e_os.h removal from other headers and source files.
[openssl.git] / crypto / ec / ecp_nistz256.c
1 /*
2  * Copyright 2014-2017 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
3  * Copyright (c) 2014, Intel Corporation. All Rights Reserved.
4  *
5  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
6  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
7  * in the file LICENSE in the source distribution or at
8  * https://www.openssl.org/source/license.html
9  *
10  * Originally written by Shay Gueron (1, 2), and Vlad Krasnov (1)
11  * (1) Intel Corporation, Israel Development Center, Haifa, Israel
12  * (2) University of Haifa, Israel
13  *
14  * Reference:
15  * S.Gueron and V.Krasnov, "Fast Prime Field Elliptic Curve Cryptography with
16  *                          256 Bit Primes"
17  */
18
19 #include <string.h>
20
21 #include "internal/cryptlib.h"
22 #include "internal/bn_int.h"
23 #include "ec_lcl.h"
24 #include "e_os.h"
25
26 #if BN_BITS2 != 64
27 # define TOBN(hi,lo)    lo,hi
28 #else
29 # define TOBN(hi,lo)    ((BN_ULONG)hi<<32|lo)
30 #endif
31
32 #if defined(__GNUC__)
33 # define ALIGN32        __attribute((aligned(32)))
34 #elif defined(_MSC_VER)
35 # define ALIGN32        __declspec(align(32))
36 #else
37 # define ALIGN32
38 #endif
39
40 #define ALIGNPTR(p,N)   ((unsigned char *)p+N-(size_t)p%N)
41 #define P256_LIMBS      (256/BN_BITS2)
42
43 typedef unsigned short u16;
44
45 typedef struct {
46     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
47     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
48     BN_ULONG Z[P256_LIMBS];
49 } P256_POINT;
50
51 typedef struct {
52     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
53     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
54 } P256_POINT_AFFINE;
55
56 typedef P256_POINT_AFFINE PRECOMP256_ROW[64];
57
58 /* structure for precomputed multiples of the generator */
59 struct nistz256_pre_comp_st {
60     const EC_GROUP *group;      /* Parent EC_GROUP object */
61     size_t w;                   /* Window size */
62     /*
63      * Constant time access to the X and Y coordinates of the pre-computed,
64      * generator multiplies, in the Montgomery domain. Pre-calculated
65      * multiplies are stored in affine form.
66      */
67     PRECOMP256_ROW *precomp;
68     void *precomp_storage;
69     CRYPTO_REF_COUNT references;
70     CRYPTO_RWLOCK *lock;
71 };
72
73 /* Functions implemented in assembly */
74 /*
75  * Most of below mentioned functions *preserve* the property of inputs
76  * being fully reduced, i.e. being in [0, modulus) range. Simply put if
77  * inputs are fully reduced, then output is too. Note that reverse is
78  * not true, in sense that given partially reduced inputs output can be
79  * either, not unlikely reduced. And "most" in first sentence refers to
80  * the fact that given the calculations flow one can tolerate that
81  * addition, 1st function below, produces partially reduced result *if*
82  * multiplications by 2 and 3, which customarily use addition, fully
83  * reduce it. This effectively gives two options: a) addition produces
84  * fully reduced result [as long as inputs are, just like remaining
85  * functions]; b) addition is allowed to produce partially reduced
86  * result, but multiplications by 2 and 3 perform additional reduction
87  * step. Choice between the two can be platform-specific, but it was a)
88  * in all cases so far...
89  */
90 /* Modular add: res = a+b mod P   */
91 void ecp_nistz256_add(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
92                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
93                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
94 /* Modular mul by 2: res = 2*a mod P */
95 void ecp_nistz256_mul_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
96                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
97 /* Modular mul by 3: res = 3*a mod P */
98 void ecp_nistz256_mul_by_3(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
99                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
100
101 /* Modular div by 2: res = a/2 mod P */
102 void ecp_nistz256_div_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
103                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
104 /* Modular sub: res = a-b mod P   */
105 void ecp_nistz256_sub(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
106                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
107                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
108 /* Modular neg: res = -a mod P    */
109 void ecp_nistz256_neg(BN_ULONG res[P256_LIMBS], const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
110 /* Montgomery mul: res = a*b*2^-256 mod P */
111 void ecp_nistz256_mul_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
112                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
113                            const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
114 /* Montgomery sqr: res = a*a*2^-256 mod P */
115 void ecp_nistz256_sqr_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
116                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
117 /* Convert a number from Montgomery domain, by multiplying with 1 */
118 void ecp_nistz256_from_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
119                             const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
120 /* Convert a number to Montgomery domain, by multiplying with 2^512 mod P*/
121 void ecp_nistz256_to_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
122                           const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
123 /* Functions that perform constant time access to the precomputed tables */
124 void ecp_nistz256_scatter_w5(P256_POINT *val,
125                              const P256_POINT *in_t, int idx);
126 void ecp_nistz256_gather_w5(P256_POINT *val,
127                             const P256_POINT *in_t, int idx);
128 void ecp_nistz256_scatter_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
129                              const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
130 void ecp_nistz256_gather_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
131                             const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
132
133 /* One converted into the Montgomery domain */
134 static const BN_ULONG ONE[P256_LIMBS] = {
135     TOBN(0x00000000, 0x00000001), TOBN(0xffffffff, 0x00000000),
136     TOBN(0xffffffff, 0xffffffff), TOBN(0x00000000, 0xfffffffe)
137 };
138
139 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group);
140
141 /* Precomputed tables for the default generator */
142 extern const PRECOMP256_ROW ecp_nistz256_precomputed[37];
143
144 /* Recode window to a signed digit, see ecp_nistputil.c for details */
145 static unsigned int _booth_recode_w5(unsigned int in)
146 {
147     unsigned int s, d;
148
149     s = ~((in >> 5) - 1);
150     d = (1 << 6) - in - 1;
151     d = (d & s) | (in & ~s);
152     d = (d >> 1) + (d & 1);
153
154     return (d << 1) + (s & 1);
155 }
156
157 static unsigned int _booth_recode_w7(unsigned int in)
158 {
159     unsigned int s, d;
160
161     s = ~((in >> 7) - 1);
162     d = (1 << 8) - in - 1;
163     d = (d & s) | (in & ~s);
164     d = (d >> 1) + (d & 1);
165
166     return (d << 1) + (s & 1);
167 }
168
169 static void copy_conditional(BN_ULONG dst[P256_LIMBS],
170                              const BN_ULONG src[P256_LIMBS], BN_ULONG move)
171 {
172     BN_ULONG mask1 = 0-move;
173     BN_ULONG mask2 = ~mask1;
174
175     dst[0] = (src[0] & mask1) ^ (dst[0] & mask2);
176     dst[1] = (src[1] & mask1) ^ (dst[1] & mask2);
177     dst[2] = (src[2] & mask1) ^ (dst[2] & mask2);
178     dst[3] = (src[3] & mask1) ^ (dst[3] & mask2);
179     if (P256_LIMBS == 8) {
180         dst[4] = (src[4] & mask1) ^ (dst[4] & mask2);
181         dst[5] = (src[5] & mask1) ^ (dst[5] & mask2);
182         dst[6] = (src[6] & mask1) ^ (dst[6] & mask2);
183         dst[7] = (src[7] & mask1) ^ (dst[7] & mask2);
184     }
185 }
186
187 static BN_ULONG is_zero(BN_ULONG in)
188 {
189     in |= (0 - in);
190     in = ~in;
191     in >>= BN_BITS2 - 1;
192     return in;
193 }
194
195 static BN_ULONG is_equal(const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
196                          const BN_ULONG b[P256_LIMBS])
197 {
198     BN_ULONG res;
199
200     res = a[0] ^ b[0];
201     res |= a[1] ^ b[1];
202     res |= a[2] ^ b[2];
203     res |= a[3] ^ b[3];
204     if (P256_LIMBS == 8) {
205         res |= a[4] ^ b[4];
206         res |= a[5] ^ b[5];
207         res |= a[6] ^ b[6];
208         res |= a[7] ^ b[7];
209     }
210
211     return is_zero(res);
212 }
213
214 static BN_ULONG is_one(const BIGNUM *z)
215 {
216     BN_ULONG res = 0;
217     BN_ULONG *a = bn_get_words(z);
218
219     if (bn_get_top(z) == (P256_LIMBS - P256_LIMBS / 8)) {
220         res = a[0] ^ ONE[0];
221         res |= a[1] ^ ONE[1];
222         res |= a[2] ^ ONE[2];
223         res |= a[3] ^ ONE[3];
224         if (P256_LIMBS == 8) {
225             res |= a[4] ^ ONE[4];
226             res |= a[5] ^ ONE[5];
227             res |= a[6] ^ ONE[6];
228             /*
229              * no check for a[7] (being zero) on 32-bit platforms,
230              * because value of "one" takes only 7 limbs.
231              */
232         }
233         res = is_zero(res);
234     }
235
236     return res;
237 }
238
239 /*
240  * For reference, this macro is used only when new ecp_nistz256 assembly
241  * module is being developed.  For example, configure with
242  * -DECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION and implement only functions
243  * performing simplest arithmetic operations on 256-bit vectors. Then
244  * work on implementation of higher-level functions performing point
245  * operations. Then remove ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
246  * and never define it again. (The correct macro denoting presence of
247  * ecp_nistz256 module is ECP_NISTZ256_ASM.)
248  */
249 #ifndef ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
250 void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a);
251 void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
252                             const P256_POINT *a, const P256_POINT *b);
253 void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
254                                    const P256_POINT *a,
255                                    const P256_POINT_AFFINE *b);
256 #else
257 /* Point double: r = 2*a */
258 static void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a)
259 {
260     BN_ULONG S[P256_LIMBS];
261     BN_ULONG M[P256_LIMBS];
262     BN_ULONG Zsqr[P256_LIMBS];
263     BN_ULONG tmp0[P256_LIMBS];
264
265     const BN_ULONG *in_x = a->X;
266     const BN_ULONG *in_y = a->Y;
267     const BN_ULONG *in_z = a->Z;
268
269     BN_ULONG *res_x = r->X;
270     BN_ULONG *res_y = r->Y;
271     BN_ULONG *res_z = r->Z;
272
273     ecp_nistz256_mul_by_2(S, in_y);
274
275     ecp_nistz256_sqr_mont(Zsqr, in_z);
276
277     ecp_nistz256_sqr_mont(S, S);
278
279     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, in_z, in_y);
280     ecp_nistz256_mul_by_2(res_z, res_z);
281
282     ecp_nistz256_add(M, in_x, Zsqr);
283     ecp_nistz256_sub(Zsqr, in_x, Zsqr);
284
285     ecp_nistz256_sqr_mont(res_y, S);
286     ecp_nistz256_div_by_2(res_y, res_y);
287
288     ecp_nistz256_mul_mont(M, M, Zsqr);
289     ecp_nistz256_mul_by_3(M, M);
290
291     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, in_x);
292     ecp_nistz256_mul_by_2(tmp0, S);
293
294     ecp_nistz256_sqr_mont(res_x, M);
295
296     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, tmp0);
297     ecp_nistz256_sub(S, S, res_x);
298
299     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, M);
300     ecp_nistz256_sub(res_y, S, res_y);
301 }
302
303 /* Point addition: r = a+b */
304 static void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
305                                    const P256_POINT *a, const P256_POINT *b)
306 {
307     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
308     BN_ULONG U1[P256_LIMBS], S1[P256_LIMBS];
309     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
310     BN_ULONG Z2sqr[P256_LIMBS];
311     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
312     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
313     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
314     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
315
316     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
317     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
318     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
319
320     BN_ULONG in1infty, in2infty;
321
322     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
323     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
324     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
325
326     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
327     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
328     const BN_ULONG *in2_z = b->Z;
329
330     /*
331      * Infinity in encoded as (,,0)
332      */
333     in1infty = (in1_z[0] | in1_z[1] | in1_z[2] | in1_z[3]);
334     if (P256_LIMBS == 8)
335         in1infty |= (in1_z[4] | in1_z[5] | in1_z[6] | in1_z[7]);
336
337     in2infty = (in2_z[0] | in2_z[1] | in2_z[2] | in2_z[3]);
338     if (P256_LIMBS == 8)
339         in2infty |= (in2_z[4] | in2_z[5] | in2_z[6] | in2_z[7]);
340
341     in1infty = is_zero(in1infty);
342     in2infty = is_zero(in2infty);
343
344     ecp_nistz256_sqr_mont(Z2sqr, in2_z);        /* Z2^2 */
345     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
346
347     ecp_nistz256_mul_mont(S1, Z2sqr, in2_z);    /* S1 = Z2^3 */
348     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
349
350     ecp_nistz256_mul_mont(S1, S1, in1_y);       /* S1 = Y1*Z2^3 */
351     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
352     ecp_nistz256_sub(R, S2, S1);                /* R = S2 - S1 */
353
354     ecp_nistz256_mul_mont(U1, in1_x, Z2sqr);    /* U1 = X1*Z2^2 */
355     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
356     ecp_nistz256_sub(H, U2, U1);                /* H = U2 - U1 */
357
358     /*
359      * This should not happen during sign/ecdh, so no constant time violation
360      */
361     if (is_equal(U1, U2) && !in1infty && !in2infty) {
362         if (is_equal(S1, S2)) {
363             ecp_nistz256_point_double(r, a);
364             return;
365         } else {
366             memset(r, 0, sizeof(*r));
367             return;
368         }
369     }
370
371     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
372     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
373     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
374     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, res_z, in2_z); /* Z3 = H*Z1*Z2 */
375     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
376
377     ecp_nistz256_mul_mont(U2, U1, Hsqr);        /* U1*H^2 */
378     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
379
380     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
381     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
382
383     ecp_nistz256_sub(res_y, U2, res_x);
384
385     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S1, Hcub);
386     ecp_nistz256_mul_mont(res_y, R, res_y);
387     ecp_nistz256_sub(res_y, res_y, S2);
388
389     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
390     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
391     copy_conditional(res_z, in2_z, in1infty);
392
393     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
394     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
395     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
396
397     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
398     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
399     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
400 }
401
402 /* Point addition when b is known to be affine: r = a+b */
403 static void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
404                                           const P256_POINT *a,
405                                           const P256_POINT_AFFINE *b)
406 {
407     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
408     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
409     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
410     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
411     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
412     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
413
414     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
415     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
416     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
417
418     BN_ULONG in1infty, in2infty;
419
420     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
421     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
422     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
423
424     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
425     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
426
427     /*
428      * Infinity in encoded as (,,0)
429      */
430     in1infty = (in1_z[0] | in1_z[1] | in1_z[2] | in1_z[3]);
431     if (P256_LIMBS == 8)
432         in1infty |= (in1_z[4] | in1_z[5] | in1_z[6] | in1_z[7]);
433
434     /*
435      * In affine representation we encode infinity as (0,0), which is
436      * not on the curve, so it is OK
437      */
438     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
439                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
440     if (P256_LIMBS == 8)
441         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
442                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
443
444     in1infty = is_zero(in1infty);
445     in2infty = is_zero(in2infty);
446
447     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
448
449     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
450     ecp_nistz256_sub(H, U2, in1_x);             /* H = U2 - U1 */
451
452     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
453
454     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
455
456     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
457     ecp_nistz256_sub(R, S2, in1_y);             /* R = S2 - S1 */
458
459     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
460     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
461     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
462
463     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in1_x, Hsqr);     /* U1*H^2 */
464     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
465
466     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
467     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
468     ecp_nistz256_sub(H, U2, res_x);
469
470     ecp_nistz256_mul_mont(S2, in1_y, Hcub);
471     ecp_nistz256_mul_mont(H, H, R);
472     ecp_nistz256_sub(res_y, H, S2);
473
474     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
475     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
476
477     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
478     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
479
480     copy_conditional(res_z, ONE, in1infty);
481     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
482
483     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
484     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
485     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
486 }
487 #endif
488
489 /* r = in^-1 mod p */
490 static void ecp_nistz256_mod_inverse(BN_ULONG r[P256_LIMBS],
491                                      const BN_ULONG in[P256_LIMBS])
492 {
493     /*
494      * The poly is ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000 ffffffff
495      * ffffffff ffffffff We use FLT and used poly-2 as exponent
496      */
497     BN_ULONG p2[P256_LIMBS];
498     BN_ULONG p4[P256_LIMBS];
499     BN_ULONG p8[P256_LIMBS];
500     BN_ULONG p16[P256_LIMBS];
501     BN_ULONG p32[P256_LIMBS];
502     BN_ULONG res[P256_LIMBS];
503     int i;
504
505     ecp_nistz256_sqr_mont(res, in);
506     ecp_nistz256_mul_mont(p2, res, in);         /* 3*p */
507
508     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p2);
509     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
510     ecp_nistz256_mul_mont(p4, res, p2);         /* f*p */
511
512     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p4);
513     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
514     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
515     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
516     ecp_nistz256_mul_mont(p8, res, p4);         /* ff*p */
517
518     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p8);
519     for (i = 0; i < 7; i++)
520         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
521     ecp_nistz256_mul_mont(p16, res, p8);        /* ffff*p */
522
523     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p16);
524     for (i = 0; i < 15; i++)
525         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
526     ecp_nistz256_mul_mont(p32, res, p16);       /* ffffffff*p */
527
528     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p32);
529     for (i = 0; i < 31; i++)
530         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
531     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
532
533     for (i = 0; i < 32 * 4; i++)
534         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
535     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
536
537     for (i = 0; i < 32; i++)
538         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
539     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
540
541     for (i = 0; i < 16; i++)
542         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
543     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p16);
544
545     for (i = 0; i < 8; i++)
546         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
547     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p8);
548
549     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
550     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
551     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
552     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
553     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p4);
554
555     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
556     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
557     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p2);
558
559     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
560     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
561     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
562
563     memcpy(r, res, sizeof(res));
564 }
565
566 /*
567  * ecp_nistz256_bignum_to_field_elem copies the contents of |in| to |out| and
568  * returns one if it fits. Otherwise it returns zero.
569  */
570 __owur static int ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(BN_ULONG out[P256_LIMBS],
571                                                     const BIGNUM *in)
572 {
573     return bn_copy_words(out, in, P256_LIMBS);
574 }
575
576 /* r = sum(scalar[i]*point[i]) */
577 __owur static int ecp_nistz256_windowed_mul(const EC_GROUP *group,
578                                             P256_POINT *r,
579                                             const BIGNUM **scalar,
580                                             const EC_POINT **point,
581                                             size_t num, BN_CTX *ctx)
582 {
583     size_t i;
584     int j, ret = 0;
585     unsigned int idx;
586     unsigned char (*p_str)[33] = NULL;
587     const unsigned int window_size = 5;
588     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
589     unsigned int wvalue;
590     P256_POINT *temp;           /* place for 5 temporary points */
591     const BIGNUM **scalars = NULL;
592     P256_POINT (*table)[16] = NULL;
593     void *table_storage = NULL;
594
595     if ((num * 16 + 6) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(P256_POINT)
596         || (table_storage =
597             OPENSSL_malloc((num * 16 + 5) * sizeof(P256_POINT) + 64)) == NULL
598         || (p_str =
599             OPENSSL_malloc(num * 33 * sizeof(unsigned char))) == NULL
600         || (scalars = OPENSSL_malloc(num * sizeof(BIGNUM *))) == NULL) {
601         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
602         goto err;
603     }
604
605     table = (void *)ALIGNPTR(table_storage, 64);
606     temp = (P256_POINT *)(table + num);
607
608     for (i = 0; i < num; i++) {
609         P256_POINT *row = table[i];
610
611         /* This is an unusual input, we don't guarantee constant-timeness. */
612         if ((BN_num_bits(scalar[i]) > 256) || BN_is_negative(scalar[i])) {
613             BIGNUM *mod;
614
615             if ((mod = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
616                 goto err;
617             if (!BN_nnmod(mod, scalar[i], group->order, ctx)) {
618                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_BN_LIB);
619                 goto err;
620             }
621             scalars[i] = mod;
622         } else
623             scalars[i] = scalar[i];
624
625         for (j = 0; j < bn_get_top(scalars[i]) * BN_BYTES; j += BN_BYTES) {
626             BN_ULONG d = bn_get_words(scalars[i])[j / BN_BYTES];
627
628             p_str[i][j + 0] = (unsigned char)d;
629             p_str[i][j + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
630             p_str[i][j + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
631             p_str[i][j + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
632             if (BN_BYTES == 8) {
633                 d >>= 8;
634                 p_str[i][j + 4] = (unsigned char)d;
635                 p_str[i][j + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
636                 p_str[i][j + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
637                 p_str[i][j + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
638             }
639         }
640         for (; j < 33; j++)
641             p_str[i][j] = 0;
642
643         if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].X, point[i]->X)
644             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Y, point[i]->Y)
645             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Z, point[i]->Z)) {
646             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL,
647                   EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
648             goto err;
649         }
650
651         /*
652          * row[0] is implicitly (0,0,0) (the point at infinity), therefore it
653          * is not stored. All other values are actually stored with an offset
654          * of -1 in table.
655          */
656
657         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[0], 1);
658         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[0]);              /*1+1=2  */
659         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 2);
660         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*2+1=3  */
661         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 3);
662         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*2=4  */
663         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 4);
664         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*3=6  */
665         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 6);
666         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[1], &temp[0]);    /*4+1=5  */
667         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 5);
668         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[2], &temp[0]);    /*6+1=7  */
669         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 7);
670         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*4=8  */
671         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 8);
672         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*6=12 */
673         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 12);
674         ecp_nistz256_point_double(&temp[3], &temp[3]);              /*2*5=10 */
675         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 10);
676         ecp_nistz256_point_double(&temp[4], &temp[4]);              /*2*7=14 */
677         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 14);
678         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[2], &temp[0]);    /*12+1=13*/
679         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 13);
680         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[3], &temp[0]);    /*10+1=11*/
681         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 11);
682         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[4], &temp[0]);    /*14+1=15*/
683         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 15);
684         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*8+1=9  */
685         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 9);
686         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*8=16 */
687         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 16);
688     }
689
690     idx = 255;
691
692     wvalue = p_str[0][(idx - 1) / 8];
693     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
694
695     /*
696      * We gather to temp[0], because we know it's position relative
697      * to table
698      */
699     ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[0], _booth_recode_w5(wvalue) >> 1);
700     memcpy(r, &temp[0], sizeof(temp[0]));
701
702     while (idx >= 5) {
703         for (i = (idx == 255 ? 1 : 0); i < num; i++) {
704             unsigned int off = (idx - 1) / 8;
705
706             wvalue = p_str[i][off] | p_str[i][off + 1] << 8;
707             wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
708
709             wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
710
711             ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
712
713             ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
714             copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, (wvalue & 1));
715
716             ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
717         }
718
719         idx -= window_size;
720
721         ecp_nistz256_point_double(r, r);
722         ecp_nistz256_point_double(r, r);
723         ecp_nistz256_point_double(r, r);
724         ecp_nistz256_point_double(r, r);
725         ecp_nistz256_point_double(r, r);
726     }
727
728     /* Final window */
729     for (i = 0; i < num; i++) {
730         wvalue = p_str[i][0];
731         wvalue = (wvalue << 1) & mask;
732
733         wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
734
735         ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
736
737         ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
738         copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, wvalue & 1);
739
740         ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
741     }
742
743     ret = 1;
744  err:
745     OPENSSL_free(table_storage);
746     OPENSSL_free(p_str);
747     OPENSSL_free(scalars);
748     return ret;
749 }
750
751 /* Coordinates of G, for which we have precomputed tables */
752 static const BN_ULONG def_xG[P256_LIMBS] = {
753     TOBN(0x79e730d4, 0x18a9143c), TOBN(0x75ba95fc, 0x5fedb601),
754     TOBN(0x79fb732b, 0x77622510), TOBN(0x18905f76, 0xa53755c6)
755 };
756
757 static const BN_ULONG def_yG[P256_LIMBS] = {
758     TOBN(0xddf25357, 0xce95560a), TOBN(0x8b4ab8e4, 0xba19e45c),
759     TOBN(0xd2e88688, 0xdd21f325), TOBN(0x8571ff18, 0x25885d85)
760 };
761
762 /*
763  * ecp_nistz256_is_affine_G returns one if |generator| is the standard, P-256
764  * generator.
765  */
766 static int ecp_nistz256_is_affine_G(const EC_POINT *generator)
767 {
768     return (bn_get_top(generator->X) == P256_LIMBS) &&
769         (bn_get_top(generator->Y) == P256_LIMBS) &&
770         is_equal(bn_get_words(generator->X), def_xG) &&
771         is_equal(bn_get_words(generator->Y), def_yG) &&
772         is_one(generator->Z);
773 }
774
775 __owur static int ecp_nistz256_mult_precompute(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
776 {
777     /*
778      * We precompute a table for a Booth encoded exponent (wNAF) based
779      * computation. Each table holds 64 values for safe access, with an
780      * implicit value of infinity at index zero. We use window of size 7, and
781      * therefore require ceil(256/7) = 37 tables.
782      */
783     const BIGNUM *order;
784     EC_POINT *P = NULL, *T = NULL;
785     const EC_POINT *generator;
786     NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp;
787     BN_CTX *new_ctx = NULL;
788     int i, j, k, ret = 0;
789     size_t w;
790
791     PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
792     unsigned char *precomp_storage = NULL;
793
794     /* if there is an old NISTZ256_PRE_COMP object, throw it away */
795     EC_pre_comp_free(group);
796     generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
797     if (generator == NULL) {
798         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
799         return 0;
800     }
801
802     if (ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
803         /*
804          * No need to calculate tables for the standard generator because we
805          * have them statically.
806          */
807         return 1;
808     }
809
810     if ((pre_comp = ecp_nistz256_pre_comp_new(group)) == NULL)
811         return 0;
812
813     if (ctx == NULL) {
814         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
815         if (ctx == NULL)
816             goto err;
817     }
818
819     BN_CTX_start(ctx);
820
821     order = EC_GROUP_get0_order(group);
822     if (order == NULL)
823         goto err;
824
825     if (BN_is_zero(order)) {
826         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
827         goto err;
828     }
829
830     w = 7;
831
832     if ((precomp_storage =
833          OPENSSL_malloc(37 * 64 * sizeof(P256_POINT_AFFINE) + 64)) == NULL) {
834         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
835         goto err;
836     }
837
838     preComputedTable = (void *)ALIGNPTR(precomp_storage, 64);
839
840     P = EC_POINT_new(group);
841     T = EC_POINT_new(group);
842     if (P == NULL || T == NULL)
843         goto err;
844
845     /*
846      * The zero entry is implicitly infinity, and we skip it, storing other
847      * values with -1 offset.
848      */
849     if (!EC_POINT_copy(T, generator))
850         goto err;
851
852     for (k = 0; k < 64; k++) {
853         if (!EC_POINT_copy(P, T))
854             goto err;
855         for (j = 0; j < 37; j++) {
856             P256_POINT_AFFINE temp;
857             /*
858              * It would be faster to use EC_POINTs_make_affine and
859              * make multiple points affine at the same time.
860              */
861             if (!EC_POINT_make_affine(group, P, ctx))
862                 goto err;
863             if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.X, P->X) ||
864                 !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.Y, P->Y)) {
865                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE,
866                       EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
867                 goto err;
868             }
869             ecp_nistz256_scatter_w7(preComputedTable[j], &temp, k);
870             for (i = 0; i < 7; i++) {
871                 if (!EC_POINT_dbl(group, P, P, ctx))
872                     goto err;
873             }
874         }
875         if (!EC_POINT_add(group, T, T, generator, ctx))
876             goto err;
877     }
878
879     pre_comp->group = group;
880     pre_comp->w = w;
881     pre_comp->precomp = preComputedTable;
882     pre_comp->precomp_storage = precomp_storage;
883     precomp_storage = NULL;
884     SETPRECOMP(group, nistz256, pre_comp);
885     pre_comp = NULL;
886     ret = 1;
887
888  err:
889     if (ctx != NULL)
890         BN_CTX_end(ctx);
891     BN_CTX_free(new_ctx);
892
893     EC_nistz256_pre_comp_free(pre_comp);
894     OPENSSL_free(precomp_storage);
895     EC_POINT_free(P);
896     EC_POINT_free(T);
897     return ret;
898 }
899
900 /*
901  * Note that by default ECP_NISTZ256_AVX2 is undefined. While it's great
902  * code processing 4 points in parallel, corresponding serial operation
903  * is several times slower, because it uses 29x29=58-bit multiplication
904  * as opposite to 64x64=128-bit in integer-only scalar case. As result
905  * it doesn't provide *significant* performance improvement. Note that
906  * just defining ECP_NISTZ256_AVX2 is not sufficient to make it work,
907  * you'd need to compile even asm/ecp_nistz256-avx.pl module.
908  */
909 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
910 # if !(defined(__x86_64) || defined(__x86_64__) || \
911        defined(_M_AMD64) || defined(_MX64)) || \
912      !(defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)) /* this is for ALIGN32 */
913 #  undef ECP_NISTZ256_AVX2
914 # else
915 /* Constant time access, loading four values, from four consecutive tables */
916 void ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(void *result, const void *in,
917                                        int index0, int index1, int index2,
918                                        int index3);
919 void ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(void *RESULTx4, const void *in);
920 void ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(void *result, const void *Ax4);
921 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
922                                            const void *Bx4);
923 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
924                                             const void *Bx4);
925 void ecp_nistz256_avx2_to_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
926 void ecp_nistz256_avx2_from_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
927 void ecp_nistz256_avx2_set1(void *RESULTx4);
928 int ecp_nistz_avx2_eligible(void);
929
930 static void booth_recode_w7(unsigned char *sign,
931                             unsigned char *digit, unsigned char in)
932 {
933     unsigned char s, d;
934
935     s = ~((in >> 7) - 1);
936     d = (1 << 8) - in - 1;
937     d = (d & s) | (in & ~s);
938     d = (d >> 1) + (d & 1);
939
940     *sign = s & 1;
941     *digit = d;
942 }
943
944 /*
945  * ecp_nistz256_avx2_mul_g performs multiplication by G, using only the
946  * precomputed table. It does 4 affine point additions in parallel,
947  * significantly speeding up point multiplication for a fixed value.
948  */
949 static void ecp_nistz256_avx2_mul_g(P256_POINT *r,
950                                     unsigned char p_str[33],
951                                     const P256_POINT_AFFINE(*preComputedTable)[64])
952 {
953     const unsigned int window_size = 7;
954     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
955     unsigned int wvalue;
956     /* Using 4 windows at a time */
957     unsigned char sign0, digit0;
958     unsigned char sign1, digit1;
959     unsigned char sign2, digit2;
960     unsigned char sign3, digit3;
961     unsigned int idx = 0;
962     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
963     int i;
964
965     ALIGN32 BN_ULONG aX4[4 * 9 * 3] = { 0 };
966     ALIGN32 BN_ULONG bX4[4 * 9 * 2] = { 0 };
967     ALIGN32 P256_POINT_AFFINE point_arr[4];
968     ALIGN32 P256_POINT res_point_arr[4];
969
970     /* Initial four windows */
971     wvalue = *((u16 *) & p_str[0]);
972     wvalue = (wvalue << 1) & mask;
973     idx += window_size;
974     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
975     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
976     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
977     idx += window_size;
978     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
979     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
980     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
981     idx += window_size;
982     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
983     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
984     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
985     idx += window_size;
986     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
987
988     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[0],
989                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
990
991     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
992     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
993     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
994     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
995     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
996     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
997     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
998     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
999
1000     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(aX4, point_arr);
1001     ecp_nistz256_avx2_to_mont(aX4, aX4);
1002     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&aX4[4 * 9], &aX4[4 * 9]);
1003     ecp_nistz256_avx2_set1(&aX4[4 * 9 * 2]);
1004
1005     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1006     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1007     idx += window_size;
1008     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1009     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1010     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1011     idx += window_size;
1012     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1013     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1014     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1015     idx += window_size;
1016     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1017     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1018     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1019     idx += window_size;
1020     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1021
1022     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[4 * 1],
1023                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
1024
1025     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1026     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1027     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1028     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1029     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1030     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1031     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1032     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1033
1034     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1035     ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1036     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1037     /* Optimized when both inputs are affine */
1038     ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(aX4, aX4, bX4);
1039
1040     for (i = 2; i < 9; i++) {
1041         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1042         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1043         idx += window_size;
1044         booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1045         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1046         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1047         idx += window_size;
1048         booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1049         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1050         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1051         idx += window_size;
1052         booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1053         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1054         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1055         idx += window_size;
1056         booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1057
1058         ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr,
1059                                           preComputedTable[4 * i],
1060                                           digit0, digit1, digit2, digit3);
1061
1062         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1063         copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1064         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1065         copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1066         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1067         copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1068         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1069         copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1070
1071         ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1072         ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1073         ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1074
1075         ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(aX4, aX4, bX4);
1076     }
1077
1078     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 0], &aX4[4 * 9 * 0]);
1079     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 1], &aX4[4 * 9 * 1]);
1080     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 2], &aX4[4 * 9 * 2]);
1081
1082     ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(res_point_arr, aX4);
1083     /* Last window is performed serially */
1084     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1085     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1086     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1087     ecp_nistz256_gather_w7((P256_POINT_AFFINE *)r,
1088                            preComputedTable[36], digit0);
1089     ecp_nistz256_neg(tmp, r->Y);
1090     copy_conditional(r->Y, tmp, sign0);
1091     memcpy(r->Z, ONE, sizeof(ONE));
1092     /* Sum the four windows */
1093     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[0]);
1094     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[1]);
1095     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[2]);
1096     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[3]);
1097 }
1098 # endif
1099 #endif
1100
1101 __owur static int ecp_nistz256_set_from_affine(EC_POINT *out, const EC_GROUP *group,
1102                                                const P256_POINT_AFFINE *in,
1103                                                BN_CTX *ctx)
1104 {
1105     BIGNUM *x, *y;
1106     BN_ULONG d_x[P256_LIMBS], d_y[P256_LIMBS];
1107     int ret = 0;
1108
1109     x = BN_new();
1110     if (x == NULL)
1111         return 0;
1112     y = BN_new();
1113     if (y == NULL) {
1114         BN_free(x);
1115         return 0;
1116     }
1117     memcpy(d_x, in->X, sizeof(d_x));
1118     bn_set_static_words(x, d_x, P256_LIMBS);
1119
1120     memcpy(d_y, in->Y, sizeof(d_y));
1121     bn_set_static_words(y, d_y, P256_LIMBS);
1122
1123     ret = EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, out, x, y, ctx);
1124
1125     BN_free(x);
1126     BN_free(y);
1127
1128     return ret;
1129 }
1130
1131 /* r = scalar*G + sum(scalars[i]*points[i]) */
1132 __owur static int ecp_nistz256_points_mul(const EC_GROUP *group,
1133                                           EC_POINT *r,
1134                                           const BIGNUM *scalar,
1135                                           size_t num,
1136                                           const EC_POINT *points[],
1137                                           const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
1138 {
1139     int i = 0, ret = 0, no_precomp_for_generator = 0, p_is_infinity = 0;
1140     size_t j;
1141     unsigned char p_str[33] = { 0 };
1142     const PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
1143     const NISTZ256_PRE_COMP *pre_comp = NULL;
1144     const EC_POINT *generator = NULL;
1145     BN_CTX *new_ctx = NULL;
1146     const BIGNUM **new_scalars = NULL;
1147     const EC_POINT **new_points = NULL;
1148     unsigned int idx = 0;
1149     const unsigned int window_size = 7;
1150     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
1151     unsigned int wvalue;
1152     ALIGN32 union {
1153         P256_POINT p;
1154         P256_POINT_AFFINE a;
1155     } t, p;
1156     BIGNUM *tmp_scalar;
1157
1158     if ((num + 1) == 0 || (num + 1) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(void *)) {
1159         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1160         return 0;
1161     }
1162
1163     if (group->meth != r->meth) {
1164         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1165         return 0;
1166     }
1167
1168     if ((scalar == NULL) && (num == 0))
1169         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
1170
1171     for (j = 0; j < num; j++) {
1172         if (group->meth != points[j]->meth) {
1173             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1174             return 0;
1175         }
1176     }
1177
1178     if (ctx == NULL) {
1179         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
1180         if (ctx == NULL)
1181             goto err;
1182     }
1183
1184     BN_CTX_start(ctx);
1185
1186     if (scalar) {
1187         generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1188         if (generator == NULL) {
1189             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
1190             goto err;
1191         }
1192
1193         /* look if we can use precomputed multiples of generator */
1194         pre_comp = group->pre_comp.nistz256;
1195
1196         if (pre_comp) {
1197             /*
1198              * If there is a precomputed table for the generator, check that
1199              * it was generated with the same generator.
1200              */
1201             EC_POINT *pre_comp_generator = EC_POINT_new(group);
1202             if (pre_comp_generator == NULL)
1203                 goto err;
1204
1205             if (!ecp_nistz256_set_from_affine(pre_comp_generator,
1206                                               group, pre_comp->precomp[0],
1207                                               ctx)) {
1208                 EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1209                 goto err;
1210             }
1211
1212             if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, pre_comp_generator, ctx))
1213                 preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)pre_comp->precomp;
1214
1215             EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1216         }
1217
1218         if (preComputedTable == NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1219             /*
1220              * If there is no precomputed data, but the generator is the
1221              * default, a hardcoded table of precomputed data is used. This
1222              * is because applications, such as Apache, do not use
1223              * EC_KEY_precompute_mult.
1224              */
1225             preComputedTable = ecp_nistz256_precomputed;
1226         }
1227
1228         if (preComputedTable) {
1229             if ((BN_num_bits(scalar) > 256)
1230                 || BN_is_negative(scalar)) {
1231                 if ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
1232                     goto err;
1233
1234                 if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, group->order, ctx)) {
1235                     ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
1236                     goto err;
1237                 }
1238                 scalar = tmp_scalar;
1239             }
1240
1241             for (i = 0; i < bn_get_top(scalar) * BN_BYTES; i += BN_BYTES) {
1242                 BN_ULONG d = bn_get_words(scalar)[i / BN_BYTES];
1243
1244                 p_str[i + 0] = (unsigned char)d;
1245                 p_str[i + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
1246                 p_str[i + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
1247                 p_str[i + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
1248                 if (BN_BYTES == 8) {
1249                     d >>= 8;
1250                     p_str[i + 4] = (unsigned char)d;
1251                     p_str[i + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
1252                     p_str[i + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
1253                     p_str[i + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
1254                 }
1255             }
1256
1257             for (; i < 33; i++)
1258                 p_str[i] = 0;
1259
1260 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
1261             if (ecp_nistz_avx2_eligible()) {
1262                 ecp_nistz256_avx2_mul_g(&p.p, p_str, preComputedTable);
1263             } else
1264 #endif
1265             {
1266                 BN_ULONG infty;
1267
1268                 /* First window */
1269                 wvalue = (p_str[0] << 1) & mask;
1270                 idx += window_size;
1271
1272                 wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1273
1274                 ecp_nistz256_gather_w7(&p.a, preComputedTable[0],
1275                                        wvalue >> 1);
1276
1277                 ecp_nistz256_neg(p.p.Z, p.p.Y);
1278                 copy_conditional(p.p.Y, p.p.Z, wvalue & 1);
1279
1280                 /*
1281                  * Since affine infinity is encoded as (0,0) and
1282                  * Jacobian ias (,,0), we need to harmonize them
1283                  * by assigning "one" or zero to Z.
1284                  */
1285                 infty = (p.p.X[0] | p.p.X[1] | p.p.X[2] | p.p.X[3] |
1286                          p.p.Y[0] | p.p.Y[1] | p.p.Y[2] | p.p.Y[3]);
1287                 if (P256_LIMBS == 8)
1288                     infty |= (p.p.X[4] | p.p.X[5] | p.p.X[6] | p.p.X[7] |
1289                               p.p.Y[4] | p.p.Y[5] | p.p.Y[6] | p.p.Y[7]);
1290
1291                 infty = 0 - is_zero(infty);
1292                 infty = ~infty;
1293
1294                 p.p.Z[0] = ONE[0] & infty;
1295                 p.p.Z[1] = ONE[1] & infty;
1296                 p.p.Z[2] = ONE[2] & infty;
1297                 p.p.Z[3] = ONE[3] & infty;
1298                 if (P256_LIMBS == 8) {
1299                     p.p.Z[4] = ONE[4] & infty;
1300                     p.p.Z[5] = ONE[5] & infty;
1301                     p.p.Z[6] = ONE[6] & infty;
1302                     p.p.Z[7] = ONE[7] & infty;
1303                 }
1304
1305                 for (i = 1; i < 37; i++) {
1306                     unsigned int off = (idx - 1) / 8;
1307                     wvalue = p_str[off] | p_str[off + 1] << 8;
1308                     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1309                     idx += window_size;
1310
1311                     wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1312
1313                     ecp_nistz256_gather_w7(&t.a,
1314                                            preComputedTable[i], wvalue >> 1);
1315
1316                     ecp_nistz256_neg(t.p.Z, t.a.Y);
1317                     copy_conditional(t.a.Y, t.p.Z, wvalue & 1);
1318
1319                     ecp_nistz256_point_add_affine(&p.p, &p.p, &t.a);
1320                 }
1321             }
1322         } else {
1323             p_is_infinity = 1;
1324             no_precomp_for_generator = 1;
1325         }
1326     } else
1327         p_is_infinity = 1;
1328
1329     if (no_precomp_for_generator) {
1330         /*
1331          * Without a precomputed table for the generator, it has to be
1332          * handled like a normal point.
1333          */
1334         new_scalars = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(BIGNUM *));
1335         if (new_scalars == NULL) {
1336             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1337             goto err;
1338         }
1339
1340         new_points = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(EC_POINT *));
1341         if (new_points == NULL) {
1342             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1343             goto err;
1344         }
1345
1346         memcpy(new_scalars, scalars, num * sizeof(BIGNUM *));
1347         new_scalars[num] = scalar;
1348         memcpy(new_points, points, num * sizeof(EC_POINT *));
1349         new_points[num] = generator;
1350
1351         scalars = new_scalars;
1352         points = new_points;
1353         num++;
1354     }
1355
1356     if (num) {
1357         P256_POINT *out = &t.p;
1358         if (p_is_infinity)
1359             out = &p.p;
1360
1361         if (!ecp_nistz256_windowed_mul(group, out, scalars, points, num, ctx))
1362             goto err;
1363
1364         if (!p_is_infinity)
1365             ecp_nistz256_point_add(&p.p, &p.p, out);
1366     }
1367
1368     /* Not constant-time, but we're only operating on the public output. */
1369     if (!bn_set_words(r->X, p.p.X, P256_LIMBS) ||
1370         !bn_set_words(r->Y, p.p.Y, P256_LIMBS) ||
1371         !bn_set_words(r->Z, p.p.Z, P256_LIMBS)) {
1372         goto err;
1373     }
1374     r->Z_is_one = is_one(r->Z) & 1;
1375
1376     ret = 1;
1377
1378 err:
1379     if (ctx)
1380         BN_CTX_end(ctx);
1381     BN_CTX_free(new_ctx);
1382     OPENSSL_free(new_points);
1383     OPENSSL_free(new_scalars);
1384     return ret;
1385 }
1386
1387 __owur static int ecp_nistz256_get_affine(const EC_GROUP *group,
1388                                           const EC_POINT *point,
1389                                           BIGNUM *x, BIGNUM *y, BN_CTX *ctx)
1390 {
1391     BN_ULONG z_inv2[P256_LIMBS];
1392     BN_ULONG z_inv3[P256_LIMBS];
1393     BN_ULONG x_aff[P256_LIMBS];
1394     BN_ULONG y_aff[P256_LIMBS];
1395     BN_ULONG point_x[P256_LIMBS], point_y[P256_LIMBS], point_z[P256_LIMBS];
1396     BN_ULONG x_ret[P256_LIMBS], y_ret[P256_LIMBS];
1397
1398     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1399         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1400         return 0;
1401     }
1402
1403     if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_x, point->X) ||
1404         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_y, point->Y) ||
1405         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_z, point->Z)) {
1406         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
1407         return 0;
1408     }
1409
1410     ecp_nistz256_mod_inverse(z_inv3, point_z);
1411     ecp_nistz256_sqr_mont(z_inv2, z_inv3);
1412     ecp_nistz256_mul_mont(x_aff, z_inv2, point_x);
1413
1414     if (x != NULL) {
1415         ecp_nistz256_from_mont(x_ret, x_aff);
1416         if (!bn_set_words(x, x_ret, P256_LIMBS))
1417             return 0;
1418     }
1419
1420     if (y != NULL) {
1421         ecp_nistz256_mul_mont(z_inv3, z_inv3, z_inv2);
1422         ecp_nistz256_mul_mont(y_aff, z_inv3, point_y);
1423         ecp_nistz256_from_mont(y_ret, y_aff);
1424         if (!bn_set_words(y, y_ret, P256_LIMBS))
1425             return 0;
1426     }
1427
1428     return 1;
1429 }
1430
1431 static NISTZ256_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group)
1432 {
1433     NISTZ256_PRE_COMP *ret = NULL;
1434
1435     if (!group)
1436         return NULL;
1437
1438     ret = OPENSSL_zalloc(sizeof(*ret));
1439
1440     if (ret == NULL) {
1441         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1442         return ret;
1443     }
1444
1445     ret->group = group;
1446     ret->w = 6;                 /* default */
1447     ret->references = 1;
1448
1449     ret->lock = CRYPTO_THREAD_lock_new();
1450     if (ret->lock == NULL) {
1451         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1452         OPENSSL_free(ret);
1453         return NULL;
1454     }
1455     return ret;
1456 }
1457
1458 NISTZ256_PRE_COMP *EC_nistz256_pre_comp_dup(NISTZ256_PRE_COMP *p)
1459 {
1460     int i;
1461     if (p != NULL)
1462         CRYPTO_UP_REF(&p->references, &i, p->lock);
1463     return p;
1464 }
1465
1466 void EC_nistz256_pre_comp_free(NISTZ256_PRE_COMP *pre)
1467 {
1468     int i;
1469
1470     if (pre == NULL)
1471         return;
1472
1473     CRYPTO_DOWN_REF(&pre->references, &i, pre->lock);
1474     REF_PRINT_COUNT("EC_nistz256", x);
1475     if (i > 0)
1476         return;
1477     REF_ASSERT_ISNT(i < 0);
1478
1479     OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1480     CRYPTO_THREAD_lock_free(pre->lock);
1481     OPENSSL_free(pre);
1482 }
1483
1484
1485 static int ecp_nistz256_window_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
1486 {
1487     /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1488     const EC_POINT *generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1489
1490     if (generator != NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1491         /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1492         return 1;
1493     }
1494
1495     return HAVEPRECOMP(group, nistz256);
1496 }
1497
1498 const EC_METHOD *EC_GFp_nistz256_method(void)
1499 {
1500     static const EC_METHOD ret = {
1501         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1502         NID_X9_62_prime_field,
1503         ec_GFp_mont_group_init,
1504         ec_GFp_mont_group_finish,
1505         ec_GFp_mont_group_clear_finish,
1506         ec_GFp_mont_group_copy,
1507         ec_GFp_mont_group_set_curve,
1508         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1509         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1510         ec_group_simple_order_bits,
1511         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1512         ec_GFp_simple_point_init,
1513         ec_GFp_simple_point_finish,
1514         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1515         ec_GFp_simple_point_copy,
1516         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1517         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1518         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1519         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1520         ecp_nistz256_get_affine,
1521         0, 0, 0,
1522         ec_GFp_simple_add,
1523         ec_GFp_simple_dbl,
1524         ec_GFp_simple_invert,
1525         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1526         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1527         ec_GFp_simple_cmp,
1528         ec_GFp_simple_make_affine,
1529         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1530         ecp_nistz256_points_mul,                    /* mul */
1531         ecp_nistz256_mult_precompute,               /* precompute_mult */
1532         ecp_nistz256_window_have_precompute_mult,   /* have_precompute_mult */
1533         ec_GFp_mont_field_mul,
1534         ec_GFp_mont_field_sqr,
1535         0,                                          /* field_div */
1536         ec_GFp_mont_field_encode,
1537         ec_GFp_mont_field_decode,
1538         ec_GFp_mont_field_set_to_one,
1539         ec_key_simple_priv2oct,
1540         ec_key_simple_oct2priv,
1541         0, /* set private */
1542         ec_key_simple_generate_key,
1543         ec_key_simple_check_key,
1544         ec_key_simple_generate_public_key,
1545         0, /* keycopy */
1546         0, /* keyfinish */
1547         ecdh_simple_compute_key
1548     };
1549
1550     return &ret;
1551 }