Timings.
[openssl.git] / crypto / bn / bn_exp.c
index 863df241f81423dc8df99bbbf6a7ea2bc29f7611..eab394b96231051d0dc5070dd679142f3ceca8f9 100644 (file)
  */
 
 
-#include <stdio.h>
 #include "cryptlib.h"
 #include "bn_lcl.h"
-#ifdef ATALLA
-# include <alloca.h>
-# include <atasi.h>
-# include <assert.h>
-# include <dlfcn.h>
-#endif
-
 
 #define TABLE_SIZE     32
 
-/* slow but works */
-int BN_mod_mul(BIGNUM *ret, BIGNUM *a, BIGNUM *b, const BIGNUM *m, BN_CTX *ctx)
-       {
-       BIGNUM *t;
-       int r=0;
-
-       bn_check_top(a);
-       bn_check_top(b);
-       bn_check_top(m);
-
-       BN_CTX_start(ctx);
-       if ((t = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
-       if (a == b)
-               { if (!BN_sqr(t,a,ctx)) goto err; }
-       else
-               { if (!BN_mul(t,a,b,ctx)) goto err; }
-       if (!BN_mod(ret,t,m,ctx)) goto err;
-       r=1;
-err:
-       BN_CTX_end(ctx);
-       return(r);
-       }
-
-
 /* this one works - simple but works */
-int BN_exp(BIGNUM *r, BIGNUM *a, BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
+int BN_exp(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
        {
        int i,bits,ret=0;
        BIGNUM *v,*rr;
@@ -183,175 +151,7 @@ err:
        }
 
 
-#ifdef ATALLA
-
-/*
- * This routine will dynamically check for the existance of an Atalla AXL-200
- * SSL accelerator module.  If one is found, the variable
- * asi_accelerator_present is set to 1 and the function pointers
- * ptr_ASI_xxxxxx above will be initialized to corresponding ASI API calls.
- */
-typedef int tfnASI_GetPerformanceStatistics(int reset_flag,
-                                           unsigned int *ret_buf);
-typedef int tfnASI_GetHardwareConfig(long card_num, unsigned int *ret_buf);
-typedef int tfnASI_RSAPrivateKeyOpFn(RSAPrivateKey * rsaKey,
-                                    unsigned char *output,
-                                    unsigned char *input,
-                                    unsigned int modulus_len);
-
-static tfnASI_GetHardwareConfig *ptr_ASI_GetHardwareConfig;
-static tfnASI_RSAPrivateKeyOpFn *ptr_ASI_RSAPrivateKeyOpFn;
-static tfnASI_GetPerformanceStatistics *ptr_ASI_GetPerformanceStatistics;
-static int asi_accelerator_present;
-static int tried_atalla;
-
-void atalla_initialize_accelerator_handle(void)
-       {
-       void *dl_handle;
-       int status;
-       unsigned int config_buf[1024]; 
-       static int tested;
-
-       if(tested)
-               return;
-
-       tested=1;
-
-       bzero((void *)config_buf, 1024);
-
-       /*
-        * Check to see if the library is present on the system
-        */
-       dl_handle = dlopen("atasi.so", RTLD_NOW);
-       if (dl_handle == (void *) NULL)
-               {
-/*             printf("atasi.so library is not present on the system\n");
-               printf("No HW acceleration available\n");*/
-               return;
-               }
-
-       /*
-        * The library is present.  Now we'll check to insure that the
-        * LDM is up and running. First we'll get the address of the
-        * function in the atasi library that we need to see if the
-        * LDM is operating.
-        */
-
-       ptr_ASI_GetHardwareConfig =
-         (tfnASI_GetHardwareConfig *)dlsym(dl_handle,"ASI_GetHardwareConfig");
-
-       if (ptr_ASI_GetHardwareConfig)
-               {
-               /*
-                * We found the call, now we'll get our config
-                * status.  If we get a non 0 result, the LDM is not
-                * running and we cannot use the Atalla ASI *
-                * library.
-                */
-               status = (*ptr_ASI_GetHardwareConfig)(0L, config_buf);
-               if (status != 0)
-                       {
-                       printf("atasi.so library is present but not initialized\n");
-                       printf("No HW acceleration available\n");
-                       return;
-                       }    
-               }
-       else
-               {
-/*             printf("We found the library, but not the function. Very Strange!\n");*/
-               return ;
-               }
-
-       /* 
-        * It looks like we have acceleration capabilities.  Load up the
-        * pointers to our ASI API calls.
-        */
-       ptr_ASI_RSAPrivateKeyOpFn=
-         (tfnASI_RSAPrivateKeyOpFn *)dlsym(dl_handle, "ASI_RSAPrivateKeyOpFn");
-       if (ptr_ASI_RSAPrivateKeyOpFn == NULL)
-               {
-/*             printf("We found the library, but no RSA function. Very Strange!\n");*/
-               return;
-               }
-
-       ptr_ASI_GetPerformanceStatistics =
-         (tfnASI_GetPerformanceStatistics *)dlsym(dl_handle, "ASI_GetPerformanceStatistics");
-       if (ptr_ASI_GetPerformanceStatistics == NULL)
-               {
-/*             printf("We found the library, but no stat function. Very Strange!\n");*/
-               return;
-             }
-
-       /*
-        * Indicate that acceleration is available
-        */
-       asi_accelerator_present = 1;
-
-/*     printf("This system has acceleration!\n");*/
-
-       return;
-       }
-
-/* make sure this only gets called once when bn_mod_exp calls bn_mod_exp_mont */
-int BN_mod_exp_atalla(BIGNUM *r, BIGNUM *a, const BIGNUM *p, const BIGNUM *m)
-       {
-       unsigned char *abin;
-       unsigned char *pbin;
-       unsigned char *mbin;
-       unsigned char *rbin;
-       int an,pn,mn,ret;
-       RSAPrivateKey keydata;
-
-       atalla_initialize_accelerator_handle();
-       if(!asi_accelerator_present)
-               return 0;
-
-
-/* We should be able to run without size testing */
-# define ASIZE 128
-       an=BN_num_bytes(a);
-       pn=BN_num_bytes(p);
-       mn=BN_num_bytes(m);
-
-       if(an <= ASIZE && pn <= ASIZE && mn <= ASIZE)
-           {
-           int size=mn;
-
-           assert(an <= mn);
-           abin=alloca(size);
-           memset(abin,'\0',mn);
-           BN_bn2bin(a,abin+size-an);
-
-           pbin=alloca(pn);
-           BN_bn2bin(p,pbin);
-
-           mbin=alloca(size);
-           memset(mbin,'\0',mn);
-           BN_bn2bin(m,mbin+size-mn);
-
-           rbin=alloca(size);
-
-           memset(&keydata,'\0',sizeof keydata);
-           keydata.privateExponent.data=pbin;
-           keydata.privateExponent.len=pn;
-           keydata.modulus.data=mbin;
-           keydata.modulus.len=size;
-
-           ret=(*ptr_ASI_RSAPrivateKeyOpFn)(&keydata,rbin,abin,keydata.modulus.len);
-/*fprintf(stderr,"!%s\n",BN_bn2hex(a));*/
-           if(!ret)
-               {
-               BN_bin2bn(rbin,keydata.modulus.len,r);
-/*fprintf(stderr,"?%s\n",BN_bn2hex(r));*/
-               return 1;
-               }
-           }
-       return 0;
-        }
-#endif /* def ATALLA */
-
-
-int BN_mod_exp(BIGNUM *r, BIGNUM *a, const BIGNUM *p, const BIGNUM *m,
+int BN_mod_exp(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p, const BIGNUM *m,
               BN_CTX *ctx)
        {
        int ret;
@@ -360,12 +160,38 @@ int BN_mod_exp(BIGNUM *r, BIGNUM *a, const BIGNUM *p, const BIGNUM *m,
        bn_check_top(p);
        bn_check_top(m);
 
-#ifdef ATALLA
-       if(BN_mod_exp_atalla(r,a,p,m))
-           return 1;
-/* If it fails, try the other methods (but don't try atalla again) */
-       tried_atalla=1;
-#endif
+       /* For even modulus  m = 2^k*m_odd,  it might make sense to compute
+        * a^p mod m_odd  and  a^p mod 2^k  separately (with Montgomery
+        * exponentiation for the odd part), using appropriate exponent
+        * reductions, and combine the results using the CRT.
+        *
+        * For now, we use Montgomery only if the modulus is odd; otherwise,
+        * exponentiation using the reciprocal-based quick remaindering
+        * algorithm is used.
+        *
+        * (Timing obtained with expspeed.c [computations  a^p mod m
+        * where  a, p, m  are of the same length: 256, 512, 1024, 2048,
+        * 4096, 8192 bits], compared to the running time of the
+        * standard algorithm:
+        *
+        *   BN_mod_exp_mont   33 .. 40 %  [AMD K6-2, Linux, debug configuration]
+         *                     55 .. 77 %  [UltraSparc processor, but
+        *                                  debug-solaris-sparcv8-gcc conf.]
+        * 
+        *   BN_mod_exp_recp   50 .. 70 %  [AMD K6-2, Linux, debug configuration]
+        *                     62 .. 118 % [UltraSparc, debug-solaris-sparcv8-gcc]
+        *
+        * On the Sparc, BN_mod_exp_recp was faster than BN_mod_exp_mont
+        * at 2048 and more bits, but at 512 and 1024 bits, it was
+        * slower even than the standard algorithm!
+        *
+        * "Real" timings [linux-elf, solaris-sparcv9-gcc configurations]
+        * should be obtained when the new Montgomery reduction code
+        * has been integrated into OpenSSL.)
+        */
+
+#define MONT_MUL_MOD
+#define RECP_MUL_MOD
 
 #ifdef MONT_MUL_MOD
        /* I have finally been able to take out this pre-condition of
@@ -376,7 +202,7 @@ int BN_mod_exp(BIGNUM *r, BIGNUM *a, const BIGNUM *p, const BIGNUM *m,
 
        if (BN_is_odd(m))
                {
-               if (a->top == 1)
+               if (a->top == 1 && !a->neg)
                        {
                        BN_ULONG A = a->d[0];
                        ret=BN_mod_exp_mont_word(r,A,p,m,ctx,NULL);
@@ -392,10 +218,6 @@ int BN_mod_exp(BIGNUM *r, BIGNUM *a, const BIGNUM *p, const BIGNUM *m,
                { ret=BN_mod_exp_simple(r,a,p,m,ctx); }
 #endif
 
-#ifdef ATALLA
-       tried_atalla=0;
-#endif
-
        return(ret);
        }
 
@@ -426,7 +248,7 @@ int BN_mod_exp_recp(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
        BN_init(&(val[0]));
        ts=1;
 
-       if (!BN_mod(&(val[0]),a,m,ctx)) goto err;               /* 1 */
+       if (!BN_nnmod(&(val[0]),a,m,ctx)) goto err;             /* 1 */
 
        window = BN_window_bits_for_exponent_size(bits);
        if (window > 1)
@@ -511,13 +333,13 @@ err:
        }
 
 
-int BN_mod_exp_mont(BIGNUM *rr, BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
+int BN_mod_exp_mont(BIGNUM *rr, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
                    const BIGNUM *m, BN_CTX *ctx, BN_MONT_CTX *in_mont)
        {
        int i,j,bits,ret=0,wstart,wend,window,wvalue;
        int start=1,ts=0;
        BIGNUM *d,*r;
-       BIGNUM *aa;
+       const BIGNUM *aa;
        BIGNUM val[TABLE_SIZE];
        BN_MONT_CTX *mont=NULL;
 
@@ -525,12 +347,6 @@ int BN_mod_exp_mont(BIGNUM *rr, BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
        bn_check_top(p);
        bn_check_top(m);
 
-#ifdef ATALLA
-       if(!tried_atalla && BN_mod_exp_atalla(rr,a,p,m))
-           return 1;
-/* If it fails, try the other methods */
-#endif
-
        if (!(m->d[0] & 1))
                {
                BNerr(BN_F_BN_MOD_EXP_MONT,BN_R_CALLED_WITH_EVEN_MODULUS);
@@ -560,9 +376,9 @@ int BN_mod_exp_mont(BIGNUM *rr, BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
 
        BN_init(&val[0]);
        ts=1;
-       if (BN_ucmp(a,m) >= 0)
+       if (!a->neg && BN_ucmp(a,m) >= 0)
                {
-               if (!BN_mod(&(val[0]),a,m,ctx))
+               if (!BN_nnmod(&(val[0]),a,m,ctx))
                        goto err;
                aa= &(val[0]);
                }
@@ -643,7 +459,7 @@ int BN_mod_exp_mont(BIGNUM *rr, BIGNUM *a, const BIGNUM *p,
                start=0;
                if (wstart < 0) break;
                }
-       BN_from_montgomery(rr,r,mont,ctx);
+       if (!BN_from_montgomery(rr,r,mont,ctx)) goto err;
        ret=1;
 err:
        if ((in_mont == NULL) && (mont != NULL)) BN_MONT_CTX_free(mont);
@@ -658,14 +474,20 @@ int BN_mod_exp_mont_word(BIGNUM *rr, BN_ULONG a, const BIGNUM *p,
        {
        BN_MONT_CTX *mont = NULL;
        int b, bits, ret=0;
+       int r_is_one;
        BN_ULONG w, next_w;
        BIGNUM *d, *r, *t;
        BIGNUM *swap_tmp;
 #define BN_MOD_MUL_WORD(r, w, m) \
                (BN_mul_word(r, (w)) && \
-               (BN_ucmp(r, (m)) >= 0 ? \
-                       (BN_mod(t, r, m, ctx) && (swap_tmp = r, r = t, t = swap_tmp, 1)) : \
-                       1))
+               (/* BN_ucmp(r, (m)) < 0 ? 1 :*/  \
+                       (BN_mod(t, r, m, ctx) && (swap_tmp = r, r = t, t = swap_tmp, 1))))
+               /* BN_MOD_MUL_WORD is only used with 'w' large,
+                 * so the BN_ucmp test is probably more overhead
+                 * than always using BN_mod (which uses BN_copy if
+                 * a similar test returns true). */
+#define BN_TO_MONTGOMERY_WORD(r, w, mont) \
+               (BN_set_word(r, (w)) && BN_to_montgomery(r, r, (mont), ctx))
 
        bn_check_top(p);
        bn_check_top(m);
@@ -687,19 +509,6 @@ int BN_mod_exp_mont_word(BIGNUM *rr, BN_ULONG a, const BIGNUM *p,
        t = BN_CTX_get(ctx);
        if (d == NULL || r == NULL || t == NULL) goto err;
 
-#ifdef ATALLA
-       if (!tried_atalla)
-               {
-               BN_set_word(t, a);
-               if (BN_mod_exp_atalla(rr, t, p, m))
-                       {
-                       BN_CTX_end(ctx);
-                       return 1;
-                       }
-               }
-/* If it fails, try the other methods */
-#endif
-
        if (in_mont != NULL)
                mont=in_mont;
        else
@@ -708,7 +517,7 @@ int BN_mod_exp_mont_word(BIGNUM *rr, BN_ULONG a, const BIGNUM *p,
                if (!BN_MONT_CTX_set(mont, m, ctx)) goto err;
                }
 
-       if (!BN_to_montgomery(r, BN_value_one(), mont, ctx)) goto err;
+       r_is_one = 1; /* except for Montgomery factor */
 
        /* bits-1 >= 0 */
 
@@ -720,13 +529,22 @@ int BN_mod_exp_mont_word(BIGNUM *rr, BN_ULONG a, const BIGNUM *p,
                next_w = w*w;
                if ((next_w/w) != w) /* overflow */
                        {
-                       if (!BN_MOD_MUL_WORD(r, w, m))
-                               goto err;
+                       if (r_is_one)
+                               {
+                               if (!BN_TO_MONTGOMERY_WORD(r, w, mont)) goto err;
+                               r_is_one = 0;
+                               }
+                       else
+                               {
+                               if (!BN_MOD_MUL_WORD(r, w, m)) goto err;
+                               }
                        next_w = 1;
                        }
                w = next_w;
-               if (!BN_mod_mul_montgomery(r, r, r, mont, ctx))
-                       goto err;
+               if (!r_is_one)
+                       {
+                       if (!BN_mod_mul_montgomery(r, r, r, mont, ctx)) goto err;
+                       }
 
                /* Second, multiply r*w by 'a' if exponent bit is set. */
                if (BN_is_bit_set(p, b))
@@ -734,21 +552,43 @@ int BN_mod_exp_mont_word(BIGNUM *rr, BN_ULONG a, const BIGNUM *p,
                        next_w = w*a;
                        if ((next_w/a) != w) /* overflow */
                                {
-                               if (!BN_MOD_MUL_WORD(r, w, m))
-                                       goto err;
+                               if (r_is_one)
+                                       {
+                                       if (!BN_TO_MONTGOMERY_WORD(r, w, mont)) goto err;
+                                       r_is_one = 0;
+                                       }
+                               else
+                                       {
+                                       if (!BN_MOD_MUL_WORD(r, w, m)) goto err;
+                                       }
                                next_w = a;
                                }
                        w = next_w;
                        }
                }
+
        /* Finally, set r:=r*w. */
        if (w != 1)
                {
-               if (!BN_MOD_MUL_WORD(r, w, m))
-                       goto err;
+               if (r_is_one)
+                       {
+                       if (!BN_TO_MONTGOMERY_WORD(r, w, mont)) goto err;
+                       r_is_one = 0;
+                       }
+               else
+                       {
+                       if (!BN_MOD_MUL_WORD(r, w, m)) goto err;
+                       }
                }
 
-       BN_from_montgomery(rr, r, mont, ctx);
+       if (r_is_one) /* can happen only if a == 1*/
+               {
+               if (!BN_one(rr)) goto err;
+               }
+       else
+               {
+               if (!BN_from_montgomery(rr, r, mont, ctx)) goto err;
+               }
        ret = 1;
 err:
        if ((in_mont == NULL) && (mont != NULL)) BN_MONT_CTX_free(mont);
@@ -758,8 +598,9 @@ err:
 
 
 /* The old fallback, simple version :-) */
-int BN_mod_exp_simple(BIGNUM *r, BIGNUM *a, BIGNUM *p, BIGNUM *m,
-            BN_CTX *ctx)
+int BN_mod_exp_simple(BIGNUM *r,
+       const BIGNUM *a, const BIGNUM *p, const BIGNUM *m,
+       BN_CTX *ctx)
        {
        int i,j,bits,ret=0,wstart,wend,window,wvalue,ts=0;
        int start=1;
@@ -779,7 +620,7 @@ int BN_mod_exp_simple(BIGNUM *r, BIGNUM *a, BIGNUM *p, BIGNUM *m,
 
        BN_init(&(val[0]));
        ts=1;
-       if (!BN_mod(&(val[0]),a,m,ctx)) goto err;               /* 1 */
+       if (!BN_nnmod(&(val[0]),a,m,ctx)) goto err;             /* 1 */
 
        window = BN_window_bits_for_exponent_size(bits);
        if (window > 1)