d2fabe5349464fdc4ac9deda8c2b951c01d2f214
[openssl.git] / crypto / ec / ecp_nistz256.c
1 /*
2  * Copyright 2014-2016 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
3  *
4  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
5  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
6  * in the file LICENSE in the source distribution or at
7  * https://www.openssl.org/source/license.html
8  */
9
10 /******************************************************************************
11  *                                                                            *
12  * Copyright 2014 Intel Corporation                                           *
13  *                                                                            *
14  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");            *
15  * you may not use this file except in compliance with the License.           *
16  * You may obtain a copy of the License at                                    *
17  *                                                                            *
18  *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0                              *
19  *                                                                            *
20  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software        *
21  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,          *
22  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.   *
23  * See the License for the specific language governing permissions and        *
24  * limitations under the License.                                             *
25  *                                                                            *
26  ******************************************************************************
27  *                                                                            *
28  * Developers and authors:                                                    *
29  * Shay Gueron (1, 2), and Vlad Krasnov (1)                                   *
30  * (1) Intel Corporation, Israel Development Center                           *
31  * (2) University of Haifa                                                    *
32  * Reference:                                                                 *
33  * S.Gueron and V.Krasnov, "Fast Prime Field Elliptic Curve Cryptography with *
34  *                          256 Bit Primes"                                   *
35  *                                                                            *
36  ******************************************************************************/
37
38 #include <string.h>
39
40 #include "internal/cryptlib.h"
41 #include "internal/bn_int.h"
42 #include "ec_lcl.h"
43
44 #if BN_BITS2 != 64
45 # define TOBN(hi,lo)    lo,hi
46 #else
47 # define TOBN(hi,lo)    ((BN_ULONG)hi<<32|lo)
48 #endif
49
50 #if defined(__GNUC__)
51 # define ALIGN32        __attribute((aligned(32)))
52 #elif defined(_MSC_VER)
53 # define ALIGN32        __declspec(align(32))
54 #else
55 # define ALIGN32
56 #endif
57
58 #define ALIGNPTR(p,N)   ((unsigned char *)p+N-(size_t)p%N)
59 #define P256_LIMBS      (256/BN_BITS2)
60
61 typedef unsigned short u16;
62
63 typedef struct {
64     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
65     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
66     BN_ULONG Z[P256_LIMBS];
67 } P256_POINT;
68
69 typedef struct {
70     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
71     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
72 } P256_POINT_AFFINE;
73
74 typedef P256_POINT_AFFINE PRECOMP256_ROW[64];
75
76 /* structure for precomputed multiples of the generator */
77 struct nistz256_pre_comp_st {
78     const EC_GROUP *group;      /* Parent EC_GROUP object */
79     size_t w;                   /* Window size */
80     /*
81      * Constant time access to the X and Y coordinates of the pre-computed,
82      * generator multiplies, in the Montgomery domain. Pre-calculated
83      * multiplies are stored in affine form.
84      */
85     PRECOMP256_ROW *precomp;
86     void *precomp_storage;
87     int references;
88     CRYPTO_RWLOCK *lock;
89 };
90
91 /* Functions implemented in assembly */
92 /* Modular mul by 2: res = 2*a mod P */
93 void ecp_nistz256_mul_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
94                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
95 /* Modular div by 2: res = a/2 mod P */
96 void ecp_nistz256_div_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
97                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
98 /* Modular mul by 3: res = 3*a mod P */
99 void ecp_nistz256_mul_by_3(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
100                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
101 /* Modular add: res = a+b mod P   */
102 void ecp_nistz256_add(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
103                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
104                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
105 /* Modular sub: res = a-b mod P   */
106 void ecp_nistz256_sub(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
107                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
108                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
109 /* Modular neg: res = -a mod P    */
110 void ecp_nistz256_neg(BN_ULONG res[P256_LIMBS], const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
111 /* Montgomery mul: res = a*b*2^-256 mod P */
112 void ecp_nistz256_mul_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
113                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
114                            const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
115 /* Montgomery sqr: res = a*a*2^-256 mod P */
116 void ecp_nistz256_sqr_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
117                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
118 /* Convert a number from Montgomery domain, by multiplying with 1 */
119 void ecp_nistz256_from_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
120                             const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
121 /* Convert a number to Montgomery domain, by multiplying with 2^512 mod P*/
122 void ecp_nistz256_to_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
123                           const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
124 /* Functions that perform constant time access to the precomputed tables */
125 void ecp_nistz256_scatter_w5(P256_POINT *val,
126                              const P256_POINT *in_t, int idx);
127 void ecp_nistz256_gather_w5(P256_POINT *val,
128                             const P256_POINT *in_t, int idx);
129 void ecp_nistz256_scatter_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
130                              const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
131 void ecp_nistz256_gather_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
132                             const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
133
134 /* One converted into the Montgomery domain */
135 static const BN_ULONG ONE[P256_LIMBS] = {
136     TOBN(0x00000000, 0x00000001), TOBN(0xffffffff, 0x00000000),
137     TOBN(0xffffffff, 0xffffffff), TOBN(0x00000000, 0xfffffffe)
138 };
139
140 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group);
141
142 /* Precomputed tables for the default generator */
143 extern const PRECOMP256_ROW ecp_nistz256_precomputed[37];
144
145 /* Recode window to a signed digit, see ecp_nistputil.c for details */
146 static unsigned int _booth_recode_w5(unsigned int in)
147 {
148     unsigned int s, d;
149
150     s = ~((in >> 5) - 1);
151     d = (1 << 6) - in - 1;
152     d = (d & s) | (in & ~s);
153     d = (d >> 1) + (d & 1);
154
155     return (d << 1) + (s & 1);
156 }
157
158 static unsigned int _booth_recode_w7(unsigned int in)
159 {
160     unsigned int s, d;
161
162     s = ~((in >> 7) - 1);
163     d = (1 << 8) - in - 1;
164     d = (d & s) | (in & ~s);
165     d = (d >> 1) + (d & 1);
166
167     return (d << 1) + (s & 1);
168 }
169
170 static void copy_conditional(BN_ULONG dst[P256_LIMBS],
171                              const BN_ULONG src[P256_LIMBS], BN_ULONG move)
172 {
173     BN_ULONG mask1 = 0-move;
174     BN_ULONG mask2 = ~mask1;
175
176     dst[0] = (src[0] & mask1) ^ (dst[0] & mask2);
177     dst[1] = (src[1] & mask1) ^ (dst[1] & mask2);
178     dst[2] = (src[2] & mask1) ^ (dst[2] & mask2);
179     dst[3] = (src[3] & mask1) ^ (dst[3] & mask2);
180     if (P256_LIMBS == 8) {
181         dst[4] = (src[4] & mask1) ^ (dst[4] & mask2);
182         dst[5] = (src[5] & mask1) ^ (dst[5] & mask2);
183         dst[6] = (src[6] & mask1) ^ (dst[6] & mask2);
184         dst[7] = (src[7] & mask1) ^ (dst[7] & mask2);
185     }
186 }
187
188 static BN_ULONG is_zero(BN_ULONG in)
189 {
190     in |= (0 - in);
191     in = ~in;
192     in >>= BN_BITS2 - 1;
193     return in;
194 }
195
196 static BN_ULONG is_equal(const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
197                          const BN_ULONG b[P256_LIMBS])
198 {
199     BN_ULONG res;
200
201     res = a[0] ^ b[0];
202     res |= a[1] ^ b[1];
203     res |= a[2] ^ b[2];
204     res |= a[3] ^ b[3];
205     if (P256_LIMBS == 8) {
206         res |= a[4] ^ b[4];
207         res |= a[5] ^ b[5];
208         res |= a[6] ^ b[6];
209         res |= a[7] ^ b[7];
210     }
211
212     return is_zero(res);
213 }
214
215 static BN_ULONG is_one(const BIGNUM *z)
216 {
217     BN_ULONG res = 0;
218     BN_ULONG *a = bn_get_words(z);
219
220     if (bn_get_top(z) == (P256_LIMBS - P256_LIMBS / 8)) {
221         res = a[0] ^ ONE[0];
222         res |= a[1] ^ ONE[1];
223         res |= a[2] ^ ONE[2];
224         res |= a[3] ^ ONE[3];
225         if (P256_LIMBS == 8) {
226             res |= a[4] ^ ONE[4];
227             res |= a[5] ^ ONE[5];
228             res |= a[6] ^ ONE[6];
229             /*
230              * no check for a[7] (being zero) on 32-bit platforms,
231              * because value of "one" takes only 7 limbs.
232              */
233         }
234         res = is_zero(res);
235     }
236
237     return res;
238 }
239
240 #ifndef ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
241 void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a);
242 void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
243                             const P256_POINT *a, const P256_POINT *b);
244 void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
245                                    const P256_POINT *a,
246                                    const P256_POINT_AFFINE *b);
247 #else
248 /* Point double: r = 2*a */
249 static void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a)
250 {
251     BN_ULONG S[P256_LIMBS];
252     BN_ULONG M[P256_LIMBS];
253     BN_ULONG Zsqr[P256_LIMBS];
254     BN_ULONG tmp0[P256_LIMBS];
255
256     const BN_ULONG *in_x = a->X;
257     const BN_ULONG *in_y = a->Y;
258     const BN_ULONG *in_z = a->Z;
259
260     BN_ULONG *res_x = r->X;
261     BN_ULONG *res_y = r->Y;
262     BN_ULONG *res_z = r->Z;
263
264     ecp_nistz256_mul_by_2(S, in_y);
265
266     ecp_nistz256_sqr_mont(Zsqr, in_z);
267
268     ecp_nistz256_sqr_mont(S, S);
269
270     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, in_z, in_y);
271     ecp_nistz256_mul_by_2(res_z, res_z);
272
273     ecp_nistz256_add(M, in_x, Zsqr);
274     ecp_nistz256_sub(Zsqr, in_x, Zsqr);
275
276     ecp_nistz256_sqr_mont(res_y, S);
277     ecp_nistz256_div_by_2(res_y, res_y);
278
279     ecp_nistz256_mul_mont(M, M, Zsqr);
280     ecp_nistz256_mul_by_3(M, M);
281
282     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, in_x);
283     ecp_nistz256_mul_by_2(tmp0, S);
284
285     ecp_nistz256_sqr_mont(res_x, M);
286
287     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, tmp0);
288     ecp_nistz256_sub(S, S, res_x);
289
290     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, M);
291     ecp_nistz256_sub(res_y, S, res_y);
292 }
293
294 /* Point addition: r = a+b */
295 static void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
296                                    const P256_POINT *a, const P256_POINT *b)
297 {
298     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
299     BN_ULONG U1[P256_LIMBS], S1[P256_LIMBS];
300     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
301     BN_ULONG Z2sqr[P256_LIMBS];
302     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
303     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
304     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
305     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
306
307     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
308     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
309     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
310
311     BN_ULONG in1infty, in2infty;
312
313     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
314     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
315     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
316
317     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
318     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
319     const BN_ULONG *in2_z = b->Z;
320
321     /* We encode infinity as (0,0), which is not on the curve,
322      * so it is OK. */
323     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
324                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
325     if (P256_LIMBS == 8)
326         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
327                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
328
329     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
330                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
331     if (P256_LIMBS == 8)
332         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
333                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
334
335     in1infty = is_zero(in1infty);
336     in2infty = is_zero(in2infty);
337
338     ecp_nistz256_sqr_mont(Z2sqr, in2_z);        /* Z2^2 */
339     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
340
341     ecp_nistz256_mul_mont(S1, Z2sqr, in2_z);    /* S1 = Z2^3 */
342     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
343
344     ecp_nistz256_mul_mont(S1, S1, in1_y);       /* S1 = Y1*Z2^3 */
345     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
346     ecp_nistz256_sub(R, S2, S1);                /* R = S2 - S1 */
347
348     ecp_nistz256_mul_mont(U1, in1_x, Z2sqr);    /* U1 = X1*Z2^2 */
349     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
350     ecp_nistz256_sub(H, U2, U1);                /* H = U2 - U1 */
351
352     /*
353      * This should not happen during sign/ecdh, so no constant time violation
354      */
355     if (is_equal(U1, U2) && !in1infty && !in2infty) {
356         if (is_equal(S1, S2)) {
357             ecp_nistz256_point_double(r, a);
358             return;
359         } else {
360             memset(r, 0, sizeof(*r));
361             return;
362         }
363     }
364
365     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
366     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
367     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
368     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, res_z, in2_z); /* Z3 = H*Z1*Z2 */
369     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
370
371     ecp_nistz256_mul_mont(U2, U1, Hsqr);        /* U1*H^2 */
372     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
373
374     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
375     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
376
377     ecp_nistz256_sub(res_y, U2, res_x);
378
379     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S1, Hcub);
380     ecp_nistz256_mul_mont(res_y, R, res_y);
381     ecp_nistz256_sub(res_y, res_y, S2);
382
383     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
384     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
385     copy_conditional(res_z, in2_z, in1infty);
386
387     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
388     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
389     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
390
391     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
392     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
393     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
394 }
395
396 /* Point addition when b is known to be affine: r = a+b */
397 static void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
398                                           const P256_POINT *a,
399                                           const P256_POINT_AFFINE *b)
400 {
401     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
402     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
403     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
404     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
405     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
406     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
407
408     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
409     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
410     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
411
412     BN_ULONG in1infty, in2infty;
413
414     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
415     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
416     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
417
418     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
419     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
420
421     /*
422      * In affine representation we encode infty as (0,0), which is not on the
423      * curve, so it is OK
424      */
425     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
426                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
427     if (P256_LIMBS == 8)
428         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
429                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
430
431     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
432                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
433     if (P256_LIMBS == 8)
434         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
435                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
436
437     in1infty = is_zero(in1infty);
438     in2infty = is_zero(in2infty);
439
440     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
441
442     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
443     ecp_nistz256_sub(H, U2, in1_x);             /* H = U2 - U1 */
444
445     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
446
447     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
448
449     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
450     ecp_nistz256_sub(R, S2, in1_y);             /* R = S2 - S1 */
451
452     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
453     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
454     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
455
456     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in1_x, Hsqr);     /* U1*H^2 */
457     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
458
459     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
460     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
461     ecp_nistz256_sub(H, U2, res_x);
462
463     ecp_nistz256_mul_mont(S2, in1_y, Hcub);
464     ecp_nistz256_mul_mont(H, H, R);
465     ecp_nistz256_sub(res_y, H, S2);
466
467     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
468     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
469
470     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
471     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
472
473     copy_conditional(res_z, ONE, in1infty);
474     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
475
476     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
477     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
478     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
479 }
480 #endif
481
482 /* r = in^-1 mod p */
483 static void ecp_nistz256_mod_inverse(BN_ULONG r[P256_LIMBS],
484                                      const BN_ULONG in[P256_LIMBS])
485 {
486     /*
487      * The poly is ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000 ffffffff
488      * ffffffff ffffffff We use FLT and used poly-2 as exponent
489      */
490     BN_ULONG p2[P256_LIMBS];
491     BN_ULONG p4[P256_LIMBS];
492     BN_ULONG p8[P256_LIMBS];
493     BN_ULONG p16[P256_LIMBS];
494     BN_ULONG p32[P256_LIMBS];
495     BN_ULONG res[P256_LIMBS];
496     int i;
497
498     ecp_nistz256_sqr_mont(res, in);
499     ecp_nistz256_mul_mont(p2, res, in);         /* 3*p */
500
501     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p2);
502     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
503     ecp_nistz256_mul_mont(p4, res, p2);         /* f*p */
504
505     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p4);
506     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
507     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
508     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
509     ecp_nistz256_mul_mont(p8, res, p4);         /* ff*p */
510
511     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p8);
512     for (i = 0; i < 7; i++)
513         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
514     ecp_nistz256_mul_mont(p16, res, p8);        /* ffff*p */
515
516     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p16);
517     for (i = 0; i < 15; i++)
518         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
519     ecp_nistz256_mul_mont(p32, res, p16);       /* ffffffff*p */
520
521     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p32);
522     for (i = 0; i < 31; i++)
523         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
524     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
525
526     for (i = 0; i < 32 * 4; i++)
527         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
528     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
529
530     for (i = 0; i < 32; i++)
531         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
532     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
533
534     for (i = 0; i < 16; i++)
535         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
536     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p16);
537
538     for (i = 0; i < 8; i++)
539         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
540     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p8);
541
542     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
543     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
544     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
545     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
546     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p4);
547
548     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
549     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
550     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p2);
551
552     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
553     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
554     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
555
556     memcpy(r, res, sizeof(res));
557 }
558
559 /*
560  * ecp_nistz256_bignum_to_field_elem copies the contents of |in| to |out| and
561  * returns one if it fits. Otherwise it returns zero.
562  */
563 __owur static int ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(BN_ULONG out[P256_LIMBS],
564                                                     const BIGNUM *in)
565 {
566     return bn_copy_words(out, in, P256_LIMBS);
567 }
568
569 /* r = sum(scalar[i]*point[i]) */
570 __owur static int ecp_nistz256_windowed_mul(const EC_GROUP *group,
571                                             P256_POINT *r,
572                                             const BIGNUM **scalar,
573                                             const EC_POINT **point,
574                                             size_t num, BN_CTX *ctx)
575 {
576     size_t i;
577     int j, ret = 0;
578     unsigned int idx;
579     unsigned char (*p_str)[33] = NULL;
580     const unsigned int window_size = 5;
581     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
582     unsigned int wvalue;
583     P256_POINT *temp;           /* place for 5 temporary points */
584     const BIGNUM **scalars = NULL;
585     P256_POINT (*table)[16] = NULL;
586     void *table_storage = NULL;
587
588     if ((num * 16 + 6) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(P256_POINT)
589         || (table_storage =
590             OPENSSL_malloc((num * 16 + 5) * sizeof(P256_POINT) + 64)) == NULL
591         || (p_str =
592             OPENSSL_malloc(num * 33 * sizeof(unsigned char))) == NULL
593         || (scalars = OPENSSL_malloc(num * sizeof(BIGNUM *))) == NULL) {
594         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
595         goto err;
596     }
597
598     table = (void *)ALIGNPTR(table_storage, 64);
599     temp = (P256_POINT *)(table + num);
600
601     for (i = 0; i < num; i++) {
602         P256_POINT *row = table[i];
603
604         /* This is an unusual input, we don't guarantee constant-timeness. */
605         if ((BN_num_bits(scalar[i]) > 256) || BN_is_negative(scalar[i])) {
606             BIGNUM *mod;
607
608             if ((mod = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
609                 goto err;
610             if (!BN_nnmod(mod, scalar[i], group->order, ctx)) {
611                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_BN_LIB);
612                 goto err;
613             }
614             scalars[i] = mod;
615         } else
616             scalars[i] = scalar[i];
617
618         for (j = 0; j < bn_get_top(scalars[i]) * BN_BYTES; j += BN_BYTES) {
619             BN_ULONG d = bn_get_words(scalars[i])[j / BN_BYTES];
620
621             p_str[i][j + 0] = (unsigned char)d;
622             p_str[i][j + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
623             p_str[i][j + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
624             p_str[i][j + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
625             if (BN_BYTES == 8) {
626                 d >>= 8;
627                 p_str[i][j + 4] = (unsigned char)d;
628                 p_str[i][j + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
629                 p_str[i][j + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
630                 p_str[i][j + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
631             }
632         }
633         for (; j < 33; j++)
634             p_str[i][j] = 0;
635
636         if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].X, point[i]->X)
637             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Y, point[i]->Y)
638             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Z, point[i]->Z)) {
639             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL,
640                   EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
641             goto err;
642         }
643
644         /*
645          * row[0] is implicitly (0,0,0) (the point at infinity), therefore it
646          * is not stored. All other values are actually stored with an offset
647          * of -1 in table.
648          */
649
650         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[0], 1);
651         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[0]);              /*1+1=2  */
652         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 2);
653         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*2+1=3  */
654         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 3);
655         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*2=4  */
656         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 4);
657         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*3=6  */
658         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 6);
659         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[1], &temp[0]);    /*4+1=5  */
660         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 5);
661         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[2], &temp[0]);    /*6+1=7  */
662         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 7);
663         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*4=8  */
664         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 8);
665         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*6=12 */
666         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 12);
667         ecp_nistz256_point_double(&temp[3], &temp[3]);              /*2*5=10 */
668         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 10);
669         ecp_nistz256_point_double(&temp[4], &temp[4]);              /*2*7=14 */
670         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 14);
671         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[2], &temp[0]);    /*12+1=13*/
672         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 13);
673         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[3], &temp[0]);    /*10+1=11*/
674         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 11);
675         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[4], &temp[0]);    /*14+1=15*/
676         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 15);
677         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*8+1=9  */
678         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 9);
679         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*8=16 */
680         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 16);
681     }
682
683     idx = 255;
684
685     wvalue = p_str[0][(idx - 1) / 8];
686     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
687
688     /*
689      * We gather to temp[0], because we know it's position relative
690      * to table
691      */
692     ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[0], _booth_recode_w5(wvalue) >> 1);
693     memcpy(r, &temp[0], sizeof(temp[0]));
694
695     while (idx >= 5) {
696         for (i = (idx == 255 ? 1 : 0); i < num; i++) {
697             unsigned int off = (idx - 1) / 8;
698
699             wvalue = p_str[i][off] | p_str[i][off + 1] << 8;
700             wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
701
702             wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
703
704             ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
705
706             ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
707             copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, (wvalue & 1));
708
709             ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
710         }
711
712         idx -= window_size;
713
714         ecp_nistz256_point_double(r, r);
715         ecp_nistz256_point_double(r, r);
716         ecp_nistz256_point_double(r, r);
717         ecp_nistz256_point_double(r, r);
718         ecp_nistz256_point_double(r, r);
719     }
720
721     /* Final window */
722     for (i = 0; i < num; i++) {
723         wvalue = p_str[i][0];
724         wvalue = (wvalue << 1) & mask;
725
726         wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
727
728         ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
729
730         ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
731         copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, wvalue & 1);
732
733         ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
734     }
735
736     ret = 1;
737  err:
738     OPENSSL_free(table_storage);
739     OPENSSL_free(p_str);
740     OPENSSL_free(scalars);
741     return ret;
742 }
743
744 /* Coordinates of G, for which we have precomputed tables */
745 const static BN_ULONG def_xG[P256_LIMBS] = {
746     TOBN(0x79e730d4, 0x18a9143c), TOBN(0x75ba95fc, 0x5fedb601),
747     TOBN(0x79fb732b, 0x77622510), TOBN(0x18905f76, 0xa53755c6)
748 };
749
750 const static BN_ULONG def_yG[P256_LIMBS] = {
751     TOBN(0xddf25357, 0xce95560a), TOBN(0x8b4ab8e4, 0xba19e45c),
752     TOBN(0xd2e88688, 0xdd21f325), TOBN(0x8571ff18, 0x25885d85)
753 };
754
755 /*
756  * ecp_nistz256_is_affine_G returns one if |generator| is the standard, P-256
757  * generator.
758  */
759 static int ecp_nistz256_is_affine_G(const EC_POINT *generator)
760 {
761     return (bn_get_top(generator->X) == P256_LIMBS) &&
762         (bn_get_top(generator->Y) == P256_LIMBS) &&
763         is_equal(bn_get_words(generator->X), def_xG) &&
764         is_equal(bn_get_words(generator->Y), def_yG) &&
765         is_one(generator->Z);
766 }
767
768 __owur static int ecp_nistz256_mult_precompute(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
769 {
770     /*
771      * We precompute a table for a Booth encoded exponent (wNAF) based
772      * computation. Each table holds 64 values for safe access, with an
773      * implicit value of infinity at index zero. We use window of size 7, and
774      * therefore require ceil(256/7) = 37 tables.
775      */
776     const BIGNUM *order;
777     EC_POINT *P = NULL, *T = NULL;
778     const EC_POINT *generator;
779     NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp;
780     BN_CTX *new_ctx = NULL;
781     int i, j, k, ret = 0;
782     size_t w;
783
784     PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
785     unsigned char *precomp_storage = NULL;
786
787     /* if there is an old NISTZ256_PRE_COMP object, throw it away */
788     EC_pre_comp_free(group);
789     generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
790     if (generator == NULL) {
791         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
792         return 0;
793     }
794
795     if (ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
796         /*
797          * No need to calculate tables for the standard generator because we
798          * have them statically.
799          */
800         return 1;
801     }
802
803     if ((pre_comp = ecp_nistz256_pre_comp_new(group)) == NULL)
804         return 0;
805
806     if (ctx == NULL) {
807         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
808         if (ctx == NULL)
809             goto err;
810     }
811
812     BN_CTX_start(ctx);
813
814     order = EC_GROUP_get0_order(group);
815     if (order == NULL)
816         goto err;
817
818     if (BN_is_zero(order)) {
819         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
820         goto err;
821     }
822
823     w = 7;
824
825     if ((precomp_storage =
826          OPENSSL_malloc(37 * 64 * sizeof(P256_POINT_AFFINE) + 64)) == NULL) {
827         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
828         goto err;
829     }
830
831     preComputedTable = (void *)ALIGNPTR(precomp_storage, 64);
832
833     P = EC_POINT_new(group);
834     T = EC_POINT_new(group);
835     if (P == NULL || T == NULL)
836         goto err;
837
838     /*
839      * The zero entry is implicitly infinity, and we skip it, storing other
840      * values with -1 offset.
841      */
842     if (!EC_POINT_copy(T, generator))
843         goto err;
844
845     for (k = 0; k < 64; k++) {
846         if (!EC_POINT_copy(P, T))
847             goto err;
848         for (j = 0; j < 37; j++) {
849             P256_POINT_AFFINE temp;
850             /*
851              * It would be faster to use EC_POINTs_make_affine and
852              * make multiple points affine at the same time.
853              */
854             if (!EC_POINT_make_affine(group, P, ctx))
855                 goto err;
856             if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.X, P->X) ||
857                 !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.Y, P->Y)) {
858                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE,
859                       EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
860                 goto err;
861             }
862             ecp_nistz256_scatter_w7(preComputedTable[j], &temp, k);
863             for (i = 0; i < 7; i++) {
864                 if (!EC_POINT_dbl(group, P, P, ctx))
865                     goto err;
866             }
867         }
868         if (!EC_POINT_add(group, T, T, generator, ctx))
869             goto err;
870     }
871
872     pre_comp->group = group;
873     pre_comp->w = w;
874     pre_comp->precomp = preComputedTable;
875     pre_comp->precomp_storage = precomp_storage;
876     precomp_storage = NULL;
877     SETPRECOMP(group, nistz256, pre_comp);
878     pre_comp = NULL;
879     ret = 1;
880
881  err:
882     if (ctx != NULL)
883         BN_CTX_end(ctx);
884     BN_CTX_free(new_ctx);
885
886     EC_nistz256_pre_comp_free(pre_comp);
887     OPENSSL_free(precomp_storage);
888     EC_POINT_free(P);
889     EC_POINT_free(T);
890     return ret;
891 }
892
893 /*
894  * Note that by default ECP_NISTZ256_AVX2 is undefined. While it's great
895  * code processing 4 points in parallel, corresponding serial operation
896  * is several times slower, because it uses 29x29=58-bit multiplication
897  * as opposite to 64x64=128-bit in integer-only scalar case. As result
898  * it doesn't provide *significant* performance improvement. Note that
899  * just defining ECP_NISTZ256_AVX2 is not sufficient to make it work,
900  * you'd need to compile even asm/ecp_nistz256-avx.pl module.
901  */
902 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
903 # if !(defined(__x86_64) || defined(__x86_64__) || \
904        defined(_M_AMD64) || defined(_MX64)) || \
905      !(defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)) /* this is for ALIGN32 */
906 #  undef ECP_NISTZ256_AVX2
907 # else
908 /* Constant time access, loading four values, from four consecutive tables */
909 void ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(void *result, const void *in,
910                                        int index0, int index1, int index2,
911                                        int index3);
912 void ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(void *RESULTx4, const void *in);
913 void ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(void *result, const void *Ax4);
914 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
915                                            const void *Bx4);
916 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
917                                             const void *Bx4);
918 void ecp_nistz256_avx2_to_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
919 void ecp_nistz256_avx2_from_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
920 void ecp_nistz256_avx2_set1(void *RESULTx4);
921 int ecp_nistz_avx2_eligible(void);
922
923 static void booth_recode_w7(unsigned char *sign,
924                             unsigned char *digit, unsigned char in)
925 {
926     unsigned char s, d;
927
928     s = ~((in >> 7) - 1);
929     d = (1 << 8) - in - 1;
930     d = (d & s) | (in & ~s);
931     d = (d >> 1) + (d & 1);
932
933     *sign = s & 1;
934     *digit = d;
935 }
936
937 /*
938  * ecp_nistz256_avx2_mul_g performs multiplication by G, using only the
939  * precomputed table. It does 4 affine point additions in parallel,
940  * significantly speeding up point multiplication for a fixed value.
941  */
942 static void ecp_nistz256_avx2_mul_g(P256_POINT *r,
943                                     unsigned char p_str[33],
944                                     const P256_POINT_AFFINE(*preComputedTable)[64])
945 {
946     const unsigned int window_size = 7;
947     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
948     unsigned int wvalue;
949     /* Using 4 windows at a time */
950     unsigned char sign0, digit0;
951     unsigned char sign1, digit1;
952     unsigned char sign2, digit2;
953     unsigned char sign3, digit3;
954     unsigned int idx = 0;
955     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
956     int i;
957
958     ALIGN32 BN_ULONG aX4[4 * 9 * 3] = { 0 };
959     ALIGN32 BN_ULONG bX4[4 * 9 * 2] = { 0 };
960     ALIGN32 P256_POINT_AFFINE point_arr[4];
961     ALIGN32 P256_POINT res_point_arr[4];
962
963     /* Initial four windows */
964     wvalue = *((u16 *) & p_str[0]);
965     wvalue = (wvalue << 1) & mask;
966     idx += window_size;
967     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
968     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
969     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
970     idx += window_size;
971     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
972     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
973     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
974     idx += window_size;
975     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
976     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
977     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
978     idx += window_size;
979     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
980
981     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[0],
982                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
983
984     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
985     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
986     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
987     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
988     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
989     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
990     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
991     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
992
993     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(aX4, point_arr);
994     ecp_nistz256_avx2_to_mont(aX4, aX4);
995     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&aX4[4 * 9], &aX4[4 * 9]);
996     ecp_nistz256_avx2_set1(&aX4[4 * 9 * 2]);
997
998     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
999     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1000     idx += window_size;
1001     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1002     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1003     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1004     idx += window_size;
1005     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1006     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1007     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1008     idx += window_size;
1009     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1010     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1011     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1012     idx += window_size;
1013     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1014
1015     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[4 * 1],
1016                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
1017
1018     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1019     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1020     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1021     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1022     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1023     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1024     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1025     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1026
1027     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1028     ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1029     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1030     /* Optimized when both inputs are affine */
1031     ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(aX4, aX4, bX4);
1032
1033     for (i = 2; i < 9; i++) {
1034         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1035         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1036         idx += window_size;
1037         booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1038         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1039         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1040         idx += window_size;
1041         booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1042         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1043         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1044         idx += window_size;
1045         booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1046         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1047         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1048         idx += window_size;
1049         booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1050
1051         ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr,
1052                                           preComputedTable[4 * i],
1053                                           digit0, digit1, digit2, digit3);
1054
1055         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1056         copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1057         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1058         copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1059         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1060         copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1061         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1062         copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1063
1064         ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1065         ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1066         ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1067
1068         ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(aX4, aX4, bX4);
1069     }
1070
1071     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 0], &aX4[4 * 9 * 0]);
1072     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 1], &aX4[4 * 9 * 1]);
1073     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 2], &aX4[4 * 9 * 2]);
1074
1075     ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(res_point_arr, aX4);
1076     /* Last window is performed serially */
1077     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1078     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1079     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1080     ecp_nistz256_gather_w7((P256_POINT_AFFINE *)r,
1081                            preComputedTable[36], digit0);
1082     ecp_nistz256_neg(tmp, r->Y);
1083     copy_conditional(r->Y, tmp, sign0);
1084     memcpy(r->Z, ONE, sizeof(ONE));
1085     /* Sum the four windows */
1086     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[0]);
1087     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[1]);
1088     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[2]);
1089     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[3]);
1090 }
1091 # endif
1092 #endif
1093
1094 __owur static int ecp_nistz256_set_from_affine(EC_POINT *out, const EC_GROUP *group,
1095                                                const P256_POINT_AFFINE *in,
1096                                                BN_CTX *ctx)
1097 {
1098     BIGNUM *x, *y;
1099     BN_ULONG d_x[P256_LIMBS], d_y[P256_LIMBS];
1100     int ret = 0;
1101
1102     x = BN_new();
1103     if (x == NULL)
1104         return 0;
1105     y = BN_new();
1106     if (y == NULL) {
1107         BN_free(x);
1108         return 0;
1109     }
1110     memcpy(d_x, in->X, sizeof(d_x));
1111     bn_set_static_words(x, d_x, P256_LIMBS);
1112
1113     memcpy(d_y, in->Y, sizeof(d_y));
1114     bn_set_static_words(y, d_y, P256_LIMBS);
1115
1116     ret = EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, out, x, y, ctx);
1117
1118     BN_free(x);
1119     BN_free(y);
1120
1121     return ret;
1122 }
1123
1124 /* r = scalar*G + sum(scalars[i]*points[i]) */
1125 __owur static int ecp_nistz256_points_mul(const EC_GROUP *group,
1126                                           EC_POINT *r,
1127                                           const BIGNUM *scalar,
1128                                           size_t num,
1129                                           const EC_POINT *points[],
1130                                           const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
1131 {
1132     int i = 0, ret = 0, no_precomp_for_generator = 0, p_is_infinity = 0;
1133     size_t j;
1134     unsigned char p_str[33] = { 0 };
1135     const PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
1136     const NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp = NULL;
1137     const EC_POINT *generator = NULL;
1138     BN_CTX *new_ctx = NULL;
1139     const BIGNUM **new_scalars = NULL;
1140     const EC_POINT **new_points = NULL;
1141     unsigned int idx = 0;
1142     const unsigned int window_size = 7;
1143     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
1144     unsigned int wvalue;
1145     ALIGN32 union {
1146         P256_POINT p;
1147         P256_POINT_AFFINE a;
1148     } t, p;
1149     BIGNUM *tmp_scalar;
1150
1151     if ((num + 1) == 0 || (num + 1) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(void *)) {
1152         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1153         return 0;
1154     }
1155
1156     if (group->meth != r->meth) {
1157         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1158         return 0;
1159     }
1160
1161     if ((scalar == NULL) && (num == 0))
1162         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
1163
1164     for (j = 0; j < num; j++) {
1165         if (group->meth != points[j]->meth) {
1166             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1167             return 0;
1168         }
1169     }
1170
1171     if (ctx == NULL) {
1172         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
1173         if (ctx == NULL)
1174             goto err;
1175     }
1176
1177     BN_CTX_start(ctx);
1178
1179     if (scalar) {
1180         generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1181         if (generator == NULL) {
1182             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
1183             goto err;
1184         }
1185
1186         /* look if we can use precomputed multiples of generator */
1187         pre_comp = group->pre_comp.nistz256;
1188
1189         if (pre_comp) {
1190             /*
1191              * If there is a precomputed table for the generator, check that
1192              * it was generated with the same generator.
1193              */
1194             EC_POINT *pre_comp_generator = EC_POINT_new(group);
1195             if (pre_comp_generator == NULL)
1196                 goto err;
1197
1198             if (!ecp_nistz256_set_from_affine(pre_comp_generator,
1199                                               group, pre_comp->precomp[0],
1200                                               ctx)) {
1201                 EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1202                 goto err;
1203             }
1204
1205             if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, pre_comp_generator, ctx))
1206                 preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)pre_comp->precomp;
1207
1208             EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1209         }
1210
1211         if (preComputedTable == NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1212             /*
1213              * If there is no precomputed data, but the generator is the
1214              * default, a hardcoded table of precomputed data is used. This
1215              * is because applications, such as Apache, do not use
1216              * EC_KEY_precompute_mult.
1217              */
1218             preComputedTable = ecp_nistz256_precomputed;
1219         }
1220
1221         if (preComputedTable) {
1222             if ((BN_num_bits(scalar) > 256)
1223                 || BN_is_negative(scalar)) {
1224                 if ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
1225                     goto err;
1226
1227                 if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, group->order, ctx)) {
1228                     ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
1229                     goto err;
1230                 }
1231                 scalar = tmp_scalar;
1232             }
1233
1234             for (i = 0; i < bn_get_top(scalar) * BN_BYTES; i += BN_BYTES) {
1235                 BN_ULONG d = bn_get_words(scalar)[i / BN_BYTES];
1236
1237                 p_str[i + 0] = (unsigned char)d;
1238                 p_str[i + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
1239                 p_str[i + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
1240                 p_str[i + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
1241                 if (BN_BYTES == 8) {
1242                     d >>= 8;
1243                     p_str[i + 4] = (unsigned char)d;
1244                     p_str[i + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
1245                     p_str[i + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
1246                     p_str[i + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
1247                 }
1248             }
1249
1250             for (; i < 33; i++)
1251                 p_str[i] = 0;
1252
1253 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
1254             if (ecp_nistz_avx2_eligible()) {
1255                 ecp_nistz256_avx2_mul_g(&p.p, p_str, preComputedTable);
1256             } else
1257 #endif
1258             {
1259                 /* First window */
1260                 wvalue = (p_str[0] << 1) & mask;
1261                 idx += window_size;
1262
1263                 wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1264
1265                 ecp_nistz256_gather_w7(&p.a, preComputedTable[0],
1266                                        wvalue >> 1);
1267
1268                 ecp_nistz256_neg(p.p.Z, p.p.Y);
1269                 copy_conditional(p.p.Y, p.p.Z, wvalue & 1);
1270
1271                 memcpy(p.p.Z, ONE, sizeof(ONE));
1272
1273                 for (i = 1; i < 37; i++) {
1274                     unsigned int off = (idx - 1) / 8;
1275                     wvalue = p_str[off] | p_str[off + 1] << 8;
1276                     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1277                     idx += window_size;
1278
1279                     wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1280
1281                     ecp_nistz256_gather_w7(&t.a,
1282                                            preComputedTable[i], wvalue >> 1);
1283
1284                     ecp_nistz256_neg(t.p.Z, t.a.Y);
1285                     copy_conditional(t.a.Y, t.p.Z, wvalue & 1);
1286
1287                     ecp_nistz256_point_add_affine(&p.p, &p.p, &t.a);
1288                 }
1289             }
1290         } else {
1291             p_is_infinity = 1;
1292             no_precomp_for_generator = 1;
1293         }
1294     } else
1295         p_is_infinity = 1;
1296
1297     if (no_precomp_for_generator) {
1298         /*
1299          * Without a precomputed table for the generator, it has to be
1300          * handled like a normal point.
1301          */
1302         new_scalars = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(BIGNUM *));
1303         if (new_scalars == NULL) {
1304             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1305             goto err;
1306         }
1307
1308         new_points = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(EC_POINT *));
1309         if (new_points == NULL) {
1310             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1311             goto err;
1312         }
1313
1314         memcpy(new_scalars, scalars, num * sizeof(BIGNUM *));
1315         new_scalars[num] = scalar;
1316         memcpy(new_points, points, num * sizeof(EC_POINT *));
1317         new_points[num] = generator;
1318
1319         scalars = new_scalars;
1320         points = new_points;
1321         num++;
1322     }
1323
1324     if (num) {
1325         P256_POINT *out = &t.p;
1326         if (p_is_infinity)
1327             out = &p.p;
1328
1329         if (!ecp_nistz256_windowed_mul(group, out, scalars, points, num, ctx))
1330             goto err;
1331
1332         if (!p_is_infinity)
1333             ecp_nistz256_point_add(&p.p, &p.p, out);
1334     }
1335
1336     /* Not constant-time, but we're only operating on the public output. */
1337     if (!bn_set_words(r->X, p.p.X, P256_LIMBS) ||
1338         !bn_set_words(r->Y, p.p.Y, P256_LIMBS) ||
1339         !bn_set_words(r->Z, p.p.Z, P256_LIMBS)) {
1340         goto err;
1341     }
1342     r->Z_is_one = is_one(r->Z) & 1;
1343
1344     ret = 1;
1345
1346 err:
1347     if (ctx)
1348         BN_CTX_end(ctx);
1349     BN_CTX_free(new_ctx);
1350     OPENSSL_free(new_points);
1351     OPENSSL_free(new_scalars);
1352     return ret;
1353 }
1354
1355 __owur static int ecp_nistz256_get_affine(const EC_GROUP *group,
1356                                           const EC_POINT *point,
1357                                           BIGNUM *x, BIGNUM *y, BN_CTX *ctx)
1358 {
1359     BN_ULONG z_inv2[P256_LIMBS];
1360     BN_ULONG z_inv3[P256_LIMBS];
1361     BN_ULONG x_aff[P256_LIMBS];
1362     BN_ULONG y_aff[P256_LIMBS];
1363     BN_ULONG point_x[P256_LIMBS], point_y[P256_LIMBS], point_z[P256_LIMBS];
1364     BN_ULONG x_ret[P256_LIMBS], y_ret[P256_LIMBS];
1365
1366     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1367         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1368         return 0;
1369     }
1370
1371     if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_x, point->X) ||
1372         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_y, point->Y) ||
1373         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_z, point->Z)) {
1374         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
1375         return 0;
1376     }
1377
1378     ecp_nistz256_mod_inverse(z_inv3, point_z);
1379     ecp_nistz256_sqr_mont(z_inv2, z_inv3);
1380     ecp_nistz256_mul_mont(x_aff, z_inv2, point_x);
1381
1382     if (x != NULL) {
1383         ecp_nistz256_from_mont(x_ret, x_aff);
1384         if (!bn_set_words(x, x_ret, P256_LIMBS))
1385             return 0;
1386     }
1387
1388     if (y != NULL) {
1389         ecp_nistz256_mul_mont(z_inv3, z_inv3, z_inv2);
1390         ecp_nistz256_mul_mont(y_aff, z_inv3, point_y);
1391         ecp_nistz256_from_mont(y_ret, y_aff);
1392         if (!bn_set_words(y, y_ret, P256_LIMBS))
1393             return 0;
1394     }
1395
1396     return 1;
1397 }
1398
1399 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group)
1400 {
1401     NISTZ256_PRE_COMP *ret = NULL;
1402
1403     if (!group)
1404         return NULL;
1405
1406     ret = OPENSSL_zalloc(sizeof(*ret));
1407
1408     if (ret == NULL) {
1409         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1410         return ret;
1411     }
1412
1413     ret->group = group;
1414     ret->w = 6;                 /* default */
1415     ret->references = 1;
1416
1417     ret->lock = CRYPTO_THREAD_lock_new();
1418     if (ret->lock == NULL) {
1419         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1420         OPENSSL_free(ret);
1421         return NULL;
1422     }
1423     return ret;
1424 }
1425
1426 NISTZ256_PRE_COMP *EC_nistz256_pre_comp_dup(NISTZ256_PRE_COMP *p)
1427 {
1428     int i;
1429     if (p != NULL)
1430         CRYPTO_atomic_add(&p->references, 1, &i, p->lock);
1431     return p;
1432 }
1433
1434 void EC_nistz256_pre_comp_free(NISTZ256_PRE_COMP *pre)
1435 {
1436     int i;
1437
1438     if (pre == NULL)
1439         return;
1440
1441     CRYPTO_atomic_add(&pre->references, -1, &i, pre->lock);
1442     REF_PRINT_COUNT("EC_nistz256", x);
1443     if (i > 0)
1444         return;
1445     REF_ASSERT_ISNT(i < 0);
1446
1447     OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1448     CRYPTO_THREAD_lock_free(pre->lock);
1449     OPENSSL_free(pre);
1450 }
1451
1452
1453 static int ecp_nistz256_window_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
1454 {
1455     /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1456     const EC_POINT *generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1457
1458     if (generator != NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1459         /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1460         return 1;
1461     }
1462
1463     return HAVEPRECOMP(group, nistz256);
1464 }
1465
1466 const EC_METHOD *EC_GFp_nistz256_method(void)
1467 {
1468     static const EC_METHOD ret = {
1469         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1470         NID_X9_62_prime_field,
1471         ec_GFp_mont_group_init,
1472         ec_GFp_mont_group_finish,
1473         ec_GFp_mont_group_clear_finish,
1474         ec_GFp_mont_group_copy,
1475         ec_GFp_mont_group_set_curve,
1476         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1477         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1478         ec_group_simple_order_bits,
1479         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1480         ec_GFp_simple_point_init,
1481         ec_GFp_simple_point_finish,
1482         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1483         ec_GFp_simple_point_copy,
1484         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1485         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1486         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1487         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1488         ecp_nistz256_get_affine,
1489         0, 0, 0,
1490         ec_GFp_simple_add,
1491         ec_GFp_simple_dbl,
1492         ec_GFp_simple_invert,
1493         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1494         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1495         ec_GFp_simple_cmp,
1496         ec_GFp_simple_make_affine,
1497         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1498         ecp_nistz256_points_mul,                    /* mul */
1499         ecp_nistz256_mult_precompute,               /* precompute_mult */
1500         ecp_nistz256_window_have_precompute_mult,   /* have_precompute_mult */
1501         ec_GFp_mont_field_mul,
1502         ec_GFp_mont_field_sqr,
1503         0,                                          /* field_div */
1504         ec_GFp_mont_field_encode,
1505         ec_GFp_mont_field_decode,
1506         ec_GFp_mont_field_set_to_one,
1507         ec_key_simple_priv2oct,
1508         ec_key_simple_oct2priv,
1509         0, /* set private */
1510         ec_key_simple_generate_key,
1511         ec_key_simple_check_key,
1512         ec_key_simple_generate_public_key,
1513         0, /* keycopy */
1514         0, /* keyfinish */
1515         ecdh_simple_compute_key
1516     };
1517
1518     return &ret;
1519 }