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 }