f70f8ab3efaee45508786d280f09364f814ccf94
[openssl.git] / crypto / bn / bn_mont.c
1 /* crypto/bn/bn_mont.c */
2 /* Copyright (C) 1995-1998 Eric Young (eay@cryptsoft.com)
3  * All rights reserved.
4  *
5  * This package is an SSL implementation written
6  * by Eric Young (eay@cryptsoft.com).
7  * The implementation was written so as to conform with Netscapes SSL.
8  * 
9  * This library is free for commercial and non-commercial use as long as
10  * the following conditions are aheared to.  The following conditions
11  * apply to all code found in this distribution, be it the RC4, RSA,
12  * lhash, DES, etc., code; not just the SSL code.  The SSL documentation
13  * included with this distribution is covered by the same copyright terms
14  * except that the holder is Tim Hudson (tjh@cryptsoft.com).
15  * 
16  * Copyright remains Eric Young's, and as such any Copyright notices in
17  * the code are not to be removed.
18  * If this package is used in a product, Eric Young should be given attribution
19  * as the author of the parts of the library used.
20  * This can be in the form of a textual message at program startup or
21  * in documentation (online or textual) provided with the package.
22  * 
23  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
24  * modification, are permitted provided that the following conditions
25  * are met:
26  * 1. Redistributions of source code must retain the copyright
27  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
28  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
29  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
30  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
31  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this software
32  *    must display the following acknowledgement:
33  *    "This product includes cryptographic software written by
34  *     Eric Young (eay@cryptsoft.com)"
35  *    The word 'cryptographic' can be left out if the rouines from the library
36  *    being used are not cryptographic related :-).
37  * 4. If you include any Windows specific code (or a derivative thereof) from 
38  *    the apps directory (application code) you must include an acknowledgement:
39  *    "This product includes software written by Tim Hudson (tjh@cryptsoft.com)"
40  * 
41  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY ERIC YOUNG ``AS IS'' AND
42  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
43  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
44  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
45  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
46  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
47  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
48  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
49  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
50  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
51  * SUCH DAMAGE.
52  * 
53  * The licence and distribution terms for any publically available version or
54  * derivative of this code cannot be changed.  i.e. this code cannot simply be
55  * copied and put under another distribution licence
56  * [including the GNU Public Licence.]
57  */
58
59 /*
60  * Details about Montgomery multiplication algorithms can be found at
61  * http://security.ece.orst.edu/publications.html, e.g.
62  * http://security.ece.orst.edu/koc/papers/j37acmon.pdf and
63  * sections 3.8 and 4.2 in http://security.ece.orst.edu/koc/papers/r01rsasw.pdf
64  */
65
66 #include <stdio.h>
67 #include "cryptlib.h"
68 #include "bn_lcl.h"
69
70 #define MONT_WORD /* use the faster word-based algorithm */
71
72 int BN_mod_mul_montgomery(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *b,
73                           BN_MONT_CTX *mont, BN_CTX *ctx)
74         {
75         BIGNUM *tmp;
76         int ret=0;
77 #ifdef OPENSSL_BN_ASM_MONT
78         int num = mont->N.top;
79
80         if (num>1 && a->top==num && b->top==num)
81                 {
82                 if (bn_wexpand(r,num) == NULL) return 0;
83                 r->neg = a->neg^b->neg;
84                 r->top = num;
85                 if (a==b)
86                         bn_sqr_mont(r->d,a->d,mont->N.d,mont->n0,num);
87                 else
88                         bn_mul_mont(r->d,a->d,b->d,mont->N.d,mont->n0,num);
89                 bn_fix_top(r);
90                 return 1;
91                 }
92 #endif
93
94         BN_CTX_start(ctx);
95         tmp = BN_CTX_get(ctx);
96         if (tmp == NULL) goto err;
97
98         bn_check_top(tmp);
99         if (a == b)
100                 {
101                 if (!BN_sqr(tmp,a,ctx)) goto err;
102                 }
103         else
104                 {
105                 if (!BN_mul(tmp,a,b,ctx)) goto err;
106                 }
107         /* reduce from aRR to aR */
108         if (!BN_from_montgomery(r,tmp,mont,ctx)) goto err;
109         bn_check_top(r);
110         ret=1;
111 err:
112         BN_CTX_end(ctx);
113         return(ret);
114         }
115
116 int BN_from_montgomery(BIGNUM *ret, const BIGNUM *a, BN_MONT_CTX *mont,
117              BN_CTX *ctx)
118         {
119         int retn=0;
120
121 #ifdef MONT_WORD
122         BIGNUM *n,*r;
123         BN_ULONG *ap,*np,*rp,n0,v,*nrp;
124         int al,nl,max,i,x,ri;
125
126         BN_CTX_start(ctx);
127         if ((r = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
128
129         if (!BN_copy(r,a)) goto err;
130         n= &(mont->N);
131
132         ap=a->d;
133         /* mont->ri is the size of mont->N in bits (rounded up
134            to the word size) */
135         al=ri=mont->ri/BN_BITS2;
136         
137         nl=n->top;
138         if ((al == 0) || (nl == 0)) { r->top=0; return(1); }
139
140         max=(nl+al+1); /* allow for overflow (no?) XXX */
141         if (bn_wexpand(r,max) == NULL) goto err;
142         if (bn_wexpand(ret,max) == NULL) goto err;
143
144         r->neg=a->neg^n->neg;
145         np=n->d;
146         rp=r->d;
147         nrp= &(r->d[nl]);
148
149         /* clear the top words of T */
150 #if 1
151         for (i=r->top; i<max; i++) /* memset? XXX */
152                 r->d[i]=0;
153 #else
154         memset(&(r->d[r->top]),0,(max-r->top)*sizeof(BN_ULONG)); 
155 #endif
156
157         r->top=max;
158         n0=mont->n0;
159
160 #ifdef BN_COUNT
161         fprintf(stderr,"word BN_from_montgomery %d * %d\n",nl,nl);
162 #endif
163         for (i=0; i<nl; i++)
164                 {
165 #ifdef __TANDEM
166                 {
167                    long long t1;
168                    long long t2;
169                    long long t3;
170                    t1 = rp[0] * (n0 & 0177777);
171                    t2 = 037777600000l;
172                    t2 = n0 & t2;
173                    t3 = rp[0] & 0177777;
174                    t2 = (t3 * t2) & BN_MASK2;
175                    t1 = t1 + t2;
176                    v=bn_mul_add_words(rp,np,nl,(BN_ULONG) t1);
177                 }
178 #else
179                 v=bn_mul_add_words(rp,np,nl,(rp[0]*n0)&BN_MASK2);
180 #endif
181                 nrp++;
182                 rp++;
183                 if (((nrp[-1]+=v)&BN_MASK2) >= v)
184                         continue;
185                 else
186                         {
187                         if (((++nrp[0])&BN_MASK2) != 0) continue;
188                         if (((++nrp[1])&BN_MASK2) != 0) continue;
189                         for (x=2; (((++nrp[x])&BN_MASK2) == 0); x++) ;
190                         }
191                 }
192         bn_correct_top(r);
193         
194         /* mont->ri will be a multiple of the word size */
195 #if 0
196         BN_rshift(ret,r,mont->ri);
197 #else
198         ret->neg = r->neg;
199         x=ri;
200         rp=ret->d;
201         ap= &(r->d[x]);
202         if (r->top < x)
203                 al=0;
204         else
205                 al=r->top-x;
206         ret->top=al;
207         al-=4;
208         for (i=0; i<al; i+=4)
209                 {
210                 BN_ULONG t1,t2,t3,t4;
211                 
212                 t1=ap[i+0];
213                 t2=ap[i+1];
214                 t3=ap[i+2];
215                 t4=ap[i+3];
216                 rp[i+0]=t1;
217                 rp[i+1]=t2;
218                 rp[i+2]=t3;
219                 rp[i+3]=t4;
220                 }
221         al+=4;
222         for (; i<al; i++)
223                 rp[i]=ap[i];
224 #endif
225 #else /* !MONT_WORD */ 
226         BIGNUM *t1,*t2;
227
228         BN_CTX_start(ctx);
229         t1 = BN_CTX_get(ctx);
230         t2 = BN_CTX_get(ctx);
231         if (t1 == NULL || t2 == NULL) goto err;
232         
233         if (!BN_copy(t1,a)) goto err;
234         BN_mask_bits(t1,mont->ri);
235
236         if (!BN_mul(t2,t1,&mont->Ni,ctx)) goto err;
237         BN_mask_bits(t2,mont->ri);
238
239         if (!BN_mul(t1,t2,&mont->N,ctx)) goto err;
240         if (!BN_add(t2,a,t1)) goto err;
241         if (!BN_rshift(ret,t2,mont->ri)) goto err;
242 #endif /* MONT_WORD */
243
244         if (BN_ucmp(ret, &(mont->N)) >= 0)
245                 {
246                 if (!BN_usub(ret,ret,&(mont->N))) goto err;
247                 }
248         retn=1;
249         bn_check_top(ret);
250  err:
251         BN_CTX_end(ctx);
252         return(retn);
253         }
254
255 BN_MONT_CTX *BN_MONT_CTX_new(void)
256         {
257         BN_MONT_CTX *ret;
258
259         if ((ret=(BN_MONT_CTX *)OPENSSL_malloc(sizeof(BN_MONT_CTX))) == NULL)
260                 return(NULL);
261
262         BN_MONT_CTX_init(ret);
263         ret->flags=BN_FLG_MALLOCED;
264         return(ret);
265         }
266
267 void BN_MONT_CTX_init(BN_MONT_CTX *ctx)
268         {
269         ctx->ri=0;
270         BN_init(&(ctx->RR));
271         BN_init(&(ctx->N));
272         BN_init(&(ctx->Ni));
273         ctx->flags=0;
274         }
275
276 void BN_MONT_CTX_free(BN_MONT_CTX *mont)
277         {
278         if(mont == NULL)
279             return;
280
281         BN_free(&(mont->RR));
282         BN_free(&(mont->N));
283         BN_free(&(mont->Ni));
284         if (mont->flags & BN_FLG_MALLOCED)
285                 OPENSSL_free(mont);
286         }
287
288 int BN_MONT_CTX_set(BN_MONT_CTX *mont, const BIGNUM *mod, BN_CTX *ctx)
289         {
290         int ret = 0;
291         BIGNUM *Ri,*R;
292
293         BN_CTX_start(ctx);
294         if((Ri = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
295         R= &(mont->RR);                                 /* grab RR as a temp */
296         if (!BN_copy(&(mont->N),mod)) goto err;         /* Set N */
297         mont->N.neg = 0;
298
299 #ifdef MONT_WORD
300                 {
301                 BIGNUM tmod;
302                 BN_ULONG buf[2];
303
304                 mont->ri=(BN_num_bits(mod)+(BN_BITS2-1))/BN_BITS2*BN_BITS2;
305                 BN_zero(R);
306                 if (!(BN_set_bit(R,BN_BITS2))) goto err;        /* R */
307
308                 buf[0]=mod->d[0]; /* tmod = N mod word size */
309                 buf[1]=0;
310                 tmod.d=buf;
311                 tmod.top = buf[0] != 0 ? 1 : 0;
312                 tmod.dmax=2;
313                 tmod.neg=0;
314                                                         /* Ri = R^-1 mod N*/
315                 if ((BN_mod_inverse(Ri,R,&tmod,ctx)) == NULL)
316                         goto err;
317                 if (!BN_lshift(Ri,Ri,BN_BITS2)) goto err; /* R*Ri */
318                 if (!BN_is_zero(Ri))
319                         {
320                         if (!BN_sub_word(Ri,1)) goto err;
321                         }
322                 else /* if N mod word size == 1 */
323                         {
324                         if (!BN_set_word(Ri,BN_MASK2)) goto err;  /* Ri-- (mod word size) */
325                         }
326                 if (!BN_div(Ri,NULL,Ri,&tmod,ctx)) goto err;
327                 /* Ni = (R*Ri-1)/N,
328                  * keep only least significant word: */
329                 mont->n0 = (Ri->top > 0) ? Ri->d[0] : 0;
330                 }
331 #else /* !MONT_WORD */
332                 { /* bignum version */
333                 mont->ri=BN_num_bits(&mont->N);
334                 BN_zero(R);
335                 if (!BN_set_bit(R,mont->ri)) goto err;  /* R = 2^ri */
336                                                         /* Ri = R^-1 mod N*/
337                 if ((BN_mod_inverse(Ri,R,&mont->N,ctx)) == NULL)
338                         goto err;
339                 if (!BN_lshift(Ri,Ri,mont->ri)) goto err; /* R*Ri */
340                 if (!BN_sub_word(Ri,1)) goto err;
341                                                         /* Ni = (R*Ri-1) / N */
342                 if (!BN_div(&(mont->Ni),NULL,Ri,&mont->N,ctx)) goto err;
343                 }
344 #endif
345
346         /* setup RR for conversions */
347         BN_zero(&(mont->RR));
348         if (!BN_set_bit(&(mont->RR),mont->ri*2)) goto err;
349         if (!BN_mod(&(mont->RR),&(mont->RR),&(mont->N),ctx)) goto err;
350
351         ret = 1;
352 err:
353         BN_CTX_end(ctx);
354         return ret;
355         }
356
357 BN_MONT_CTX *BN_MONT_CTX_copy(BN_MONT_CTX *to, BN_MONT_CTX *from)
358         {
359         if (to == from) return(to);
360
361         if (!BN_copy(&(to->RR),&(from->RR))) return NULL;
362         if (!BN_copy(&(to->N),&(from->N))) return NULL;
363         if (!BN_copy(&(to->Ni),&(from->Ni))) return NULL;
364         to->ri=from->ri;
365         to->n0=from->n0;
366         return(to);
367         }
368
369 BN_MONT_CTX *BN_MONT_CTX_set_locked(BN_MONT_CTX **pmont, int lock,
370                                         const BIGNUM *mod, BN_CTX *ctx)
371         {
372         if (*pmont)
373                 return *pmont;
374         CRYPTO_w_lock(lock);
375         if (!*pmont)
376                 {
377                 *pmont = BN_MONT_CTX_new();
378                 if (*pmont && !BN_MONT_CTX_set(*pmont, mod, ctx))
379                         {
380                         BN_MONT_CTX_free(*pmont);
381                         *pmont = NULL;
382                         }
383                 }
384         CRYPTO_w_unlock(lock);
385         return *pmont;
386         }