crypto/ec/ecp_nistz256.c

   1 /******************************************************************************
   2  *                                                                            *
   3  * Copyright 2014 Intel Corporation                                           *
   4  *                                                                            *
   5  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");            *
   6  * you may not use this file except in compliance with the License.           *
   7  * You may obtain a copy of the License at                                    *
   8  *                                                                            *
   9  *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0                              *
  10  *                                                                            *
  11  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software        *
  12  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,          *
  13  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.   *
  14  * See the License for the specific language governing permissions and        *
  15  * limitations under the License.                                             *
  16  *                                                                            *
  17  ******************************************************************************
  18  *                                                                            *
  19  * Developers and authors:                                                    *
  20  * Shay Gueron (1, 2), and Vlad Krasnov (1)                                   *
  21  * (1) Intel Corporation, Israel Development Center                           *
  22  * (2) University of Haifa                                                    *
  23  * Reference:                                                                 *
  24  * S.Gueron and V.Krasnov, "Fast Prime Field Elliptic Curve Cryptography with *
  25  *                          256 Bit Primes"                                   *
  26  *                                                                            *
  27  ******************************************************************************/
  28
  29 #include <string.h>
  30
  31 #include <openssl/bn.h>
  32 #include <openssl/err.h>
  33 #include <openssl/ec.h>
  34 #include "cryptlib.h"
  35
  36 #include "ec_lcl.h"
  37
  38 #if BN_BITS2 != 64
  39 # define TOBN(hi,lo)    lo,hi
  40 #else
  41 # define TOBN(hi,lo)    ((BN_ULONG)hi<<32|lo)
  42 #endif
  43
  44 #if defined(__GNUC__)
  45 # define ALIGN32        __attribute((aligned(32)))
  46 #elif defined(_MSC_VER)
  47 # define ALIGN32        __declspec(align(32))
  48 #else
  49 # define ALIGN32
  50 #endif
  51
  52 #define ALIGNPTR(p,N)   ((unsigned char *)p+N-(size_t)p%N)
  53 #define P256_LIMBS      (256/BN_BITS2)
  54
  55 typedef unsigned short u16;
  56
  57 typedef struct {
  58     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
  59     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
  60     BN_ULONG Z[P256_LIMBS];
  61 } P256_POINT;
  62
  63 typedef struct {
  64     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
  65     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
  66 } P256_POINT_AFFINE;
  67
  68 typedef P256_POINT_AFFINE PRECOMP256_ROW[64];
  69
  70 /* structure for precomputed multiples of the generator */
  71 typedef struct ec_pre_comp_st {
  72     const EC_GROUP *group;      /* Parent EC_GROUP object */
  73     size_t w;                   /* Window size */
  74     /*
  75      * Constant time access to the X and Y coordinates of the pre-computed,
  76      * generator multiplies, in the Montgomery domain. Pre-calculated
  77      * multiplies are stored in affine form.
  78      */
  79     PRECOMP256_ROW *precomp;
  80     void *precomp_storage;
  81     int references;
  82 } EC_PRE_COMP;
  83
  84 /* Functions implemented in assembly */
  85 /* Modular mul by 2: res = 2*a mod P */
  86 void ecp_nistz256_mul_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  87                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
  88 /* Modular div by 2: res = a/2 mod P */
  89 void ecp_nistz256_div_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  90                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
  91 /* Modular mul by 3: res = 3*a mod P */
  92 void ecp_nistz256_mul_by_3(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  93                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
  94 /* Modular add: res = a+b mod P   */
  95 void ecp_nistz256_add(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  96                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
  97                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
  98 /* Modular sub: res = a-b mod P   */
  99 void ecp_nistz256_sub(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 100                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
 101                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
 102 /* Modular neg: res = -a mod P    */
 103 void ecp_nistz256_neg(BN_ULONG res[P256_LIMBS], const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
 104 /* Montgomery mul: res = a*b*2^-256 mod P */
 105 void ecp_nistz256_mul_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 106                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
 107                            const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
 108 /* Montgomery sqr: res = a*a*2^-256 mod P */
 109 void ecp_nistz256_sqr_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 110                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
 111 /* Convert a number from Montgomery domain, by multiplying with 1 */
 112 void ecp_nistz256_from_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 113                             const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
 114 /* Convert a number to Montgomery domain, by multiplying with 2^512 mod P*/
 115 void ecp_nistz256_to_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 116                           const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
 117 /* Functions that perform constant time access to the precomputed tables */
 118 void ecp_nistz256_select_w5(P256_POINT * val,
 119                             const P256_POINT * in_t, int index);
 120 void ecp_nistz256_select_w7(P256_POINT_AFFINE * val,
 121                             const P256_POINT_AFFINE * in_t, int index);
 122
 123 /* One converted into the Montgomery domain */
 124 static const BN_ULONG ONE[P256_LIMBS] = {
 125     TOBN(0x00000000, 0x00000001), TOBN(0xffffffff, 0x00000000),
 126     TOBN(0xffffffff, 0xffffffff), TOBN(0x00000000, 0xfffffffe)
 127 };
 128
 129 static void *ecp_nistz256_pre_comp_dup(void *);
 130 static void ecp_nistz256_pre_comp_free(void *);
 131 static void ecp_nistz256_pre_comp_clear_free(void *);
 132 static EC_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group);
 133
 134 /* Precomputed tables for the default generator */
 135 #include "ecp_nistz256_table.c"
 136
 137 /* Recode window to a signed digit, see ecp_nistputil.c for details */
 138 static unsigned int _booth_recode_w5(unsigned int in)
 139 {
 140     unsigned int s, d;
 141
 142     s = ~((in >> 5) - 1);
 143     d = (1 << 6) - in - 1;
 144     d = (d & s) | (in & ~s);
 145     d = (d >> 1) + (d & 1);
 146
 147     return (d << 1) + (s & 1);
 148 }
 149
 150 static unsigned int _booth_recode_w7(unsigned int in)
 151 {
 152     unsigned int s, d;
 153
 154     s = ~((in >> 7) - 1);
 155     d = (1 << 8) - in - 1;
 156     d = (d & s) | (in & ~s);
 157     d = (d >> 1) + (d & 1);
 158
 159     return (d << 1) + (s & 1);
 160 }
 161
 162 static void copy_conditional(BN_ULONG dst[P256_LIMBS],
 163                              const BN_ULONG src[P256_LIMBS], BN_ULONG move)
 164 {
 165     BN_ULONG mask1 = -move;
 166     BN_ULONG mask2 = ~mask1;
 167
 168     dst[0] = (src[0] & mask1) ^ (dst[0] & mask2);
 169     dst[1] = (src[1] & mask1) ^ (dst[1] & mask2);
 170     dst[2] = (src[2] & mask1) ^ (dst[2] & mask2);
 171     dst[3] = (src[3] & mask1) ^ (dst[3] & mask2);
 172     if (P256_LIMBS == 8) {
 173         dst[4] = (src[4] & mask1) ^ (dst[4] & mask2);
 174         dst[5] = (src[5] & mask1) ^ (dst[5] & mask2);
 175         dst[6] = (src[6] & mask1) ^ (dst[6] & mask2);
 176         dst[7] = (src[7] & mask1) ^ (dst[7] & mask2);
 177     }
 178 }
 179
 180 static BN_ULONG is_zero(BN_ULONG in)
 181 {
 182     in |= (0 - in);
 183     in = ~in;
 184     in &= BN_MASK2;
 185     in >>= BN_BITS2 - 1;
 186     return in;
 187 }
 188
 189 static BN_ULONG is_equal(const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
 190                          const BN_ULONG b[P256_LIMBS])
 191 {
 192     BN_ULONG res;
 193
 194     res = a[0] ^ b[0];
 195     res |= a[1] ^ b[1];
 196     res |= a[2] ^ b[2];
 197     res |= a[3] ^ b[3];
 198     if (P256_LIMBS == 8) {
 199         res |= a[4] ^ b[4];
 200         res |= a[5] ^ b[5];
 201         res |= a[6] ^ b[6];
 202         res |= a[7] ^ b[7];
 203     }
 204
 205     return is_zero(res);
 206 }
 207
 208 static BN_ULONG is_one(const BN_ULONG a[P256_LIMBS])
 209 {
 210     BN_ULONG res;
 211
 212     res = a[0] ^ ONE[0];
 213     res |= a[1] ^ ONE[1];
 214     res |= a[2] ^ ONE[2];
 215     res |= a[3] ^ ONE[3];
 216     if (P256_LIMBS == 8) {
 217         res |= a[4] ^ ONE[4];
 218         res |= a[5] ^ ONE[5];
 219         res |= a[6] ^ ONE[6];
 220     }
 221
 222     return is_zero(res);
 223 }
 224
 225 #ifndef ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
 226 void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a);
 227 void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
 228                             const P256_POINT *a, const P256_POINT *b);
 229 void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
 230                                    const P256_POINT *a,
 231                                    const P256_POINT_AFFINE *b);
 232 #else
 233 /* Point double: r = 2*a */
 234 static void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a)
 235 {
 236     BN_ULONG S[P256_LIMBS];
 237     BN_ULONG M[P256_LIMBS];
 238     BN_ULONG Zsqr[P256_LIMBS];
 239     BN_ULONG tmp0[P256_LIMBS];
 240
 241     const BN_ULONG *in_x = a->X;
 242     const BN_ULONG *in_y = a->Y;
 243     const BN_ULONG *in_z = a->Z;
 244
 245     BN_ULONG *res_x = r->X;
 246     BN_ULONG *res_y = r->Y;
 247     BN_ULONG *res_z = r->Z;
 248
 249     ecp_nistz256_mul_by_2(S, in_y);
 250
 251     ecp_nistz256_sqr_mont(Zsqr, in_z);
 252
 253     ecp_nistz256_sqr_mont(S, S);
 254
 255     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, in_z, in_y);
 256     ecp_nistz256_mul_by_2(res_z, res_z);
 257
 258     ecp_nistz256_add(M, in_x, Zsqr);
 259     ecp_nistz256_sub(Zsqr, in_x, Zsqr);
 260
 261     ecp_nistz256_sqr_mont(res_y, S);
 262     ecp_nistz256_div_by_2(res_y, res_y);
 263
 264     ecp_nistz256_mul_mont(M, M, Zsqr);
 265     ecp_nistz256_mul_by_3(M, M);
 266
 267     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, in_x);
 268     ecp_nistz256_mul_by_2(tmp0, S);
 269
 270     ecp_nistz256_sqr_mont(res_x, M);
 271
 272     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, tmp0);
 273     ecp_nistz256_sub(S, S, res_x);
 274
 275     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, M);
 276     ecp_nistz256_sub(res_y, S, res_y);
 277 }
 278
 279 /* Point addition: r = a+b */
 280 static void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
 281                                    const P256_POINT *a, const P256_POINT *b)
 282 {
 283     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
 284     BN_ULONG U1[P256_LIMBS], S1[P256_LIMBS];
 285     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
 286     BN_ULONG Z2sqr[P256_LIMBS];
 287     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
 288     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
 289     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
 290     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
 291
 292     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
 293     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
 294     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
 295
 296     BN_ULONG in1infty, in2infty;
 297
 298     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
 299     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
 300     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
 301
 302     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
 303     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
 304     const BN_ULONG *in2_z = b->Z;
 305
 306     /* We encode infinity as (0,0), which is not on the curve,
 307      * so it is OK. */
 308     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
 309                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
 310     if (P256_LIMBS == 8)
 311         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
 312                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
 313
 314     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
 315                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
 316     if (P256_LIMBS == 8)
 317         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
 318                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
 319
 320     in1infty = is_zero(in1infty);
 321     in2infty = is_zero(in2infty);
 322
 323     ecp_nistz256_sqr_mont(Z2sqr, in2_z);        /* Z2^2 */
 324     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
 325
 326     ecp_nistz256_mul_mont(S1, Z2sqr, in2_z);    /* S1 = Z2^3 */
 327     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
 328
 329     ecp_nistz256_mul_mont(S1, S1, in1_y);       /* S1 = Y1*Z2^3 */
 330     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
 331     ecp_nistz256_sub(R, S2, S1);                /* R = S2 - S1 */
 332
 333     ecp_nistz256_mul_mont(U1, in1_x, Z2sqr);    /* U1 = X1*Z2^2 */
 334     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
 335     ecp_nistz256_sub(H, U2, U1);                /* H = U2 - U1 */
 336
 337     /*
 338      * This should not happen during sign/ecdh, so no constant time violation
 339      */
 340     if (is_equal(U1, U2) && !in1infty && !in2infty) {
 341         if (is_equal(S1, S2)) {
 342             ecp_nistz256_point_double(r, a);
 343             return;
 344         } else {
 345             memset(r, 0, sizeof(*r));
 346             return;
 347         }
 348     }
 349
 350     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
 351     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
 352     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
 353     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, res_z, in2_z); /* Z3 = H*Z1*Z2 */
 354     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
 355
 356     ecp_nistz256_mul_mont(U2, U1, Hsqr);        /* U1*H^2 */
 357     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
 358
 359     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
 360     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
 361
 362     ecp_nistz256_sub(res_y, U2, res_x);
 363
 364     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S1, Hcub);
 365     ecp_nistz256_mul_mont(res_y, R, res_y);
 366     ecp_nistz256_sub(res_y, res_y, S2);
 367
 368     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
 369     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
 370     copy_conditional(res_z, in2_z, in1infty);
 371
 372     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
 373     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
 374     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
 375
 376     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
 377     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
 378     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
 379 }
 380
 381 /* Point addition when b is known to be affine: r = a+b */
 382 static void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
 383                                           const P256_POINT *a,
 384                                           const P256_POINT_AFFINE *b)
 385 {
 386     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
 387     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
 388     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
 389     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
 390     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
 391     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
 392
 393     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
 394     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
 395     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
 396
 397     BN_ULONG in1infty, in2infty;
 398
 399     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
 400     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
 401     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
 402
 403     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
 404     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
 405
 406     /*
 407      * In affine representation we encode infty as (0,0), which is not on the
 408      * curve, so it is OK
 409      */
 410     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
 411                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
 412     if (P256_LIMBS == 8)
 413         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
 414                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
 415
 416     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
 417                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
 418     if (P256_LIMBS == 8)
 419         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
 420                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
 421
 422     in1infty = is_zero(in1infty);
 423     in2infty = is_zero(in2infty);
 424
 425     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
 426
 427     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
 428     ecp_nistz256_sub(H, U2, in1_x);             /* H = U2 - U1 */
 429
 430     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
 431
 432     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
 433
 434     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
 435     ecp_nistz256_sub(R, S2, in1_y);             /* R = S2 - S1 */
 436
 437     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
 438     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
 439     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
 440
 441     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in1_x, Hsqr);     /* U1*H^2 */
 442     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
 443
 444     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
 445     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
 446     ecp_nistz256_sub(H, U2, res_x);
 447
 448     ecp_nistz256_mul_mont(S2, in1_y, Hcub);
 449     ecp_nistz256_mul_mont(H, H, R);
 450     ecp_nistz256_sub(res_y, H, S2);
 451
 452     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
 453     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
 454
 455     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
 456     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
 457
 458     copy_conditional(res_z, ONE, in1infty);
 459     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
 460
 461     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
 462     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
 463     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
 464 }
 465 #endif
 466
 467 /* r = in^-1 mod p */
 468 static void ecp_nistz256_mod_inverse(BN_ULONG r[P256_LIMBS],
 469                                      const BN_ULONG in[P256_LIMBS])
 470 {
 471     /*
 472      * The poly is ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000 ffffffff
 473      * ffffffff ffffffff We use FLT and used poly-2 as exponent
 474      */
 475     BN_ULONG p2[P256_LIMBS];
 476     BN_ULONG p4[P256_LIMBS];
 477     BN_ULONG p8[P256_LIMBS];
 478     BN_ULONG p16[P256_LIMBS];
 479     BN_ULONG p32[P256_LIMBS];
 480     BN_ULONG res[P256_LIMBS];
 481     int i;
 482
 483     ecp_nistz256_sqr_mont(res, in);
 484     ecp_nistz256_mul_mont(p2, res, in);         /* 3*p */
 485
 486     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p2);
 487     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 488     ecp_nistz256_mul_mont(p4, res, p2);         /* f*p */
 489
 490     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p4);
 491     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 492     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 493     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 494     ecp_nistz256_mul_mont(p8, res, p4);         /* ff*p */
 495
 496     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p8);
 497     for (i = 0; i < 7; i++)
 498         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 499     ecp_nistz256_mul_mont(p16, res, p8);        /* ffff*p */
 500
 501     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p16);
 502     for (i = 0; i < 15; i++)
 503         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 504     ecp_nistz256_mul_mont(p32, res, p16);       /* ffffffff*p */
 505
 506     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p32);
 507     for (i = 0; i < 31; i++)
 508         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 509     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
 510
 511     for (i = 0; i < 32 * 4; i++)
 512         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 513     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
 514
 515     for (i = 0; i < 32; i++)
 516         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 517     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
 518
 519     for (i = 0; i < 16; i++)
 520         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 521     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p16);
 522
 523     for (i = 0; i < 8; i++)
 524         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 525     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p8);
 526
 527     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 528     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 529     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 530     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 531     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p4);
 532
 533     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 534     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 535     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p2);
 536
 537     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 538     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 539     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
 540
 541     memcpy(r, res, sizeof(res));
 542 }
 543
 544 /*
 545  * ecp_nistz256_bignum_to_field_elem copies the contents of |in| to |out| and
 546  * returns one if it fits. Otherwise it returns zero.
 547  */
 548 static int ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(BN_ULONG out[P256_LIMBS],
 549                                              const BIGNUM *in)
 550 {
 551     if (in->top > P256_LIMBS)
 552         return 0;
 553
 554     memset(out, 0, sizeof(BN_ULONG) * P256_LIMBS);
 555     memcpy(out, in->d, sizeof(BN_ULONG) * in->top);
 556     return 1;
 557 }
 558
 559 /* r = sum(scalar[i]*point[i]) */
 560 static void ecp_nistz256_windowed_mul(const EC_GROUP *group,
 561                                       P256_POINT *r,
 562                                       const BIGNUM **scalar,
 563                                       const EC_POINT **point,
 564                                       int num, BN_CTX *ctx)
 565 {
 566     int i, j;
 567     unsigned int index;
 568     unsigned char (*p_str)[33] = NULL;
 569     const unsigned int window_size = 5;
 570     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
 571     unsigned int wvalue;
 572     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
 573     ALIGN32 P256_POINT h;
 574     const BIGNUM **scalars = NULL;
 575     P256_POINT (*table)[16] = NULL;
 576     void *table_storage = NULL;
 577
 578     if ((table_storage =
 579          OPENSSL_malloc(num * 16 * sizeof(P256_POINT) + 64)) == NULL
 580         || (p_str =
 581             OPENSSL_malloc(num * 33 * sizeof(unsigned char))) == NULL
 582         || (scalars = OPENSSL_malloc(num * sizeof(BIGNUM *))) == NULL) {
 583         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 584         goto err;
 585     } else {
 586         table = (void *)ALIGNPTR(table_storage, 64);
 587     }
 588
 589     for (i = 0; i < num; i++) {
 590         P256_POINT *row = table[i];
 591
 592         if ((BN_num_bits(scalar[i]) > 256) || BN_is_negative(scalar[i])) {
 593             BIGNUM *mod;
 594
 595             if ((mod = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
 596                 goto err;
 597             if (!BN_nnmod(mod, scalar[i], &group->order, ctx)) {
 598                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_BN_LIB);
 599                 goto err;
 600             }
 601             scalars[i] = mod;
 602         } else
 603             scalars[i] = scalar[i];
 604
 605         for (j = 0; j < scalars[i]->top * BN_BYTES; j += BN_BYTES) {
 606             BN_ULONG d = scalars[i]->d[j / BN_BYTES];
 607
 608             p_str[i][j + 0] = d & 0xff;
 609             p_str[i][j + 1] = (d >> 8) & 0xff;
 610             p_str[i][j + 2] = (d >> 16) & 0xff;
 611             p_str[i][j + 3] = (d >>= 24) & 0xff;
 612             if (BN_BYTES == 8) {
 613                 d >>= 8;
 614                 p_str[i][j + 4] = d & 0xff;
 615                 p_str[i][j + 5] = (d >> 8) & 0xff;
 616                 p_str[i][j + 6] = (d >> 16) & 0xff;
 617                 p_str[i][j + 7] = (d >> 24) & 0xff;
 618             }
 619         }
 620         for (; j < 33; j++)
 621             p_str[i][j] = 0;
 622
 623         /* table[0] is implicitly (0,0,0) (the point at infinity),
 624          * therefore it is not stored. All other values are actually
 625          * stored with an offset of -1 in table.
 626          */
 627
 628         if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(row[1 - 1].X, &point[i]->X)
 629             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(row[1 - 1].Y, &point[i]->Y)
 630             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(row[1 - 1].Z, &point[i]->Z)) {
 631             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
 632             goto err;
 633         }
 634
 635         ecp_nistz256_point_double(&row[ 2 - 1], &row[ 1 - 1]);
 636         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 3 - 1], &row[ 2 - 1], &row[1 - 1]);
 637         ecp_nistz256_point_double(&row[ 4 - 1], &row[ 2 - 1]);
 638         ecp_nistz256_point_double(&row[ 6 - 1], &row[ 3 - 1]);
 639         ecp_nistz256_point_double(&row[ 8 - 1], &row[ 4 - 1]);
 640         ecp_nistz256_point_double(&row[12 - 1], &row[ 6 - 1]);
 641         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 5 - 1], &row[ 4 - 1], &row[1 - 1]);
 642         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 7 - 1], &row[ 6 - 1], &row[1 - 1]);
 643         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 9 - 1], &row[ 8 - 1], &row[1 - 1]);
 644         ecp_nistz256_point_add   (&row[13 - 1], &row[12 - 1], &row[1 - 1]);
 645         ecp_nistz256_point_double(&row[14 - 1], &row[ 7 - 1]);
 646         ecp_nistz256_point_double(&row[10 - 1], &row[ 5 - 1]);
 647         ecp_nistz256_point_add   (&row[15 - 1], &row[14 - 1], &row[1 - 1]);
 648         ecp_nistz256_point_add   (&row[11 - 1], &row[10 - 1], &row[1 - 1]);
 649         ecp_nistz256_point_add   (&row[16 - 1], &row[15 - 1], &row[1 - 1]);
 650     }
 651
 652     index = 255;
 653
 654     wvalue = p_str[0][(index - 1) / 8];
 655     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 656
 657     ecp_nistz256_select_w5(r, table[0], _booth_recode_w5(wvalue) >> 1);
 658
 659     while (index >= 5) {
 660         for (i = (index == 255 ? 1 : 0); i < num; i++) {
 661             unsigned int off = (index - 1) / 8;
 662
 663             wvalue = p_str[i][off] | p_str[i][off + 1] << 8;
 664             wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 665
 666             wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
 667
 668             ecp_nistz256_select_w5(&h, table[i], wvalue >> 1);
 669
 670             ecp_nistz256_neg(tmp, h.Y);
 671             copy_conditional(h.Y, tmp, (wvalue & 1));
 672
 673             ecp_nistz256_point_add(r, r, &h);
 674         }
 675
 676         index -= window_size;
 677
 678         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 679         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 680         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 681         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 682         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 683     }
 684
 685     /* Final window */
 686     for (i = 0; i < num; i++) {
 687         wvalue = p_str[i][0];
 688         wvalue = (wvalue << 1) & mask;
 689
 690         wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
 691
 692         ecp_nistz256_select_w5(&h, table[i], wvalue >> 1);
 693
 694         ecp_nistz256_neg(tmp, h.Y);
 695         copy_conditional(h.Y, tmp, wvalue & 1);
 696
 697         ecp_nistz256_point_add(r, r, &h);
 698     }
 699
 700  err:
 701     if (table_storage)
 702         OPENSSL_free(table_storage);
 703     if (p_str)
 704         OPENSSL_free(p_str);
 705     if (scalars)
 706         OPENSSL_free(scalars);
 707 }
 708
 709 /* Coordinates of G, for which we have precomputed tables */
 710 const static BN_ULONG def_xG[P256_LIMBS] = {
 711     TOBN(0x79e730d4, 0x18a9143c), TOBN(0x75ba95fc, 0x5fedb601),
 712     TOBN(0x79fb732b, 0x77622510), TOBN(0x18905f76, 0xa53755c6)
 713 };
 714
 715 const static BN_ULONG def_yG[P256_LIMBS] = {
 716     TOBN(0xddf25357, 0xce95560a), TOBN(0x8b4ab8e4, 0xba19e45c),
 717     TOBN(0xd2e88688, 0xdd21f325), TOBN(0x8571ff18, 0x25885d85)
 718 };
 719
 720 /*
 721  * ecp_nistz256_is_affine_G returns one if |generator| is the standard, P-256
 722  * generator.
 723  */
 724 static int ecp_nistz256_is_affine_G(const EC_POINT *generator)
 725 {
 726     return (generator->X.top == P256_LIMBS) &&
 727         (generator->Y.top == P256_LIMBS) &&
 728         (generator->Z.top == (P256_LIMBS - P256_LIMBS / 8)) &&
 729         is_equal(generator->X.d, def_xG) &&
 730         is_equal(generator->Y.d, def_yG) && is_one(generator->Z.d);
 731 }
 732
 733 static int ecp_nistz256_mult_precompute(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
 734 {
 735     /*
 736      * We precompute a table for a Booth encoded exponent (wNAF) based
 737      * computation. Each table holds 64 values for safe access, with an
 738      * implicit value of infinity at index zero. We use window of size 7, and
 739      * therefore require ceil(256/7) = 37 tables.
 740      */
 741     BIGNUM *order;
 742     EC_POINT *P = NULL, *T = NULL;
 743     const EC_POINT *generator;
 744     EC_PRE_COMP *pre_comp;
 745     int i, j, k, ret = 0;
 746     size_t w;
 747
 748     PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
 749     unsigned char *precomp_storage = NULL;
 750
 751     /* if there is an old EC_PRE_COMP object, throw it away */
 752     EC_EX_DATA_free_data(&group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
 753                          ecp_nistz256_pre_comp_free,
 754                          ecp_nistz256_pre_comp_clear_free);
 755
 756     generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
 757     if (generator == NULL) {
 758         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
 759         return 0;
 760     }
 761
 762     if (ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
 763         /*
 764          * No need to calculate tables for the standard generator because we
 765          * have them statically.
 766          */
 767         return 1;
 768     }
 769
 770     if ((pre_comp = ecp_nistz256_pre_comp_new(group)) == NULL)
 771         return 0;
 772
 773     if (ctx == NULL) {
 774         ctx = BN_CTX_new();
 775         if (ctx == NULL)
 776             goto err;
 777     }
 778
 779     BN_CTX_start(ctx);
 780     order = BN_CTX_get(ctx);
 781
 782     if (order == NULL)
 783         goto err;
 784
 785     if (!EC_GROUP_get_order(group, order, ctx))
 786         goto err;
 787
 788     if (BN_is_zero(order)) {
 789         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
 790         goto err;
 791     }
 792
 793     w = 7;
 794
 795     if ((precomp_storage =
 796          OPENSSL_malloc(37 * 64 * sizeof(P256_POINT_AFFINE) + 64)) == NULL) {
 797         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 798         goto err;
 799     } else {
 800         preComputedTable = (void *)ALIGNPTR(precomp_storage, 64);
 801     }
 802
 803     P = EC_POINT_new(group);
 804     T = EC_POINT_new(group);
 805
 806     /*
 807      * The zero entry is implicitly infinity, and we skip it, storing other
 808      * values with -1 offset.
 809      */
 810     EC_POINT_copy(T, generator);
 811
 812     for (k = 0; k < 64; k++) {
 813         EC_POINT_copy(P, T);
 814         for (j = 0; j < 37; j++) {
 815             /*
 816              * It would be faster to use
 817              * ec_GFp_simple_points_make_affine and make multiple
 818              * points affine at the same time.
 819              */
 820             ec_GFp_simple_make_affine(group, P, ctx);
 821             ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(preComputedTable[j]
 822                                               [k].X, &P->X);
 823             ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(preComputedTable[j]
 824                                               [k].Y, &P->Y);
 825             for (i = 0; i < 7; i++)
 826                 ec_GFp_simple_dbl(group, P, P, ctx);
 827         }
 828         ec_GFp_simple_add(group, T, T, generator, ctx);
 829     }
 830
 831     pre_comp->group = group;
 832     pre_comp->w = w;
 833     pre_comp->precomp = preComputedTable;
 834     pre_comp->precomp_storage = precomp_storage;
 835
 836     precomp_storage = NULL;
 837
 838     if (!EC_EX_DATA_set_data(&group->extra_data, pre_comp,
 839                              ecp_nistz256_pre_comp_dup,
 840                              ecp_nistz256_pre_comp_free,
 841                              ecp_nistz256_pre_comp_clear_free)) {
 842         goto err;
 843     }
 844
 845     pre_comp = NULL;
 846
 847     ret = 1;
 848
 849  err:
 850     if (ctx != NULL)
 851         BN_CTX_end(ctx);
 852     if (pre_comp)
 853         ecp_nistz256_pre_comp_free(pre_comp);
 854     if (precomp_storage)
 855         OPENSSL_free(precomp_storage);
 856     if (P)
 857         EC_POINT_free(P);
 858     if (T)
 859         EC_POINT_free(T);
 860     return ret;
 861 }
 862
 863 /*
 864  * Note that by default ECP_NISTZ256_AVX2 is undefined. While it's great
 865  * code processing 4 points in parallel, corresponding serial operation
 866  * is several times slower, because it uses 29x29=58-bit multiplication
 867  * as opposite to 64x64=128-bit in integer-only scalar case. As result
 868  * it doesn't provide *significant* performance improvement. Note that
 869  * just defining ECP_NISTZ256_AVX2 is not sufficient to make it work,
 870  * you'd need to compile even asm/ecp_nistz256-avx.pl module.
 871  */
 872 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
 873 # if !(defined(__x86_64) || defined(__x86_64__)) || \
 874        defined(_M_AMD64) || defined(_MX64)) || \
 875      !(defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)) /* this is for ALIGN32 */
 876 #  undef ECP_NISTZ256_AVX2
 877 # else
 878 /* Constant time access, loading four values, from four consecutive tables */
 879 void ecp_nistz256_avx2_select_w7(P256_POINT_AFFINE * val,
 880                                  const P256_POINT_AFFINE * in_t, int index);
 881 void ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(void *result, const void *in, int index0,
 882                                        int index1, int index2, int index3);
 883 void ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(void *RESULTx4, const void *in);
 884 void ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(void *result, const void *Ax4);
 885 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
 886                                            const void *Bx4);
 887 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
 888                                             const void *Bx4);
 889 void ecp_nistz256_avx2_to_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
 890 void ecp_nistz256_avx2_from_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
 891 void ecp_nistz256_avx2_set1(void *RESULTx4);
 892 int ecp_nistz_avx2_eligible(void);
 893
 894 static void booth_recode_w7(unsigned char *sign,
 895                             unsigned char *digit, unsigned char in)
 896 {
 897     unsigned char s, d;
 898
 899     s = ~((in >> 7) - 1);
 900     d = (1 << 8) - in - 1;
 901     d = (d & s) | (in & ~s);
 902     d = (d >> 1) + (d & 1);
 903
 904     *sign = s & 1;
 905     *digit = d;
 906 }
 907
 908 /*
 909  * ecp_nistz256_avx2_mul_g performs multiplication by G, using only the
 910  * precomputed table. It does 4 affine point additions in parallel,
 911  * significantly speeding up point multiplication for a fixed value.
 912  */
 913 static void ecp_nistz256_avx2_mul_g(P256_POINT *r,
 914                                     unsigned char p_str[33],
 915                                     const P256_POINT_AFFINE(*preComputedTable)[64])
 916 {
 917     const unsigned int window_size = 7;
 918     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
 919     unsigned int wvalue;
 920     /* Using 4 windows at a time */
 921     unsigned char sign0, digit0;
 922     unsigned char sign1, digit1;
 923     unsigned char sign2, digit2;
 924     unsigned char sign3, digit3;
 925     unsigned int index = 0;
 926     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
 927     int i;
 928
 929     ALIGN32 BN_ULONG aX4[4 * 9 * 3] = { 0 };
 930     ALIGN32 BN_ULONG bX4[4 * 9 * 2] = { 0 };
 931     ALIGN32 P256_POINT_AFFINE point_arr[P256_LIMBS];
 932     ALIGN32 P256_POINT res_point_arr[P256_LIMBS];
 933
 934     /* Initial four windows */
 935     wvalue = *((u16 *) & p_str[0]);
 936     wvalue = (wvalue << 1) & mask;
 937     index += window_size;
 938     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
 939     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 940     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 941     index += window_size;
 942     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
 943     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 944     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 945     index += window_size;
 946     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
 947     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 948     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 949     index += window_size;
 950     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
 951
 952     ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(point_arr, preComputedTable[0],
 953                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
 954
 955     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
 956     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
 957     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
 958     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
 959     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
 960     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
 961     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
 962     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
 963
 964     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(aX4, point_arr);
 965     ecp_nistz256_avx2_to_mont(aX4, aX4);
 966     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&aX4[4 * 9], &aX4[4 * 9]);
 967     ecp_nistz256_avx2_set1(&aX4[4 * 9 * 2]);
 968
 969     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 970     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 971     index += window_size;
 972     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
 973     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 974     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 975     index += window_size;
 976     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
 977     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 978     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 979     index += window_size;
 980     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
 981     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 982     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 983     index += window_size;
 984     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
 985
 986     ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(point_arr, preComputedTable[4 * 1],
 987                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
 988
 989     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
 990     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
 991     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
 992     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
 993     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
 994     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
 995     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
 996     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
 997
 998     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
 999     ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1000     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1001     /* Optimized when both inputs are affine */
1002     ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(aX4, aX4, bX4);
1003
1004     for (i = 2; i < 9; i++) {
1005         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1006         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1007         index += window_size;
1008         booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1009         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1010         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1011         index += window_size;
1012         booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1013         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1014         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1015         index += window_size;
1016         booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1017         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1018         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1019         index += window_size;
1020         booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1021
1022         ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(point_arr,
1023                                           preComputedTable[4 * i],
1024                                           digit0, digit1, digit2, digit3);
1025
1026         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1027         copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1028         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1029         copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1030         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1031         copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1032         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1033         copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1034
1035         ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1036         ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1037         ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1038
1039         ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(aX4, aX4, bX4);
1040     }
1041
1042     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 0], &aX4[4 * 9 * 0]);
1043     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 1], &aX4[4 * 9 * 1]);
1044     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 2], &aX4[4 * 9 * 2]);
1045
1046     ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(res_point_arr, aX4);
1047     /* Last window is performed serially */
1048     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1049     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1050     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1051     ecp_nistz256_avx2_select_w7((P256_POINT_AFFINE *) r,
1052                                 preComputedTable[36], digit0);
1053     ecp_nistz256_neg(tmp, r->Y);
1054     copy_conditional(r->Y, tmp, sign0);
1055     memcpy(r->Z, ONE, sizeof(ONE));
1056     /* Sum the four windows */
1057     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[0]);
1058     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[1]);
1059     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[2]);
1060     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[3]);
1061 }
1062 # endif
1063 #endif
1064
1065 static int ecp_nistz256_set_from_affine(EC_POINT *out, const EC_GROUP *group,
1066                                         const P256_POINT_AFFINE *in,
1067                                         BN_CTX *ctx)
1068 {
1069     BIGNUM x, y;
1070     BN_ULONG d_x[P256_LIMBS], d_y[P256_LIMBS];
1071     int ret = 0;
1072
1073     memcpy(d_x, in->X, sizeof(d_x));
1074     x.d = d_x;
1075     x.dmax = x.top = P256_LIMBS;
1076     x.neg = 0;
1077     x.flags = BN_FLG_STATIC_DATA;
1078
1079     memcpy(d_y, in->Y, sizeof(d_y));
1080     y.d = d_y;
1081     y.dmax = y.top = P256_LIMBS;
1082     y.neg = 0;
1083     y.flags = BN_FLG_STATIC_DATA;
1084
1085     ret = EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, out, &x, &y, ctx);
1086
1087     return ret;
1088 }
1089
1090 /* r = scalar*G + sum(scalars[i]*points[i]) */
1091 static int ecp_nistz256_points_mul(const EC_GROUP *group,
1092                                    EC_POINT *r,
1093                                    const BIGNUM *scalar,
1094                                    size_t num,
1095                                    const EC_POINT *points[],
1096                                    const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
1097 {
1098     int i = 0, ret = 0, no_precomp_for_generator = 0, p_is_infinity = 0;
1099     size_t j;
1100     unsigned char p_str[33] = { 0 };
1101     const PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
1102     const EC_PRE_COMP *pre_comp = NULL;
1103     const EC_POINT *generator = NULL;
1104     unsigned int index = 0;
1105     const unsigned int window_size = 7;
1106     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
1107     unsigned int wvalue;
1108     ALIGN32 union {
1109         P256_POINT p;
1110         P256_POINT_AFFINE a;
1111     } t, p;
1112     BIGNUM *tmp_scalar;
1113
1114     if (group->meth != r->meth) {
1115         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1116         return 0;
1117     }
1118     if ((scalar == NULL) && (num == 0))
1119         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
1120
1121     for (j = 0; j < num; j++) {
1122         if (group->meth != points[j]->meth) {
1123             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1124             return 0;
1125         }
1126     }
1127
1128     /* Need 256 bits for space for all coordinates. */
1129     bn_wexpand(&r->X, P256_LIMBS);
1130     bn_wexpand(&r->Y, P256_LIMBS);
1131     bn_wexpand(&r->Z, P256_LIMBS);
1132     r->X.top = P256_LIMBS;
1133     r->Y.top = P256_LIMBS;
1134     r->Z.top = P256_LIMBS;
1135
1136     if (scalar) {
1137         generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1138         if (generator == NULL) {
1139             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
1140             goto err;
1141         }
1142
1143         /* look if we can use precomputed multiples of generator */
1144         pre_comp =
1145             EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
1146                                 ecp_nistz256_pre_comp_free,
1147                                 ecp_nistz256_pre_comp_clear_free);
1148
1149         if (pre_comp) {
1150             /*
1151              * If there is a precomputed table for the generator, check that
1152              * it was generated with the same generator.
1153              */
1154             EC_POINT *pre_comp_generator = EC_POINT_new(group);
1155             if (pre_comp_generator == NULL)
1156                 goto err;
1157
1158             if (!ecp_nistz256_set_from_affine
1159                 (pre_comp_generator, group, pre_comp->precomp[0], ctx))
1160                 goto err;
1161
1162             if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, pre_comp_generator, ctx))
1163                 preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)pre_comp->precomp;
1164
1165             EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1166         }
1167
1168         if (preComputedTable == NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1169             /*
1170              * If there is no precomputed data, but the generator
1171              * is the default, a hardcoded table of precomputed
1172              * data is used. This is because applications, such as
1173              * Apache, do not use EC_KEY_precompute_mult.
1174              */
1175             preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)ecp_nistz256_precomputed;
1176         }
1177
1178         if (preComputedTable) {
1179             if ((BN_num_bits(scalar) > 256)
1180                 || BN_is_negative(scalar)) {
1181                 if ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
1182                     goto err;
1183
1184                 if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, &group->order, ctx)) {
1185                     ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
1186                     goto err;
1187                 }
1188                 scalar = tmp_scalar;
1189             }
1190
1191             for (i = 0; i < scalar->top * BN_BYTES; i += BN_BYTES) {
1192                 BN_ULONG d = scalar->d[i / BN_BYTES];
1193
1194                 p_str[i + 0] = d & 0xff;
1195                 p_str[i + 1] = (d >> 8) & 0xff;
1196                 p_str[i + 2] = (d >> 16) & 0xff;
1197                 p_str[i + 3] = (d >>= 24) & 0xff;
1198                 if (BN_BYTES == 8) {
1199                     d >>= 8;
1200                     p_str[i + 4] = d & 0xff;
1201                     p_str[i + 5] = (d >> 8) & 0xff;
1202                     p_str[i + 6] = (d >> 16) & 0xff;
1203                     p_str[i + 7] = (d >> 24) & 0xff;
1204                 }
1205             }
1206
1207             for (; i < 33; i++)
1208                 p_str[i] = 0;
1209
1210 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
1211             if (ecp_nistz_avx2_eligible()) {
1212                 ecp_nistz256_avx2_mul_g(&p.p, p_str, preComputedTable);
1213             } else
1214 #endif
1215             {
1216                 /* First window */
1217                 wvalue = (p_str[0] << 1) & mask;
1218                 index += window_size;
1219
1220                 wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1221
1222                 ecp_nistz256_select_w7(&p.a, preComputedTable[0], wvalue >> 1);
1223
1224                 ecp_nistz256_neg(p.p.Z, p.p.Y);
1225                 copy_conditional(p.p.Y, p.p.Z, wvalue & 1);
1226
1227                 memcpy(p.p.Z, ONE, sizeof(ONE));
1228
1229                 for (i = 1; i < 37; i++) {
1230                     unsigned int off = (index - 1) / 8;
1231                     wvalue = p_str[off] | p_str[off + 1] << 8;
1232                     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1233                     index += window_size;
1234
1235                     wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1236
1237                     ecp_nistz256_select_w7(&t.a,
1238                                            preComputedTable[i], wvalue >> 1);
1239
1240                     ecp_nistz256_neg(t.p.Z, t.a.Y);
1241                     copy_conditional(t.a.Y, t.p.Z, wvalue & 1);
1242
1243                     ecp_nistz256_point_add_affine(&p.p, &p.p, &t.a);
1244                 }
1245             }
1246         } else {
1247             p_is_infinity = 1;
1248             no_precomp_for_generator = 1;
1249         }
1250     } else
1251         p_is_infinity = 1;
1252
1253     if (no_precomp_for_generator) {
1254         /*
1255          * Without a precomputed table for the generator, it has to be
1256          * handled like a normal point.
1257          */
1258         const BIGNUM **new_scalars;
1259         const EC_POINT **new_points;
1260
1261         new_scalars = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(BIGNUM *));
1262         if (!new_scalars) {
1263             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1264             return 0;
1265         }
1266
1267         new_points = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(EC_POINT *));
1268         if (!new_points) {
1269             OPENSSL_free(new_scalars);
1270             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1271             return 0;
1272         }
1273
1274         memcpy(new_scalars, scalars, num * sizeof(BIGNUM *));
1275         new_scalars[num] = scalar;
1276         memcpy(new_points, points, num * sizeof(EC_POINT *));
1277         new_points[num] = generator;
1278
1279         scalars = new_scalars;
1280         points = new_points;
1281         num++;
1282     }
1283
1284     if (num) {
1285         P256_POINT *out = &t.p;
1286         if (p_is_infinity)
1287             out = &p.p;
1288
1289         ecp_nistz256_windowed_mul(group, out, scalars, points, num, ctx);
1290
1291         if (!p_is_infinity)
1292             ecp_nistz256_point_add(&p.p, &p.p, out);
1293     }
1294
1295     if (no_precomp_for_generator) {
1296         OPENSSL_free(points);
1297         OPENSSL_free(scalars);
1298     }
1299
1300     memcpy(r->X.d, p.p.X, sizeof(p.p.X));
1301     memcpy(r->Y.d, p.p.Y, sizeof(p.p.Y));
1302     memcpy(r->Z.d, p.p.Z, sizeof(p.p.Z));
1303     bn_correct_top(&r->X);
1304     bn_correct_top(&r->Y);
1305     bn_correct_top(&r->Z);
1306
1307     ret = 1;
1308
1309  err:
1310     return ret;
1311 }
1312
1313 static int ecp_nistz256_get_affine(const EC_GROUP *group,
1314                                    const EC_POINT *point,
1315                                    BIGNUM *x, BIGNUM *y, BN_CTX *ctx)
1316 {
1317     BN_ULONG z_inv2[P256_LIMBS];
1318     BN_ULONG z_inv3[P256_LIMBS];
1319     BN_ULONG x_aff[P256_LIMBS];
1320     BN_ULONG y_aff[P256_LIMBS];
1321     BN_ULONG point_x[P256_LIMBS], point_y[P256_LIMBS], point_z[P256_LIMBS];
1322
1323     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1324         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1325         return 0;
1326     }
1327
1328     if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_x, &point->X) ||
1329         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_y, &point->Y) ||
1330         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_z, &point->Z)) {
1331         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
1332         return 0;
1333     }
1334
1335     ecp_nistz256_mod_inverse(z_inv3, point_z);
1336     ecp_nistz256_sqr_mont(z_inv2, z_inv3);
1337     ecp_nistz256_mul_mont(x_aff, z_inv2, point_x);
1338
1339     if (x != NULL) {
1340         bn_wexpand(x, P256_LIMBS);
1341         x->top = P256_LIMBS;
1342         ecp_nistz256_from_mont(x->d, x_aff);
1343         bn_correct_top(x);
1344     }
1345
1346     if (y != NULL) {
1347         ecp_nistz256_mul_mont(z_inv3, z_inv3, z_inv2);
1348         ecp_nistz256_mul_mont(y_aff, z_inv3, point_y);
1349         bn_wexpand(y, P256_LIMBS);
1350         y->top = P256_LIMBS;
1351         ecp_nistz256_from_mont(y->d, y_aff);
1352         bn_correct_top(y);
1353     }
1354
1355     return 1;
1356 }
1357
1358 static EC_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group)
1359 {
1360     EC_PRE_COMP *ret = NULL;
1361
1362     if (!group)
1363         return NULL;
1364
1365     ret = (EC_PRE_COMP *)OPENSSL_malloc(sizeof(EC_PRE_COMP));
1366
1367     if (!ret) {
1368         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1369         return ret;
1370     }
1371
1372     ret->group = group;
1373     ret->w = 6;                 /* default */
1374     ret->precomp = NULL;
1375     ret->precomp_storage = NULL;
1376     ret->references = 1;
1377     return ret;
1378 }
1379
1380 static void *ecp_nistz256_pre_comp_dup(void *src_)
1381 {
1382     EC_PRE_COMP *src = src_;
1383
1384     /* no need to actually copy, these objects never change! */
1385     CRYPTO_add(&src->references, 1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1386
1387     return src_;
1388 }
1389
1390 static void ecp_nistz256_pre_comp_free(void *pre_)
1391 {
1392     int i;
1393     EC_PRE_COMP *pre = pre_;
1394
1395     if (!pre)
1396         return;
1397
1398     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1399     if (i > 0)
1400         return;
1401
1402     if (pre->precomp_storage)
1403         OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1404
1405     OPENSSL_free(pre);
1406 }
1407
1408 static void ecp_nistz256_pre_comp_clear_free(void *pre_)
1409 {
1410     int i;
1411     EC_PRE_COMP *pre = pre_;
1412
1413     if (!pre)
1414         return;
1415
1416     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1417     if (i > 0)
1418         return;
1419
1420     if (pre->precomp_storage) {
1421         OPENSSL_cleanse(pre->precomp,
1422                         32 * sizeof(unsigned char) * (1 << pre->w) * 2 * 37);
1423         OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1424     }
1425     OPENSSL_cleanse(pre, sizeof *pre);
1426     OPENSSL_free(pre);
1427 }
1428
1429 static int ecp_nistz256_window_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
1430 {
1431     /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1432     const EC_POINT *generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1433     if (generator != NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1434         /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1435         return 1;
1436     }
1437
1438     return EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
1439                                ecp_nistz256_pre_comp_free,
1440                                ecp_nistz256_pre_comp_clear_free) != NULL;
1441 }
1442
1443 const EC_METHOD *EC_GFp_nistz256_method(void)
1444 {
1445     static const EC_METHOD ret = {
1446         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1447         NID_X9_62_prime_field,
1448         ec_GFp_mont_group_init,
1449         ec_GFp_mont_group_finish,
1450         ec_GFp_mont_group_clear_finish,
1451         ec_GFp_mont_group_copy,
1452         ec_GFp_mont_group_set_curve,
1453         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1454         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1455         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1456         ec_GFp_simple_point_init,
1457         ec_GFp_simple_point_finish,
1458         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1459         ec_GFp_simple_point_copy,
1460         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1461         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1462         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1463         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1464         ecp_nistz256_get_affine,
1465         0, 0, 0,
1466         ec_GFp_simple_add,
1467         ec_GFp_simple_dbl,
1468         ec_GFp_simple_invert,
1469         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1470         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1471         ec_GFp_simple_cmp,
1472         ec_GFp_simple_make_affine,
1473         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1474         ecp_nistz256_points_mul,                    /* mul */
1475         ecp_nistz256_mult_precompute,               /* precompute_mult */
1476         ecp_nistz256_window_have_precompute_mult,   /* have_precompute_mult */
1477         ec_GFp_mont_field_mul,
1478         ec_GFp_mont_field_sqr,
1479         0,                                          /* field_div */
1480         ec_GFp_mont_field_encode,
1481         ec_GFp_mont_field_decode,
1482         ec_GFp_mont_field_set_to_one
1483     };
1484
1485     return &ret;
1486 }