crypto/bn/bn_gf2m.c

   1 /* crypto/bn/bn_gf2m.c */
   2 /* ====================================================================
   3  * Copyright 2002 Sun Microsystems, Inc. ALL RIGHTS RESERVED.
   4  *
   5  * The Elliptic Curve Public-Key Crypto Library (ECC Code) included
   6  * herein is developed by SUN MICROSYSTEMS, INC., and is contributed
   7  * to the OpenSSL project.
   8  *
   9  * The ECC Code is licensed pursuant to the OpenSSL open source
  10  * license provided below.
  11  *
  12  * In addition, Sun covenants to all licensees who provide a reciprocal
  13  * covenant with respect to their own patents if any, not to sue under
  14  * current and future patent claims necessarily infringed by the making,
  15  * using, practicing, selling, offering for sale and/or otherwise
  16  * disposing of the ECC Code as delivered hereunder (or portions thereof),
  17  * provided that such covenant shall not apply:
  18  *  1) for code that a licensee deletes from the ECC Code;
  19  *  2) separates from the ECC Code; or
  20  *  3) for infringements caused by:
  21  *       i) the modification of the ECC Code or
  22  *      ii) the combination of the ECC Code with other software or
  23  *          devices where such combination causes the infringement.
  24  *
  25  * The software is originally written by Sheueling Chang Shantz and
  26  * Douglas Stebila of Sun Microsystems Laboratories.
  27  *
  28  */
  29
  30 /* NOTE: This file is licensed pursuant to the OpenSSL license below
  31  * and may be modified; but after modifications, the above covenant
  32  * may no longer apply!  In such cases, the corresponding paragraph
  33  * ["In addition, Sun covenants ... causes the infringement."] and
  34  * this note can be edited out; but please keep the Sun copyright
  35  * notice and attribution. */
  36
  37 /* ====================================================================
  38  * Copyright (c) 1998-2002 The OpenSSL Project.  All rights reserved.
  39  *
  40  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  41  * modification, are permitted provided that the following conditions
  42  * are met:
  43  *
  44  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  45  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  46  *
  47  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  48  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in
  49  *    the documentation and/or other materials provided with the
  50  *    distribution.
  51  *
  52  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this
  53  *    software must display the following acknowledgment:
  54  *    "This product includes software developed by the OpenSSL Project
  55  *    for use in the OpenSSL Toolkit. (http://www.openssl.org/)"
  56  *
  57  * 4. The names "OpenSSL Toolkit" and "OpenSSL Project" must not be used to
  58  *    endorse or promote products derived from this software without
  59  *    prior written permission. For written permission, please contact
  60  *    openssl-core@openssl.org.
  61  *
  62  * 5. Products derived from this software may not be called "OpenSSL"
  63  *    nor may "OpenSSL" appear in their names without prior written
  64  *    permission of the OpenSSL Project.
  65  *
  66  * 6. Redistributions of any form whatsoever must retain the following
  67  *    acknowledgment:
  68  *    "This product includes software developed by the OpenSSL Project
  69  *    for use in the OpenSSL Toolkit (http://www.openssl.org/)"
  70  *
  71  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE OpenSSL PROJECT ``AS IS'' AND ANY
  72  * EXPRESSED OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  73  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR
  74  * PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE OpenSSL PROJECT OR
  75  * ITS CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
  76  * SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT
  77  * NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
  78  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  79  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT,
  80  * STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE)
  81  * ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED
  82  * OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  83  * ====================================================================
  84  *
  85  * This product includes cryptographic software written by Eric Young
  86  * (eay@cryptsoft.com).  This product includes software written by Tim
  87  * Hudson (tjh@cryptsoft.com).
  88  *
  89  */
  90
  91 #define OPENSSL_FIPSAPI
  92
  93 #include <assert.h>
  94 #include <limits.h>
  95 #include <stdio.h>
  96 #include "cryptlib.h"
  97 #include "bn_lcl.h"
  98
  99 #ifndef OPENSSL_NO_EC2M
 100
 101 /* Maximum number of iterations before BN_GF2m_mod_solve_quad_arr should fail. */
 102 #define MAX_ITERATIONS 50
 103
 104 static const BN_ULONG SQR_tb[16] =
 105   {     0,     1,     4,     5,    16,    17,    20,    21,
 106        64,    65,    68,    69,    80,    81,    84,    85 };
 107 /* Platform-specific macros to accelerate squaring. */
 108 #if defined(SIXTY_FOUR_BIT) || defined(SIXTY_FOUR_BIT_LONG)
 109 #define SQR1(w) \
 110     SQR_tb[(w) >> 60 & 0xF] << 56 | SQR_tb[(w) >> 56 & 0xF] << 48 | \
 111     SQR_tb[(w) >> 52 & 0xF] << 40 | SQR_tb[(w) >> 48 & 0xF] << 32 | \
 112     SQR_tb[(w) >> 44 & 0xF] << 24 | SQR_tb[(w) >> 40 & 0xF] << 16 | \
 113     SQR_tb[(w) >> 36 & 0xF] <<  8 | SQR_tb[(w) >> 32 & 0xF]
 114 #define SQR0(w) \
 115     SQR_tb[(w) >> 28 & 0xF] << 56 | SQR_tb[(w) >> 24 & 0xF] << 48 | \
 116     SQR_tb[(w) >> 20 & 0xF] << 40 | SQR_tb[(w) >> 16 & 0xF] << 32 | \
 117     SQR_tb[(w) >> 12 & 0xF] << 24 | SQR_tb[(w) >>  8 & 0xF] << 16 | \
 118     SQR_tb[(w) >>  4 & 0xF] <<  8 | SQR_tb[(w)       & 0xF]
 119 #endif
 120 #ifdef THIRTY_TWO_BIT
 121 #define SQR1(w) \
 122     SQR_tb[(w) >> 28 & 0xF] << 24 | SQR_tb[(w) >> 24 & 0xF] << 16 | \
 123     SQR_tb[(w) >> 20 & 0xF] <<  8 | SQR_tb[(w) >> 16 & 0xF]
 124 #define SQR0(w) \
 125     SQR_tb[(w) >> 12 & 0xF] << 24 | SQR_tb[(w) >>  8 & 0xF] << 16 | \
 126     SQR_tb[(w) >>  4 & 0xF] <<  8 | SQR_tb[(w)       & 0xF]
 127 #endif
 128
 129 #if !defined(OPENSSL_BN_ASM_GF2m)
 130 /* Product of two polynomials a, b each with degree < BN_BITS2 - 1,
 131  * result is a polynomial r with degree < 2 * BN_BITS - 1
 132  * The caller MUST ensure that the variables have the right amount
 133  * of space allocated.
 134  */
 135 #ifdef THIRTY_TWO_BIT
 136 static void bn_GF2m_mul_1x1(BN_ULONG *r1, BN_ULONG *r0, const BN_ULONG a, const BN_ULONG b)
 137         {
 138         register BN_ULONG h, l, s;
 139         BN_ULONG tab[8], top2b = a >> 30;
 140         register BN_ULONG a1, a2, a4;
 141
 142         a1 = a & (0x3FFFFFFF); a2 = a1 << 1; a4 = a2 << 1;
 143
 144         tab[0] =  0; tab[1] = a1;    tab[2] = a2;    tab[3] = a1^a2;
 145         tab[4] = a4; tab[5] = a1^a4; tab[6] = a2^a4; tab[7] = a1^a2^a4;
 146
 147         s = tab[b       & 0x7]; l  = s;
 148         s = tab[b >>  3 & 0x7]; l ^= s <<  3; h  = s >> 29;
 149         s = tab[b >>  6 & 0x7]; l ^= s <<  6; h ^= s >> 26;
 150         s = tab[b >>  9 & 0x7]; l ^= s <<  9; h ^= s >> 23;
 151         s = tab[b >> 12 & 0x7]; l ^= s << 12; h ^= s >> 20;
 152         s = tab[b >> 15 & 0x7]; l ^= s << 15; h ^= s >> 17;
 153         s = tab[b >> 18 & 0x7]; l ^= s << 18; h ^= s >> 14;
 154         s = tab[b >> 21 & 0x7]; l ^= s << 21; h ^= s >> 11;
 155         s = tab[b >> 24 & 0x7]; l ^= s << 24; h ^= s >>  8;
 156         s = tab[b >> 27 & 0x7]; l ^= s << 27; h ^= s >>  5;
 157         s = tab[b >> 30      ]; l ^= s << 30; h ^= s >>  2;
 158
 159         /* compensate for the top two bits of a */
 160
 161         if (top2b & 01) { l ^= b << 30; h ^= b >> 2; }
 162         if (top2b & 02) { l ^= b << 31; h ^= b >> 1; }
 163
 164         *r1 = h; *r0 = l;
 165         }
 166 #endif
 167 #if defined(SIXTY_FOUR_BIT) || defined(SIXTY_FOUR_BIT_LONG)
 168 static void bn_GF2m_mul_1x1(BN_ULONG *r1, BN_ULONG *r0, const BN_ULONG a, const BN_ULONG b)
 169         {
 170         register BN_ULONG h, l, s;
 171         BN_ULONG tab[16], top3b = a >> 61;
 172         register BN_ULONG a1, a2, a4, a8;
 173
 174         a1 = a & (0x1FFFFFFFFFFFFFFFULL); a2 = a1 << 1; a4 = a2 << 1; a8 = a4 << 1;
 175
 176         tab[ 0] = 0;     tab[ 1] = a1;       tab[ 2] = a2;       tab[ 3] = a1^a2;
 177         tab[ 4] = a4;    tab[ 5] = a1^a4;    tab[ 6] = a2^a4;    tab[ 7] = a1^a2^a4;
 178         tab[ 8] = a8;    tab[ 9] = a1^a8;    tab[10] = a2^a8;    tab[11] = a1^a2^a8;
 179         tab[12] = a4^a8; tab[13] = a1^a4^a8; tab[14] = a2^a4^a8; tab[15] = a1^a2^a4^a8;
 180
 181         s = tab[b       & 0xF]; l  = s;
 182         s = tab[b >>  4 & 0xF]; l ^= s <<  4; h  = s >> 60;
 183         s = tab[b >>  8 & 0xF]; l ^= s <<  8; h ^= s >> 56;
 184         s = tab[b >> 12 & 0xF]; l ^= s << 12; h ^= s >> 52;
 185         s = tab[b >> 16 & 0xF]; l ^= s << 16; h ^= s >> 48;
 186         s = tab[b >> 20 & 0xF]; l ^= s << 20; h ^= s >> 44;
 187         s = tab[b >> 24 & 0xF]; l ^= s << 24; h ^= s >> 40;
 188         s = tab[b >> 28 & 0xF]; l ^= s << 28; h ^= s >> 36;
 189         s = tab[b >> 32 & 0xF]; l ^= s << 32; h ^= s >> 32;
 190         s = tab[b >> 36 & 0xF]; l ^= s << 36; h ^= s >> 28;
 191         s = tab[b >> 40 & 0xF]; l ^= s << 40; h ^= s >> 24;
 192         s = tab[b >> 44 & 0xF]; l ^= s << 44; h ^= s >> 20;
 193         s = tab[b >> 48 & 0xF]; l ^= s << 48; h ^= s >> 16;
 194         s = tab[b >> 52 & 0xF]; l ^= s << 52; h ^= s >> 12;
 195         s = tab[b >> 56 & 0xF]; l ^= s << 56; h ^= s >>  8;
 196         s = tab[b >> 60      ]; l ^= s << 60; h ^= s >>  4;
 197
 198         /* compensate for the top three bits of a */
 199
 200         if (top3b & 01) { l ^= b << 61; h ^= b >> 3; }
 201         if (top3b & 02) { l ^= b << 62; h ^= b >> 2; }
 202         if (top3b & 04) { l ^= b << 63; h ^= b >> 1; }
 203
 204         *r1 = h; *r0 = l;
 205         }
 206 #endif
 207
 208 /* Product of two polynomials a, b each with degree < 2 * BN_BITS2 - 1,
 209  * result is a polynomial r with degree < 4 * BN_BITS2 - 1
 210  * The caller MUST ensure that the variables have the right amount
 211  * of space allocated.
 212  */
 213 static void bn_GF2m_mul_2x2(BN_ULONG *r, const BN_ULONG a1, const BN_ULONG a0, const BN_ULONG b1, const BN_ULONG b0)
 214         {
 215         BN_ULONG m1, m0;
 216         /* r[3] = h1, r[2] = h0; r[1] = l1; r[0] = l0 */
 217         bn_GF2m_mul_1x1(r+3, r+2, a1, b1);
 218         bn_GF2m_mul_1x1(r+1, r, a0, b0);
 219         bn_GF2m_mul_1x1(&m1, &m0, a0 ^ a1, b0 ^ b1);
 220         /* Correction on m1 ^= l1 ^ h1; m0 ^= l0 ^ h0; */
 221         r[2] ^= m1 ^ r[1] ^ r[3];  /* h0 ^= m1 ^ l1 ^ h1; */
 222         r[1] = r[3] ^ r[2] ^ r[0] ^ m1 ^ m0;  /* l1 ^= l0 ^ h0 ^ m0; */
 223         }
 224 #else
 225 void bn_GF2m_mul_2x2(BN_ULONG *r, BN_ULONG a1, BN_ULONG a0, BN_ULONG b1, BN_ULONG b0);
 226 #endif
 227
 228 /* Add polynomials a and b and store result in r; r could be a or b, a and b
 229  * could be equal; r is the bitwise XOR of a and b.
 230  */
 231 int     BN_GF2m_add(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *b)
 232         {
 233         int i;
 234         const BIGNUM *at, *bt;
 235
 236         bn_check_top(a);
 237         bn_check_top(b);
 238
 239         if (a->top < b->top) { at = b; bt = a; }
 240         else { at = a; bt = b; }
 241
 242         if(bn_wexpand(r, at->top) == NULL)
 243                 return 0;
 244
 245         for (i = 0; i < bt->top; i++)
 246                 {
 247                 r->d[i] = at->d[i] ^ bt->d[i];
 248                 }
 249         for (; i < at->top; i++)
 250                 {
 251                 r->d[i] = at->d[i];
 252                 }
 253
 254         r->top = at->top;
 255         bn_correct_top(r);
 256
 257         return 1;
 258         }
 259
 260
 261 /* Some functions allow for representation of the irreducible polynomials
 262  * as an int[], say p.  The irreducible f(t) is then of the form:
 263  *     t^p[0] + t^p[1] + ... + t^p[k]
 264  * where m = p[0] > p[1] > ... > p[k] = 0.
 265  */
 266
 267
 268 /* Performs modular reduction of a and store result in r.  r could be a. */
 269 int BN_GF2m_mod_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const int p[])
 270         {
 271         int j, k;
 272         int n, dN, d0, d1;
 273         BN_ULONG zz, *z;
 274
 275         bn_check_top(a);
 276
 277         if (!p[0])
 278                 {
 279                 /* reduction mod 1 => return 0 */
 280                 BN_zero(r);
 281                 return 1;
 282                 }
 283
 284         /* Since the algorithm does reduction in the r value, if a != r, copy
 285          * the contents of a into r so we can do reduction in r.
 286          */
 287         if (a != r)
 288                 {
 289                 if (!bn_wexpand(r, a->top)) return 0;
 290                 for (j = 0; j < a->top; j++)
 291                         {
 292                         r->d[j] = a->d[j];
 293                         }
 294                 r->top = a->top;
 295                 }
 296         z = r->d;
 297
 298         /* start reduction */
 299         dN = p[0] / BN_BITS2;
 300         for (j = r->top - 1; j > dN;)
 301                 {
 302                 zz = z[j];
 303                 if (z[j] == 0) { j--; continue; }
 304                 z[j] = 0;
 305
 306                 for (k = 1; p[k] != 0; k++)
 307                         {
 308                         /* reducing component t^p[k] */
 309                         n = p[0] - p[k];
 310                         d0 = n % BN_BITS2;  d1 = BN_BITS2 - d0;
 311                         n /= BN_BITS2;
 312                         z[j-n] ^= (zz>>d0);
 313                         if (d0) z[j-n-1] ^= (zz<<d1);
 314                         }
 315
 316                 /* reducing component t^0 */
 317                 n = dN;
 318                 d0 = p[0] % BN_BITS2;
 319                 d1 = BN_BITS2 - d0;
 320                 z[j-n] ^= (zz >> d0);
 321                 if (d0) z[j-n-1] ^= (zz << d1);
 322                 }
 323
 324         /* final round of reduction */
 325         while (j == dN)
 326                 {
 327
 328                 d0 = p[0] % BN_BITS2;
 329                 zz = z[dN] >> d0;
 330                 if (zz == 0) break;
 331                 d1 = BN_BITS2 - d0;
 332
 333                 /* clear up the top d1 bits */
 334                 if (d0)
 335                         z[dN] = (z[dN] << d1) >> d1;
 336                 else
 337                         z[dN] = 0;
 338                 z[0] ^= zz; /* reduction t^0 component */
 339
 340                 for (k = 1; p[k] != 0; k++)
 341                         {
 342                         BN_ULONG tmp_ulong;
 343
 344                         /* reducing component t^p[k]*/
 345                         n = p[k] / BN_BITS2;
 346                         d0 = p[k] % BN_BITS2;
 347                         d1 = BN_BITS2 - d0;
 348                         z[n] ^= (zz << d0);
 349                         tmp_ulong = zz >> d1;
 350                         if (d0 && tmp_ulong)
 351                                 z[n+1] ^= tmp_ulong;
 352                         }
 353
 354
 355                 }
 356
 357         bn_correct_top(r);
 358         return 1;
 359         }
 360
 361 /* Performs modular reduction of a by p and store result in r.  r could be a.
 362  *
 363  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_arr implementation; this wrapper
 364  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
 365  * BN_GF2m_mod_arr function.
 366  */
 367 int     BN_GF2m_mod(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p)
 368         {
 369         int ret = 0;
 370         int arr[6];
 371         bn_check_top(a);
 372         bn_check_top(p);
 373         ret = BN_GF2m_poly2arr(p, arr, sizeof(arr)/sizeof(arr[0]));
 374         if (!ret || ret > (int)(sizeof(arr)/sizeof(arr[0])))
 375                 {
 376                 BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD,BN_R_INVALID_LENGTH);
 377                 return 0;
 378                 }
 379         ret = BN_GF2m_mod_arr(r, a, arr);
 380         bn_check_top(r);
 381         return ret;
 382         }
 383
 384
 385 /* Compute the product of two polynomials a and b, reduce modulo p, and store
 386  * the result in r.  r could be a or b; a could be b.
 387  */
 388 int     BN_GF2m_mod_mul_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *b, const int p[], BN_CTX *ctx)
 389         {
 390         int zlen, i, j, k, ret = 0;
 391         BIGNUM *s;
 392         BN_ULONG x1, x0, y1, y0, zz[4];
 393
 394         bn_check_top(a);
 395         bn_check_top(b);
 396
 397         if (a == b)
 398                 {
 399                 return BN_GF2m_mod_sqr_arr(r, a, p, ctx);
 400                 }
 401
 402         BN_CTX_start(ctx);
 403         if ((s = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
 404
 405         zlen = a->top + b->top + 4;
 406         if (!bn_wexpand(s, zlen)) goto err;
 407         s->top = zlen;
 408
 409         for (i = 0; i < zlen; i++) s->d[i] = 0;
 410
 411         for (j = 0; j < b->top; j += 2)
 412                 {
 413                 y0 = b->d[j];
 414                 y1 = ((j+1) == b->top) ? 0 : b->d[j+1];
 415                 for (i = 0; i < a->top; i += 2)
 416                         {
 417                         x0 = a->d[i];
 418                         x1 = ((i+1) == a->top) ? 0 : a->d[i+1];
 419                         bn_GF2m_mul_2x2(zz, x1, x0, y1, y0);
 420                         for (k = 0; k < 4; k++) s->d[i+j+k] ^= zz[k];
 421                         }
 422                 }
 423
 424         bn_correct_top(s);
 425         if (BN_GF2m_mod_arr(r, s, p))
 426                 ret = 1;
 427         bn_check_top(r);
 428
 429 err:
 430         BN_CTX_end(ctx);
 431         return ret;
 432         }
 433
 434 /* Compute the product of two polynomials a and b, reduce modulo p, and store
 435  * the result in r.  r could be a or b; a could equal b.
 436  *
 437  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_mul_arr implementation; this wrapper
 438  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
 439  * BN_GF2m_mod_mul_arr function.
 440  */
 441 int     BN_GF2m_mod_mul(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *b, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
 442         {
 443         int ret = 0;
 444         const int max = BN_num_bits(p) + 1;
 445         int *arr=NULL;
 446         bn_check_top(a);
 447         bn_check_top(b);
 448         bn_check_top(p);
 449         if ((arr = (int *)OPENSSL_malloc(sizeof(int) * max)) == NULL) goto err;
 450         ret = BN_GF2m_poly2arr(p, arr, max);
 451         if (!ret || ret > max)
 452                 {
 453                 BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD_MUL,BN_R_INVALID_LENGTH);
 454                 goto err;
 455                 }
 456         ret = BN_GF2m_mod_mul_arr(r, a, b, arr, ctx);
 457         bn_check_top(r);
 458 err:
 459         if (arr) OPENSSL_free(arr);
 460         return ret;
 461         }
 462
 463
 464 /* Square a, reduce the result mod p, and store it in a.  r could be a. */
 465 int     BN_GF2m_mod_sqr_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const int p[], BN_CTX *ctx)
 466         {
 467         int i, ret = 0;
 468         BIGNUM *s;
 469
 470         bn_check_top(a);
 471         BN_CTX_start(ctx);
 472         if ((s = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) return 0;
 473         if (!bn_wexpand(s, 2 * a->top)) goto err;
 474
 475         for (i = a->top - 1; i >= 0; i--)
 476                 {
 477                 s->d[2*i+1] = SQR1(a->d[i]);
 478                 s->d[2*i  ] = SQR0(a->d[i]);
 479                 }
 480
 481         s->top = 2 * a->top;
 482         bn_correct_top(s);
 483         if (!BN_GF2m_mod_arr(r, s, p)) goto err;
 484         bn_check_top(r);
 485         ret = 1;
 486 err:
 487         BN_CTX_end(ctx);
 488         return ret;
 489         }
 490
 491 /* Square a, reduce the result mod p, and store it in a.  r could be a.
 492  *
 493  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_sqr_arr implementation; this wrapper
 494  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
 495  * BN_GF2m_mod_sqr_arr function.
 496  */
 497 int     BN_GF2m_mod_sqr(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
 498         {
 499         int ret = 0;
 500         const int max = BN_num_bits(p) + 1;
 501         int *arr=NULL;
 502
 503         bn_check_top(a);
 504         bn_check_top(p);
 505         if ((arr = (int *)OPENSSL_malloc(sizeof(int) * max)) == NULL) goto err;
 506         ret = BN_GF2m_poly2arr(p, arr, max);
 507         if (!ret || ret > max)
 508                 {
 509                 BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD_SQR,BN_R_INVALID_LENGTH);
 510                 goto err;
 511                 }
 512         ret = BN_GF2m_mod_sqr_arr(r, a, arr, ctx);
 513         bn_check_top(r);
 514 err:
 515         if (arr) OPENSSL_free(arr);
 516         return ret;
 517         }
 518
 519
 520 /* Invert a, reduce modulo p, and store the result in r. r could be a.
 521  * Uses Modified Almost Inverse Algorithm (Algorithm 10) from
 522  *     Hankerson, D., Hernandez, J.L., and Menezes, A.  "Software Implementation
 523  *     of Elliptic Curve Cryptography Over Binary Fields".
 524  */
 525 int BN_GF2m_mod_inv(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
 526         {
 527         BIGNUM *b, *c, *u, *v, *tmp;
 528         int ret = 0;
 529
 530         bn_check_top(a);
 531         bn_check_top(p);
 532
 533         BN_CTX_start(ctx);
 534
 535         if ((b = BN_CTX_get(ctx))==NULL) goto err;
 536         if ((c = BN_CTX_get(ctx))==NULL) goto err;
 537         if ((u = BN_CTX_get(ctx))==NULL) goto err;
 538         if ((v = BN_CTX_get(ctx))==NULL) goto err;
 539
 540         if (!BN_GF2m_mod(u, a, p)) goto err;
 541         if (BN_is_zero(u)) goto err;
 542
 543         if (!BN_copy(v, p)) goto err;
 544 #if 0
 545         if (!BN_one(b)) goto err;
 546
 547         while (1)
 548                 {
 549                 while (!BN_is_odd(u))
 550                         {
 551                         if (BN_is_zero(u)) goto err;
 552                         if (!BN_rshift1(u, u)) goto err;
 553                         if (BN_is_odd(b))
 554                                 {
 555                                 if (!BN_GF2m_add(b, b, p)) goto err;
 556                                 }
 557                         if (!BN_rshift1(b, b)) goto err;
 558                         }
 559
 560                 if (BN_abs_is_word(u, 1)) break;
 561
 562                 if (BN_num_bits(u) < BN_num_bits(v))
 563                         {
 564                         tmp = u; u = v; v = tmp;
 565                         tmp = b; b = c; c = tmp;
 566                         }
 567
 568                 if (!BN_GF2m_add(u, u, v)) goto err;
 569                 if (!BN_GF2m_add(b, b, c)) goto err;
 570                 }
 571 #else
 572         {
 573         int i,  ubits = BN_num_bits(u),
 574                 vbits = BN_num_bits(v), /* v is copy of p */
 575                 top = p->top;
 576         BN_ULONG *udp,*bdp,*vdp,*cdp;
 577
 578         bn_wexpand(u,top);      udp = u->d;
 579                                 for (i=u->top;i<top;i++) udp[i] = 0;
 580                                 u->top = top;
 581         bn_wexpand(b,top);      bdp = b->d;
 582                                 bdp[0] = 1;
 583                                 for (i=1;i<top;i++) bdp[i] = 0;
 584                                 b->top = top;
 585         bn_wexpand(c,top);      cdp = c->d;
 586                                 for (i=0;i<top;i++) cdp[i] = 0;
 587                                 c->top = top;
 588         vdp = v->d;     /* It pays off to "cache" *->d pointers, because
 589                          * it allows optimizer to be more aggressive.
 590                          * But we don't have to "cache" p->d, because *p
 591                          * is declared 'const'... */
 592         while (1)
 593                 {
 594                 while (ubits && !(udp[0]&1))
 595                         {
 596                         BN_ULONG u0,u1,b0,b1,mask;
 597
 598                         u0   = udp[0];
 599                         b0   = bdp[0];
 600                         mask = (BN_ULONG)0-(b0&1);
 601                         b0  ^= p->d[0]&mask;
 602                         for (i=0;i<top-1;i++)
 603                                 {
 604                                 u1 = udp[i+1];
 605                                 udp[i] = ((u0>>1)|(u1<<(BN_BITS2-1)))&BN_MASK2;
 606                                 u0 = u1;
 607                                 b1 = bdp[i+1]^(p->d[i+1]&mask);
 608                                 bdp[i] = ((b0>>1)|(b1<<(BN_BITS2-1)))&BN_MASK2;
 609                                 b0 = b1;
 610                                 }
 611                         udp[i] = u0>>1;
 612                         bdp[i] = b0>>1;
 613                         ubits--;
 614                         }
 615
 616                 if (ubits<=BN_BITS2 && udp[0]==1) break;
 617
 618                 if (ubits<vbits)
 619                         {
 620                         i = ubits; ubits = vbits; vbits = i;
 621                         tmp = u; u = v; v = tmp;
 622                         tmp = b; b = c; c = tmp;
 623                         udp = vdp; vdp = v->d;
 624                         bdp = cdp; cdp = c->d;
 625                         }
 626                 for(i=0;i<top;i++)
 627                         {
 628                         udp[i] ^= vdp[i];
 629                         bdp[i] ^= cdp[i];
 630                         }
 631                 if (ubits==vbits)
 632                         {
 633                         bn_fix_top(u);
 634                         ubits = BN_num_bits(u);
 635                         }
 636                 }
 637         bn_fix_top(b);
 638         }
 639 #endif
 640
 641         if (!BN_copy(r, b)) goto err;
 642         bn_check_top(r);
 643         ret = 1;
 644
 645 err:
 646         BN_CTX_end(ctx);
 647         return ret;
 648         }
 649
 650 /* Invert xx, reduce modulo p, and store the result in r. r could be xx.
 651  *
 652  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_inv implementation; this wrapper
 653  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
 654  * BN_GF2m_mod_inv function.
 655  */
 656 int BN_GF2m_mod_inv_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *xx, const int p[], BN_CTX *ctx)
 657         {
 658         BIGNUM *field;
 659         int ret = 0;
 660
 661         bn_check_top(xx);
 662         BN_CTX_start(ctx);
 663         if ((field = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
 664         if (!BN_GF2m_arr2poly(p, field)) goto err;
 665
 666         ret = BN_GF2m_mod_inv(r, xx, field, ctx);
 667         bn_check_top(r);
 668
 669 err:
 670         BN_CTX_end(ctx);
 671         return ret;
 672         }
 673
 674
 675 #ifndef OPENSSL_SUN_GF2M_DIV
 676 /* Divide y by x, reduce modulo p, and store the result in r. r could be x
 677  * or y, x could equal y.
 678  */
 679 int BN_GF2m_mod_div(BIGNUM *r, const BIGNUM *y, const BIGNUM *x, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
 680         {
 681         BIGNUM *xinv = NULL;
 682         int ret = 0;
 683
 684         bn_check_top(y);
 685         bn_check_top(x);
 686         bn_check_top(p);
 687
 688         BN_CTX_start(ctx);
 689         xinv = BN_CTX_get(ctx);
 690         if (xinv == NULL) goto err;
 691
 692         if (!BN_GF2m_mod_inv(xinv, x, p, ctx)) goto err;
 693         if (!BN_GF2m_mod_mul(r, y, xinv, p, ctx)) goto err;
 694         bn_check_top(r);
 695         ret = 1;
 696
 697 err:
 698         BN_CTX_end(ctx);
 699         return ret;
 700         }
 701 #else
 702 /* Divide y by x, reduce modulo p, and store the result in r. r could be x
 703  * or y, x could equal y.
 704  * Uses algorithm Modular_Division_GF(2^m) from
 705  *     Chang-Shantz, S.  "From Euclid's GCD to Montgomery Multiplication to
 706  *     the Great Divide".
 707  */
 708 int BN_GF2m_mod_div(BIGNUM *r, const BIGNUM *y, const BIGNUM *x, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
 709         {
 710         BIGNUM *a, *b, *u, *v;
 711         int ret = 0;
 712
 713         bn_check_top(y);
 714         bn_check_top(x);
 715         bn_check_top(p);
 716
 717         BN_CTX_start(ctx);
 718
 719         a = BN_CTX_get(ctx);
 720         b = BN_CTX_get(ctx);
 721         u = BN_CTX_get(ctx);
 722         v = BN_CTX_get(ctx);
 723         if (v == NULL) goto err;
 724
 725         /* reduce x and y mod p */
 726         if (!BN_GF2m_mod(u, y, p)) goto err;
 727         if (!BN_GF2m_mod(a, x, p)) goto err;
 728         if (!BN_copy(b, p)) goto err;
 729
 730         while (!BN_is_odd(a))
 731                 {
 732                 if (!BN_rshift1(a, a)) goto err;
 733                 if (BN_is_odd(u)) if (!BN_GF2m_add(u, u, p)) goto err;
 734                 if (!BN_rshift1(u, u)) goto err;
 735                 }
 736
 737         do
 738                 {
 739                 if (BN_GF2m_cmp(b, a) > 0)
 740                         {
 741                         if (!BN_GF2m_add(b, b, a)) goto err;
 742                         if (!BN_GF2m_add(v, v, u)) goto err;
 743                         do
 744                                 {
 745                                 if (!BN_rshift1(b, b)) goto err;
 746                                 if (BN_is_odd(v)) if (!BN_GF2m_add(v, v, p)) goto err;
 747                                 if (!BN_rshift1(v, v)) goto err;
 748                                 } while (!BN_is_odd(b));
 749                         }
 750                 else if (BN_abs_is_word(a, 1))
 751                         break;
 752                 else
 753                         {
 754                         if (!BN_GF2m_add(a, a, b)) goto err;
 755                         if (!BN_GF2m_add(u, u, v)) goto err;
 756                         do
 757                                 {
 758                                 if (!BN_rshift1(a, a)) goto err;
 759                                 if (BN_is_odd(u)) if (!BN_GF2m_add(u, u, p)) goto err;
 760                                 if (!BN_rshift1(u, u)) goto err;
 761                                 } while (!BN_is_odd(a));
 762                         }
 763                 } while (1);
 764
 765         if (!BN_copy(r, u)) goto err;
 766         bn_check_top(r);
 767         ret = 1;
 768
 769 err:
 770         BN_CTX_end(ctx);
 771         return ret;
 772         }
 773 #endif
 774
 775 /* Divide yy by xx, reduce modulo p, and store the result in r. r could be xx
 776  * or yy, xx could equal yy.
 777  *
 778  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_div implementation; this wrapper
 779  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
 780  * BN_GF2m_mod_div function.
 781  */
 782 int BN_GF2m_mod_div_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *yy, const BIGNUM *xx, const int p[], BN_CTX *ctx)
 783         {
 784         BIGNUM *field;
 785         int ret = 0;
 786
 787         bn_check_top(yy);
 788         bn_check_top(xx);
 789
 790         BN_CTX_start(ctx);
 791         if ((field = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
 792         if (!BN_GF2m_arr2poly(p, field)) goto err;
 793
 794         ret = BN_GF2m_mod_div(r, yy, xx, field, ctx);
 795         bn_check_top(r);
 796
 797 err:
 798         BN_CTX_end(ctx);
 799         return ret;
 800         }
 801
 802
 803 /* Compute the bth power of a, reduce modulo p, and store
 804  * the result in r.  r could be a.
 805  * Uses simple square-and-multiply algorithm A.5.1 from IEEE P1363.
 806  */
 807 int     BN_GF2m_mod_exp_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *b, const int p[], BN_CTX *ctx)
 808         {
 809         int ret = 0, i, n;
 810         BIGNUM *u;
 811
 812         bn_check_top(a);
 813         bn_check_top(b);
 814
 815         if (BN_is_zero(b))
 816                 return(BN_one(r));
 817
 818         if (BN_abs_is_word(b, 1))
 819                 return (BN_copy(r, a) != NULL);
 820
 821         BN_CTX_start(ctx);
 822         if ((u = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
 823
 824         if (!BN_GF2m_mod_arr(u, a, p)) goto err;
 825
 826         n = BN_num_bits(b) - 1;
 827         for (i = n - 1; i >= 0; i--)
 828                 {
 829                 if (!BN_GF2m_mod_sqr_arr(u, u, p, ctx)) goto err;
 830                 if (BN_is_bit_set(b, i))
 831                         {
 832                         if (!BN_GF2m_mod_mul_arr(u, u, a, p, ctx)) goto err;
 833                         }
 834                 }
 835         if (!BN_copy(r, u)) goto err;
 836         bn_check_top(r);
 837         ret = 1;
 838 err:
 839         BN_CTX_end(ctx);
 840         return ret;
 841         }
 842
 843 /* Compute the bth power of a, reduce modulo p, and store
 844  * the result in r.  r could be a.
 845  *
 846  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_exp_arr implementation; this wrapper
 847  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
 848  * BN_GF2m_mod_exp_arr function.
 849  */
 850 int BN_GF2m_mod_exp(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *b, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
 851         {
 852         int ret = 0;
 853         const int max = BN_num_bits(p) + 1;
 854         int *arr=NULL;
 855         bn_check_top(a);
 856         bn_check_top(b);
 857         bn_check_top(p);
 858         if ((arr = (int *)OPENSSL_malloc(sizeof(int) * max)) == NULL) goto err;
 859         ret = BN_GF2m_poly2arr(p, arr, max);
 860         if (!ret || ret > max)
 861                 {
 862                 BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD_EXP,BN_R_INVALID_LENGTH);
 863                 goto err;
 864                 }
 865         ret = BN_GF2m_mod_exp_arr(r, a, b, arr, ctx);
 866         bn_check_top(r);
 867 err:
 868         if (arr) OPENSSL_free(arr);
 869         return ret;
 870         }
 871
 872 /* Compute the square root of a, reduce modulo p, and store
 873  * the result in r.  r could be a.
 874  * Uses exponentiation as in algorithm A.4.1 from IEEE P1363.
 875  */
 876 int     BN_GF2m_mod_sqrt_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const int p[], BN_CTX *ctx)
 877         {
 878         int ret = 0;
 879         BIGNUM *u;
 880
 881         bn_check_top(a);
 882
 883         if (!p[0])
 884                 {
 885                 /* reduction mod 1 => return 0 */
 886                 BN_zero(r);
 887                 return 1;
 888                 }
 889
 890         BN_CTX_start(ctx);
 891         if ((u = BN_CTX_get(ctx)) == NULL) goto err;
 892
 893         if (!BN_set_bit(u, p[0] - 1)) goto err;
 894         ret = BN_GF2m_mod_exp_arr(r, a, u, p, ctx);
 895         bn_check_top(r);
 896
 897 err:
 898         BN_CTX_end(ctx);
 899         return ret;
 900         }
 901
 902 /* Compute the square root of a, reduce modulo p, and store
 903  * the result in r.  r could be a.
 904  *
 905  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_sqrt_arr implementation; this wrapper
 906  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
 907  * BN_GF2m_mod_sqrt_arr function.
 908  */
 909 int BN_GF2m_mod_sqrt(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
 910         {
 911         int ret = 0;
 912         const int max = BN_num_bits(p) + 1;
 913         int *arr=NULL;
 914         bn_check_top(a);
 915         bn_check_top(p);
 916         if ((arr = (int *)OPENSSL_malloc(sizeof(int) * max)) == NULL) goto err;
 917         ret = BN_GF2m_poly2arr(p, arr, max);
 918         if (!ret || ret > max)
 919                 {
 920                 BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD_SQRT,BN_R_INVALID_LENGTH);
 921                 goto err;
 922                 }
 923         ret = BN_GF2m_mod_sqrt_arr(r, a, arr, ctx);
 924         bn_check_top(r);
 925 err:
 926         if (arr) OPENSSL_free(arr);
 927         return ret;
 928         }
 929
 930 /* Find r such that r^2 + r = a mod p.  r could be a. If no r exists returns 0.
 931  * Uses algorithms A.4.7 and A.4.6 from IEEE P1363.
 932  */
 933 int BN_GF2m_mod_solve_quad_arr(BIGNUM *r, const BIGNUM *a_, const int p[], BN_CTX *ctx)
 934         {
 935         int ret = 0, count = 0, j;
 936         BIGNUM *a, *z, *rho, *w, *w2, *tmp;
 937
 938         bn_check_top(a_);
 939
 940         if (!p[0])
 941                 {
 942                 /* reduction mod 1 => return 0 */
 943                 BN_zero(r);
 944                 return 1;
 945                 }
 946
 947         BN_CTX_start(ctx);
 948         a = BN_CTX_get(ctx);
 949         z = BN_CTX_get(ctx);
 950         w = BN_CTX_get(ctx);
 951         if (w == NULL) goto err;
 952
 953         if (!BN_GF2m_mod_arr(a, a_, p)) goto err;
 954
 955         if (BN_is_zero(a))
 956                 {
 957                 BN_zero(r);
 958                 ret = 1;
 959                 goto err;
 960                 }
 961
 962         if (p[0] & 0x1) /* m is odd */
 963                 {
 964                 /* compute half-trace of a */
 965                 if (!BN_copy(z, a)) goto err;
 966                 for (j = 1; j <= (p[0] - 1) / 2; j++)
 967                         {
 968                         if (!BN_GF2m_mod_sqr_arr(z, z, p, ctx)) goto err;
 969                         if (!BN_GF2m_mod_sqr_arr(z, z, p, ctx)) goto err;
 970                         if (!BN_GF2m_add(z, z, a)) goto err;
 971                         }
 972
 973                 }
 974         else /* m is even */
 975                 {
 976                 rho = BN_CTX_get(ctx);
 977                 w2 = BN_CTX_get(ctx);
 978                 tmp = BN_CTX_get(ctx);
 979                 if (tmp == NULL) goto err;
 980                 do
 981                         {
 982                         if (!BN_rand(rho, p[0], 0, 0)) goto err;
 983                         if (!BN_GF2m_mod_arr(rho, rho, p)) goto err;
 984                         BN_zero(z);
 985                         if (!BN_copy(w, rho)) goto err;
 986                         for (j = 1; j <= p[0] - 1; j++)
 987                                 {
 988                                 if (!BN_GF2m_mod_sqr_arr(z, z, p, ctx)) goto err;
 989                                 if (!BN_GF2m_mod_sqr_arr(w2, w, p, ctx)) goto err;
 990                                 if (!BN_GF2m_mod_mul_arr(tmp, w2, a, p, ctx)) goto err;
 991                                 if (!BN_GF2m_add(z, z, tmp)) goto err;
 992                                 if (!BN_GF2m_add(w, w2, rho)) goto err;
 993                                 }
 994                         count++;
 995                         } while (BN_is_zero(w) && (count < MAX_ITERATIONS));
 996                 if (BN_is_zero(w))
 997                         {
 998                         BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD_SOLVE_QUAD_ARR,BN_R_TOO_MANY_ITERATIONS);
 999                         goto err;
1000                         }
1001                 }
1002
1003         if (!BN_GF2m_mod_sqr_arr(w, z, p, ctx)) goto err;
1004         if (!BN_GF2m_add(w, z, w)) goto err;
1005         if (BN_GF2m_cmp(w, a))
1006                 {
1007                 BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD_SOLVE_QUAD_ARR, BN_R_NO_SOLUTION);
1008                 goto err;
1009                 }
1010
1011         if (!BN_copy(r, z)) goto err;
1012         bn_check_top(r);
1013
1014         ret = 1;
1015
1016 err:
1017         BN_CTX_end(ctx);
1018         return ret;
1019         }
1020
1021 /* Find r such that r^2 + r = a mod p.  r could be a. If no r exists returns 0.
1022  *
1023  * This function calls down to the BN_GF2m_mod_solve_quad_arr implementation; this wrapper
1024  * function is only provided for convenience; for best performance, use the
1025  * BN_GF2m_mod_solve_quad_arr function.
1026  */
1027 int BN_GF2m_mod_solve_quad(BIGNUM *r, const BIGNUM *a, const BIGNUM *p, BN_CTX *ctx)
1028         {
1029         int ret = 0;
1030         const int max = BN_num_bits(p) + 1;
1031         int *arr=NULL;
1032         bn_check_top(a);
1033         bn_check_top(p);
1034         if ((arr = (int *)OPENSSL_malloc(sizeof(int) *
1035                                                 max)) == NULL) goto err;
1036         ret = BN_GF2m_poly2arr(p, arr, max);
1037         if (!ret || ret > max)
1038                 {
1039                 BNerr(BN_F_BN_GF2M_MOD_SOLVE_QUAD,BN_R_INVALID_LENGTH);
1040                 goto err;
1041                 }
1042         ret = BN_GF2m_mod_solve_quad_arr(r, a, arr, ctx);
1043         bn_check_top(r);
1044 err:
1045         if (arr) OPENSSL_free(arr);
1046         return ret;
1047         }
1048
1049 /* Convert the bit-string representation of a polynomial
1050  * ( \sum_{i=0}^n a_i * x^i) into an array of integers corresponding
1051  * to the bits with non-zero coefficient.  Array is terminated with -1.
1052  * Up to max elements of the array will be filled.  Return value is total
1053  * number of array elements that would be filled if array was large enough.
1054  */
1055 int BN_GF2m_poly2arr(const BIGNUM *a, int p[], int max)
1056         {
1057         int i, j, k = 0;
1058         BN_ULONG mask;
1059
1060         if (BN_is_zero(a))
1061                 return 0;
1062
1063         for (i = a->top - 1; i >= 0; i--)
1064                 {
1065                 if (!a->d[i])
1066                         /* skip word if a->d[i] == 0 */
1067                         continue;
1068                 mask = BN_TBIT;
1069                 for (j = BN_BITS2 - 1; j >= 0; j--)
1070                         {
1071                         if (a->d[i] & mask)
1072                                 {
1073                                 if (k < max) p[k] = BN_BITS2 * i + j;
1074                                 k++;
1075                                 }
1076                         mask >>= 1;
1077                         }
1078                 }
1079
1080         if (k < max) {
1081                 p[k] = -1;
1082                 k++;
1083         }
1084
1085         return k;
1086         }
1087
1088 /* Convert the coefficient array representation of a polynomial to a
1089  * bit-string.  The array must be terminated by -1.
1090  */
1091 int BN_GF2m_arr2poly(const int p[], BIGNUM *a)
1092         {
1093         int i;
1094
1095         bn_check_top(a);
1096         BN_zero(a);
1097         for (i = 0; p[i] != -1; i++)
1098                 {
1099                 if (BN_set_bit(a, p[i]) == 0)
1100                         return 0;
1101                 }
1102         bn_check_top(a);
1103
1104         return 1;
1105         }
1106
1107 #endif