898             return 0;
1899     BN_CTX_start(ctx);
1900     if (((curve_p = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
1901         ((curve_a = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
1902         ((curve_b = BN_CTX_get(ctx)) == NULL))
1903         goto err;
1904     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[0], sizeof(felem_bytearray), curve_p);
1905     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[1], sizeof(felem_bytearray), curve_a);
1906     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[2], sizeof(felem_bytearray), curve_b);
1907     if ((BN_cmp(curve_p, p)) || (BN_cmp(curve_a, a)) || (BN_cmp(curve_b, b))) {
1908         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_GROUP_SET_CURVE,
1909               EC_R_WRONG_CURVE_PARAMETERS);
1910         goto err;
1911     }
1912     group->field_mod_func = BN_nist_mod_256;
1913     ret = ec_GFp_simple_group_set_curve(group, p, a, b, ctx);
1914  err:
1915     BN_CTX_end(ctx);
1916     if (new_ctx != NULL)
1917         BN_CTX_free(new_ctx);
1918     return ret;
1919 }
1920
1921 /*
1922  * Takes the Jacobian coordinates (X, Y, Z) of a point and returns (X', Y') =
1923  * (X/Z^2, Y/Z^3)
1924  */
1925 int ec_GFp_nistp256_point_get_affine_coordinates(const EC_GROUP *group,
1926                                                  const EC_POINT *point,
1927                                                  BIGNUM *x, BIGNUM *y,
1928                                                  BN_CTX *ctx)
1929 {
1930     felem z1, z2, x_in, y_in;
1931     smallfelem x_out, y_out;
1932     longfelem tmp;
1933
1934     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1935         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINT_GET_AFFINE_COORDINATES,
1936               EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1937         return 0;
1938     }
1939     if ((!BN_to_felem(x_in, &point->X)) || (!BN_to_felem(y_in, &point->Y)) ||
1940         (!BN_to_felem(z1, &point->Z)))
1941         return 0;
1942     felem_inv(z2, z1);
1943     felem_square(tmp, z2);
1944     felem_reduce(z1, tmp);
1945     felem_mul(tmp, x_in, z1);
1946     felem_reduce(x_in, tmp);
1947     felem_contract(x_out, x_in);
1948     if (x != NULL) {
1949         if (!smallfelem_to_BN(x, x_out)) {
1950             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINT_GET_AFFINE_COORDINATES,
1951                   ERR_R_BN_LIB);
1952             return 0;
1953         }
1954     }
1955     felem_mul(tmp, z1, z2);
1956     felem_reduce(z1, tmp);
1957     felem_mul(tmp, y_in, z1);
1958     felem_reduce(y_in, tmp);
1959     felem_contract(y_out, y_in);
1960     if (y != NULL) {
1961         if (!smallfelem_to_BN(y, y_out)) {
1962             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINT_GET_AFFINE_COORDINATES,
1963                   ERR_R_BN_LIB);
1964             return 0;
1965         }
1966     }
1967     return 1;
1968 }
1969
1970 /* points below is of size |num|, and tmp_smallfelems is of size |num+1| */
1971 static void make_points_affine(size_t num, smallfelem points[][3],
1972                                smallfelem tmp_smallfelems[])
1973 {
1974     /*
1975      * Runs in constant time, unless an input is the point at infinity (which
1976      * normally shouldn't happen).
1977      */
1978     ec_GFp_nistp_points_make_affine_internal(num,
1979                                              points,
1980                                              sizeof(smallfelem),
1981                                              tmp_smallfelems,
1982                                              (void (*)(void *))smallfelem_one,
1983                                              smallfelem_is_zero_int,
1984                                              (void (*)(void *, const void *))
1985                                              smallfelem_assign,
1986                                              (void (*)(void *, const void *))
1987                                              smallfelem_square_contract,
1988                                              (void (*)
1989                                               (void *, const void *,
1990                                                const void *))
1991                                              smallfelem_mul_contract,
1992                                              (void (*)(void *, const void *))
1993                                              smallfelem_inv_contract,
1994                                              /* nothing to contract */
1995                                              (void (*)(void *, const void *))
1996                                              smallfelem_assign);
1997 }
1998
1999 /*
2000  * Computes scalar*generator + \sum scalars[i]*points[i], ignoring NULL
2001  * values Result is stored in r (r can equal one of the inputs).
2002  */
2003 int ec_GFp_nistp256_points_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
2004                                const BIGNUM *scalar, size_t num,
2005                                const EC_POINT *points[],
2006                                const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
2007 {
2008     int ret = 0;
2009     int j;
2010     int mixed = 0;
2011     BN_CTX *new_ctx = NULL;
2012     BIGNUM *x, *y, *z, *tmp_scalar;
2013     felem_bytearray g_secret;
2014     felem_bytearray *secrets = NULL;
2015     smallfelem(*pre_comp)[17][3] = NULL;
2016     smallfelem *tmp_smallfelems = NULL;
2017     felem_bytearray tmp;
2018     unsigned i, num_bytes;
2019     int have_pre_comp = 0;
2020     size_t num_points = num;
2021     smallfelem x_in, y_in, z_in;
2022     felem x_out, y_out, z_out;
2023     NISTP256_PRE_COMP *pre = NULL;
2024     const smallfelem(*g_pre_comp)[16][3] = NULL;
2025     EC_POINT *generator = NULL;
2026     const EC_POINT *p = NULL;
2027     const BIGNUM *p_scalar = NULL;
2028
2029     if (ctx == NULL)
2030         if ((ctx = new_ctx = BN_CTX_new()) == NULL)
2031             return 0;
2032     BN_CTX_start(ctx);
2033     if (((x = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
2034         ((y = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
2035         ((z = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) ||
2036         ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL))
2037         goto err;
2038
2039     if (scalar != NULL) {
2040         pre = EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data,
2041                                   nistp256_pre_comp_dup,
2042                                   nistp256_pre_comp_free,
2043                                   nistp256_pre_comp_clear_free);
2044         if (pre)
2045             /* we have precomputation, try to use it */
2046             g_pre_comp = (const smallfelem(*)[16][3])pre->g_pre_comp;
2047         else
2048             /* try to use the standard precomputation */
2049             g_pre_comp = &gmul[0];
2050         generator = EC_POINT_new(group);
2051         if (generator == NULL)
2052             goto err;
2053         /* get the generator from precomputation */
2054         if (!smallfelem_to_BN(x, g_pre_comp[0][1][0]) ||
2055             !smallfelem_to_BN(y, g_pre_comp[0][1][1]) ||
2056             !smallfelem_to_BN(z, g_pre_comp[0][1][2])) {
2057             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2058             goto err;
2059         }
2060         if (!EC_POINT_set_Jprojective_coordinates_GFp(group,
2061                                                       generator, x, y, z,
2062                                                       ctx))
2063             goto err;
2064         if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, group->generator, ctx))
2065             /* precomputation matches generator */
2066             have_pre_comp = 1;
2067         else
2068             /*
2069              * we don't have valid precomputation: treat the generator as a
2070              * random point
2071              */
2072             num_points++;
2073     }
2074     if (num_points > 0) {
2075         if (num_points >= 3) {
2076             /*
2077              * unless we precompute multiples for just one or two points,
2078              * converting those into affine form is time well spent
2079              */
2080             mixed = 1;
2081         }
2082         secrets = OPENSSL_malloc(num_points * sizeof(felem_bytearray));
2083         pre_comp = OPENSSL_malloc(num_points * 17 * 3 * sizeof(smallfelem));
2084         if (mixed)
2085             tmp_smallfelems =
2086                 OPENSSL_malloc((num_points * 17 + 1) * sizeof(smallfelem));
2087         if ((secrets == NULL) || (pre_comp == NULL)
2088             || (mixed && (tmp_smallfelems == NULL))) {
2089             ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
2090             goto err;
2091         }
2092
2093         /*
2094          * we treat NULL scalars as 0, and NULL points as points at infinity,
2095          * i.e., they contribute nothing to the linear combination
2096          */
2097         memset(secrets, 0, num_points * sizeof(felem_bytearray));
2098         memset(pre_comp, 0, num_points * 17 * 3 * sizeof(smallfelem));
2099         for (i = 0; i < num_points; ++i) {
2100             if (i == num)
2101                 /*
2102                  * we didn't have a valid precomputation, so we pick the
2103                  * generator
2104                  */
2105             {
2106                 p = EC_GROUP_get0_generator(group);
2107                 p_scalar = scalar;
2108             } else
2109                 /* the i^th point */
2110             {
2111                 p = points[i];
2112                 p_scalar = scalars[i];
2113             }
2114             if ((p_scalar != NULL) && (p != NULL)) {
2115                 /* reduce scalar to 0 <= scalar < 2^256 */
2116                 if ((BN_num_bits(p_scalar) > 256)
2117                     || (BN_is_negative(p_scalar))) {
2118                     /*
2119                      * this is an unusual input, and we don't guarantee
2120                      * constant-timeness
2121                      */
2122                     if (!BN_nnmod(tmp_scalar, p_scalar, &group->order, ctx)) {
2123                         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2124                         goto err;
2125                     }
2126                     num_bytes = BN_bn2bin(tmp_scalar, tmp);
2127                 } else
2128                     num_bytes = BN_bn2bin(p_scalar, tmp);
2129                 flip_endian(secrets[i], tmp, num_bytes);
2130                 /* precompute multiples */
2131                 if ((!BN_to_felem(x_out, &p->X)) ||
2132                     (!BN_to_felem(y_out, &p->Y)) ||
2133                     (!BN_to_felem(z_out, &p->Z)))
2134                     goto err;
2135                 felem_shrink(pre_comp[i][1][0], x_out);
2136                 felem_shrink(pre_comp[i][1][1], y_out);
2137                 felem_shrink(pre_comp[i][1][2], z_out);
2138                 for (j = 2; j <= 16; ++j) {
2139                     if (j & 1) {
2140                         point_add_small(pre_comp[i][j][0], pre_comp[i][j][1],
2141                                         pre_comp[i][j][2], pre_comp[i][1][0],
2142                                         pre_comp[i][1][1], pre_comp[i][1][2],
2143                                         pre_comp[i][j - 1][0],
2144                                         pre_comp[i][j - 1][1],
2145                                         pre_comp[i][j - 1][2]);
2146                     } else {
2147                         point_double_small(pre_comp[i][j][0],
2148                                            pre_comp[i][j][1],
2149                                            pre_comp[i][j][2],
2150                                            pre_comp[i][j / 2][0],
2151                                            pre_comp[i][j / 2][1],
2152                                            pre_comp[i][j / 2][2]);
2153                     }
2154                 }
2155             }
2156         }
2157         if (mixed)
2158             make_points_affine(num_points * 17, pre_comp[0], tmp_smallfelems);
2159     }
2160
2161     /* the scalar for the generator */
2162     if ((scalar != NULL) && (have_pre_comp)) {
2163         memset(g_secret, 0, sizeof(g_secret));
2164         /* reduce scalar to 0 <= scalar < 2^256 */
2165         if ((BN_num_bits(scalar) > 256) || (BN_is_negative(scalar))) {
2166             /*
2167              * this is an unusual input, and we don't guarantee
2168              * constant-timeness
2169              */
2170             if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, &group->order, ctx)) {
2171                 ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2172                 goto err;
2173             }
2174             num_bytes = BN_bn2bin(tmp_scalar, tmp);
2175         } else
2176             num_bytes = BN_bn2bin(scalar, tmp);
2177         flip_endian(g_secret, tmp, num_bytes);
2178         /* do the multiplication with generator precomputation */
2179         batch_mul(x_out, y_out, z_out,
2180                   (const felem_bytearray(*))secrets, num_points,
2181                   g_secret,
2182                   mixed, (const smallfelem(*)[17][3])pre_comp, g_pre_comp);
2183     } else
2184         /* do the multiplication without generator precomputation */
2185         batch_mul(x_out, y_out, z_out,
2186                   (const felem_bytearray(*))secrets, num_points,
2187                   NULL, mixed, (const smallfelem(*)[17][3])pre_comp, NULL);
2188     /* reduce the output to its unique minimal representation */
2189     felem_contract(x_in, x_out);
2190     felem_contract(y_in, y_out);
2191     felem_contract(z_in, z_out);
2192     if ((!smallfelem_to_BN(x, x_in)) || (!smallfelem_to_BN(y, y_in)) ||
2193         (!smallfelem_to_BN(z, z_in))) {
2194         ECerr(EC_F_EC_GFP_NISTP256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
2195         goto err;
2196     }
2197     ret = EC_POINT_set_Jprojective_coordinates_GFp(group, r, x, y, z, ctx);
2198
2199  err:
2200     BN_CTX_end(ctx);
2201     if (generator != NULL)
2202         EC_POINT_free(generator);
2203     if (new_ctx != NULL)
2204         BN_CTX_free(new_ctx);
2205     if (secrets != NULL)
2206         OPENSSL_free(secrets);
2207     if (pre_comp != NULL)
2208         OPENSSL_free(pre_comp);
2209     if (tmp_smallfelems != NULL)
2210         OPENSSL_free(tmp_smallfelems);
2211     return ret;
2212 }
2213
2214 int ec_GFp_nistp256_precompute_mult(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
2215 {
2216     int ret = 0;
2217     NISTP256_PRE_COMP *pre = NULL;
2218     int i, j;
2219     BN_CTX *new_ctx = NULL;
2220     BIGNUM *x, *y;
2221     EC_POINT *generator = NULL;
2222     smallfelem tmp_smallfelems[32];
2223     felem x_tmp, y_tmp, z_tmp;
2224
2225     /* throw away old precomputation */
2226     EC_EX_DATA_free_data(&group->extra_data, nistp256_pre_comp_dup,
2227                          nistp256_pre_comp_free,
2228                          nistp256_pre_comp_clear_free);
2229     if (ctx == NULL)
2230         if ((ctx = new_ctx = BN_CTX_new()) == NULL)
2231             return 0;
2232     BN_CTX_start(ctx);
2233     if (((x = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) || ((y = BN_CTX_get(ctx)) == NULL))
2234         goto err;
2235     /* get the generator */
2236     if (group->generator == NULL)
2237         goto err;
2238     generator = EC_POINT_new(group);
2239     if (generator == NULL)
2240         goto err;
2241     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[3], sizeof(felem_bytearray), x);
2242     BN_bin2bn(nistp256_curve_params[4], sizeof(felem_bytearray), y);
2243     if (!EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, generator, x, y, ctx))
2244         goto err;
2245     if ((pre = nistp256_pre_comp_new()) == NULL)
2246         goto err;
2247     /*
2248      * if the generator is the standard one, use built-in precomputation
2249      */
2250     if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, group->generator, ctx)) {
2251         memcpy(pre->g_pre_comp, gmul, sizeof(pre->g_pre_comp));
2252         goto done;
2253     }
2254     if ((!BN_to_felem(x_tmp, &group->generator->X)) ||
2255         (!BN_to_felem(y_tmp, &group->generator->Y)) ||
2256         (!BN_to_felem(z_tmp, &group->generator->Z)))
2257         goto err;
2258     felem_shrink(pre->g_pre_comp[0][1][0], x_tmp);
2259     felem_shrink(pre->g_pre_comp[0][1][1], y_tmp);
2260     felem_shrink(pre->g_pre_comp[0][1][2], z_tmp);
2261     /*
2262      * compute 2^64*G, 2^128*G, 2^192*G for the first table, 2^32*G, 2^96*G,
2263      * 2^160*G, 2^224*G for the second one
2264      */
2265     for (i = 1; i <= 8; i <<= 1) {
2266         point_double_small(pre->g_pre_comp[1][i][0], pre->g_pre_comp[1][i][1],
2267                            pre->g_pre_comp[1][i][2], pre->g_pre_comp[0][i][0],
2268                            pre->g_pre_comp[0][i][1],
2269                            pre->g_pre_comp[0][i][2]);
2270         for (j = 0; j < 31; ++j) {
2271             point_double_small(pre->g_pre_comp[1][i][0],
2272                                pre->g_pre_comp[1][i][1],
2273                                pre->g_pre_comp[1][i][2],
2274                                pre->g_pre_comp[1][i][0],
2275                                pre->g_pre_comp[1][i][1],
2276                                pre->g_pre_comp[1][i][2]);
2277         }
2278         if (i == 8)
2279             break;
2280         point_double_small(pre->g_pre_comp[0][2 * i][0],
2281                            pre->g_pre_comp[0][2 * i][1],
2282                            pre->g_pre_comp[0][2 * i][2],
2283                            pre->g_pre_comp[1][i][0], pre->g_pre_comp[1][i][1],
2284                            pre->g_pre_comp[1][i][2]);
2285         for (j = 0; j < 31; ++j) {
2286             point_double_small(pre->g_pre_comp[0][2 * i][0],
2287                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][1],
2288                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][2],
2289                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][0],
2290                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][1],
2291                                pre->g_pre_comp[0][2 * i][2]);
2292         }
2293     }
2294     for (i = 0; i < 2; i++) {
2295         /* g_pre_comp[i][0] is the point at infinity */
2296         memset(pre->g_pre_comp[i][0], 0, sizeof(pre->g_pre_comp[i][0]));
2297         /* the remaining multiples */
2298         /* 2^64*G + 2^128*G resp. 2^96*G + 2^160*G */
2299         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][6][0], pre->g_pre_comp[i][6][1],
2300                         pre->g_pre_comp[i][6][2], pre->g_pre_comp[i][4][0],
2301                         pre->g_pre_comp[i][4][1], pre->g_pre_comp[i][4][2],
2302                         pre->g_pre_comp[i][2][0], pre->g_pre_comp[i][2][1],
2303                         pre->g_pre_comp[i][2][2]);
2304         /* 2^64*G + 2^192*G resp. 2^96*G + 2^224*G */
2305         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][10][0], pre->g_pre_comp[i][10][1],
2306                         pre->g_pre_comp[i][10][2], pre->g_pre_comp[i][8][0],
2307                         pre->g_pre_comp[i][8][1], pre->g_pre_comp[i][8][2],
2308                         pre->g_pre_comp[i][2][0], pre->g_pre_comp[i][2][1],
2309                         pre->g_pre_comp[i][2][2]);
2310         /* 2^128*G + 2^192*G resp. 2^160*G + 2^224*G */
2311         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][12][0], pre->g_pre_comp[i][12][1],
2312                         pre->g_pre_comp[i][12][2], pre->g_pre_comp[i][8][0],
2313                         pre->g_pre_comp[i][8][1], pre->g_pre_comp[i][8][2],
2314                         pre->g_pre_comp[i][4][0], pre->g_pre_comp[i][4][1],
2315                         pre->g_pre_comp[i][4][2]);
2316         /*
2317          * 2^64*G + 2^128*G + 2^192*G resp. 2^96*G + 2^160*G + 2^224*G
2318          */
2319         point_add_small(pre->g_pre_comp[i][14][0], pre->g_pre_comp[i][14][1],
2320                         pre->g_pre_comp[i][14][2], pre->g_pre_comp[i][12][0],
2321                         pre->g_pre_comp[i][12][1], pre->g_pre_comp[i][12][2],
2322                         pre->g_pre_comp[i][2][0], pre->g_pre_comp[i][2][1],
2323                         pre->g_pre_comp[i][2][2]);
2324         for (j = 1; j < 8; ++j) {
2325             /* odd multiples: add G resp. 2^32*G */
2326             point_add_small(pre->g_pre_comp[i][2 * j + 1][0],
2327                             pre->g_pre_comp[i][2 * j + 1][1],
2328                             pre->g_pre_comp[i][2 * j + 1][2],
2329                             pre->g_pre_comp[i][2 * j][0],
2330                             pre->g_pre_comp[i][2 * j][1],
2331                             pre->g_pre_comp[i][2 * j][2],
2332                             pre->g_pre_comp[i][1][0],
2333                             pre->g_pre_comp[i][1][1],
2334                             pre->g_pre_comp[i][1][2]);
2335         }
2336     }
2337     make_points_affine(31, &(pre->g_pre_comp[0][1]), tmp_smallfelems);
2338
2339  done:
2340     if (!EC_EX_DATA_set_data(&group->extra_data, pre, nistp256_pre_comp_dup,
2341                              nistp256_pre_comp_free,
2342                              nistp256_pre_comp_clear_free))
2343         goto err;
2344     ret = 1;
2345     pre = NULL;
2346  err:
2347     BN_CTX_end(ctx);
2348     if (generator != NULL)
2349         EC_POINT_free(generator);
2350     if (new_ctx != NULL)
2351         BN_CTX_free(new_ctx);
2352     if (pre)
2353         nistp256_pre_comp_free(pre);
2354     return ret;
2355 }
2356
2357 int ec_GFp_nistp256_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
2358 {
2359     if (EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, nistp256_pre_comp_dup,
2360                             nistp256_pre_comp_free,
2361                             nistp256_pre_comp_clear_free)
2362         != NULL)
2363         return 1;
2364     else
2365         return 0;
2366 }
2367 #else
2368 static void *dummy = &dummy;
2369 #endif