SCA hardening for mod. field inversion in EC_GROUP
[openssl.git] / crypto / ec / ecp_nistz256.c
1 /*
2  * Copyright 2014-2019 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 /*
93  * Most of below mentioned functions *preserve* the property of inputs
94  * being fully reduced, i.e. being in [0, modulus) range. Simply put if
95  * inputs are fully reduced, then output is too. Note that reverse is
96  * not true, in sense that given partially reduced inputs output can be
97  * either, not unlikely reduced. And "most" in first sentence refers to
98  * the fact that given the calculations flow one can tolerate that
99  * addition, 1st function below, produces partially reduced result *if*
100  * multiplications by 2 and 3, which customarily use addition, fully
101  * reduce it. This effectively gives two options: a) addition produces
102  * fully reduced result [as long as inputs are, just like remaining
103  * functions]; b) addition is allowed to produce partially reduced
104  * result, but multiplications by 2 and 3 perform additional reduction
105  * step. Choice between the two can be platform-specific, but it was a)
106  * in all cases so far...
107  */
108 /* Modular add: res = a+b mod P   */
109 void ecp_nistz256_add(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
110                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
111                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
112 /* Modular mul by 2: res = 2*a mod P */
113 void ecp_nistz256_mul_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
114                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
115 /* Modular mul by 3: res = 3*a mod P */
116 void ecp_nistz256_mul_by_3(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
117                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
118
119 /* Modular div by 2: res = a/2 mod P */
120 void ecp_nistz256_div_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
121                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
122 /* Modular sub: res = a-b mod P   */
123 void ecp_nistz256_sub(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
124                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
125                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
126 /* Modular neg: res = -a mod P    */
127 void ecp_nistz256_neg(BN_ULONG res[P256_LIMBS], const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
128 /* Montgomery mul: res = a*b*2^-256 mod P */
129 void ecp_nistz256_mul_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
130                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
131                            const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
132 /* Montgomery sqr: res = a*a*2^-256 mod P */
133 void ecp_nistz256_sqr_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
134                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
135 /* Convert a number from Montgomery domain, by multiplying with 1 */
136 void ecp_nistz256_from_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
137                             const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
138 /* Convert a number to Montgomery domain, by multiplying with 2^512 mod P*/
139 void ecp_nistz256_to_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
140                           const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
141 /* Functions that perform constant time access to the precomputed tables */
142 void ecp_nistz256_scatter_w5(P256_POINT *val,
143                              const P256_POINT *in_t, int idx);
144 void ecp_nistz256_gather_w5(P256_POINT *val,
145                             const P256_POINT *in_t, int idx);
146 void ecp_nistz256_scatter_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
147                              const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
148 void ecp_nistz256_gather_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
149                             const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
150
151 /* One converted into the Montgomery domain */
152 static const BN_ULONG ONE[P256_LIMBS] = {
153     TOBN(0x00000000, 0x00000001), TOBN(0xffffffff, 0x00000000),
154     TOBN(0xffffffff, 0xffffffff), TOBN(0x00000000, 0xfffffffe)
155 };
156
157 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group);
158
159 /* Precomputed tables for the default generator */
160 extern const PRECOMP256_ROW ecp_nistz256_precomputed[37];
161
162 /* Recode window to a signed digit, see ecp_nistputil.c for details */
163 static unsigned int _booth_recode_w5(unsigned int in)
164 {
165     unsigned int s, d;
166
167     s = ~((in >> 5) - 1);
168     d = (1 << 6) - in - 1;
169     d = (d & s) | (in & ~s);
170     d = (d >> 1) + (d & 1);
171
172     return (d << 1) + (s & 1);
173 }
174
175 static unsigned int _booth_recode_w7(unsigned int in)
176 {
177     unsigned int s, d;
178
179     s = ~((in >> 7) - 1);
180     d = (1 << 8) - in - 1;
181     d = (d & s) | (in & ~s);
182     d = (d >> 1) + (d & 1);
183
184     return (d << 1) + (s & 1);
185 }
186
187 static void copy_conditional(BN_ULONG dst[P256_LIMBS],
188                              const BN_ULONG src[P256_LIMBS], BN_ULONG move)
189 {
190     BN_ULONG mask1 = 0-move;
191     BN_ULONG mask2 = ~mask1;
192
193     dst[0] = (src[0] & mask1) ^ (dst[0] & mask2);
194     dst[1] = (src[1] & mask1) ^ (dst[1] & mask2);
195     dst[2] = (src[2] & mask1) ^ (dst[2] & mask2);
196     dst[3] = (src[3] & mask1) ^ (dst[3] & mask2);
197     if (P256_LIMBS == 8) {
198         dst[4] = (src[4] & mask1) ^ (dst[4] & mask2);
199         dst[5] = (src[5] & mask1) ^ (dst[5] & mask2);
200         dst[6] = (src[6] & mask1) ^ (dst[6] & mask2);
201         dst[7] = (src[7] & mask1) ^ (dst[7] & mask2);
202     }
203 }
204
205 static BN_ULONG is_zero(BN_ULONG in)
206 {
207     in |= (0 - in);
208     in = ~in;
209     in >>= BN_BITS2 - 1;
210     return in;
211 }
212
213 static BN_ULONG is_equal(const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
214                          const BN_ULONG b[P256_LIMBS])
215 {
216     BN_ULONG res;
217
218     res = a[0] ^ b[0];
219     res |= a[1] ^ b[1];
220     res |= a[2] ^ b[2];
221     res |= a[3] ^ b[3];
222     if (P256_LIMBS == 8) {
223         res |= a[4] ^ b[4];
224         res |= a[5] ^ b[5];
225         res |= a[6] ^ b[6];
226         res |= a[7] ^ b[7];
227     }
228
229     return is_zero(res);
230 }
231
232 static BN_ULONG is_one(const BIGNUM *z)
233 {
234     BN_ULONG res = 0;
235     BN_ULONG *a = bn_get_words(z);
236
237     if (bn_get_top(z) == (P256_LIMBS - P256_LIMBS / 8)) {
238         res = a[0] ^ ONE[0];
239         res |= a[1] ^ ONE[1];
240         res |= a[2] ^ ONE[2];
241         res |= a[3] ^ ONE[3];
242         if (P256_LIMBS == 8) {
243             res |= a[4] ^ ONE[4];
244             res |= a[5] ^ ONE[5];
245             res |= a[6] ^ ONE[6];
246             /*
247              * no check for a[7] (being zero) on 32-bit platforms,
248              * because value of "one" takes only 7 limbs.
249              */
250         }
251         res = is_zero(res);
252     }
253
254     return res;
255 }
256
257 #ifndef ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
258 void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a);
259 void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
260                             const P256_POINT *a, const P256_POINT *b);
261 void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
262                                    const P256_POINT *a,
263                                    const P256_POINT_AFFINE *b);
264 #else
265 /* Point double: r = 2*a */
266 static void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a)
267 {
268     BN_ULONG S[P256_LIMBS];
269     BN_ULONG M[P256_LIMBS];
270     BN_ULONG Zsqr[P256_LIMBS];
271     BN_ULONG tmp0[P256_LIMBS];
272
273     const BN_ULONG *in_x = a->X;
274     const BN_ULONG *in_y = a->Y;
275     const BN_ULONG *in_z = a->Z;
276
277     BN_ULONG *res_x = r->X;
278     BN_ULONG *res_y = r->Y;
279     BN_ULONG *res_z = r->Z;
280
281     ecp_nistz256_mul_by_2(S, in_y);
282
283     ecp_nistz256_sqr_mont(Zsqr, in_z);
284
285     ecp_nistz256_sqr_mont(S, S);
286
287     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, in_z, in_y);
288     ecp_nistz256_mul_by_2(res_z, res_z);
289
290     ecp_nistz256_add(M, in_x, Zsqr);
291     ecp_nistz256_sub(Zsqr, in_x, Zsqr);
292
293     ecp_nistz256_sqr_mont(res_y, S);
294     ecp_nistz256_div_by_2(res_y, res_y);
295
296     ecp_nistz256_mul_mont(M, M, Zsqr);
297     ecp_nistz256_mul_by_3(M, M);
298
299     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, in_x);
300     ecp_nistz256_mul_by_2(tmp0, S);
301
302     ecp_nistz256_sqr_mont(res_x, M);
303
304     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, tmp0);
305     ecp_nistz256_sub(S, S, res_x);
306
307     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, M);
308     ecp_nistz256_sub(res_y, S, res_y);
309 }
310
311 /* Point addition: r = a+b */
312 static void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
313                                    const P256_POINT *a, const P256_POINT *b)
314 {
315     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
316     BN_ULONG U1[P256_LIMBS], S1[P256_LIMBS];
317     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
318     BN_ULONG Z2sqr[P256_LIMBS];
319     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
320     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
321     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
322     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
323
324     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
325     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
326     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
327
328     BN_ULONG in1infty, in2infty;
329
330     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
331     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
332     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
333
334     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
335     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
336     const BN_ULONG *in2_z = b->Z;
337
338     /*
339      * Infinity in encoded as (,,0)
340      */
341     in1infty = (in1_z[0] | in1_z[1] | in1_z[2] | in1_z[3]);
342     if (P256_LIMBS == 8)
343         in1infty |= (in1_z[4] | in1_z[5] | in1_z[6] | in1_z[7]);
344
345     in2infty = (in2_z[0] | in2_z[1] | in2_z[2] | in2_z[3]);
346     if (P256_LIMBS == 8)
347         in2infty |= (in2_z[4] | in2_z[5] | in2_z[6] | in2_z[7]);
348
349     in1infty = is_zero(in1infty);
350     in2infty = is_zero(in2infty);
351
352     ecp_nistz256_sqr_mont(Z2sqr, in2_z);        /* Z2^2 */
353     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
354
355     ecp_nistz256_mul_mont(S1, Z2sqr, in2_z);    /* S1 = Z2^3 */
356     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
357
358     ecp_nistz256_mul_mont(S1, S1, in1_y);       /* S1 = Y1*Z2^3 */
359     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
360     ecp_nistz256_sub(R, S2, S1);                /* R = S2 - S1 */
361
362     ecp_nistz256_mul_mont(U1, in1_x, Z2sqr);    /* U1 = X1*Z2^2 */
363     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
364     ecp_nistz256_sub(H, U2, U1);                /* H = U2 - U1 */
365
366     /*
367      * This should not happen during sign/ecdh, so no constant time violation
368      */
369     if (is_equal(U1, U2) && !in1infty && !in2infty) {
370         if (is_equal(S1, S2)) {
371             ecp_nistz256_point_double(r, a);
372             return;
373         } else {
374             memset(r, 0, sizeof(*r));
375             return;
376         }
377     }
378
379     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
380     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
381     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
382     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, res_z, in2_z); /* Z3 = H*Z1*Z2 */
383     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
384
385     ecp_nistz256_mul_mont(U2, U1, Hsqr);        /* U1*H^2 */
386     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
387
388     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
389     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
390
391     ecp_nistz256_sub(res_y, U2, res_x);
392
393     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S1, Hcub);
394     ecp_nistz256_mul_mont(res_y, R, res_y);
395     ecp_nistz256_sub(res_y, res_y, S2);
396
397     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
398     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
399     copy_conditional(res_z, in2_z, in1infty);
400
401     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
402     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
403     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
404
405     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
406     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
407     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
408 }
409
410 /* Point addition when b is known to be affine: r = a+b */
411 static void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
412                                           const P256_POINT *a,
413                                           const P256_POINT_AFFINE *b)
414 {
415     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
416     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
417     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
418     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
419     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
420     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
421
422     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
423     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
424     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
425
426     BN_ULONG in1infty, in2infty;
427
428     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
429     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
430     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
431
432     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
433     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
434
435     /*
436      * Infinity in encoded as (,,0)
437      */
438     in1infty = (in1_z[0] | in1_z[1] | in1_z[2] | in1_z[3]);
439     if (P256_LIMBS == 8)
440         in1infty |= (in1_z[4] | in1_z[5] | in1_z[6] | in1_z[7]);
441
442     /*
443      * In affine representation we encode infinity as (0,0), which is
444      * not on the curve, so it is OK
445      */
446     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
447                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
448     if (P256_LIMBS == 8)
449         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
450                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
451
452     in1infty = is_zero(in1infty);
453     in2infty = is_zero(in2infty);
454
455     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
456
457     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
458     ecp_nistz256_sub(H, U2, in1_x);             /* H = U2 - U1 */
459
460     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
461
462     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
463
464     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
465     ecp_nistz256_sub(R, S2, in1_y);             /* R = S2 - S1 */
466
467     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
468     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
469     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
470
471     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in1_x, Hsqr);     /* U1*H^2 */
472     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
473
474     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
475     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
476     ecp_nistz256_sub(H, U2, res_x);
477
478     ecp_nistz256_mul_mont(S2, in1_y, Hcub);
479     ecp_nistz256_mul_mont(H, H, R);
480     ecp_nistz256_sub(res_y, H, S2);
481
482     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
483     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
484
485     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
486     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
487
488     copy_conditional(res_z, ONE, in1infty);
489     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
490
491     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
492     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
493     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
494 }
495 #endif
496
497 /* r = in^-1 mod p */
498 static void ecp_nistz256_mod_inverse(BN_ULONG r[P256_LIMBS],
499                                      const BN_ULONG in[P256_LIMBS])
500 {
501     /*
502      * The poly is ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000 ffffffff
503      * ffffffff ffffffff We use FLT and used poly-2 as exponent
504      */
505     BN_ULONG p2[P256_LIMBS];
506     BN_ULONG p4[P256_LIMBS];
507     BN_ULONG p8[P256_LIMBS];
508     BN_ULONG p16[P256_LIMBS];
509     BN_ULONG p32[P256_LIMBS];
510     BN_ULONG res[P256_LIMBS];
511     int i;
512
513     ecp_nistz256_sqr_mont(res, in);
514     ecp_nistz256_mul_mont(p2, res, in);         /* 3*p */
515
516     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p2);
517     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
518     ecp_nistz256_mul_mont(p4, res, p2);         /* f*p */
519
520     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p4);
521     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
522     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
523     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
524     ecp_nistz256_mul_mont(p8, res, p4);         /* ff*p */
525
526     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p8);
527     for (i = 0; i < 7; i++)
528         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
529     ecp_nistz256_mul_mont(p16, res, p8);        /* ffff*p */
530
531     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p16);
532     for (i = 0; i < 15; i++)
533         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
534     ecp_nistz256_mul_mont(p32, res, p16);       /* ffffffff*p */
535
536     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p32);
537     for (i = 0; i < 31; i++)
538         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
539     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
540
541     for (i = 0; i < 32 * 4; i++)
542         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
543     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
544
545     for (i = 0; i < 32; i++)
546         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
547     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
548
549     for (i = 0; i < 16; i++)
550         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
551     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p16);
552
553     for (i = 0; i < 8; i++)
554         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
555     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p8);
556
557     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
558     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
559     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
560     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
561     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p4);
562
563     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
564     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
565     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p2);
566
567     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
568     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
569     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
570
571     memcpy(r, res, sizeof(res));
572 }
573
574 /*
575  * ecp_nistz256_bignum_to_field_elem copies the contents of |in| to |out| and
576  * returns one if it fits. Otherwise it returns zero.
577  */
578 __owur static int ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(BN_ULONG out[P256_LIMBS],
579                                                     const BIGNUM *in)
580 {
581     return bn_copy_words(out, in, P256_LIMBS);
582 }
583
584 /* r = sum(scalar[i]*point[i]) */
585 __owur static int ecp_nistz256_windowed_mul(const EC_GROUP *group,
586                                             P256_POINT *r,
587                                             const BIGNUM **scalar,
588                                             const EC_POINT **point,
589                                             size_t num, BN_CTX *ctx)
590 {
591     size_t i;
592     int j, ret = 0;
593     unsigned int idx;
594     unsigned char (*p_str)[33] = NULL;
595     const unsigned int window_size = 5;
596     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
597     unsigned int wvalue;
598     P256_POINT *temp;           /* place for 5 temporary points */
599     const BIGNUM **scalars = NULL;
600     P256_POINT (*table)[16] = NULL;
601     void *table_storage = NULL;
602
603     if ((num * 16 + 6) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(P256_POINT)
604         || (table_storage =
605             OPENSSL_malloc((num * 16 + 5) * sizeof(P256_POINT) + 64)) == NULL
606         || (p_str =
607             OPENSSL_malloc(num * 33 * sizeof(unsigned char))) == NULL
608         || (scalars = OPENSSL_malloc(num * sizeof(BIGNUM *))) == NULL) {
609         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
610         goto err;
611     }
612
613     table = (void *)ALIGNPTR(table_storage, 64);
614     temp = (P256_POINT *)(table + num);
615
616     for (i = 0; i < num; i++) {
617         P256_POINT *row = table[i];
618
619         /* This is an unusual input, we don't guarantee constant-timeness. */
620         if ((BN_num_bits(scalar[i]) > 256) || BN_is_negative(scalar[i])) {
621             BIGNUM *mod;
622
623             if ((mod = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
624                 goto err;
625             if (!BN_nnmod(mod, scalar[i], group->order, ctx)) {
626                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_BN_LIB);
627                 goto err;
628             }
629             scalars[i] = mod;
630         } else
631             scalars[i] = scalar[i];
632
633         for (j = 0; j < bn_get_top(scalars[i]) * BN_BYTES; j += BN_BYTES) {
634             BN_ULONG d = bn_get_words(scalars[i])[j / BN_BYTES];
635
636             p_str[i][j + 0] = (unsigned char)d;
637             p_str[i][j + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
638             p_str[i][j + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
639             p_str[i][j + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
640             if (BN_BYTES == 8) {
641                 d >>= 8;
642                 p_str[i][j + 4] = (unsigned char)d;
643                 p_str[i][j + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
644                 p_str[i][j + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
645                 p_str[i][j + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
646             }
647         }
648         for (; j < 33; j++)
649             p_str[i][j] = 0;
650
651         if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].X, point[i]->X)
652             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Y, point[i]->Y)
653             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Z, point[i]->Z)) {
654             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL,
655                   EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
656             goto err;
657         }
658
659         /*
660          * row[0] is implicitly (0,0,0) (the point at infinity), therefore it
661          * is not stored. All other values are actually stored with an offset
662          * of -1 in table.
663          */
664
665         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[0], 1);
666         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[0]);              /*1+1=2  */
667         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 2);
668         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*2+1=3  */
669         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 3);
670         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*2=4  */
671         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 4);
672         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*3=6  */
673         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 6);
674         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[1], &temp[0]);    /*4+1=5  */
675         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 5);
676         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[2], &temp[0]);    /*6+1=7  */
677         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 7);
678         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*4=8  */
679         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 8);
680         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*6=12 */
681         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 12);
682         ecp_nistz256_point_double(&temp[3], &temp[3]);              /*2*5=10 */
683         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 10);
684         ecp_nistz256_point_double(&temp[4], &temp[4]);              /*2*7=14 */
685         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 14);
686         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[2], &temp[0]);    /*12+1=13*/
687         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 13);
688         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[3], &temp[0]);    /*10+1=11*/
689         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 11);
690         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[4], &temp[0]);    /*14+1=15*/
691         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 15);
692         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*8+1=9  */
693         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 9);
694         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*8=16 */
695         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 16);
696     }
697
698     idx = 255;
699
700     wvalue = p_str[0][(idx - 1) / 8];
701     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
702
703     /*
704      * We gather to temp[0], because we know it's position relative
705      * to table
706      */
707     ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[0], _booth_recode_w5(wvalue) >> 1);
708     memcpy(r, &temp[0], sizeof(temp[0]));
709
710     while (idx >= 5) {
711         for (i = (idx == 255 ? 1 : 0); i < num; i++) {
712             unsigned int off = (idx - 1) / 8;
713
714             wvalue = p_str[i][off] | p_str[i][off + 1] << 8;
715             wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
716
717             wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
718
719             ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
720
721             ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
722             copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, (wvalue & 1));
723
724             ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
725         }
726
727         idx -= window_size;
728
729         ecp_nistz256_point_double(r, r);
730         ecp_nistz256_point_double(r, r);
731         ecp_nistz256_point_double(r, r);
732         ecp_nistz256_point_double(r, r);
733         ecp_nistz256_point_double(r, r);
734     }
735
736     /* Final window */
737     for (i = 0; i < num; i++) {
738         wvalue = p_str[i][0];
739         wvalue = (wvalue << 1) & mask;
740
741         wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
742
743         ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
744
745         ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
746         copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, wvalue & 1);
747
748         ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
749     }
750
751     ret = 1;
752  err:
753     OPENSSL_free(table_storage);
754     OPENSSL_free(p_str);
755     OPENSSL_free(scalars);
756     return ret;
757 }
758
759 /* Coordinates of G, for which we have precomputed tables */
760 static const BN_ULONG def_xG[P256_LIMBS] = {
761     TOBN(0x79e730d4, 0x18a9143c), TOBN(0x75ba95fc, 0x5fedb601),
762     TOBN(0x79fb732b, 0x77622510), TOBN(0x18905f76, 0xa53755c6)
763 };
764
765 static const BN_ULONG def_yG[P256_LIMBS] = {
766     TOBN(0xddf25357, 0xce95560a), TOBN(0x8b4ab8e4, 0xba19e45c),
767     TOBN(0xd2e88688, 0xdd21f325), TOBN(0x8571ff18, 0x25885d85)
768 };
769
770 /*
771  * ecp_nistz256_is_affine_G returns one if |generator| is the standard, P-256
772  * generator.
773  */
774 static int ecp_nistz256_is_affine_G(const EC_POINT *generator)
775 {
776     return (bn_get_top(generator->X) == P256_LIMBS) &&
777         (bn_get_top(generator->Y) == P256_LIMBS) &&
778         is_equal(bn_get_words(generator->X), def_xG) &&
779         is_equal(bn_get_words(generator->Y), def_yG) &&
780         is_one(generator->Z);
781 }
782
783 __owur static int ecp_nistz256_mult_precompute(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
784 {
785     /*
786      * We precompute a table for a Booth encoded exponent (wNAF) based
787      * computation. Each table holds 64 values for safe access, with an
788      * implicit value of infinity at index zero. We use window of size 7, and
789      * therefore require ceil(256/7) = 37 tables.
790      */
791     const BIGNUM *order;
792     EC_POINT *P = NULL, *T = NULL;
793     const EC_POINT *generator;
794     NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp;
795     BN_CTX *new_ctx = NULL;
796     int i, j, k, ret = 0;
797     size_t w;
798
799     PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
800     unsigned char *precomp_storage = NULL;
801
802     /* if there is an old NISTZ256_PRE_COMP object, throw it away */
803     EC_pre_comp_free(group);
804     generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
805     if (generator == NULL) {
806         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
807         return 0;
808     }
809
810     if (ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
811         /*
812          * No need to calculate tables for the standard generator because we
813          * have them statically.
814          */
815         return 1;
816     }
817
818     if ((pre_comp = ecp_nistz256_pre_comp_new(group)) == NULL)
819         return 0;
820
821     if (ctx == NULL) {
822         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
823         if (ctx == NULL)
824             goto err;
825     }
826
827     BN_CTX_start(ctx);
828
829     order = EC_GROUP_get0_order(group);
830     if (order == NULL)
831         goto err;
832
833     if (BN_is_zero(order)) {
834         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
835         goto err;
836     }
837
838     w = 7;
839
840     if ((precomp_storage =
841          OPENSSL_malloc(37 * 64 * sizeof(P256_POINT_AFFINE) + 64)) == NULL) {
842         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
843         goto err;
844     }
845
846     preComputedTable = (void *)ALIGNPTR(precomp_storage, 64);
847
848     P = EC_POINT_new(group);
849     T = EC_POINT_new(group);
850     if (P == NULL || T == NULL)
851         goto err;
852
853     /*
854      * The zero entry is implicitly infinity, and we skip it, storing other
855      * values with -1 offset.
856      */
857     if (!EC_POINT_copy(T, generator))
858         goto err;
859
860     for (k = 0; k < 64; k++) {
861         if (!EC_POINT_copy(P, T))
862             goto err;
863         for (j = 0; j < 37; j++) {
864             P256_POINT_AFFINE temp;
865             /*
866              * It would be faster to use EC_POINTs_make_affine and
867              * make multiple points affine at the same time.
868              */
869             if (!EC_POINT_make_affine(group, P, ctx))
870                 goto err;
871             if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.X, P->X) ||
872                 !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.Y, P->Y)) {
873                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE,
874                       EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
875                 goto err;
876             }
877             ecp_nistz256_scatter_w7(preComputedTable[j], &temp, k);
878             for (i = 0; i < 7; i++) {
879                 if (!EC_POINT_dbl(group, P, P, ctx))
880                     goto err;
881             }
882         }
883         if (!EC_POINT_add(group, T, T, generator, ctx))
884             goto err;
885     }
886
887     pre_comp->group = group;
888     pre_comp->w = w;
889     pre_comp->precomp = preComputedTable;
890     pre_comp->precomp_storage = precomp_storage;
891     precomp_storage = NULL;
892     SETPRECOMP(group, nistz256, pre_comp);
893     pre_comp = NULL;
894     ret = 1;
895
896  err:
897     if (ctx != NULL)
898         BN_CTX_end(ctx);
899     BN_CTX_free(new_ctx);
900
901     EC_nistz256_pre_comp_free(pre_comp);
902     OPENSSL_free(precomp_storage);
903     EC_POINT_free(P);
904     EC_POINT_free(T);
905     return ret;
906 }
907
908 /*
909  * Note that by default ECP_NISTZ256_AVX2 is undefined. While it's great
910  * code processing 4 points in parallel, corresponding serial operation
911  * is several times slower, because it uses 29x29=58-bit multiplication
912  * as opposite to 64x64=128-bit in integer-only scalar case. As result
913  * it doesn't provide *significant* performance improvement. Note that
914  * just defining ECP_NISTZ256_AVX2 is not sufficient to make it work,
915  * you'd need to compile even asm/ecp_nistz256-avx.pl module.
916  */
917 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
918 # if !(defined(__x86_64) || defined(__x86_64__) || \
919        defined(_M_AMD64) || defined(_MX64)) || \
920      !(defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)) /* this is for ALIGN32 */
921 #  undef ECP_NISTZ256_AVX2
922 # else
923 /* Constant time access, loading four values, from four consecutive tables */
924 void ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(void *result, const void *in,
925                                        int index0, int index1, int index2,
926                                        int index3);
927 void ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(void *RESULTx4, const void *in);
928 void ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(void *result, const void *Ax4);
929 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
930                                            const void *Bx4);
931 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
932                                             const void *Bx4);
933 void ecp_nistz256_avx2_to_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
934 void ecp_nistz256_avx2_from_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
935 void ecp_nistz256_avx2_set1(void *RESULTx4);
936 int ecp_nistz_avx2_eligible(void);
937
938 static void booth_recode_w7(unsigned char *sign,
939                             unsigned char *digit, unsigned char in)
940 {
941     unsigned char s, d;
942
943     s = ~((in >> 7) - 1);
944     d = (1 << 8) - in - 1;
945     d = (d & s) | (in & ~s);
946     d = (d >> 1) + (d & 1);
947
948     *sign = s & 1;
949     *digit = d;
950 }
951
952 /*
953  * ecp_nistz256_avx2_mul_g performs multiplication by G, using only the
954  * precomputed table. It does 4 affine point additions in parallel,
955  * significantly speeding up point multiplication for a fixed value.
956  */
957 static void ecp_nistz256_avx2_mul_g(P256_POINT *r,
958                                     unsigned char p_str[33],
959                                     const P256_POINT_AFFINE(*preComputedTable)[64])
960 {
961     const unsigned int window_size = 7;
962     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
963     unsigned int wvalue;
964     /* Using 4 windows at a time */
965     unsigned char sign0, digit0;
966     unsigned char sign1, digit1;
967     unsigned char sign2, digit2;
968     unsigned char sign3, digit3;
969     unsigned int idx = 0;
970     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
971     int i;
972
973     ALIGN32 BN_ULONG aX4[4 * 9 * 3] = { 0 };
974     ALIGN32 BN_ULONG bX4[4 * 9 * 2] = { 0 };
975     ALIGN32 P256_POINT_AFFINE point_arr[4];
976     ALIGN32 P256_POINT res_point_arr[4];
977
978     /* Initial four windows */
979     wvalue = *((u16 *) & p_str[0]);
980     wvalue = (wvalue << 1) & mask;
981     idx += window_size;
982     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
983     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
984     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
985     idx += window_size;
986     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
987     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
988     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
989     idx += window_size;
990     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
991     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
992     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
993     idx += window_size;
994     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
995
996     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[0],
997                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
998
999     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1000     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1001     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1002     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1003     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1004     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1005     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1006     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1007
1008     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(aX4, point_arr);
1009     ecp_nistz256_avx2_to_mont(aX4, aX4);
1010     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&aX4[4 * 9], &aX4[4 * 9]);
1011     ecp_nistz256_avx2_set1(&aX4[4 * 9 * 2]);
1012
1013     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1014     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1015     idx += window_size;
1016     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1017     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1018     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1019     idx += window_size;
1020     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1021     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1022     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1023     idx += window_size;
1024     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1025     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1026     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1027     idx += window_size;
1028     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1029
1030     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[4 * 1],
1031                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
1032
1033     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1034     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1035     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1036     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1037     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1038     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1039     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1040     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1041
1042     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1043     ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1044     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1045     /* Optimized when both inputs are affine */
1046     ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(aX4, aX4, bX4);
1047
1048     for (i = 2; i < 9; i++) {
1049         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1050         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1051         idx += window_size;
1052         booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1053         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1054         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1055         idx += window_size;
1056         booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1057         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1058         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1059         idx += window_size;
1060         booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1061         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1062         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1063         idx += window_size;
1064         booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1065
1066         ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr,
1067                                           preComputedTable[4 * i],
1068                                           digit0, digit1, digit2, digit3);
1069
1070         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1071         copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1072         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1073         copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1074         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1075         copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1076         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1077         copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1078
1079         ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1080         ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1081         ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1082
1083         ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(aX4, aX4, bX4);
1084     }
1085
1086     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 0], &aX4[4 * 9 * 0]);
1087     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 1], &aX4[4 * 9 * 1]);
1088     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 2], &aX4[4 * 9 * 2]);
1089
1090     ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(res_point_arr, aX4);
1091     /* Last window is performed serially */
1092     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1093     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1094     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1095     ecp_nistz256_gather_w7((P256_POINT_AFFINE *)r,
1096                            preComputedTable[36], digit0);
1097     ecp_nistz256_neg(tmp, r->Y);
1098     copy_conditional(r->Y, tmp, sign0);
1099     memcpy(r->Z, ONE, sizeof(ONE));
1100     /* Sum the four windows */
1101     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[0]);
1102     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[1]);
1103     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[2]);
1104     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[3]);
1105 }
1106 # endif
1107 #endif
1108
1109 __owur static int ecp_nistz256_set_from_affine(EC_POINT *out, const EC_GROUP *group,
1110                                                const P256_POINT_AFFINE *in,
1111                                                BN_CTX *ctx)
1112 {
1113     int ret = 0;
1114
1115     if ((ret = bn_set_words(out->X, in->X, P256_LIMBS))
1116         && (ret = bn_set_words(out->Y, in->Y, P256_LIMBS))
1117         && (ret = bn_set_words(out->Z, ONE, P256_LIMBS)))
1118         out->Z_is_one = 1;
1119
1120     return ret;
1121 }
1122
1123 /* r = scalar*G + sum(scalars[i]*points[i]) */
1124 __owur static int ecp_nistz256_points_mul(const EC_GROUP *group,
1125                                           EC_POINT *r,
1126                                           const BIGNUM *scalar,
1127                                           size_t num,
1128                                           const EC_POINT *points[],
1129                                           const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
1130 {
1131     int i = 0, ret = 0, no_precomp_for_generator = 0, p_is_infinity = 0;
1132     size_t j;
1133     unsigned char p_str[33] = { 0 };
1134     const PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
1135     const NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp = NULL;
1136     const EC_POINT *generator = NULL;
1137     BN_CTX *new_ctx = NULL;
1138     const BIGNUM **new_scalars = NULL;
1139     const EC_POINT **new_points = NULL;
1140     unsigned int idx = 0;
1141     const unsigned int window_size = 7;
1142     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
1143     unsigned int wvalue;
1144     ALIGN32 union {
1145         P256_POINT p;
1146         P256_POINT_AFFINE a;
1147     } t, p;
1148     BIGNUM *tmp_scalar;
1149
1150     if ((num + 1) == 0 || (num + 1) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(void *)) {
1151         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1152         return 0;
1153     }
1154
1155     if (!ec_point_is_compat(r, group)) {
1156         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1157         return 0;
1158     }
1159
1160     if ((scalar == NULL) && (num == 0))
1161         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
1162
1163     for (j = 0; j < num; j++) {
1164         if (!ec_point_is_compat(points[j], group)) {
1165             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1166             return 0;
1167         }
1168     }
1169
1170     if (ctx == NULL) {
1171         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
1172         if (ctx == NULL)
1173             goto err;
1174     }
1175
1176     BN_CTX_start(ctx);
1177
1178     if (scalar) {
1179         generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1180         if (generator == NULL) {
1181             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
1182             goto err;
1183         }
1184
1185         /* look if we can use precomputed multiples of generator */
1186         pre_comp = group->pre_comp.nistz256;
1187
1188         if (pre_comp) {
1189             /*
1190              * If there is a precomputed table for the generator, check that
1191              * it was generated with the same generator.
1192              */
1193             EC_POINT *pre_comp_generator = EC_POINT_new(group);
1194             if (pre_comp_generator == NULL)
1195                 goto err;
1196
1197             ecp_nistz256_gather_w7(&p.a, pre_comp->precomp[0], 1);
1198             if (!ecp_nistz256_set_from_affine(pre_comp_generator,
1199                                               group, &p.a, ctx)) {
1200                 EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1201                 goto err;
1202             }
1203
1204             if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, pre_comp_generator, ctx))
1205                 preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)pre_comp->precomp;
1206
1207             EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1208         }
1209
1210         if (preComputedTable == NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1211             /*
1212              * If there is no precomputed data, but the generator is the
1213              * default, a hardcoded table of precomputed data is used. This
1214              * is because applications, such as Apache, do not use
1215              * EC_KEY_precompute_mult.
1216              */
1217             preComputedTable = ecp_nistz256_precomputed;
1218         }
1219
1220         if (preComputedTable) {
1221             if ((BN_num_bits(scalar) > 256)
1222                 || BN_is_negative(scalar)) {
1223                 if ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
1224                     goto err;
1225
1226                 if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, group->order, ctx)) {
1227                     ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
1228                     goto err;
1229                 }
1230                 scalar = tmp_scalar;
1231             }
1232
1233             for (i = 0; i < bn_get_top(scalar) * BN_BYTES; i += BN_BYTES) {
1234                 BN_ULONG d = bn_get_words(scalar)[i / BN_BYTES];
1235
1236                 p_str[i + 0] = (unsigned char)d;
1237                 p_str[i + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
1238                 p_str[i + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
1239                 p_str[i + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
1240                 if (BN_BYTES == 8) {
1241                     d >>= 8;
1242                     p_str[i + 4] = (unsigned char)d;
1243                     p_str[i + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
1244                     p_str[i + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
1245                     p_str[i + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
1246                 }
1247             }
1248
1249             for (; i < 33; i++)
1250                 p_str[i] = 0;
1251
1252 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
1253             if (ecp_nistz_avx2_eligible()) {
1254                 ecp_nistz256_avx2_mul_g(&p.p, p_str, preComputedTable);
1255             } else
1256 #endif
1257             {
1258                 BN_ULONG infty;
1259
1260                 /* First window */
1261                 wvalue = (p_str[0] << 1) & mask;
1262                 idx += window_size;
1263
1264                 wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1265
1266                 ecp_nistz256_gather_w7(&p.a, preComputedTable[0],
1267                                        wvalue >> 1);
1268
1269                 ecp_nistz256_neg(p.p.Z, p.p.Y);
1270                 copy_conditional(p.p.Y, p.p.Z, wvalue & 1);
1271
1272                 /*
1273                  * Since affine infinity is encoded as (0,0) and
1274                  * Jacobian ias (,,0), we need to harmonize them
1275                  * by assigning "one" or zero to Z.
1276                  */
1277                 infty = (p.p.X[0] | p.p.X[1] | p.p.X[2] | p.p.X[3] |
1278                          p.p.Y[0] | p.p.Y[1] | p.p.Y[2] | p.p.Y[3]);
1279                 if (P256_LIMBS == 8)
1280                     infty |= (p.p.X[4] | p.p.X[5] | p.p.X[6] | p.p.X[7] |
1281                               p.p.Y[4] | p.p.Y[5] | p.p.Y[6] | p.p.Y[7]);
1282
1283                 infty = 0 - is_zero(infty);
1284                 infty = ~infty;
1285
1286                 p.p.Z[0] = ONE[0] & infty;
1287                 p.p.Z[1] = ONE[1] & infty;
1288                 p.p.Z[2] = ONE[2] & infty;
1289                 p.p.Z[3] = ONE[3] & infty;
1290                 if (P256_LIMBS == 8) {
1291                     p.p.Z[4] = ONE[4] & infty;
1292                     p.p.Z[5] = ONE[5] & infty;
1293                     p.p.Z[6] = ONE[6] & infty;
1294                     p.p.Z[7] = ONE[7] & infty;
1295                 }
1296
1297                 for (i = 1; i < 37; i++) {
1298                     unsigned int off = (idx - 1) / 8;
1299                     wvalue = p_str[off] | p_str[off + 1] << 8;
1300                     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1301                     idx += window_size;
1302
1303                     wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1304
1305                     ecp_nistz256_gather_w7(&t.a,
1306                                            preComputedTable[i], wvalue >> 1);
1307
1308                     ecp_nistz256_neg(t.p.Z, t.a.Y);
1309                     copy_conditional(t.a.Y, t.p.Z, wvalue & 1);
1310
1311                     ecp_nistz256_point_add_affine(&p.p, &p.p, &t.a);
1312                 }
1313             }
1314         } else {
1315             p_is_infinity = 1;
1316             no_precomp_for_generator = 1;
1317         }
1318     } else
1319         p_is_infinity = 1;
1320
1321     if (no_precomp_for_generator) {
1322         /*
1323          * Without a precomputed table for the generator, it has to be
1324          * handled like a normal point.
1325          */
1326         new_scalars = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(BIGNUM *));
1327         if (new_scalars == NULL) {
1328             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1329             goto err;
1330         }
1331
1332         new_points = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(EC_POINT *));
1333         if (new_points == NULL) {
1334             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1335             goto err;
1336         }
1337
1338         memcpy(new_scalars, scalars, num * sizeof(BIGNUM *));
1339         new_scalars[num] = scalar;
1340         memcpy(new_points, points, num * sizeof(EC_POINT *));
1341         new_points[num] = generator;
1342
1343         scalars = new_scalars;
1344         points = new_points;
1345         num++;
1346     }
1347
1348     if (num) {
1349         P256_POINT *out = &t.p;
1350         if (p_is_infinity)
1351             out = &p.p;
1352
1353         if (!ecp_nistz256_windowed_mul(group, out, scalars, points, num, ctx))
1354             goto err;
1355
1356         if (!p_is_infinity)
1357             ecp_nistz256_point_add(&p.p, &p.p, out);
1358     }
1359
1360     /* Not constant-time, but we're only operating on the public output. */
1361     if (!bn_set_words(r->X, p.p.X, P256_LIMBS) ||
1362         !bn_set_words(r->Y, p.p.Y, P256_LIMBS) ||
1363         !bn_set_words(r->Z, p.p.Z, P256_LIMBS)) {
1364         goto err;
1365     }
1366     r->Z_is_one = is_one(r->Z) & 1;
1367
1368     ret = 1;
1369
1370 err:
1371     if (ctx)
1372         BN_CTX_end(ctx);
1373     BN_CTX_free(new_ctx);
1374     OPENSSL_free(new_points);
1375     OPENSSL_free(new_scalars);
1376     return ret;
1377 }
1378
1379 __owur static int ecp_nistz256_get_affine(const EC_GROUP *group,
1380                                           const EC_POINT *point,
1381                                           BIGNUM *x, BIGNUM *y, BN_CTX *ctx)
1382 {
1383     BN_ULONG z_inv2[P256_LIMBS];
1384     BN_ULONG z_inv3[P256_LIMBS];
1385     BN_ULONG x_aff[P256_LIMBS];
1386     BN_ULONG y_aff[P256_LIMBS];
1387     BN_ULONG point_x[P256_LIMBS], point_y[P256_LIMBS], point_z[P256_LIMBS];
1388     BN_ULONG x_ret[P256_LIMBS], y_ret[P256_LIMBS];
1389
1390     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1391         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1392         return 0;
1393     }
1394
1395     if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_x, point->X) ||
1396         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_y, point->Y) ||
1397         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_z, point->Z)) {
1398         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
1399         return 0;
1400     }
1401
1402     ecp_nistz256_mod_inverse(z_inv3, point_z);
1403     ecp_nistz256_sqr_mont(z_inv2, z_inv3);
1404     ecp_nistz256_mul_mont(x_aff, z_inv2, point_x);
1405
1406     if (x != NULL) {
1407         ecp_nistz256_from_mont(x_ret, x_aff);
1408         if (!bn_set_words(x, x_ret, P256_LIMBS))
1409             return 0;
1410     }
1411
1412     if (y != NULL) {
1413         ecp_nistz256_mul_mont(z_inv3, z_inv3, z_inv2);
1414         ecp_nistz256_mul_mont(y_aff, z_inv3, point_y);
1415         ecp_nistz256_from_mont(y_ret, y_aff);
1416         if (!bn_set_words(y, y_ret, P256_LIMBS))
1417             return 0;
1418     }
1419
1420     return 1;
1421 }
1422
1423 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group)
1424 {
1425     NISTZ256_PRE_COMP *ret = NULL;
1426
1427     if (!group)
1428         return NULL;
1429
1430     ret = OPENSSL_zalloc(sizeof(*ret));
1431
1432     if (ret == NULL) {
1433         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1434         return ret;
1435     }
1436
1437     ret->group = group;
1438     ret->w = 6;                 /* default */
1439     ret->references = 1;
1440
1441     ret->lock = CRYPTO_THREAD_lock_new();
1442     if (ret->lock == NULL) {
1443         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1444         OPENSSL_free(ret);
1445         return NULL;
1446     }
1447     return ret;
1448 }
1449
1450 NISTZ256_PRE_COMP *EC_nistz256_pre_comp_dup(NISTZ256_PRE_COMP *p)
1451 {
1452     int i;
1453     if (p != NULL)
1454         CRYPTO_atomic_add(&p->references, 1, &i, p->lock);
1455     return p;
1456 }
1457
1458 void EC_nistz256_pre_comp_free(NISTZ256_PRE_COMP *pre)
1459 {
1460     int i;
1461
1462     if (pre == NULL)
1463         return;
1464
1465     CRYPTO_atomic_add(&pre->references, -1, &i, pre->lock);
1466     REF_PRINT_COUNT("EC_nistz256", x);
1467     if (i > 0)
1468         return;
1469     REF_ASSERT_ISNT(i < 0);
1470
1471     OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1472     CRYPTO_THREAD_lock_free(pre->lock);
1473     OPENSSL_free(pre);
1474 }
1475
1476
1477 static int ecp_nistz256_window_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
1478 {
1479     /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1480     const EC_POINT *generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1481
1482     if (generator != NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1483         /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1484         return 1;
1485     }
1486
1487     return HAVEPRECOMP(group, nistz256);
1488 }
1489
1490 const EC_METHOD *EC_GFp_nistz256_method(void)
1491 {
1492     static const EC_METHOD ret = {
1493         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1494         NID_X9_62_prime_field,
1495         ec_GFp_mont_group_init,
1496         ec_GFp_mont_group_finish,
1497         ec_GFp_mont_group_clear_finish,
1498         ec_GFp_mont_group_copy,
1499         ec_GFp_mont_group_set_curve,
1500         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1501         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1502         ec_group_simple_order_bits,
1503         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1504         ec_GFp_simple_point_init,
1505         ec_GFp_simple_point_finish,
1506         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1507         ec_GFp_simple_point_copy,
1508         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1509         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1510         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1511         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1512         ecp_nistz256_get_affine,
1513         0, 0, 0,
1514         ec_GFp_simple_add,
1515         ec_GFp_simple_dbl,
1516         ec_GFp_simple_invert,
1517         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1518         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1519         ec_GFp_simple_cmp,
1520         ec_GFp_simple_make_affine,
1521         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1522         ecp_nistz256_points_mul,                    /* mul */
1523         ecp_nistz256_mult_precompute,               /* precompute_mult */
1524         ecp_nistz256_window_have_precompute_mult,   /* have_precompute_mult */
1525         ec_GFp_mont_field_mul,
1526         ec_GFp_mont_field_sqr,
1527         0,                                          /* field_div */
1528         ec_GFp_mont_field_inv,
1529         ec_GFp_mont_field_encode,
1530         ec_GFp_mont_field_decode,
1531         ec_GFp_mont_field_set_to_one,
1532         ec_key_simple_priv2oct,
1533         ec_key_simple_oct2priv,
1534         0, /* set private */
1535         ec_key_simple_generate_key,
1536         ec_key_simple_check_key,
1537         ec_key_simple_generate_public_key,
1538         0, /* keycopy */
1539         0, /* keyfinish */
1540         ecdh_simple_compute_key,
1541         0                                           /* blind_coordinates */
1542     };
1543
1544     return &ret;
1545 }