Correctly set Z_is_one on the return value in the NISTZ256 implementation.
[openssl.git] / crypto / ec / ecp_nistz256.c
1 /******************************************************************************
2  *                                                                            *
3  * Copyright 2014 Intel Corporation                                           *
4  *                                                                            *
5  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");            *
6  * you may not use this file except in compliance with the License.           *
7  * You may obtain a copy of the License at                                    *
8  *                                                                            *
9  *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0                              *
10  *                                                                            *
11  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software        *
12  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,          *
13  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.   *
14  * See the License for the specific language governing permissions and        *
15  * limitations under the License.                                             *
16  *                                                                            *
17  ******************************************************************************
18  *                                                                            *
19  * Developers and authors:                                                    *
20  * Shay Gueron (1, 2), and Vlad Krasnov (1)                                   *
21  * (1) Intel Corporation, Israel Development Center                           *
22  * (2) University of Haifa                                                    *
23  * Reference:                                                                 *
24  * S.Gueron and V.Krasnov, "Fast Prime Field Elliptic Curve Cryptography with *
25  *                          256 Bit Primes"                                   *
26  *                                                                            *
27  ******************************************************************************/
28
29 #include <string.h>
30
31 #include "cryptlib.h"
32 #include "internal/bn_int.h"
33 #include "ec_lcl.h"
34
35 #if BN_BITS2 != 64
36 # define TOBN(hi,lo)    lo,hi
37 #else
38 # define TOBN(hi,lo)    ((BN_ULONG)hi<<32|lo)
39 #endif
40
41 #if defined(__GNUC__)
42 # define ALIGN32        __attribute((aligned(32)))
43 #elif defined(_MSC_VER)
44 # define ALIGN32        __declspec(align(32))
45 #else
46 # define ALIGN32
47 #endif
48
49 #define ALIGNPTR(p,N)   ((unsigned char *)p+N-(size_t)p%N)
50 #define P256_LIMBS      (256/BN_BITS2)
51
52 typedef unsigned short u16;
53
54 typedef struct {
55     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
56     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
57     BN_ULONG Z[P256_LIMBS];
58 } P256_POINT;
59
60 typedef struct {
61     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
62     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
63 } P256_POINT_AFFINE;
64
65 typedef P256_POINT_AFFINE PRECOMP256_ROW[64];
66
67 /* structure for precomputed multiples of the generator */
68 typedef struct ec_pre_comp_st {
69     const EC_GROUP *group;      /* Parent EC_GROUP object */
70     size_t w;                   /* Window size */
71     /*
72      * Constant time access to the X and Y coordinates of the pre-computed,
73      * generator multiplies, in the Montgomery domain. Pre-calculated
74      * multiplies are stored in affine form.
75      */
76     PRECOMP256_ROW *precomp;
77     void *precomp_storage;
78     int references;
79 } EC_PRE_COMP;
80
81 /* Functions implemented in assembly */
82 /* Modular mul by 2: res = 2*a mod P */
83 void ecp_nistz256_mul_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
84                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
85 /* Modular div by 2: res = a/2 mod P */
86 void ecp_nistz256_div_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
87                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
88 /* Modular mul by 3: res = 3*a mod P */
89 void ecp_nistz256_mul_by_3(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
90                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
91 /* Modular add: res = a+b mod P   */
92 void ecp_nistz256_add(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
93                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
94                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
95 /* Modular sub: res = a-b mod P   */
96 void ecp_nistz256_sub(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
97                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
98                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
99 /* Modular neg: res = -a mod P    */
100 void ecp_nistz256_neg(BN_ULONG res[P256_LIMBS], const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
101 /* Montgomery mul: res = a*b*2^-256 mod P */
102 void ecp_nistz256_mul_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
103                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
104                            const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
105 /* Montgomery sqr: res = a*a*2^-256 mod P */
106 void ecp_nistz256_sqr_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
107                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
108 /* Convert a number from Montgomery domain, by multiplying with 1 */
109 void ecp_nistz256_from_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
110                             const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
111 /* Convert a number to Montgomery domain, by multiplying with 2^512 mod P*/
112 void ecp_nistz256_to_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
113                           const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
114 /* Functions that perform constant time access to the precomputed tables */
115 void ecp_nistz256_scatter_w5(P256_POINT *val,
116                              const P256_POINT *in_t, int idx);
117 void ecp_nistz256_gather_w5(P256_POINT *val,
118                             const P256_POINT *in_t, int idx);
119 void ecp_nistz256_scatter_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
120                              const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
121 void ecp_nistz256_gather_w7(P256_POINT_AFFINE *val,
122                             const P256_POINT_AFFINE *in_t, int idx);
123
124 /* One converted into the Montgomery domain */
125 static const BN_ULONG ONE[P256_LIMBS] = {
126     TOBN(0x00000000, 0x00000001), TOBN(0xffffffff, 0x00000000),
127     TOBN(0xffffffff, 0xffffffff), TOBN(0x00000000, 0xfffffffe)
128 };
129
130 static void *ecp_nistz256_pre_comp_dup(void *);
131 static void ecp_nistz256_pre_comp_free(void *);
132 static void ecp_nistz256_pre_comp_clear_free(void *);
133 static EC_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group);
134
135 /* Precomputed tables for the default generator */
136 extern const PRECOMP256_ROW ecp_nistz256_precomputed[37];
137
138 /* Recode window to a signed digit, see ecp_nistputil.c for details */
139 static unsigned int _booth_recode_w5(unsigned int in)
140 {
141     unsigned int s, d;
142
143     s = ~((in >> 5) - 1);
144     d = (1 << 6) - in - 1;
145     d = (d & s) | (in & ~s);
146     d = (d >> 1) + (d & 1);
147
148     return (d << 1) + (s & 1);
149 }
150
151 static unsigned int _booth_recode_w7(unsigned int in)
152 {
153     unsigned int s, d;
154
155     s = ~((in >> 7) - 1);
156     d = (1 << 8) - in - 1;
157     d = (d & s) | (in & ~s);
158     d = (d >> 1) + (d & 1);
159
160     return (d << 1) + (s & 1);
161 }
162
163 static void copy_conditional(BN_ULONG dst[P256_LIMBS],
164                              const BN_ULONG src[P256_LIMBS], BN_ULONG move)
165 {
166     BN_ULONG mask1 = 0-move;
167     BN_ULONG mask2 = ~mask1;
168
169     dst[0] = (src[0] & mask1) ^ (dst[0] & mask2);
170     dst[1] = (src[1] & mask1) ^ (dst[1] & mask2);
171     dst[2] = (src[2] & mask1) ^ (dst[2] & mask2);
172     dst[3] = (src[3] & mask1) ^ (dst[3] & mask2);
173     if (P256_LIMBS == 8) {
174         dst[4] = (src[4] & mask1) ^ (dst[4] & mask2);
175         dst[5] = (src[5] & mask1) ^ (dst[5] & mask2);
176         dst[6] = (src[6] & mask1) ^ (dst[6] & mask2);
177         dst[7] = (src[7] & mask1) ^ (dst[7] & mask2);
178     }
179 }
180
181 static BN_ULONG is_zero(BN_ULONG in)
182 {
183     in |= (0 - in);
184     in = ~in;
185     in &= BN_MASK2;
186     in >>= BN_BITS2 - 1;
187     return in;
188 }
189
190 static BN_ULONG is_equal(const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
191                          const BN_ULONG b[P256_LIMBS])
192 {
193     BN_ULONG res;
194
195     res = a[0] ^ b[0];
196     res |= a[1] ^ b[1];
197     res |= a[2] ^ b[2];
198     res |= a[3] ^ b[3];
199     if (P256_LIMBS == 8) {
200         res |= a[4] ^ b[4];
201         res |= a[5] ^ b[5];
202         res |= a[6] ^ b[6];
203         res |= a[7] ^ b[7];
204     }
205
206     return is_zero(res);
207 }
208
209 static BN_ULONG is_one(const BN_ULONG a[P256_LIMBS])
210 {
211     BN_ULONG res;
212
213     res = a[0] ^ ONE[0];
214     res |= a[1] ^ ONE[1];
215     res |= a[2] ^ ONE[2];
216     res |= a[3] ^ ONE[3];
217     if (P256_LIMBS == 8) {
218         res |= a[4] ^ ONE[4];
219         res |= a[5] ^ ONE[5];
220         res |= a[6] ^ ONE[6];
221     }
222
223     return is_zero(res);
224 }
225
226 #ifndef ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
227 void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a);
228 void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
229                             const P256_POINT *a, const P256_POINT *b);
230 void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
231                                    const P256_POINT *a,
232                                    const P256_POINT_AFFINE *b);
233 #else
234 /* Point double: r = 2*a */
235 static void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a)
236 {
237     BN_ULONG S[P256_LIMBS];
238     BN_ULONG M[P256_LIMBS];
239     BN_ULONG Zsqr[P256_LIMBS];
240     BN_ULONG tmp0[P256_LIMBS];
241
242     const BN_ULONG *in_x = a->X;
243     const BN_ULONG *in_y = a->Y;
244     const BN_ULONG *in_z = a->Z;
245
246     BN_ULONG *res_x = r->X;
247     BN_ULONG *res_y = r->Y;
248     BN_ULONG *res_z = r->Z;
249
250     ecp_nistz256_mul_by_2(S, in_y);
251
252     ecp_nistz256_sqr_mont(Zsqr, in_z);
253
254     ecp_nistz256_sqr_mont(S, S);
255
256     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, in_z, in_y);
257     ecp_nistz256_mul_by_2(res_z, res_z);
258
259     ecp_nistz256_add(M, in_x, Zsqr);
260     ecp_nistz256_sub(Zsqr, in_x, Zsqr);
261
262     ecp_nistz256_sqr_mont(res_y, S);
263     ecp_nistz256_div_by_2(res_y, res_y);
264
265     ecp_nistz256_mul_mont(M, M, Zsqr);
266     ecp_nistz256_mul_by_3(M, M);
267
268     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, in_x);
269     ecp_nistz256_mul_by_2(tmp0, S);
270
271     ecp_nistz256_sqr_mont(res_x, M);
272
273     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, tmp0);
274     ecp_nistz256_sub(S, S, res_x);
275
276     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, M);
277     ecp_nistz256_sub(res_y, S, res_y);
278 }
279
280 /* Point addition: r = a+b */
281 static void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
282                                    const P256_POINT *a, const P256_POINT *b)
283 {
284     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
285     BN_ULONG U1[P256_LIMBS], S1[P256_LIMBS];
286     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
287     BN_ULONG Z2sqr[P256_LIMBS];
288     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
289     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
290     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
291     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
292
293     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
294     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
295     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
296
297     BN_ULONG in1infty, in2infty;
298
299     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
300     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
301     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
302
303     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
304     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
305     const BN_ULONG *in2_z = b->Z;
306
307     /* We encode infinity as (0,0), which is not on the curve,
308      * so it is OK. */
309     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
310                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
311     if (P256_LIMBS == 8)
312         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
313                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
314
315     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
316                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
317     if (P256_LIMBS == 8)
318         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
319                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
320
321     in1infty = is_zero(in1infty);
322     in2infty = is_zero(in2infty);
323
324     ecp_nistz256_sqr_mont(Z2sqr, in2_z);        /* Z2^2 */
325     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
326
327     ecp_nistz256_mul_mont(S1, Z2sqr, in2_z);    /* S1 = Z2^3 */
328     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
329
330     ecp_nistz256_mul_mont(S1, S1, in1_y);       /* S1 = Y1*Z2^3 */
331     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
332     ecp_nistz256_sub(R, S2, S1);                /* R = S2 - S1 */
333
334     ecp_nistz256_mul_mont(U1, in1_x, Z2sqr);    /* U1 = X1*Z2^2 */
335     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
336     ecp_nistz256_sub(H, U2, U1);                /* H = U2 - U1 */
337
338     /*
339      * This should not happen during sign/ecdh, so no constant time violation
340      */
341     if (is_equal(U1, U2) && !in1infty && !in2infty) {
342         if (is_equal(S1, S2)) {
343             ecp_nistz256_point_double(r, a);
344             return;
345         } else {
346             memset(r, 0, sizeof(*r));
347             return;
348         }
349     }
350
351     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
352     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
353     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
354     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, res_z, in2_z); /* Z3 = H*Z1*Z2 */
355     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
356
357     ecp_nistz256_mul_mont(U2, U1, Hsqr);        /* U1*H^2 */
358     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
359
360     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
361     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
362
363     ecp_nistz256_sub(res_y, U2, res_x);
364
365     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S1, Hcub);
366     ecp_nistz256_mul_mont(res_y, R, res_y);
367     ecp_nistz256_sub(res_y, res_y, S2);
368
369     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
370     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
371     copy_conditional(res_z, in2_z, in1infty);
372
373     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
374     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
375     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
376
377     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
378     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
379     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
380 }
381
382 /* Point addition when b is known to be affine: r = a+b */
383 static void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
384                                           const P256_POINT *a,
385                                           const P256_POINT_AFFINE *b)
386 {
387     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
388     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
389     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
390     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
391     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
392     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
393
394     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
395     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
396     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
397
398     BN_ULONG in1infty, in2infty;
399
400     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
401     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
402     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
403
404     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
405     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
406
407     /*
408      * In affine representation we encode infty as (0,0), which is not on the
409      * curve, so it is OK
410      */
411     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
412                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
413     if (P256_LIMBS == 8)
414         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
415                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
416
417     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
418                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
419     if (P256_LIMBS == 8)
420         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
421                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
422
423     in1infty = is_zero(in1infty);
424     in2infty = is_zero(in2infty);
425
426     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
427
428     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
429     ecp_nistz256_sub(H, U2, in1_x);             /* H = U2 - U1 */
430
431     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
432
433     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
434
435     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
436     ecp_nistz256_sub(R, S2, in1_y);             /* R = S2 - S1 */
437
438     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
439     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
440     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
441
442     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in1_x, Hsqr);     /* U1*H^2 */
443     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
444
445     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
446     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
447     ecp_nistz256_sub(H, U2, res_x);
448
449     ecp_nistz256_mul_mont(S2, in1_y, Hcub);
450     ecp_nistz256_mul_mont(H, H, R);
451     ecp_nistz256_sub(res_y, H, S2);
452
453     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
454     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
455
456     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
457     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
458
459     copy_conditional(res_z, ONE, in1infty);
460     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
461
462     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
463     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
464     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
465 }
466 #endif
467
468 /* r = in^-1 mod p */
469 static void ecp_nistz256_mod_inverse(BN_ULONG r[P256_LIMBS],
470                                      const BN_ULONG in[P256_LIMBS])
471 {
472     /*
473      * The poly is ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000 ffffffff
474      * ffffffff ffffffff We use FLT and used poly-2 as exponent
475      */
476     BN_ULONG p2[P256_LIMBS];
477     BN_ULONG p4[P256_LIMBS];
478     BN_ULONG p8[P256_LIMBS];
479     BN_ULONG p16[P256_LIMBS];
480     BN_ULONG p32[P256_LIMBS];
481     BN_ULONG res[P256_LIMBS];
482     int i;
483
484     ecp_nistz256_sqr_mont(res, in);
485     ecp_nistz256_mul_mont(p2, res, in);         /* 3*p */
486
487     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p2);
488     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
489     ecp_nistz256_mul_mont(p4, res, p2);         /* f*p */
490
491     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p4);
492     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
493     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
494     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
495     ecp_nistz256_mul_mont(p8, res, p4);         /* ff*p */
496
497     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p8);
498     for (i = 0; i < 7; i++)
499         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
500     ecp_nistz256_mul_mont(p16, res, p8);        /* ffff*p */
501
502     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p16);
503     for (i = 0; i < 15; i++)
504         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
505     ecp_nistz256_mul_mont(p32, res, p16);       /* ffffffff*p */
506
507     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p32);
508     for (i = 0; i < 31; i++)
509         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
510     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
511
512     for (i = 0; i < 32 * 4; i++)
513         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
514     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
515
516     for (i = 0; i < 32; i++)
517         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
518     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
519
520     for (i = 0; i < 16; i++)
521         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
522     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p16);
523
524     for (i = 0; i < 8; i++)
525         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
526     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p8);
527
528     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
529     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
530     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
531     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
532     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p4);
533
534     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
535     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
536     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p2);
537
538     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
539     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
540     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
541
542     memcpy(r, res, sizeof(res));
543 }
544
545 /*
546  * ecp_nistz256_bignum_to_field_elem copies the contents of |in| to |out| and
547  * returns one if it fits. Otherwise it returns zero.
548  */
549 static int ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(BN_ULONG out[P256_LIMBS],
550                                              const BIGNUM *in)
551 {
552     return bn_copy_words(out, in, P256_LIMBS);
553 }
554
555 /* r = sum(scalar[i]*point[i]) */
556 static void ecp_nistz256_windowed_mul(const EC_GROUP *group,
557                                       P256_POINT *r,
558                                       const BIGNUM **scalar,
559                                       const EC_POINT **point,
560                                       size_t num, BN_CTX *ctx)
561 {
562     size_t i;
563     int j;
564     unsigned int idx;
565     unsigned char (*p_str)[33] = NULL;
566     const unsigned int window_size = 5;
567     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
568     unsigned int wvalue;
569     P256_POINT *temp;           /* place for 5 temporary points */
570     const BIGNUM **scalars = NULL;
571     P256_POINT (*table)[16] = NULL;
572     void *table_storage = NULL;
573
574     if ((num * 16 + 6) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(P256_POINT)
575         || (table_storage =
576             OPENSSL_malloc((num * 16 + 5) * sizeof(P256_POINT) + 64)) == NULL
577         || (p_str =
578             OPENSSL_malloc(num * 33 * sizeof(unsigned char))) == NULL
579         || (scalars = OPENSSL_malloc(num * sizeof(BIGNUM *))) == NULL) {
580         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
581         goto err;
582     }
583
584     table = (void *)ALIGNPTR(table_storage, 64);
585     temp = (P256_POINT *)(table + num);
586
587     for (i = 0; i < num; i++) {
588         P256_POINT *row = table[i];
589
590         /* This is an unusual input, we don't guarantee constant-timeness. */
591         if ((BN_num_bits(scalar[i]) > 256) || BN_is_negative(scalar[i])) {
592             BIGNUM *mod;
593
594             if ((mod = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
595                 goto err;
596             if (!BN_nnmod(mod, scalar[i], group->order, ctx)) {
597                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_BN_LIB);
598                 goto err;
599             }
600             scalars[i] = mod;
601         } else
602             scalars[i] = scalar[i];
603
604         for (j = 0; j < bn_get_top(scalars[i]) * BN_BYTES; j += BN_BYTES) {
605             BN_ULONG d = bn_get_words(scalars[i])[j / BN_BYTES];
606
607             p_str[i][j + 0] = (unsigned char)d;
608             p_str[i][j + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
609             p_str[i][j + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
610             p_str[i][j + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
611             if (BN_BYTES == 8) {
612                 d >>= 8;
613                 p_str[i][j + 4] = (unsigned char)d;
614                 p_str[i][j + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
615                 p_str[i][j + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
616                 p_str[i][j + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
617             }
618         }
619         for (; j < 33; j++)
620             p_str[i][j] = 0;
621
622         if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].X, point[i]->X)
623             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Y, point[i]->Y)
624             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp[0].Z, point[i]->Z)) {
625             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL,
626                   EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
627             goto err;
628         }
629
630         /*
631          * row[0] is implicitly (0,0,0) (the point at infinity), therefore it
632          * is not stored. All other values are actually stored with an offset
633          * of -1 in table.
634          */
635
636         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[0], 1);
637         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[0]);              /*1+1=2  */
638         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 2);
639         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*2+1=3  */
640         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 3);
641         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*2=4  */
642         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 4);
643         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*3=6  */
644         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 6);
645         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[1], &temp[0]);    /*4+1=5  */
646         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 5);
647         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[2], &temp[0]);    /*6+1=7  */
648         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 7);
649         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*4=8  */
650         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 8);
651         ecp_nistz256_point_double(&temp[2], &temp[2]);              /*2*6=12 */
652         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 12);
653         ecp_nistz256_point_double(&temp[3], &temp[3]);              /*2*5=10 */
654         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 10);
655         ecp_nistz256_point_double(&temp[4], &temp[4]);              /*2*7=14 */
656         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 14);
657         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[2], &temp[0]);    /*12+1=13*/
658         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 13);
659         ecp_nistz256_point_add   (&temp[3], &temp[3], &temp[0]);    /*10+1=11*/
660         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[3], 11);
661         ecp_nistz256_point_add   (&temp[4], &temp[4], &temp[0]);    /*14+1=15*/
662         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[4], 15);
663         ecp_nistz256_point_add   (&temp[2], &temp[1], &temp[0]);    /*8+1=9  */
664         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[2], 9);
665         ecp_nistz256_point_double(&temp[1], &temp[1]);              /*2*8=16 */
666         ecp_nistz256_scatter_w5  (row, &temp[1], 16);
667     }
668
669     idx = 255;
670
671     wvalue = p_str[0][(idx - 1) / 8];
672     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
673
674     /*
675      * We gather to temp[0], because we know it's position relative
676      * to table
677      */
678     ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[0], _booth_recode_w5(wvalue) >> 1);
679     memcpy(r, &temp[0], sizeof(temp[0]));
680
681     while (idx >= 5) {
682         for (i = (idx == 255 ? 1 : 0); i < num; i++) {
683             unsigned int off = (idx - 1) / 8;
684
685             wvalue = p_str[i][off] | p_str[i][off + 1] << 8;
686             wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
687
688             wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
689
690             ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
691
692             ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
693             copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, (wvalue & 1));
694
695             ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
696         }
697
698         idx -= window_size;
699
700         ecp_nistz256_point_double(r, r);
701         ecp_nistz256_point_double(r, r);
702         ecp_nistz256_point_double(r, r);
703         ecp_nistz256_point_double(r, r);
704         ecp_nistz256_point_double(r, r);
705     }
706
707     /* Final window */
708     for (i = 0; i < num; i++) {
709         wvalue = p_str[i][0];
710         wvalue = (wvalue << 1) & mask;
711
712         wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
713
714         ecp_nistz256_gather_w5(&temp[0], table[i], wvalue >> 1);
715
716         ecp_nistz256_neg(temp[1].Y, temp[0].Y);
717         copy_conditional(temp[0].Y, temp[1].Y, wvalue & 1);
718
719         ecp_nistz256_point_add(r, r, &temp[0]);
720     }
721
722  err:
723     if (table_storage)
724         OPENSSL_free(table_storage);
725     if (p_str)
726         OPENSSL_free(p_str);
727     if (scalars)
728         OPENSSL_free(scalars);
729 }
730
731 /* Coordinates of G, for which we have precomputed tables */
732 const static BN_ULONG def_xG[P256_LIMBS] = {
733     TOBN(0x79e730d4, 0x18a9143c), TOBN(0x75ba95fc, 0x5fedb601),
734     TOBN(0x79fb732b, 0x77622510), TOBN(0x18905f76, 0xa53755c6)
735 };
736
737 const static BN_ULONG def_yG[P256_LIMBS] = {
738     TOBN(0xddf25357, 0xce95560a), TOBN(0x8b4ab8e4, 0xba19e45c),
739     TOBN(0xd2e88688, 0xdd21f325), TOBN(0x8571ff18, 0x25885d85)
740 };
741
742 /*
743  * ecp_nistz256_is_affine_G returns one if |generator| is the standard, P-256
744  * generator.
745  */
746 static int ecp_nistz256_is_affine_G(const EC_POINT *generator)
747 {
748     return (bn_get_top(generator->X) == P256_LIMBS) &&
749         (bn_get_top(generator->Y) == P256_LIMBS) &&
750         (bn_get_top(generator->Z) == (P256_LIMBS - P256_LIMBS / 8)) &&
751         is_equal(bn_get_words(generator->X), def_xG) &&
752         is_equal(bn_get_words(generator->Y), def_yG) &&
753         is_one(bn_get_words(generator->Z));
754 }
755
756 static int ecp_nistz256_mult_precompute(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
757 {
758     /*
759      * We precompute a table for a Booth encoded exponent (wNAF) based
760      * computation. Each table holds 64 values for safe access, with an
761      * implicit value of infinity at index zero. We use window of size 7, and
762      * therefore require ceil(256/7) = 37 tables.
763      */
764     BIGNUM *order;
765     EC_POINT *P = NULL, *T = NULL;
766     const EC_POINT *generator;
767     EC_PRE_COMP *pre_comp;
768     int i, j, k, ret = 0;
769     size_t w;
770
771     PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
772     unsigned char *precomp_storage = NULL;
773
774     /* if there is an old EC_PRE_COMP object, throw it away */
775     EC_EX_DATA_free_data(&group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
776                          ecp_nistz256_pre_comp_free,
777                          ecp_nistz256_pre_comp_clear_free);
778
779     generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
780     if (generator == NULL) {
781         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
782         return 0;
783     }
784
785     if (ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
786         /*
787          * No need to calculate tables for the standard generator because we
788          * have them statically.
789          */
790         return 1;
791     }
792
793     if ((pre_comp = ecp_nistz256_pre_comp_new(group)) == NULL)
794         return 0;
795
796     if (ctx == NULL) {
797         ctx = BN_CTX_new();
798         if (ctx == NULL)
799             goto err;
800     }
801
802     BN_CTX_start(ctx);
803     order = BN_CTX_get(ctx);
804
805     if (order == NULL)
806         goto err;
807
808     if (!EC_GROUP_get_order(group, order, ctx))
809         goto err;
810
811     if (BN_is_zero(order)) {
812         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
813         goto err;
814     }
815
816     w = 7;
817
818     if ((precomp_storage =
819          OPENSSL_malloc(37 * 64 * sizeof(P256_POINT_AFFINE) + 64)) == NULL) {
820         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
821         goto err;
822     }
823
824     preComputedTable = (void *)ALIGNPTR(precomp_storage, 64);
825
826     P = EC_POINT_new(group);
827     T = EC_POINT_new(group);
828
829     /*
830      * The zero entry is implicitly infinity, and we skip it, storing other
831      * values with -1 offset.
832      */
833     EC_POINT_copy(T, generator);
834
835     for (k = 0; k < 64; k++) {
836         EC_POINT_copy(P, T);
837         for (j = 0; j < 37; j++) {
838             P256_POINT_AFFINE temp;
839             /*
840              * It would be faster to use ec_GFp_simple_points_make_affine and
841              * make multiple points affine at the same time.
842              */
843             ec_GFp_simple_make_affine(group, P, ctx);
844             ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.X, P->X);
845             ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(temp.Y, P->Y);
846             ecp_nistz256_scatter_w7(preComputedTable[j], &temp, k);
847             for (i = 0; i < 7; i++)
848                 ec_GFp_simple_dbl(group, P, P, ctx);
849         }
850         ec_GFp_simple_add(group, T, T, generator, ctx);
851     }
852
853     pre_comp->group = group;
854     pre_comp->w = w;
855     pre_comp->precomp = preComputedTable;
856     pre_comp->precomp_storage = precomp_storage;
857
858     precomp_storage = NULL;
859
860     if (!EC_EX_DATA_set_data(&group->extra_data, pre_comp,
861                              ecp_nistz256_pre_comp_dup,
862                              ecp_nistz256_pre_comp_free,
863                              ecp_nistz256_pre_comp_clear_free)) {
864         goto err;
865     }
866
867     pre_comp = NULL;
868
869     ret = 1;
870
871  err:
872     if (ctx != NULL)
873         BN_CTX_end(ctx);
874     ecp_nistz256_pre_comp_free(pre_comp);
875     if (precomp_storage)
876         OPENSSL_free(precomp_storage);
877     EC_POINT_free(P);
878     EC_POINT_free(T);
879     return ret;
880 }
881
882 /*
883  * Note that by default ECP_NISTZ256_AVX2 is undefined. While it's great
884  * code processing 4 points in parallel, corresponding serial operation
885  * is several times slower, because it uses 29x29=58-bit multiplication
886  * as opposite to 64x64=128-bit in integer-only scalar case. As result
887  * it doesn't provide *significant* performance improvement. Note that
888  * just defining ECP_NISTZ256_AVX2 is not sufficient to make it work,
889  * you'd need to compile even asm/ecp_nistz256-avx.pl module.
890  */
891 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
892 # if !(defined(__x86_64) || defined(__x86_64__) || \
893        defined(_M_AMD64) || defined(_MX64)) || \
894      !(defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)) /* this is for ALIGN32 */
895 #  undef ECP_NISTZ256_AVX2
896 # else
897 /* Constant time access, loading four values, from four consecutive tables */
898 void ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(void *result, const void *in,
899                                        int index0, int index1, int index2,
900                                        int index3);
901 void ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(void *RESULTx4, const void *in);
902 void ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(void *result, const void *Ax4);
903 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
904                                            const void *Bx4);
905 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
906                                             const void *Bx4);
907 void ecp_nistz256_avx2_to_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
908 void ecp_nistz256_avx2_from_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
909 void ecp_nistz256_avx2_set1(void *RESULTx4);
910 int ecp_nistz_avx2_eligible(void);
911
912 static void booth_recode_w7(unsigned char *sign,
913                             unsigned char *digit, unsigned char in)
914 {
915     unsigned char s, d;
916
917     s = ~((in >> 7) - 1);
918     d = (1 << 8) - in - 1;
919     d = (d & s) | (in & ~s);
920     d = (d >> 1) + (d & 1);
921
922     *sign = s & 1;
923     *digit = d;
924 }
925
926 /*
927  * ecp_nistz256_avx2_mul_g performs multiplication by G, using only the
928  * precomputed table. It does 4 affine point additions in parallel,
929  * significantly speeding up point multiplication for a fixed value.
930  */
931 static void ecp_nistz256_avx2_mul_g(P256_POINT *r,
932                                     unsigned char p_str[33],
933                                     const P256_POINT_AFFINE(*preComputedTable)[64])
934 {
935     const unsigned int window_size = 7;
936     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
937     unsigned int wvalue;
938     /* Using 4 windows at a time */
939     unsigned char sign0, digit0;
940     unsigned char sign1, digit1;
941     unsigned char sign2, digit2;
942     unsigned char sign3, digit3;
943     unsigned int idx = 0;
944     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
945     int i;
946
947     ALIGN32 BN_ULONG aX4[4 * 9 * 3] = { 0 };
948     ALIGN32 BN_ULONG bX4[4 * 9 * 2] = { 0 };
949     ALIGN32 P256_POINT_AFFINE point_arr[4];
950     ALIGN32 P256_POINT res_point_arr[4];
951
952     /* Initial four windows */
953     wvalue = *((u16 *) & p_str[0]);
954     wvalue = (wvalue << 1) & mask;
955     idx += window_size;
956     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
957     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
958     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
959     idx += window_size;
960     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
961     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
962     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
963     idx += window_size;
964     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
965     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
966     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
967     idx += window_size;
968     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
969
970     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[0],
971                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
972
973     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
974     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
975     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
976     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
977     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
978     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
979     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
980     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
981
982     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(aX4, point_arr);
983     ecp_nistz256_avx2_to_mont(aX4, aX4);
984     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&aX4[4 * 9], &aX4[4 * 9]);
985     ecp_nistz256_avx2_set1(&aX4[4 * 9 * 2]);
986
987     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
988     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
989     idx += window_size;
990     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
991     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
992     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
993     idx += window_size;
994     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
995     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
996     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
997     idx += window_size;
998     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
999     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1000     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1001     idx += window_size;
1002     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1003
1004     ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr, preComputedTable[4 * 1],
1005                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
1006
1007     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1008     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1009     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1010     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1011     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1012     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1013     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1014     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1015
1016     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1017     ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1018     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1019     /* Optimized when both inputs are affine */
1020     ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(aX4, aX4, bX4);
1021
1022     for (i = 2; i < 9; i++) {
1023         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1024         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1025         idx += window_size;
1026         booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1027         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1028         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1029         idx += window_size;
1030         booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1031         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1032         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1033         idx += window_size;
1034         booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1035         wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1036         wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1037         idx += window_size;
1038         booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1039
1040         ecp_nistz256_avx2_multi_gather_w7(point_arr,
1041                                           preComputedTable[4 * i],
1042                                           digit0, digit1, digit2, digit3);
1043
1044         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1045         copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1046         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1047         copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1048         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1049         copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1050         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1051         copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1052
1053         ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1054         ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1055         ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1056
1057         ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(aX4, aX4, bX4);
1058     }
1059
1060     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 0], &aX4[4 * 9 * 0]);
1061     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 1], &aX4[4 * 9 * 1]);
1062     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 2], &aX4[4 * 9 * 2]);
1063
1064     ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(res_point_arr, aX4);
1065     /* Last window is performed serially */
1066     wvalue = *((u16 *) & p_str[(idx - 1) / 8]);
1067     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1068     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1069     ecp_nistz256_gather_w7((P256_POINT_AFFINE *)r,
1070                            preComputedTable[36], digit0);
1071     ecp_nistz256_neg(tmp, r->Y);
1072     copy_conditional(r->Y, tmp, sign0);
1073     memcpy(r->Z, ONE, sizeof(ONE));
1074     /* Sum the four windows */
1075     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[0]);
1076     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[1]);
1077     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[2]);
1078     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[3]);
1079 }
1080 # endif
1081 #endif
1082
1083 static int ecp_nistz256_set_from_affine(EC_POINT *out, const EC_GROUP *group,
1084                                         const P256_POINT_AFFINE *in,
1085                                         BN_CTX *ctx)
1086 {
1087     BIGNUM *x, *y;
1088     BN_ULONG d_x[P256_LIMBS], d_y[P256_LIMBS];
1089     int ret = 0;
1090
1091     x = BN_new();
1092     if (!x)
1093         return 0;
1094     y = BN_new();
1095     if (!y) {
1096         BN_free(x);
1097         return 0;
1098     }
1099     memcpy(d_x, in->X, sizeof(d_x));
1100     bn_set_static_words(x, d_x, P256_LIMBS);
1101
1102     memcpy(d_y, in->Y, sizeof(d_y));
1103     bn_set_static_words(y, d_y, P256_LIMBS);
1104
1105     ret = EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, out, x, y, ctx);
1106
1107     if (x)
1108         BN_free(x);
1109     if (y)
1110         BN_free(y);
1111
1112     return ret;
1113 }
1114
1115 /* r = scalar*G + sum(scalars[i]*points[i]) */
1116 static int ecp_nistz256_points_mul(const EC_GROUP *group,
1117                                    EC_POINT *r,
1118                                    const BIGNUM *scalar,
1119                                    size_t num,
1120                                    const EC_POINT *points[],
1121                                    const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
1122 {
1123     int i = 0, ret = 0, no_precomp_for_generator = 0, p_is_infinity = 0;
1124     size_t j;
1125     unsigned char p_str[33] = { 0 };
1126     const PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
1127     const EC_PRE_COMP *pre_comp = NULL;
1128     const EC_POINT *generator = NULL;
1129     unsigned int idx = 0;
1130     const unsigned int window_size = 7;
1131     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
1132     unsigned int wvalue;
1133     ALIGN32 union {
1134         P256_POINT p;
1135         P256_POINT_AFFINE a;
1136     } t, p;
1137     BIGNUM *tmp_scalar;
1138
1139     if ((num + 1) == 0 || (num + 1) > OPENSSL_MALLOC_MAX_NELEMS(void *)) {
1140         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1141         return 0;
1142     }
1143
1144     if (group->meth != r->meth) {
1145         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1146         return 0;
1147     }
1148     if ((scalar == NULL) && (num == 0))
1149         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
1150
1151     for (j = 0; j < num; j++) {
1152         if (group->meth != points[j]->meth) {
1153             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1154             return 0;
1155         }
1156     }
1157
1158     /* Need 256 bits for space for all coordinates. */
1159     bn_wexpand(r->X, P256_LIMBS);
1160     bn_wexpand(r->Y, P256_LIMBS);
1161     bn_wexpand(r->Z, P256_LIMBS);
1162     bn_set_top(r->X, P256_LIMBS);
1163     bn_set_top(r->Y, P256_LIMBS);
1164     bn_set_top(r->Z, P256_LIMBS);
1165
1166     if (scalar) {
1167         generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1168         if (generator == NULL) {
1169             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
1170             goto err;
1171         }
1172
1173         /* look if we can use precomputed multiples of generator */
1174         pre_comp =
1175             EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
1176                                 ecp_nistz256_pre_comp_free,
1177                                 ecp_nistz256_pre_comp_clear_free);
1178
1179         if (pre_comp) {
1180             /*
1181              * If there is a precomputed table for the generator, check that
1182              * it was generated with the same generator.
1183              */
1184             EC_POINT *pre_comp_generator = EC_POINT_new(group);
1185             if (pre_comp_generator == NULL)
1186                 goto err;
1187
1188             if (!ecp_nistz256_set_from_affine(pre_comp_generator,
1189                                               group, pre_comp->precomp[0],
1190                                               ctx))
1191                 goto err;
1192
1193             if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, pre_comp_generator, ctx))
1194                 preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)pre_comp->precomp;
1195
1196             EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1197         }
1198
1199         if (preComputedTable == NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1200             /*
1201              * If there is no precomputed data, but the generator is the
1202              * default, a hardcoded table of precomputed data is used. This
1203              * is because applications, such as Apache, do not use
1204              * EC_KEY_precompute_mult.
1205              */
1206             preComputedTable = ecp_nistz256_precomputed;
1207         }
1208
1209         if (preComputedTable) {
1210             if ((BN_num_bits(scalar) > 256)
1211                 || BN_is_negative(scalar)) {
1212                 if ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
1213                     goto err;
1214
1215                 if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, group->order, ctx)) {
1216                     ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
1217                     goto err;
1218                 }
1219                 scalar = tmp_scalar;
1220             }
1221
1222             for (i = 0; i < bn_get_top(scalar) * BN_BYTES; i += BN_BYTES) {
1223                 BN_ULONG d = bn_get_words(scalar)[i / BN_BYTES];
1224
1225                 p_str[i + 0] = (unsigned char)d;
1226                 p_str[i + 1] = (unsigned char)(d >> 8);
1227                 p_str[i + 2] = (unsigned char)(d >> 16);
1228                 p_str[i + 3] = (unsigned char)(d >>= 24);
1229                 if (BN_BYTES == 8) {
1230                     d >>= 8;
1231                     p_str[i + 4] = (unsigned char)d;
1232                     p_str[i + 5] = (unsigned char)(d >> 8);
1233                     p_str[i + 6] = (unsigned char)(d >> 16);
1234                     p_str[i + 7] = (unsigned char)(d >> 24);
1235                 }
1236             }
1237
1238             for (; i < 33; i++)
1239                 p_str[i] = 0;
1240
1241 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
1242             if (ecp_nistz_avx2_eligible()) {
1243                 ecp_nistz256_avx2_mul_g(&p.p, p_str, preComputedTable);
1244             } else
1245 #endif
1246             {
1247                 /* First window */
1248                 wvalue = (p_str[0] << 1) & mask;
1249                 idx += window_size;
1250
1251                 wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1252
1253                 ecp_nistz256_gather_w7(&p.a, preComputedTable[0],
1254                                        wvalue >> 1);
1255
1256                 ecp_nistz256_neg(p.p.Z, p.p.Y);
1257                 copy_conditional(p.p.Y, p.p.Z, wvalue & 1);
1258
1259                 memcpy(p.p.Z, ONE, sizeof(ONE));
1260
1261                 for (i = 1; i < 37; i++) {
1262                     unsigned int off = (idx - 1) / 8;
1263                     wvalue = p_str[off] | p_str[off + 1] << 8;
1264                     wvalue = (wvalue >> ((idx - 1) % 8)) & mask;
1265                     idx += window_size;
1266
1267                     wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1268
1269                     ecp_nistz256_gather_w7(&t.a,
1270                                            preComputedTable[i], wvalue >> 1);
1271
1272                     ecp_nistz256_neg(t.p.Z, t.a.Y);
1273                     copy_conditional(t.a.Y, t.p.Z, wvalue & 1);
1274
1275                     ecp_nistz256_point_add_affine(&p.p, &p.p, &t.a);
1276                 }
1277             }
1278         } else {
1279             p_is_infinity = 1;
1280             no_precomp_for_generator = 1;
1281         }
1282     } else
1283         p_is_infinity = 1;
1284
1285     if (no_precomp_for_generator) {
1286         /*
1287          * Without a precomputed table for the generator, it has to be
1288          * handled like a normal point.
1289          */
1290         const BIGNUM **new_scalars;
1291         const EC_POINT **new_points;
1292
1293         new_scalars = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(BIGNUM *));
1294         if (!new_scalars) {
1295             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1296             return 0;
1297         }
1298
1299         new_points = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(EC_POINT *));
1300         if (!new_points) {
1301             OPENSSL_free(new_scalars);
1302             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1303             return 0;
1304         }
1305
1306         memcpy(new_scalars, scalars, num * sizeof(BIGNUM *));
1307         new_scalars[num] = scalar;
1308         memcpy(new_points, points, num * sizeof(EC_POINT *));
1309         new_points[num] = generator;
1310
1311         scalars = new_scalars;
1312         points = new_points;
1313         num++;
1314     }
1315
1316     if (num) {
1317         P256_POINT *out = &t.p;
1318         if (p_is_infinity)
1319             out = &p.p;
1320
1321         ecp_nistz256_windowed_mul(group, out, scalars, points, num, ctx);
1322
1323         if (!p_is_infinity)
1324             ecp_nistz256_point_add(&p.p, &p.p, out);
1325     }
1326
1327     if (no_precomp_for_generator) {
1328         OPENSSL_free(points);
1329         OPENSSL_free(scalars);
1330     }
1331
1332     bn_set_data(r->X, p.p.X, sizeof(p.p.X));
1333     bn_set_data(r->Y, p.p.Y, sizeof(p.p.Y));
1334     bn_set_data(r->Z, p.p.Z, sizeof(p.p.Z));
1335     /* Not constant-time, but we're only operating on the public output. */
1336     bn_correct_top(r->X);
1337     bn_correct_top(r->Y);
1338     bn_correct_top(r->Z);
1339     r->Z_is_one = is_one(p.p.Z);
1340
1341     ret = 1;
1342
1343  err:
1344     return ret;
1345 }
1346
1347 static int ecp_nistz256_get_affine(const EC_GROUP *group,
1348                                    const EC_POINT *point,
1349                                    BIGNUM *x, BIGNUM *y, BN_CTX *ctx)
1350 {
1351     BN_ULONG z_inv2[P256_LIMBS];
1352     BN_ULONG z_inv3[P256_LIMBS];
1353     BN_ULONG x_aff[P256_LIMBS];
1354     BN_ULONG y_aff[P256_LIMBS];
1355     BN_ULONG point_x[P256_LIMBS], point_y[P256_LIMBS], point_z[P256_LIMBS];
1356
1357     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1358         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1359         return 0;
1360     }
1361
1362     if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_x, point->X) ||
1363         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_y, point->Y) ||
1364         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_z, point->Z)) {
1365         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
1366         return 0;
1367     }
1368
1369     ecp_nistz256_mod_inverse(z_inv3, point_z);
1370     ecp_nistz256_sqr_mont(z_inv2, z_inv3);
1371     ecp_nistz256_mul_mont(x_aff, z_inv2, point_x);
1372
1373     if (x != NULL) {
1374         bn_wexpand(x, P256_LIMBS);
1375         bn_set_top(x, P256_LIMBS);
1376         ecp_nistz256_from_mont(bn_get_words(x), x_aff);
1377         bn_correct_top(x);
1378     }
1379
1380     if (y != NULL) {
1381         ecp_nistz256_mul_mont(z_inv3, z_inv3, z_inv2);
1382         ecp_nistz256_mul_mont(y_aff, z_inv3, point_y);
1383         bn_wexpand(y, P256_LIMBS);
1384         bn_set_top(y, P256_LIMBS);
1385         ecp_nistz256_from_mont(bn_get_words(y), y_aff);
1386         bn_correct_top(y);
1387     }
1388
1389     return 1;
1390 }
1391
1392 static EC_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group)
1393 {
1394     EC_PRE_COMP *ret = NULL;
1395
1396     if (!group)
1397         return NULL;
1398
1399     ret = (EC_PRE_COMP *)OPENSSL_malloc(sizeof(EC_PRE_COMP));
1400
1401     if (!ret) {
1402         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1403         return ret;
1404     }
1405
1406     ret->group = group;
1407     ret->w = 6;                 /* default */
1408     ret->precomp = NULL;
1409     ret->precomp_storage = NULL;
1410     ret->references = 1;
1411     return ret;
1412 }
1413
1414 static void *ecp_nistz256_pre_comp_dup(void *src_)
1415 {
1416     EC_PRE_COMP *src = src_;
1417
1418     /* no need to actually copy, these objects never change! */
1419     CRYPTO_add(&src->references, 1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1420
1421     return src_;
1422 }
1423
1424 static void ecp_nistz256_pre_comp_free(void *pre_)
1425 {
1426     int i;
1427     EC_PRE_COMP *pre = pre_;
1428
1429     if (!pre)
1430         return;
1431
1432     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1433     if (i > 0)
1434         return;
1435
1436     if (pre->precomp_storage)
1437         OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1438
1439     OPENSSL_free(pre);
1440 }
1441
1442 static void ecp_nistz256_pre_comp_clear_free(void *pre_)
1443 {
1444     int i;
1445     EC_PRE_COMP *pre = pre_;
1446
1447     if (!pre)
1448         return;
1449
1450     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1451     if (i > 0)
1452         return;
1453
1454     if (pre->precomp_storage) {
1455         OPENSSL_cleanse(pre->precomp,
1456                         32 * sizeof(unsigned char) * (1 << pre->w) * 2 * 37);
1457         OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1458     }
1459     OPENSSL_cleanse(pre, sizeof *pre);
1460     OPENSSL_free(pre);
1461 }
1462
1463 static int ecp_nistz256_window_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
1464 {
1465     /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1466     const EC_POINT *generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1467     if (generator != NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1468         /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1469         return 1;
1470     }
1471
1472     return EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
1473                                ecp_nistz256_pre_comp_free,
1474                                ecp_nistz256_pre_comp_clear_free) != NULL;
1475 }
1476
1477 const EC_METHOD *EC_GFp_nistz256_method(void)
1478 {
1479     static const EC_METHOD ret = {
1480         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1481         NID_X9_62_prime_field,
1482         ec_GFp_mont_group_init,
1483         ec_GFp_mont_group_finish,
1484         ec_GFp_mont_group_clear_finish,
1485         ec_GFp_mont_group_copy,
1486         ec_GFp_mont_group_set_curve,
1487         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1488         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1489         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1490         ec_GFp_simple_point_init,
1491         ec_GFp_simple_point_finish,
1492         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1493         ec_GFp_simple_point_copy,
1494         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1495         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1496         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1497         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1498         ecp_nistz256_get_affine,
1499         0, 0, 0,
1500         ec_GFp_simple_add,
1501         ec_GFp_simple_dbl,
1502         ec_GFp_simple_invert,
1503         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1504         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1505         ec_GFp_simple_cmp,
1506         ec_GFp_simple_make_affine,
1507         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1508         ecp_nistz256_points_mul,                    /* mul */
1509         ecp_nistz256_mult_precompute,               /* precompute_mult */
1510         ecp_nistz256_window_have_precompute_mult,   /* have_precompute_mult */
1511         ec_GFp_mont_field_mul,
1512         ec_GFp_mont_field_sqr,
1513         0,                                          /* field_div */
1514         ec_GFp_mont_field_encode,
1515         ec_GFp_mont_field_decode,
1516         ec_GFp_mont_field_set_to_one
1517     };
1518
1519     return &ret;
1520 }