Merge Intel copyright notice into standard
[openssl.git] / crypto / ec / ecp_nistz256.c
1 /*
2  * Copyright 2014-2016 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
3  * Copyright (c) 2014, Intel Corporation. All Rights Reserved.
4  *
5  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
6  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
7  * in the file LICENSE in the source distribution or at
8  * https://www.openssl.org/source/license.html
9  *
10  * Originally written by Shay Gueron (1, 2), and Vlad Krasnov (1)
11  * (1) Intel Corporation, Israel Development Center, Haifa, Israel
12  * (2) University of Haifa, Israel
13  *
14  * Reference:
15  * S.Gueron and V.Krasnov, "Fast Prime Field Elliptic Curve Cryptography with
16  *                          256 Bit Primes"
17  */
18
19 #include <string.h>
20
21 #include "internal/cryptlib.h"
22 #include "internal/bn_int.h"
23 #include "ec_lcl.h"
24
25 #if BN_BITS2 != 64
26 # define TOBN(hi,lo)    lo,hi
27 #else
28 # define TOBN(hi,lo)    ((BN_ULONG)hi<<32|lo)
29 #endif
30
31 #if defined(__GNUC__)
32 # define ALIGN32        __attribute((aligned(32)))
33 #elif defined(_MSC_VER)
34 # define ALIGN32        __declspec(align(32))
35 #else
36 # define ALIGN32
37 #endif
38
39 #define ALIGNPTR(p,N)   ((unsigned char *)p+N-(size_t)p%N)
40 #define P256_LIMBS      (256/BN_BITS2)
41
42 typedef unsigned short u16;
43
44 typedef struct {
45     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
46     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
47     BN_ULONG Z[P256_LIMBS];
48 } P256_POINT;
49
50 typedef struct {
51     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
52     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
53 } P256_POINT_AFFINE;
54
55 typedef P256_POINT_AFFINE PRECOMP256_ROW[64];
56
57 /* structure for precomputed multiples of the generator */
58 struct nistz256_pre_comp_st {
59     const EC_GROUP *group;      /* Parent EC_GROUP object */
60     size_t w;                   /* Window size */
61     /*
62      * Constant time access to the X and Y coordinates of the pre-computed,
63      * generator multiplies, in the Montgomery domain. Pre-calculated
64      * multiplies are stored in affine form.
65      */
66     PRECOMP256_ROW *precomp;
67     void *precomp_storage;
68     CRYPTO_REF_COUNT references;
69     CRYPTO_RWLOCK *lock;
70 };
71
72 /* Functions implemented in assembly */
73 /*
74  * Most of below mentioned functions *preserve* the property of inputs
75  * being fully reduced, i.e. being in [0, modulus) range. Simply put if
76  * inputs are fully reduced, then output is too. Note that reverse is
77  * not true, in sense that given partially reduced inputs output can be
78  * either, not unlikely reduced. And "most" in first sentence refers to
79  * the fact that given the calculations flow one can tolerate that
80  * addition, 1st function below, produces partially reduced result *if*
81  * multiplications by 2 and 3, which customarily use addition, fully
82  * reduce it. This effectively gives two options: a) addition produces
83  * fully reduced result [as long as inputs are, just like remaining
84  * functions]; b) addition is allowed to produce partially reduced
85  * result, but multiplications by 2 and 3 perform additional reduction
86  * step. Choice between the two can be platform-specific, but it was a)
87  * in all cases so far...
88  */
89 /* Modular add: res = a+b mod P   */
90 void ecp_nistz256_add(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
91                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
92                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
93 /* Modular mul by 2: res = 2*a mod P */
94 void ecp_nistz256_mul_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
95                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
96 /* Modular mul by 3: res = 3*a mod P */
97 void ecp_nistz256_mul_by_3(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
98                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
99
100 /* Modular div by 2: res = a/2 mod P */
101 void ecp_nistz256_div_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
102                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
103 /* Modular sub: res = a-b mod P   */
104 void ecp_nistz256_sub(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
105                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
106                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
107 /* Modular neg: res = -a mod P    */
108 void ecp_nistz256_neg(BN_ULONG res[P256_LIMBS], const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
109 /* Montgomery mul: res = a*b*2^-256 mod P */
110 void ecp_nistz256_mul_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
111                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
112                            const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
113 /* Montgomery sqr: res = a*a*2^-256 mod P */
114 void ecp_nistz256_sqr_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
115                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
116 /* Convert a number from Montgomery domain, by multiplying with 1 */
117 void ecp_nistz256_from_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
118                             const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
119 /* Convert a number to Montgomery domain, by multiplying with 2^512 mod P*/
120 void ecp_nistz256_to_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
121                           const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
122 /* Functions that perform constant time access to the precomputed tables */
123 void ecp_nistz256_scatter_w5(P256_POINT *val,
124                              const P256_POINT *in_t, int idx);
125 void ecp_nistz256_gather_w5(P256_POINT *val,
126                             const P256_POINT *in_t, int idx);
127 void ecp_nistz256_scatter_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
128                              const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
129 void ecp_nistz256_gather_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
130                             const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
131
132 /* One converted into the Montgomery domain */
133 static const BN_ULONG ONE[P256_LIMBS] = {
134     TOBN(0x00000000, 0x00000001), TOBN(0xffffffff, 0x00000000),
135     TOBN(0xffffffff, 0xffffffff), TOBN(0x00000000, 0xfffffffe)
136 };
137
138 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group);
139
140 /* Precomputed tables for the default generator */
141 extern const PRECOMP256_ROW ecp_nistz256_precomputed[37];
142
143 /* Recode window to a signed digit, see ecp_nistputil.c for details */
144 static unsigned int _booth_recode_w5(unsigned int in)
145 {
146     unsigned int s, d;
147
148     s = ~((in >> 5) - 1);
149     d = (1 << 6) - in - 1;
150     d = (d & s) | (in & ~s);
151     d = (d >> 1) + (d & 1);
152
153     return (d << 1) + (s & 1);
154 }
155
156 static unsigned int _booth_recode_w7(unsigned int in)
157 {
158     unsigned int s, d;
159
160     s = ~((in >> 7) - 1);
161     d = (1 << 8) - in - 1;
162     d = (d & s) | (in & ~s);
163     d = (d >> 1) + (d & 1);
164
165     return (d << 1) + (s & 1);
166 }
167
168 static void copy_conditional(BN_ULONG dst[P256_LIMBS],
169                              const BN_ULONG src[P256_LIMBS], BN_ULONG move)
170 {
171     BN_ULONG mask1 = 0-move;
172     BN_ULONG mask2 = ~mask1;
173
174     dst[0] = (src[0] & mask1) ^ (dst[0] & mask2);
175     dst[1] = (src[1] & mask1) ^ (dst[1] & mask2);
176     dst[2] = (src[2] & mask1) ^ (dst[2] & mask2);
177     dst[3] = (src[3] & mask1) ^ (dst[3] & mask2);
178     if (P256_LIMBS == 8) {
179         dst[4] = (src[4] & mask1) ^ (dst[4] & mask2);
180         dst[5] = (src[5] & mask1) ^ (dst[5] & mask2);
181         dst[6] = (src[6] & mask1) ^ (dst[6] & mask2);
182         dst[7] = (src[7] & mask1) ^ (dst[7] & mask2);
183     }
184 }
185
186 static BN_ULONG is_zero(BN_ULONG in)
187 {
188     in |= (0 - in);
189     in = ~in;
190     in >>= BN_BITS2 - 1;
191     return in;
192 }
193
194 static BN_ULONG is_equal(const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
195                          const BN_ULONG b[P256_LIMBS])
196 {
197     BN_ULONG res;
198
199     res = a[0] ^ b[0];
200     res |= a[1] ^ b[1];
201     res |= a[2] ^ b[2];
202     res |= a[3] ^ b[3];
203     if (P256_LIMBS == 8) {
204         res |= a[4] ^ b[4];
205         res |= a[5] ^ b[5];
206         res |= a[6] ^ b[6];
207         res |= a[7] ^ b[7];
208     }
209
210     return is_zero(res);
211 }
212
213 static BN_ULONG is_one(const BIGNUM *z)
214 {
215     BN_ULONG res = 0;
216     BN_ULONG *a = bn_get_words(z);
217
218     if (bn_get_top(z) == (P256_LIMBS - P256_LIMBS / 8)) {
219         res = a[0] ^ ONE[0];
220         res |= a[1] ^ ONE[1];
221         res |= a[2] ^ ONE[2];
222         res |= a[3] ^ ONE[3];
223         if (P256_LIMBS == 8) {
224             res |= a[4] ^ ONE[4];
225             res |= a[5] ^ ONE[5];
226             res |= a[6] ^ ONE[6];
227             /*
228              * no check for a[7] (being zero) on 32-bit platforms,
229              * because value of "one" takes only 7 limbs.
230              */
231         }
232         res = is_zero(res);
233     }
234
235     return res;
236 }
237
238 /*
239  * For reference, this macro is used only when new ecp_nistz256 assembly
240  * module is being developed.  For example, configure with
241  * -DECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION and implement only functions
242  * performing simplest arithmetic operations on 256-bit vectors. Then
243  * work on implementation of higher-level functions performing point
244  * operations. Then remove ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
245  * and never define it again. (The correct macro denoting presence of
246  * ecp_nistz256 module is ECP_NISTZ256_ASM.)
247  */
248 #ifndef ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
249 void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a);
250 void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
251                             const P256_POINT *a, const P256_POINT *b);
252 void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
253                                    const P256_POINT *a,
254                                    const P256_POINT_AFFINE *b);
255 #else
256 /* Point double: r = 2*a */
257 static void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a)
258 {
259     BN_ULONG S[P256_LIMBS];
260     BN_ULONG M[P256_LIMBS];
261     BN_ULONG Zsqr[P256_LIMBS];
262     BN_ULONG tmp0[P256_LIMBS];
263
264     const BN_ULONG *in_x = a->X;
265     const BN_ULONG *in_y = a->Y;
266     const BN_ULONG *in_z = a->Z;
267
268     BN_ULONG *res_x = r->X;
269     BN_ULONG *res_y = r->Y;
270     BN_ULONG *res_z = r->Z;
271
272     ecp_nistz256_mul_by_2(S, in_y);
273
274     ecp_nistz256_sqr_mont(Zsqr, in_z);
275
276     ecp_nistz256_sqr_mont(S, S);
277
278     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, in_z, in_y);
279     ecp_nistz256_mul_by_2(res_z, res_z);
280
281     ecp_nistz256_add(M, in_x, Zsqr);
282     ecp_nistz256_sub(Zsqr, in_x, Zsqr);
283
284     ecp_nistz256_sqr_mont(res_y, S);
285     ecp_nistz256_div_by_2(res_y, res_y);
286
287     ecp_nistz256_mul_mont(M, M, Zsqr);
288     ecp_nistz256_mul_by_3(M, M);
289
290     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, in_x);
291     ecp_nistz256_mul_by_2(tmp0, S);
292
293     ecp_nistz256_sqr_mont(res_x, M);
294
295     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, tmp0);
296     ecp_nistz256_sub(S, S, res_x);
297
298     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, M);
299     ecp_nistz256_sub(res_y, S, res_y);
300 }
301
302 /* Point addition: r = a+b */
303 static void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
304                                    const P256_POINT *a, const P256_POINT *b)
305 {
306     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
307     BN_ULONG U1[P256_LIMBS], S1[P256_LIMBS];
308     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
309     BN_ULONG Z2sqr[P256_LIMBS];
310     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
311     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
312     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
313     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
314
315     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
316     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
317     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
318
319     BN_ULONG in1infty, in2infty;
320
321     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
322     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
323     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
324
325     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
326     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
327     const BN_ULONG *in2_z = b->Z;
328
329     /*
330      * Infinity in encoded as (,,0)
331      */
332     in1infty = (in1_z[0] | in1_z[1] | in1_z[2] | in1_z[3]);
333     if (P256_LIMBS == 8)
334         in1infty |= (in1_z[4] | in1_z[5] | in1_z[6] | in1_z[7]);
335
336     in2infty = (in2_z[0] | in2_z[1] | in2_z[2] | in2_z[3]);
337     if (P256_LIMBS == 8)
338         in2infty |= (in2_z[4] | in2_z[5] | in2_z[6] | in2_z[7]);
339
340     in1infty = is_zero(in1infty);
341     in2infty = is_zero(in2infty);
342
343     ecp_nistz256_sqr_mont(Z2sqr, in2_z);        /* Z2^2 */
344     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
345
346     ecp_nistz256_mul_mont(S1, Z2sqr, in2_z);    /* S1 = Z2^3 */
347     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
348
349     ecp_nistz256_mul_mont(S1, S1, in1_y);       /* S1 = Y1*Z2^3 */
350     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
351     ecp_nistz256_sub(R, S2, S1);                /* R = S2 - S1 */
352
353     ecp_nistz256_mul_mont(U1, in1_x, Z2sqr);    /* U1 = X1*Z2^2 */
354     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
355     ecp_nistz256_sub(H, U2, U1);                /* H = U2 - U1 */
356
357     /*
358      * This should not happen during sign/ecdh, so no constant time violation
359      */
360     if (is_equal(U1, U2) && !in1infty && !in2infty) {
361         if (is_equal(S1, S2)) {
362             ecp_nistz256_point_double(r, a);
363             return;
364         } else {
365             memset(r, 0, sizeof(*r));
366             return;
367         }
368     }
369
370     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
371     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
372     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
373     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, res_z, in2_z); /* Z3 = H*Z1*Z2 */
374     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
375
376     ecp_nistz256_mul_mont(U2, U1, Hsqr);        /* U1*H^2 */
377     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
378
379     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
380     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
381
382     ecp_nistz256_sub(res_y, U2, res_x);
383
384     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S1, Hcub);
385     ecp_nistz256_mul_mont(res_y, R, res_y);
386     ecp_nistz256_sub(res_y, res_y, S2);
387
388     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
389     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
390     copy_conditional(res_z, in2_z, in1infty);
391
392     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
393     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
394     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
395
396     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
397     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
398     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
399 }
400
401 /* Point addition when b is known to be affine: r = a+b */
402 static void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
403                                           const P256_POINT *a,
404                                           const P256_POINT_AFFINE *b)
405 {
406     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
407     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
408     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
409     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
410     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
411     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
412
413     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
414     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
415     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
416
417     BN_ULONG in1infty, in2infty;
418
419     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
420     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
421     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
422
423     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
424     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
425
426     /*
427      * Infinity in encoded as (,,0)
428      */
429     in1infty = (in1_z[0] | in1_z[1] | in1_z[2] | in1_z[3]);
430     if (P256_LIMBS == 8)
431         in1infty |= (in1_z[4] | in1_z[5] | in1_z[6] | in1_z[7]);
432
433     /*
434      * In affine representation we encode infinity as (0,0), which is
435      * not on the curve, so it is OK
436      */
437     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
438                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
439     if (P256_LIMBS == 8)
440         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
441                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
442
443     in1infty = is_zero(in1infty);
444     in2infty = is_zero(in2infty);
445
446     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
447
448     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
449     ecp_nistz256_sub(H, U2, in1_x);             /* H = U2 - U1 */
450
451     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
452
453     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
454
455     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
456     ecp_nistz256_sub(R, S2, in1_y);             /* R = S2 - S1 */
457
458     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
459     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
460     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
461
462     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in1_x, Hsqr);     /* U1*H^2 */
463     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
464
465     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
466     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
467     ecp_nistz256_sub(H, U2, res_x);
468
469     ecp_nistz256_mul_mont(S2, in1_y, Hcub);
470     ecp_nistz256_mul_mont(H, H, R);
471     ecp_nistz256_sub(res_y, H, S2);
472
473     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
474     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
475
476     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
477     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
478
479     copy_conditional(res_z, ONE, in1infty);
480     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
481
482     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
483     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
484     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
485 }
486 #endif
487
488 /* r = in^-1 mod p */
489 static void ecp_nistz256_mod_inverse(BN_ULONG r[P256_LIMBS],
490                                      const BN_ULONG in[P256_LIMBS])
491 {
492     /*
493      * The poly is ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000 ffffffff
494      * ffffffff ffffffff We use FLT and used poly-2 as exponent
495      */
496     BN_ULONG p2[P256_LIMBS];
497     BN_ULONG p4[P256_LIMBS];
498     BN_ULONG p8[P256_LIMBS];
499     BN_ULONG p16[P256_LIMBS];
500     BN_ULONG p32[P256_LIMBS];
501     BN_ULONG res[P256_LIMBS];
502     int i;
503
504     ecp_nistz256_sqr_mont(res, in);
505     ecp_nistz256_mul_mont(p2, res, in);         /* 3*p */
506
507     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p2);
508     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
509     ecp_nistz256_mul_mont(p4, res, p2);         /* f*p */
510
511     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p4);
512     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
513     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
514     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
515     ecp_nistz256_mul_mont(p8, res, p4);         /* ff*p */
516
517     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p8);
518     for (i = 0; i < 7; i++)
519         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
520     ecp_nistz256_mul_mont(p16, res, p8);        /* ffff*p */
521
522     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p16);
523     for (i = 0; i < 15; i++)
524         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
525     ecp_nistz256_mul_mont(p32, res, p16);       /* ffffffff*p */
526
527     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p32);
528     for (i = 0; i < 31; i++)
529         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
530     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
531
532     for (i = 0; i < 32 * 4; i++)
533         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
534     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
535
536     for (i = 0; i < 32; i++)
537         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
538     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
539
540     for (i = 0; i < 16; i++)
541         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
542     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p16);
543
544     for (i = 0; i < 8; i++)
545         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
546     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p8);
547
548     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
549     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
550     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
551     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
552     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p4);
553
554     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
555     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
556     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p2);
557
558     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
559     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
560     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
561
562     memcpy(r, res, sizeof(res));
563 }
564
565 /*
566  * ecp_nistz256_bignum_to_field_elem copies the contents of |in| to |out| and
567  * returns one if it fits. Otherwise it returns zero.
568  */
569 __owur static int ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(BN_ULONG out[P256_LIMBS],
570                                                     const BIGNUM *in)
571 {
572     return bn_copy_words(out, in, P256_LIMBS);
573 }
574
575 /* r = sum(scalar[i]*point[i]) */
576 __owur static int ecp_nistz256_windowed_mul(const EC_GROUP *group,
577                                             P256_POINT *r,
578                                             const BIGNUM **scalar,
579                                             const EC_POINT **point,
580                                             size_t num, BN_CTX *ctx)
581 {
582     size_t i;
583     int j, ret = 0;
584     unsigned int idx;
585     unsigned char (*p_str)[33] = NULL;
586     const unsigned int window_size = 5;
587     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
588     unsigned int wvalue;
589     P256_POINT *temp;           /* place for 5 temporary points */
590     const BIGNUM **scalars = NULL;
591     P256_POINT (*table)[16] = NULL;
592     void *table_storage = NULL;
593
594     if ((num * 16 + 6) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(P256_POINT)
595         || (table_storage =
596             OPENSSL_malloc((num * 16 + 5) * sizeof(P256_POINT) + 64)) == NULL
597         || (p_str =
598             OPENSSL_malloc(num * 33 * sizeof(unsigned char))) == NULL
599         || (scalars = OPENSSL_malloc(num * sizeof(BIGNUM *))) == NULL) {
600         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
601         goto err;
602     }
603
604     table = (void *)ALIGNPTR(table_storage, 64);
605     temp = (P256_POINT *)(table + num);
606
607     for (i = 0; i < num; i++) {
608         P256_POINT *row = table[i];
609
610         /* This is an unusual input, we don't guarantee constant-timeness. */
611         if ((BN_num_bits(scalar[i]) > 256) || BN_is_negative(scalar[i])) {
612             BIGNUM *mod;
613
614             if ((mod = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
615                 goto err;
616             if (!BN_nnmod(mod, scalar[i], group->order, ctx)) {
617                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_BN_LIB);
618                 goto err;
619             }
620             scalars[i] = mod;
621         } else
622             scalars[i] = scalar[i];
623
624         for (j = 0; j < bn_get_top(scalars[i]) * BN_BYTES; j += BN_BYTES) {
625             BN_ULONG d = bn_get_words(scalars[i])[j / BN_BYTES];
626
627             p_str[i][j + 0] = (unsigned char)d;
628             p_str[i][j + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
629             p_str[i][j + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
630             p_str[i][j + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
631             if (BN_BYTES == 8) {
632                 d >>= 8;
633                 p_str[i][j + 4] = (unsigned char)d;
634                 p_str[i][j + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
635                 p_str[i][j + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
636                 p_str[i][j + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
637             }
638         }
639         for (; j < 33; j++)
640             p_str[i][j] = 0;
641
642         if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].X, point[i]->X)
643             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Y, point[i]->Y)
644             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Z, point[i]->Z)) {
645             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL,
646                   EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
647             goto err;
648         }
649
650         /*
651          * row[0] is implicitly (0,0,0) (the point at infinity), therefore it
652          * is not stored. All other values are actually stored with an offset
653          * of -1 in table.
654          */
655
656         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[0], 1);
657         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[0]);              /*1+1=2  */
658         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 2);
659         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*2+1=3  */
660         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 3);
661         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*2=4  */
662         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 4);
663         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*3=6  */
664         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 6);
665         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[1], &temp[0]);    /*4+1=5  */
666         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 5);
667         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[2], &temp[0]);    /*6+1=7  */
668         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 7);
669         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*4=8  */
670         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 8);
671         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*6=12 */
672         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 12);
673         ecp_nistz256_point_double(&temp[3], &temp[3]);              /*2*5=10 */
674         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 10);
675         ecp_nistz256_point_double(&temp[4], &temp[4]);              /*2*7=14 */
676         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 14);
677         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[2], &temp[0]);    /*12+1=13*/
678         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 13);
679         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[3], &temp[0]);    /*10+1=11*/
680         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 11);
681         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[4], &temp[0]);    /*14+1=15*/
682         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 15);
683         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*8+1=9  */
684         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 9);
685         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*8=16 */
686         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 16);
687     }
688
689     idx = 255;
690
691     wvalue = p_str[0][(idx - 1) / 8];
692     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
693
694     /*
695      * We gather to temp[0], because we know it's position relative
696      * to table
697      */
698     ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[0], _booth_recode_w5(wvalue) >> 1);
699     memcpy(r, &temp[0], sizeof(temp[0]));
700
701     while (idx >= 5) {
702         for (i = (idx == 255 ? 1 : 0); i < num; i++) {
703             unsigned int off = (idx - 1) / 8;
704
705             wvalue = p_str[i][off] | p_str[i][off + 1] << 8;
706             wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
707
708             wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
709
710             ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
711
712             ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
713             copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, (wvalue & 1));
714
715             ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
716         }
717
718         idx -= window_size;
719
720         ecp_nistz256_point_double(r, r);
721         ecp_nistz256_point_double(r, r);
722         ecp_nistz256_point_double(r, r);
723         ecp_nistz256_point_double(r, r);
724         ecp_nistz256_point_double(r, r);
725     }
726
727     /* Final window */
728     for (i = 0; i < num; i++) {
729         wvalue = p_str[i][0];
730         wvalue = (wvalue << 1) & mask;
731
732         wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
733
734         ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
735
736         ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
737         copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, wvalue & 1);
738
739         ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
740     }
741
742     ret = 1;
743  err:
744     OPENSSL_free(table_storage);
745     OPENSSL_free(p_str);
746     OPENSSL_free(scalars);
747     return ret;
748 }
749
750 /* Coordinates of G, for which we have precomputed tables */
751 static const BN_ULONG def_xG[P256_LIMBS] = {
752     TOBN(0x79e730d4, 0x18a9143c), TOBN(0x75ba95fc, 0x5fedb601),
753     TOBN(0x79fb732b, 0x77622510), TOBN(0x18905f76, 0xa53755c6)
754 };
755
756 static const BN_ULONG def_yG[P256_LIMBS] = {
757     TOBN(0xddf25357, 0xce95560a), TOBN(0x8b4ab8e4, 0xba19e45c),
758     TOBN(0xd2e88688, 0xdd21f325), TOBN(0x8571ff18, 0x25885d85)
759 };
760
761 /*
762  * ecp_nistz256_is_affine_G returns one if |generator| is the standard, P-256
763  * generator.
764  */
765 static int ecp_nistz256_is_affine_G(const EC_POINT *generator)
766 {
767     return (bn_get_top(generator->X) == P256_LIMBS) &&
768         (bn_get_top(generator->Y) == P256_LIMBS) &&
769         is_equal(bn_get_words(generator->X), def_xG) &&
770         is_equal(bn_get_words(generator->Y), def_yG) &&
771         is_one(generator->Z);
772 }
773
774 __owur static int ecp_nistz256_mult_precompute(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
775 {
776     /*
777      * We precompute a table for a Booth encoded exponent (wNAF) based
778      * computation. Each table holds 64 values for safe access, with an
779      * implicit value of infinity at index zero. We use window of size 7, and
780      * therefore require ceil(256/7) = 37 tables.
781      */
782     const BIGNUM *order;
783     EC_POINT *P = NULL, *T = NULL;
784     const EC_POINT *generator;
785     NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp;
786     BN_CTX *new_ctx = NULL;
787     int i, j, k, ret = 0;
788     size_t w;
789
790     PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
791     unsigned char *precomp_storage = NULL;
792
793     /* if there is an old NISTZ256_PRE_COMP object, throw it away */
794     EC_pre_comp_free(group);
795     generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
796     if (generator == NULL) {
797         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
798         return 0;
799     }
800
801     if (ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
802         /*
803          * No need to calculate tables for the standard generator because we
804          * have them statically.
805          */
806         return 1;
807     }
808
809     if ((pre_comp = ecp_nistz256_pre_comp_new(group)) == NULL)
810         return 0;
811
812     if (ctx == NULL) {
813         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
814         if (ctx == NULL)
815             goto err;
816     }
817
818     BN_CTX_start(ctx);
819
820     order = EC_GROUP_get0_order(group);
821     if (order == NULL)
822         goto err;
823
824     if (BN_is_zero(order)) {
825         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
826         goto err;
827     }
828
829     w = 7;
830
831     if ((precomp_storage =
832          OPENSSL_malloc(37 * 64 * sizeof(P256_POINT_AFFINE) + 64)) == NULL) {
833         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
834         goto err;
835     }
836
837     preComputedTable = (void *)ALIGNPTR(precomp_storage, 64);
838
839     P = EC_POINT_new(group);
840     T = EC_POINT_new(group);
841     if (P == NULL || T == NULL)
842         goto err;
843
844     /*
845      * The zero entry is implicitly infinity, and we skip it, storing other
846      * values with -1 offset.
847      */
848     if (!EC_POINT_copy(T, generator))
849         goto err;
850
851     for (k = 0; k < 64; k++) {
852         if (!EC_POINT_copy(P, T))
853             goto err;
854         for (j = 0; j < 37; j++) {
855             P256_POINT_AFFINE temp;
856             /*
857              * It would be faster to use EC_POINTs_make_affine and
858              * make multiple points affine at the same time.
859              */
860             if (!EC_POINT_make_affine(group, P, ctx))
861                 goto err;
862             if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.X, P->X) ||
863                 !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.Y, P->Y)) {
864                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE,
865                       EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
866                 goto err;
867             }
868             ecp_nistz256_scatter_w7(preComputedTable[j], &temp, k);
869             for (i = 0; i < 7; i++) {
870                 if (!EC_POINT_dbl(group, P, P, ctx))
871                     goto err;
872             }
873         }
874         if (!EC_POINT_add(group, T, T, generator, ctx))
875             goto err;
876     }
877
878     pre_comp->group = group;
879     pre_comp->w = w;
880     pre_comp->precomp = preComputedTable;
881     pre_comp->precomp_storage = precomp_storage;
882     precomp_storage = NULL;
883     SETPRECOMP(group, nistz256, pre_comp);
884     pre_comp = NULL;
885     ret = 1;
886
887  err:
888     if (ctx != NULL)
889         BN_CTX_end(ctx);
890     BN_CTX_free(new_ctx);
891
892     EC_nistz256_pre_comp_free(pre_comp);
893     OPENSSL_free(precomp_storage);
894     EC_POINT_free(P);
895     EC_POINT_free(T);
896     return ret;
897 }
898
899 /*
900  * Note that by default ECP_NISTZ256_AVX2 is undefined. While it's great
901  * code processing 4 points in parallel, corresponding serial operation
902  * is several times slower, because it uses 29x29=58-bit multiplication
903  * as opposite to 64x64=128-bit in integer-only scalar case. As result
904  * it doesn't provide *significant* performance improvement. Note that
905  * just defining ECP_NISTZ256_AVX2 is not sufficient to make it work,
906  * you'd need to compile even asm/ecp_nistz256-avx.pl module.
907  */
908 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
909 # if !(defined(__x86_64) || defined(__x86_64__) || \
910        defined(_M_AMD64) || defined(_MX64)) || \
911      !(defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)) /* this is for ALIGN32 */
912 #  undef ECP_NISTZ256_AVX2
913 # else
914 /* Constant time access, loading four values, from four consecutive tables */
915 void ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(void *result, const void *in,
916                                        int index0, int index1, int index2,
917                                        int index3);
918 void ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(void *RESULTx4, const void *in);
919 void ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(void *result, const void *Ax4);
920 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
921                                            const void *Bx4);
922 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
923                                             const void *Bx4);
924 void ecp_nistz256_avx2_to_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
925 void ecp_nistz256_avx2_from_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
926 void ecp_nistz256_avx2_set1(void *RESULTx4);
927 int ecp_nistz_avx2_eligible(void);
928
929 static void booth_recode_w7(unsigned char *sign,
930                             unsigned char *digit, unsigned char in)
931 {
932     unsigned char s, d;
933
934     s = ~((in >> 7) - 1);
935     d = (1 << 8) - in - 1;
936     d = (d & s) | (in & ~s);
937     d = (d >> 1) + (d & 1);
938
939     *sign = s & 1;
940     *digit = d;
941 }
942
943 /*
944  * ecp_nistz256_avx2_mul_g performs multiplication by G, using only the
945  * precomputed table. It does 4 affine point additions in parallel,
946  * significantly speeding up point multiplication for a fixed value.
947  */
948 static void ecp_nistz256_avx2_mul_g(P256_POINT *r,
949                                     unsigned char p_str[33],
950                                     const P256_POINT_AFFINE(*preComputedTable)[64])
951 {
952     const unsigned int window_size = 7;
953     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
954     unsigned int wvalue;
955     /* Using 4 windows at a time */
956     unsigned char sign0, digit0;
957     unsigned char sign1, digit1;
958     unsigned char sign2, digit2;
959     unsigned char sign3, digit3;
960     unsigned int idx = 0;
961     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
962     int i;
963
964     ALIGN32 BN_ULONG aX4[4 * 9 * 3] = { 0 };
965     ALIGN32 BN_ULONG bX4[4 * 9 * 2] = { 0 };
966     ALIGN32 P256_POINT_AFFINE point_arr[4];
967     ALIGN32 P256_POINT res_point_arr[4];
968
969     /* Initial four windows */
970     wvalue = *((u16 *) & p_str[0]);
971     wvalue = (wvalue << 1) & mask;
972     idx += window_size;
973     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
974     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
975     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
976     idx += window_size;
977     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
978     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
979     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
980     idx += window_size;
981     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
982     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
983     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
984     idx += window_size;
985     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
986
987     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[0],
988                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
989
990     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
991     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
992     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
993     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
994     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
995     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
996     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
997     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
998
999     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(aX4, point_arr);
1000     ecp_nistz256_avx2_to_mont(aX4, aX4);
1001     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&aX4[4 * 9], &aX4[4 * 9]);
1002     ecp_nistz256_avx2_set1(&aX4[4 * 9 * 2]);
1003
1004     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1005     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1006     idx += window_size;
1007     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1008     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1009     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1010     idx += window_size;
1011     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1012     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1013     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1014     idx += window_size;
1015     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1016     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1017     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1018     idx += window_size;
1019     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1020
1021     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[4 * 1],
1022                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
1023
1024     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1025     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1026     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1027     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1028     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1029     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1030     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1031     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1032
1033     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1034     ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1035     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1036     /* Optimized when both inputs are affine */
1037     ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(aX4, aX4, bX4);
1038
1039     for (i = 2; i < 9; i++) {
1040         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1041         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1042         idx += window_size;
1043         booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1044         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1045         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1046         idx += window_size;
1047         booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1048         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1049         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1050         idx += window_size;
1051         booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1052         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1053         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1054         idx += window_size;
1055         booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1056
1057         ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr,
1058                                           preComputedTable[4 * i],
1059                                           digit0, digit1, digit2, digit3);
1060
1061         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1062         copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1063         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1064         copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1065         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1066         copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1067         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1068         copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1069
1070         ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1071         ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1072         ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1073
1074         ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(aX4, aX4, bX4);
1075     }
1076
1077     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 0], &aX4[4 * 9 * 0]);
1078     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 1], &aX4[4 * 9 * 1]);
1079     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 2], &aX4[4 * 9 * 2]);
1080
1081     ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(res_point_arr, aX4);
1082     /* Last window is performed serially */
1083     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1084     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1085     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1086     ecp_nistz256_gather_w7((P256_POINT_AFFINE *)r,
1087                            preComputedTable[36], digit0);
1088     ecp_nistz256_neg(tmp, r->Y);
1089     copy_conditional(r->Y, tmp, sign0);
1090     memcpy(r->Z, ONE, sizeof(ONE));
1091     /* Sum the four windows */
1092     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[0]);
1093     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[1]);
1094     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[2]);
1095     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[3]);
1096 }
1097 # endif
1098 #endif
1099
1100 __owur static int ecp_nistz256_set_from_affine(EC_POINT *out, const EC_GROUP *group,
1101                                                const P256_POINT_AFFINE *in,
1102                                                BN_CTX *ctx)
1103 {
1104     BIGNUM *x, *y;
1105     BN_ULONG d_x[P256_LIMBS], d_y[P256_LIMBS];
1106     int ret = 0;
1107
1108     x = BN_new();
1109     if (x == NULL)
1110         return 0;
1111     y = BN_new();
1112     if (y == NULL) {
1113         BN_free(x);
1114         return 0;
1115     }
1116     memcpy(d_x, in->X, sizeof(d_x));
1117     bn_set_static_words(x, d_x, P256_LIMBS);
1118
1119     memcpy(d_y, in->Y, sizeof(d_y));
1120     bn_set_static_words(y, d_y, P256_LIMBS);
1121
1122     ret = EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, out, x, y, ctx);
1123
1124     BN_free(x);
1125     BN_free(y);
1126
1127     return ret;
1128 }
1129
1130 /* r = scalar*G + sum(scalars[i]*points[i]) */
1131 __owur static int ecp_nistz256_points_mul(const EC_GROUP *group,
1132                                           EC_POINT *r,
1133                                           const BIGNUM *scalar,
1134                                           size_t num,
1135                                           const EC_POINT *points[],
1136                                           const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
1137 {
1138     int i = 0, ret = 0, no_precomp_for_generator = 0, p_is_infinity = 0;
1139     size_t j;
1140     unsigned char p_str[33] = { 0 };
1141     const PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
1142     const NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp = NULL;
1143     const EC_POINT *generator = NULL;
1144     BN_CTX *new_ctx = NULL;
1145     const BIGNUM **new_scalars = NULL;
1146     const EC_POINT **new_points = NULL;
1147     unsigned int idx = 0;
1148     const unsigned int window_size = 7;
1149     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
1150     unsigned int wvalue;
1151     ALIGN32 union {
1152         P256_POINT p;
1153         P256_POINT_AFFINE a;
1154     } t, p;
1155     BIGNUM *tmp_scalar;
1156
1157     if ((num + 1) == 0 || (num + 1) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(void *)) {
1158         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1159         return 0;
1160     }
1161
1162     if (group->meth != r->meth) {
1163         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1164         return 0;
1165     }
1166
1167     if ((scalar == NULL) && (num == 0))
1168         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
1169
1170     for (j = 0; j < num; j++) {
1171         if (group->meth != points[j]->meth) {
1172             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1173             return 0;
1174         }
1175     }
1176
1177     if (ctx == NULL) {
1178         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
1179         if (ctx == NULL)
1180             goto err;
1181     }
1182
1183     BN_CTX_start(ctx);
1184
1185     if (scalar) {
1186         generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1187         if (generator == NULL) {
1188             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
1189             goto err;
1190         }
1191
1192         /* look if we can use precomputed multiples of generator */
1193         pre_comp = group->pre_comp.nistz256;
1194
1195         if (pre_comp) {
1196             /*
1197              * If there is a precomputed table for the generator, check that
1198              * it was generated with the same generator.
1199              */
1200             EC_POINT *pre_comp_generator = EC_POINT_new(group);
1201             if (pre_comp_generator == NULL)
1202                 goto err;
1203
1204             if (!ecp_nistz256_set_from_affine(pre_comp_generator,
1205                                               group, pre_comp->precomp[0],
1206                                               ctx)) {
1207                 EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1208                 goto err;
1209             }
1210
1211             if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, pre_comp_generator, ctx))
1212                 preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)pre_comp->precomp;
1213
1214             EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1215         }
1216
1217         if (preComputedTable == NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1218             /*
1219              * If there is no precomputed data, but the generator is the
1220              * default, a hardcoded table of precomputed data is used. This
1221              * is because applications, such as Apache, do not use
1222              * EC_KEY_precompute_mult.
1223              */
1224             preComputedTable = ecp_nistz256_precomputed;
1225         }
1226
1227         if (preComputedTable) {
1228             if ((BN_num_bits(scalar) > 256)
1229                 || BN_is_negative(scalar)) {
1230                 if ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
1231                     goto err;
1232
1233                 if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, group->order, ctx)) {
1234                     ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
1235                     goto err;
1236                 }
1237                 scalar = tmp_scalar;
1238             }
1239
1240             for (i = 0; i < bn_get_top(scalar) * BN_BYTES; i += BN_BYTES) {
1241                 BN_ULONG d = bn_get_words(scalar)[i / BN_BYTES];
1242
1243                 p_str[i + 0] = (unsigned char)d;
1244                 p_str[i + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
1245                 p_str[i + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
1246                 p_str[i + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
1247                 if (BN_BYTES == 8) {
1248                     d >>= 8;
1249                     p_str[i + 4] = (unsigned char)d;
1250                     p_str[i + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
1251                     p_str[i + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
1252                     p_str[i + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
1253                 }
1254             }
1255
1256             for (; i < 33; i++)
1257                 p_str[i] = 0;
1258
1259 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
1260             if (ecp_nistz_avx2_eligible()) {
1261                 ecp_nistz256_avx2_mul_g(&p.p, p_str, preComputedTable);
1262             } else
1263 #endif
1264             {
1265                 BN_ULONG infty;
1266
1267                 /* First window */
1268                 wvalue = (p_str[0] << 1) & mask;
1269                 idx += window_size;
1270
1271                 wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1272
1273                 ecp_nistz256_gather_w7(&p.a, preComputedTable[0],
1274                                        wvalue >> 1);
1275
1276                 ecp_nistz256_neg(p.p.Z, p.p.Y);
1277                 copy_conditional(p.p.Y, p.p.Z, wvalue & 1);
1278
1279                 /*
1280                  * Since affine infinity is encoded as (0,0) and
1281                  * Jacobian ias (,,0), we need to harmonize them
1282                  * by assigning "one" or zero to Z.
1283                  */
1284                 infty = (p.p.X[0] | p.p.X[1] | p.p.X[2] | p.p.X[3] |
1285                          p.p.Y[0] | p.p.Y[1] | p.p.Y[2] | p.p.Y[3]);
1286                 if (P256_LIMBS == 8)
1287                     infty |= (p.p.X[4] | p.p.X[5] | p.p.X[6] | p.p.X[7] |
1288                               p.p.Y[4] | p.p.Y[5] | p.p.Y[6] | p.p.Y[7]);
1289
1290                 infty = 0 - is_zero(infty);
1291                 infty = ~infty;
1292
1293                 p.p.Z[0] = ONE[0] & infty;
1294                 p.p.Z[1] = ONE[1] & infty;
1295                 p.p.Z[2] = ONE[2] & infty;
1296                 p.p.Z[3] = ONE[3] & infty;
1297                 if (P256_LIMBS == 8) {
1298                     p.p.Z[4] = ONE[4] & infty;
1299                     p.p.Z[5] = ONE[5] & infty;
1300                     p.p.Z[6] = ONE[6] & infty;
1301                     p.p.Z[7] = ONE[7] & infty;
1302                 }
1303
1304                 for (i = 1; i < 37; i++) {
1305                     unsigned int off = (idx - 1) / 8;
1306                     wvalue = p_str[off] | p_str[off + 1] << 8;
1307                     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1308                     idx += window_size;
1309
1310                     wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1311
1312                     ecp_nistz256_gather_w7(&t.a,
1313                                            preComputedTable[i], wvalue >> 1);
1314
1315                     ecp_nistz256_neg(t.p.Z, t.a.Y);
1316                     copy_conditional(t.a.Y, t.p.Z, wvalue & 1);
1317
1318                     ecp_nistz256_point_add_affine(&p.p, &p.p, &t.a);
1319                 }
1320             }
1321         } else {
1322             p_is_infinity = 1;
1323             no_precomp_for_generator = 1;
1324         }
1325     } else
1326         p_is_infinity = 1;
1327
1328     if (no_precomp_for_generator) {
1329         /*
1330          * Without a precomputed table for the generator, it has to be
1331          * handled like a normal point.
1332          */
1333         new_scalars = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(BIGNUM *));
1334         if (new_scalars == NULL) {
1335             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1336             goto err;
1337         }
1338
1339         new_points = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(EC_POINT *));
1340         if (new_points == NULL) {
1341             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1342             goto err;
1343         }
1344
1345         memcpy(new_scalars, scalars, num * sizeof(BIGNUM *));
1346         new_scalars[num] = scalar;
1347         memcpy(new_points, points, num * sizeof(EC_POINT *));
1348         new_points[num] = generator;
1349
1350         scalars = new_scalars;
1351         points = new_points;
1352         num++;
1353     }
1354
1355     if (num) {
1356         P256_POINT *out = &t.p;
1357         if (p_is_infinity)
1358             out = &p.p;
1359
1360         if (!ecp_nistz256_windowed_mul(group, out, scalars, points, num, ctx))
1361             goto err;
1362
1363         if (!p_is_infinity)
1364             ecp_nistz256_point_add(&p.p, &p.p, out);
1365     }
1366
1367     /* Not constant-time, but we're only operating on the public output. */
1368     if (!bn_set_words(r->X, p.p.X, P256_LIMBS) ||
1369         !bn_set_words(r->Y, p.p.Y, P256_LIMBS) ||
1370         !bn_set_words(r->Z, p.p.Z, P256_LIMBS)) {
1371         goto err;
1372     }
1373     r->Z_is_one = is_one(r->Z) & 1;
1374
1375     ret = 1;
1376
1377 err:
1378     if (ctx)
1379         BN_CTX_end(ctx);
1380     BN_CTX_free(new_ctx);
1381     OPENSSL_free(new_points);
1382     OPENSSL_free(new_scalars);
1383     return ret;
1384 }
1385
1386 __owur static int ecp_nistz256_get_affine(const EC_GROUP *group,
1387                                           const EC_POINT *point,
1388                                           BIGNUM *x, BIGNUM *y, BN_CTX *ctx)
1389 {
1390     BN_ULONG z_inv2[P256_LIMBS];
1391     BN_ULONG z_inv3[P256_LIMBS];
1392     BN_ULONG x_aff[P256_LIMBS];
1393     BN_ULONG y_aff[P256_LIMBS];
1394     BN_ULONG point_x[P256_LIMBS], point_y[P256_LIMBS], point_z[P256_LIMBS];
1395     BN_ULONG x_ret[P256_LIMBS], y_ret[P256_LIMBS];
1396
1397     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1398         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1399         return 0;
1400     }
1401
1402     if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_x, point->X) ||
1403         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_y, point->Y) ||
1404         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_z, point->Z)) {
1405         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
1406         return 0;
1407     }
1408
1409     ecp_nistz256_mod_inverse(z_inv3, point_z);
1410     ecp_nistz256_sqr_mont(z_inv2, z_inv3);
1411     ecp_nistz256_mul_mont(x_aff, z_inv2, point_x);
1412
1413     if (x != NULL) {
1414         ecp_nistz256_from_mont(x_ret, x_aff);
1415         if (!bn_set_words(x, x_ret, P256_LIMBS))
1416             return 0;
1417     }
1418
1419     if (y != NULL) {
1420         ecp_nistz256_mul_mont(z_inv3, z_inv3, z_inv2);
1421         ecp_nistz256_mul_mont(y_aff, z_inv3, point_y);
1422         ecp_nistz256_from_mont(y_ret, y_aff);
1423         if (!bn_set_words(y, y_ret, P256_LIMBS))
1424             return 0;
1425     }
1426
1427     return 1;
1428 }
1429
1430 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group)
1431 {
1432     NISTZ256_PRE_COMP *ret = NULL;
1433
1434     if (!group)
1435         return NULL;
1436
1437     ret = OPENSSL_zalloc(sizeof(*ret));
1438
1439     if (ret == NULL) {
1440         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1441         return ret;
1442     }
1443
1444     ret->group = group;
1445     ret->w = 6;                 /* default */
1446     ret->references = 1;
1447
1448     ret->lock = CRYPTO_THREAD_lock_new();
1449     if (ret->lock == NULL) {
1450         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1451         OPENSSL_free(ret);
1452         return NULL;
1453     }
1454     return ret;
1455 }
1456
1457 NISTZ256_PRE_COMP *EC_nistz256_pre_comp_dup(NISTZ256_PRE_COMP *p)
1458 {
1459     int i;
1460     if (p != NULL)
1461         CRYPTO_UP_REF(&p->references, &i, p->lock);
1462     return p;
1463 }
1464
1465 void EC_nistz256_pre_comp_free(NISTZ256_PRE_COMP *pre)
1466 {
1467     int i;
1468
1469     if (pre == NULL)
1470         return;
1471
1472     CRYPTO_DOWN_REF(&pre->references, &i, pre->lock);
1473     REF_PRINT_COUNT("EC_nistz256", x);
1474     if (i > 0)
1475         return;
1476     REF_ASSERT_ISNT(i < 0);
1477
1478     OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1479     CRYPTO_THREAD_lock_free(pre->lock);
1480     OPENSSL_free(pre);
1481 }
1482
1483
1484 static int ecp_nistz256_window_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
1485 {
1486     /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1487     const EC_POINT *generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1488
1489     if (generator != NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1490         /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1491         return 1;
1492     }
1493
1494     return HAVEPRECOMP(group, nistz256);
1495 }
1496
1497 const EC_METHOD *EC_GFp_nistz256_method(void)
1498 {
1499     static const EC_METHOD ret = {
1500         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1501         NID_X9_62_prime_field,
1502         ec_GFp_mont_group_init,
1503         ec_GFp_mont_group_finish,
1504         ec_GFp_mont_group_clear_finish,
1505         ec_GFp_mont_group_copy,
1506         ec_GFp_mont_group_set_curve,
1507         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1508         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1509         ec_group_simple_order_bits,
1510         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1511         ec_GFp_simple_point_init,
1512         ec_GFp_simple_point_finish,
1513         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1514         ec_GFp_simple_point_copy,
1515         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1516         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1517         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1518         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1519         ecp_nistz256_get_affine,
1520         0, 0, 0,
1521         ec_GFp_simple_add,
1522         ec_GFp_simple_dbl,
1523         ec_GFp_simple_invert,
1524         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1525         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1526         ec_GFp_simple_cmp,
1527         ec_GFp_simple_make_affine,
1528         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1529         ecp_nistz256_points_mul,                    /* mul */
1530         ecp_nistz256_mult_precompute,               /* precompute_mult */
1531         ecp_nistz256_window_have_precompute_mult,   /* have_precompute_mult */
1532         ec_GFp_mont_field_mul,
1533         ec_GFp_mont_field_sqr,
1534         0,                                          /* field_div */
1535         ec_GFp_mont_field_encode,
1536         ec_GFp_mont_field_decode,
1537         ec_GFp_mont_field_set_to_one,
1538         ec_key_simple_priv2oct,
1539         ec_key_simple_oct2priv,
1540         0, /* set private */
1541         ec_key_simple_generate_key,
1542         ec_key_simple_check_key,
1543         ec_key_simple_generate_public_key,
1544         0, /* keycopy */
1545         0, /* keyfinish */
1546         ecdh_simple_compute_key
1547     };
1548
1549     return &ret;
1550 }