crypto/ec/ec2_mult.c

   1 /* crypto/ec/ec2_mult.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  * The software is originally written by Sheueling Chang Shantz and
  13  * Douglas Stebila of Sun Microsystems Laboratories.
  14  *
  15  */
  16 /* ====================================================================
  17  * Copyright (c) 1998-2003 The OpenSSL Project.  All rights reserved.
  18  *
  19  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  20  * modification, are permitted provided that the following conditions
  21  * are met:
  22  *
  23  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  24  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  25  *
  26  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  27  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in
  28  *    the documentation and/or other materials provided with the
  29  *    distribution.
  30  *
  31  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this
  32  *    software must display the following acknowledgment:
  33  *    "This product includes software developed by the OpenSSL Project
  34  *    for use in the OpenSSL Toolkit. (http://www.openssl.org/)"
  35  *
  36  * 4. The names "OpenSSL Toolkit" and "OpenSSL Project" must not be used to
  37  *    endorse or promote products derived from this software without
  38  *    prior written permission. For written permission, please contact
  39  *    openssl-core@openssl.org.
  40  *
  41  * 5. Products derived from this software may not be called "OpenSSL"
  42  *    nor may "OpenSSL" appear in their names without prior written
  43  *    permission of the OpenSSL Project.
  44  *
  45  * 6. Redistributions of any form whatsoever must retain the following
  46  *    acknowledgment:
  47  *    "This product includes software developed by the OpenSSL Project
  48  *    for use in the OpenSSL Toolkit (http://www.openssl.org/)"
  49  *
  50  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE OpenSSL PROJECT ``AS IS'' AND ANY
  51  * EXPRESSED OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  52  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR
  53  * PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE OpenSSL PROJECT OR
  54  * ITS CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
  55  * SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT
  56  * NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
  57  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  58  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT,
  59  * STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE)
  60  * ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED
  61  * OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  62  * ====================================================================
  63  *
  64  * This product includes cryptographic software written by Eric Young
  65  * (eay@cryptsoft.com).  This product includes software written by Tim
  66  * Hudson (tjh@cryptsoft.com).
  67  *
  68  */
  69
  70 #include <openssl/err.h>
  71
  72 #include "ec_lcl.h"
  73
  74 #ifndef OPENSSL_NO_EC2M
  75
  76
  77 /*-
  78  * Compute the x-coordinate x/z for the point 2*(x/z) in Montgomery projective
  79  * coordinates.
  80  * Uses algorithm Mdouble in appendix of
  81  *     Lopez, J. and Dahab, R.  "Fast multiplication on elliptic curves over
  82  *     GF(2^m) without precomputation" (CHES '99, LNCS 1717).
  83  * modified to not require precomputation of c=b^{2^{m-1}}.
  84  */
  85 static int gf2m_Mdouble(const EC_GROUP *group, BIGNUM *x, BIGNUM *z, BN_CTX *ctx)
  86         {
  87         BIGNUM *t1;
  88         int ret = 0;
  89
  90         /* Since Mdouble is static we can guarantee that ctx != NULL. */
  91         BN_CTX_start(ctx);
  92         t1 = BN_CTX_get(ctx);
  93         if (t1 == NULL) goto err;
  94
  95         if (!group->meth->field_sqr(group, x, x, ctx)) goto err;
  96         if (!group->meth->field_sqr(group, t1, z, ctx)) goto err;
  97         if (!group->meth->field_mul(group, z, x, t1, ctx)) goto err;
  98         if (!group->meth->field_sqr(group, x, x, ctx)) goto err;
  99         if (!group->meth->field_sqr(group, t1, t1, ctx)) goto err;
 100         if (!group->meth->field_mul(group, t1, &group->b, t1, ctx)) goto err;
 101         if (!BN_GF2m_add(x, x, t1)) goto err;
 102
 103         ret = 1;
 104
 105  err:
 106         BN_CTX_end(ctx);
 107         return ret;
 108         }
 109
 110 /*-
 111  * Compute the x-coordinate x1/z1 for the point (x1/z1)+(x2/x2) in Montgomery
 112  * projective coordinates.
 113  * Uses algorithm Madd in appendix of
 114  *     Lopez, J. and Dahab, R.  "Fast multiplication on elliptic curves over
 115  *     GF(2^m) without precomputation" (CHES '99, LNCS 1717).
 116  */
 117 static int gf2m_Madd(const EC_GROUP *group, const BIGNUM *x, BIGNUM *x1, BIGNUM *z1,
 118         const BIGNUM *x2, const BIGNUM *z2, BN_CTX *ctx)
 119         {
 120         BIGNUM *t1, *t2;
 121         int ret = 0;
 122
 123         /* Since Madd is static we can guarantee that ctx != NULL. */
 124         BN_CTX_start(ctx);
 125         t1 = BN_CTX_get(ctx);
 126         t2 = BN_CTX_get(ctx);
 127         if (t2 == NULL) goto err;
 128
 129         if (!BN_copy(t1, x)) goto err;
 130         if (!group->meth->field_mul(group, x1, x1, z2, ctx)) goto err;
 131         if (!group->meth->field_mul(group, z1, z1, x2, ctx)) goto err;
 132         if (!group->meth->field_mul(group, t2, x1, z1, ctx)) goto err;
 133         if (!BN_GF2m_add(z1, z1, x1)) goto err;
 134         if (!group->meth->field_sqr(group, z1, z1, ctx)) goto err;
 135         if (!group->meth->field_mul(group, x1, z1, t1, ctx)) goto err;
 136         if (!BN_GF2m_add(x1, x1, t2)) goto err;
 137
 138         ret = 1;
 139
 140  err:
 141         BN_CTX_end(ctx);
 142         return ret;
 143         }
 144
 145 /*-
 146  * Compute the x, y affine coordinates from the point (x1, z1) (x2, z2)
 147  * using Montgomery point multiplication algorithm Mxy() in appendix of
 148  *     Lopez, J. and Dahab, R.  "Fast multiplication on elliptic curves over
 149  *     GF(2^m) without precomputation" (CHES '99, LNCS 1717).
 150  * Returns:
 151  *     0 on error
 152  *     1 if return value should be the point at infinity
 153  *     2 otherwise
 154  */
 155 static int gf2m_Mxy(const EC_GROUP *group, const BIGNUM *x, const BIGNUM *y, BIGNUM *x1,
 156         BIGNUM *z1, BIGNUM *x2, BIGNUM *z2, BN_CTX *ctx)
 157         {
 158         BIGNUM *t3, *t4, *t5;
 159         int ret = 0;
 160
 161         if (BN_is_zero(z1))
 162                 {
 163                 BN_zero(x2);
 164                 BN_zero(z2);
 165                 return 1;
 166                 }
 167
 168         if (BN_is_zero(z2))
 169                 {
 170                 if (!BN_copy(x2, x)) return 0;
 171                 if (!BN_GF2m_add(z2, x, y)) return 0;
 172                 return 2;
 173                 }
 174
 175         /* Since Mxy is static we can guarantee that ctx != NULL. */
 176         BN_CTX_start(ctx);
 177         t3 = BN_CTX_get(ctx);
 178         t4 = BN_CTX_get(ctx);
 179         t5 = BN_CTX_get(ctx);
 180         if (t5 == NULL) goto err;
 181
 182         if (!BN_one(t5)) goto err;
 183
 184         if (!group->meth->field_mul(group, t3, z1, z2, ctx)) goto err;
 185
 186         if (!group->meth->field_mul(group, z1, z1, x, ctx)) goto err;
 187         if (!BN_GF2m_add(z1, z1, x1)) goto err;
 188         if (!group->meth->field_mul(group, z2, z2, x, ctx)) goto err;
 189         if (!group->meth->field_mul(group, x1, z2, x1, ctx)) goto err;
 190         if (!BN_GF2m_add(z2, z2, x2)) goto err;
 191
 192         if (!group->meth->field_mul(group, z2, z2, z1, ctx)) goto err;
 193         if (!group->meth->field_sqr(group, t4, x, ctx)) goto err;
 194         if (!BN_GF2m_add(t4, t4, y)) goto err;
 195         if (!group->meth->field_mul(group, t4, t4, t3, ctx)) goto err;
 196         if (!BN_GF2m_add(t4, t4, z2)) goto err;
 197
 198         if (!group->meth->field_mul(group, t3, t3, x, ctx)) goto err;
 199         if (!group->meth->field_div(group, t3, t5, t3, ctx)) goto err;
 200         if (!group->meth->field_mul(group, t4, t3, t4, ctx)) goto err;
 201         if (!group->meth->field_mul(group, x2, x1, t3, ctx)) goto err;
 202         if (!BN_GF2m_add(z2, x2, x)) goto err;
 203
 204         if (!group->meth->field_mul(group, z2, z2, t4, ctx)) goto err;
 205         if (!BN_GF2m_add(z2, z2, y)) goto err;
 206
 207         ret = 2;
 208
 209  err:
 210         BN_CTX_end(ctx);
 211         return ret;
 212         }
 213
 214
 215 /*-
 216  * Computes scalar*point and stores the result in r.
 217  * point can not equal r.
 218  * Uses a modified algorithm 2P of
 219  *     Lopez, J. and Dahab, R.  "Fast multiplication on elliptic curves over
 220  *     GF(2^m) without precomputation" (CHES '99, LNCS 1717).
 221  *
 222  * To protect against side-channel attack the function uses constant time swap,
 223  * avoiding conditional branches.
 224  */
 225 static int ec_GF2m_montgomery_point_multiply(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
 226         const EC_POINT *point, BN_CTX *ctx)
 227         {
 228         BIGNUM *x1, *x2, *z1, *z2;
 229         int ret = 0, i;
 230         BN_ULONG mask,word;
 231
 232         if (r == point)
 233                 {
 234                 ECerr(EC_F_EC_GF2M_MONTGOMERY_POINT_MULTIPLY, EC_R_INVALID_ARGUMENT);
 235                 return 0;
 236                 }
 237
 238         /* if result should be point at infinity */
 239         if ((scalar == NULL) || BN_is_zero(scalar) || (point == NULL) ||
 240                 EC_POINT_is_at_infinity(group, point))
 241                 {
 242                 return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
 243                 }
 244
 245         /* only support affine coordinates */
 246         if (!point->Z_is_one) return 0;
 247
 248         /* Since point_multiply is static we can guarantee that ctx != NULL. */
 249         BN_CTX_start(ctx);
 250         x1 = BN_CTX_get(ctx);
 251         z1 = BN_CTX_get(ctx);
 252         if (z1 == NULL) goto err;
 253
 254         x2 = &r->X;
 255         z2 = &r->Y;
 256
 257         bn_wexpand(x1, group->field.top);
 258         bn_wexpand(z1, group->field.top);
 259         bn_wexpand(x2, group->field.top);
 260         bn_wexpand(z2, group->field.top);
 261
 262         if (!BN_GF2m_mod_arr(x1, &point->X, group->poly)) goto err; /* x1 = x */
 263         if (!BN_one(z1)) goto err; /* z1 = 1 */
 264         if (!group->meth->field_sqr(group, z2, x1, ctx)) goto err; /* z2 = x1^2 = x^2 */
 265         if (!group->meth->field_sqr(group, x2, z2, ctx)) goto err;
 266         if (!BN_GF2m_add(x2, x2, &group->b)) goto err; /* x2 = x^4 + b */
 267
 268         /* find top most bit and go one past it */
 269         i = scalar->top - 1;
 270         mask = BN_TBIT;
 271         word = scalar->d[i];
 272         while (!(word & mask)) mask >>= 1;
 273         mask >>= 1;
 274         /* if top most bit was at word break, go to next word */
 275         if (!mask)
 276                 {
 277                 i--;
 278                 mask = BN_TBIT;
 279                 }
 280
 281         for (; i >= 0; i--)
 282                 {
 283                 word = scalar->d[i];
 284                 while (mask)
 285                         {
 286                         BN_consttime_swap(word & mask, x1, x2, group->field.top);
 287                         BN_consttime_swap(word & mask, z1, z2, group->field.top);
 288                         if (!gf2m_Madd(group, &point->X, x2, z2, x1, z1, ctx)) goto err;
 289                         if (!gf2m_Mdouble(group, x1, z1, ctx)) goto err;
 290                         BN_consttime_swap(word & mask, x1, x2, group->field.top);
 291                         BN_consttime_swap(word & mask, z1, z2, group->field.top);
 292                         mask >>= 1;
 293                         }
 294                 mask = BN_TBIT;
 295                 }
 296
 297         /* convert out of "projective" coordinates */
 298         i = gf2m_Mxy(group, &point->X, &point->Y, x1, z1, x2, z2, ctx);
 299         if (i == 0) goto err;
 300         else if (i == 1)
 301                 {
 302                 if (!EC_POINT_set_to_infinity(group, r)) goto err;
 303                 }
 304         else
 305                 {
 306                 if (!BN_one(&r->Z)) goto err;
 307                 r->Z_is_one = 1;
 308                 }
 309
 310         /* GF(2^m) field elements should always have BIGNUM::neg = 0 */
 311         BN_set_negative(&r->X, 0);
 312         BN_set_negative(&r->Y, 0);
 313
 314         ret = 1;
 315
 316  err:
 317         BN_CTX_end(ctx);
 318         return ret;
 319         }
 320
 321
 322 /*-
 323  * Computes the sum
 324  *     scalar*group->generator + scalars[0]*points[0] + ... + scalars[num-1]*points[num-1]
 325  * gracefully ignoring NULL scalar values.
 326  */
 327 int ec_GF2m_simple_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
 328         size_t num, const EC_POINT *points[], const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
 329         {
 330         BN_CTX *new_ctx = NULL;
 331         int ret = 0;
 332         size_t i;
 333         EC_POINT *p=NULL;
 334         EC_POINT *acc = NULL;
 335
 336         if (ctx == NULL)
 337                 {
 338                 ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
 339                 if (ctx == NULL)
 340                         return 0;
 341                 }
 342
 343         /* This implementation is more efficient than the wNAF implementation for 2
 344          * or fewer points.  Use the ec_wNAF_mul implementation for 3 or more points,
 345          * or if we can perform a fast multiplication based on precomputation.
 346          */
 347         if ((scalar && (num > 1)) || (num > 2) || (num == 0 && EC_GROUP_have_precompute_mult(group)))
 348                 {
 349                 ret = ec_wNAF_mul(group, r, scalar, num, points, scalars, ctx);
 350                 goto err;
 351                 }
 352
 353         if ((p = EC_POINT_new(group)) == NULL) goto err;
 354         if ((acc = EC_POINT_new(group)) == NULL) goto err;
 355
 356         if (!EC_POINT_set_to_infinity(group, acc)) goto err;
 357
 358         if (scalar)
 359                 {
 360                 if (!ec_GF2m_montgomery_point_multiply(group, p, scalar, group->generator, ctx)) goto err;
 361                 if (BN_is_negative(scalar))
 362                         if (!group->meth->invert(group, p, ctx)) goto err;
 363                 if (!group->meth->add(group, acc, acc, p, ctx)) goto err;
 364                 }
 365
 366         for (i = 0; i < num; i++)
 367                 {
 368                 if (!ec_GF2m_montgomery_point_multiply(group, p, scalars[i], points[i], ctx)) goto err;
 369                 if (BN_is_negative(scalars[i]))
 370                         if (!group->meth->invert(group, p, ctx)) goto err;
 371                 if (!group->meth->add(group, acc, acc, p, ctx)) goto err;
 372                 }
 373
 374         if (!EC_POINT_copy(r, acc)) goto err;
 375
 376         ret = 1;
 377
 378   err:
 379         if (p) EC_POINT_free(p);
 380         if (acc) EC_POINT_free(acc);
 381         if (new_ctx != NULL)
 382                 BN_CTX_free(new_ctx);
 383         return ret;
 384         }
 385
 386
 387 /* Precomputation for point multiplication: fall back to wNAF methods
 388  * because ec_GF2m_simple_mul() uses ec_wNAF_mul() if appropriate */
 389
 390 int ec_GF2m_precompute_mult(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
 391         {
 392         return ec_wNAF_precompute_mult(group, ctx);
 393         }
 394
 395 int ec_GF2m_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
 396         {
 397         return ec_wNAF_have_precompute_mult(group);
 398         }
 399
 400 #endif