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 <openssl/bn.h>
  32 #include <openssl/err.h>
  33 #include <openssl/ec.h>
  34 #include "cryptlib.h"
  35
  36 #include "ec_lcl.h"
  37
  38 #if BN_BITS2 != 64
  39 # define TOBN(hi,lo)    lo,hi
  40 #else
  41 # define TOBN(hi,lo)    ((BN_ULONG)hi<<32|lo)
  42 #endif
  43
  44 #if defined(__GNUC__)
  45 # define ALIGN32        __attribute((aligned(32)))
  46 #elif defined(_MSC_VER)
  47 # define ALIGN32        __declspec(align(32))
  48 #else
  49 # define ALIGN32
  50 #endif
  51
  52 #define ALIGNPTR(p,N)   ((unsigned char *)p+N-(size_t)p%N)
  53 #define P256_LIMBS      (256/BN_BITS2)
  54
  55 typedef unsigned short u16;
  56
  57 typedef struct {
  58     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
  59     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
  60     BN_ULONG Z[P256_LIMBS];
  61 } P256_POINT;
  62
  63 typedef struct {
  64     BN_ULONG X[P256_LIMBS];
  65     BN_ULONG Y[P256_LIMBS];
  66 } P256_POINT_AFFINE;
  67
  68 typedef P256_POINT_AFFINE PRECOMP256_ROW[64];
  69
  70 /* structure for precomputed multiples of the generator */
  71 typedef struct ec_pre_comp_st {
  72     const EC_GROUP *group;      /* Parent EC_GROUP object */
  73     size_t w;                   /* Window size */
  74     /*
  75      * Constant time access to the X and Y coordinates of the pre-computed,
  76      * generator multiplies, in the Montgomery domain. Pre-calculated
  77      * multiplies are stored in affine form.
  78      */
  79     PRECOMP256_ROW *precomp;
  80     void *precomp_storage;
  81     int references;
  82 } EC_PRE_COMP;
  83
  84 /* Functions implemented in assembly */
  85 /* Modular mul by 2: res = 2*a mod P */
  86 void ecp_nistz256_mul_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  87                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
  88 /* Modular div by 2: res = a/2 mod P */
  89 void ecp_nistz256_div_by_2(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  90                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
  91 /* Modular mul by 3: res = 3*a mod P */
  92 void ecp_nistz256_mul_by_3(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  93                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
  94 /* Modular add: res = a+b mod P   */
  95 void ecp_nistz256_add(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
  96                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
  97                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
  98 /* Modular sub: res = a-b mod P   */
  99 void ecp_nistz256_sub(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 100                       const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
 101                       const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
 102 /* Modular neg: res = -a mod P    */
 103 void ecp_nistz256_neg(BN_ULONG res[P256_LIMBS], const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
 104 /* Montgomery mul: res = a*b*2^-256 mod P */
 105 void ecp_nistz256_mul_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 106                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
 107                            const BN_ULONG b[P256_LIMBS]);
 108 /* Montgomery sqr: res = a*a*2^-256 mod P */
 109 void ecp_nistz256_sqr_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 110                            const BN_ULONG a[P256_LIMBS]);
 111 /* Convert a number from Montgomery domain, by multiplying with 1 */
 112 void ecp_nistz256_from_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 113                             const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
 114 /* Convert a number to Montgomery domain, by multiplying with 2^512 mod P*/
 115 void ecp_nistz256_to_mont(BN_ULONG res[P256_LIMBS],
 116                           const BN_ULONG in[P256_LIMBS]);
 117 /* Functions that perform constant time access to the precomputed tables */
 118 void ecp_nistz256_select_w5(P256_POINT * val,
 119                             const P256_POINT * in_t, int index);
 120 void ecp_nistz256_select_w7(P256_POINT_AFFINE * val,
 121                             const P256_POINT_AFFINE * in_t, int index);
 122
 123 /* One converted into the Montgomery domain */
 124 static const BN_ULONG ONE[P256_LIMBS] = {
 125     TOBN(0x00000000, 0x00000001), TOBN(0xffffffff, 0x00000000),
 126     TOBN(0xffffffff, 0xffffffff), TOBN(0x00000000, 0xfffffffe)
 127 };
 128
 129 static void *ecp_nistz256_pre_comp_dup(void *);
 130 static void ecp_nistz256_pre_comp_free(void *);
 131 static void ecp_nistz256_pre_comp_clear_free(void *);
 132 static EC_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group);
 133
 134 /* Precomputed tables for the default generator */
 135 #include "ecp_nistz256_table.c"
 136
 137 /* Recode window to a signed digit, see ecp_nistputil.c for details */
 138 static unsigned int _booth_recode_w5(unsigned int in)
 139 {
 140     unsigned int s, d;
 141
 142     s = ~((in >> 5) - 1);
 143     d = (1 << 6) - in - 1;
 144     d = (d & s) | (in & ~s);
 145     d = (d >> 1) + (d & 1);
 146
 147     return (d << 1) + (s & 1);
 148 }
 149
 150 static unsigned int _booth_recode_w7(unsigned int in)
 151 {
 152     unsigned int s, d;
 153
 154     s = ~((in >> 7) - 1);
 155     d = (1 << 8) - in - 1;
 156     d = (d & s) | (in & ~s);
 157     d = (d >> 1) + (d & 1);
 158
 159     return (d << 1) + (s & 1);
 160 }
 161
 162 static void copy_conditional(BN_ULONG dst[P256_LIMBS],
 163                              const BN_ULONG src[P256_LIMBS], BN_ULONG move)
 164 {
 165     BN_ULONG mask1 = -move;
 166     BN_ULONG mask2 = ~mask1;
 167
 168     dst[0] = (src[0] & mask1) ^ (dst[0] & mask2);
 169     dst[1] = (src[1] & mask1) ^ (dst[1] & mask2);
 170     dst[2] = (src[2] & mask1) ^ (dst[2] & mask2);
 171     dst[3] = (src[3] & mask1) ^ (dst[3] & mask2);
 172     if (P256_LIMBS == 8) {
 173         dst[4] = (src[4] & mask1) ^ (dst[4] & mask2);
 174         dst[5] = (src[5] & mask1) ^ (dst[5] & mask2);
 175         dst[6] = (src[6] & mask1) ^ (dst[6] & mask2);
 176         dst[7] = (src[7] & mask1) ^ (dst[7] & mask2);
 177     }
 178 }
 179
 180 static BN_ULONG is_zero(BN_ULONG in)
 181 {
 182     in |= (0 - in);
 183     in = ~in;
 184     in &= BN_MASK2;
 185     in >>= BN_BITS2 - 1;
 186     return in;
 187 }
 188
 189 static BN_ULONG is_equal(const BN_ULONG a[P256_LIMBS],
 190                          const BN_ULONG b[P256_LIMBS])
 191 {
 192     BN_ULONG res;
 193
 194     res = a[0] ^ b[0];
 195     res |= a[1] ^ b[1];
 196     res |= a[2] ^ b[2];
 197     res |= a[3] ^ b[3];
 198     if (P256_LIMBS == 8) {
 199         res |= a[4] ^ b[4];
 200         res |= a[5] ^ b[5];
 201         res |= a[6] ^ b[6];
 202         res |= a[7] ^ b[7];
 203     }
 204
 205     return is_zero(res);
 206 }
 207
 208 static BN_ULONG is_one(const BN_ULONG a[P256_LIMBS])
 209 {
 210     BN_ULONG res;
 211
 212     res = a[0] ^ ONE[0];
 213     res |= a[1] ^ ONE[1];
 214     res |= a[2] ^ ONE[2];
 215     res |= a[3] ^ ONE[3];
 216     if (P256_LIMBS == 8) {
 217         res |= a[4] ^ ONE[4];
 218         res |= a[5] ^ ONE[5];
 219         res |= a[6] ^ ONE[6];
 220     }
 221
 222     return is_zero(res);
 223 }
 224
 225 static int ecp_nistz256_set_words(BIGNUM *a, BN_ULONG words[P256_LIMBS])
 226  {
 227      if (bn_wexpand(a, P256_LIMBS) == NULL) {
 228          ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_SET_WORDS, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 229          return 0;
 230      }
 231      memcpy(a->d, words, sizeof(BN_ULONG) * P256_LIMBS);
 232      a->top = P256_LIMBS;
 233      bn_correct_top(a);
 234      return 1;
 235 }
 236
 237 #ifndef ECP_NISTZ256_REFERENCE_IMPLEMENTATION
 238 void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a);
 239 void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
 240                             const P256_POINT *a, const P256_POINT *b);
 241 void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
 242                                    const P256_POINT *a,
 243                                    const P256_POINT_AFFINE *b);
 244 #else
 245 /* Point double: r = 2*a */
 246 static void ecp_nistz256_point_double(P256_POINT *r, const P256_POINT *a)
 247 {
 248     BN_ULONG S[P256_LIMBS];
 249     BN_ULONG M[P256_LIMBS];
 250     BN_ULONG Zsqr[P256_LIMBS];
 251     BN_ULONG tmp0[P256_LIMBS];
 252
 253     const BN_ULONG *in_x = a->X;
 254     const BN_ULONG *in_y = a->Y;
 255     const BN_ULONG *in_z = a->Z;
 256
 257     BN_ULONG *res_x = r->X;
 258     BN_ULONG *res_y = r->Y;
 259     BN_ULONG *res_z = r->Z;
 260
 261     ecp_nistz256_mul_by_2(S, in_y);
 262
 263     ecp_nistz256_sqr_mont(Zsqr, in_z);
 264
 265     ecp_nistz256_sqr_mont(S, S);
 266
 267     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, in_z, in_y);
 268     ecp_nistz256_mul_by_2(res_z, res_z);
 269
 270     ecp_nistz256_add(M, in_x, Zsqr);
 271     ecp_nistz256_sub(Zsqr, in_x, Zsqr);
 272
 273     ecp_nistz256_sqr_mont(res_y, S);
 274     ecp_nistz256_div_by_2(res_y, res_y);
 275
 276     ecp_nistz256_mul_mont(M, M, Zsqr);
 277     ecp_nistz256_mul_by_3(M, M);
 278
 279     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, in_x);
 280     ecp_nistz256_mul_by_2(tmp0, S);
 281
 282     ecp_nistz256_sqr_mont(res_x, M);
 283
 284     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, tmp0);
 285     ecp_nistz256_sub(S, S, res_x);
 286
 287     ecp_nistz256_mul_mont(S, S, M);
 288     ecp_nistz256_sub(res_y, S, res_y);
 289 }
 290
 291 /* Point addition: r = a+b */
 292 static void ecp_nistz256_point_add(P256_POINT *r,
 293                                    const P256_POINT *a, const P256_POINT *b)
 294 {
 295     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
 296     BN_ULONG U1[P256_LIMBS], S1[P256_LIMBS];
 297     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
 298     BN_ULONG Z2sqr[P256_LIMBS];
 299     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
 300     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
 301     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
 302     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
 303
 304     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
 305     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
 306     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
 307
 308     BN_ULONG in1infty, in2infty;
 309
 310     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
 311     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
 312     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
 313
 314     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
 315     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
 316     const BN_ULONG *in2_z = b->Z;
 317
 318     /* We encode infinity as (0,0), which is not on the curve,
 319      * so it is OK. */
 320     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
 321                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
 322     if (P256_LIMBS == 8)
 323         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
 324                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
 325
 326     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
 327                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
 328     if (P256_LIMBS == 8)
 329         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
 330                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
 331
 332     in1infty = is_zero(in1infty);
 333     in2infty = is_zero(in2infty);
 334
 335     ecp_nistz256_sqr_mont(Z2sqr, in2_z);        /* Z2^2 */
 336     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
 337
 338     ecp_nistz256_mul_mont(S1, Z2sqr, in2_z);    /* S1 = Z2^3 */
 339     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
 340
 341     ecp_nistz256_mul_mont(S1, S1, in1_y);       /* S1 = Y1*Z2^3 */
 342     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
 343     ecp_nistz256_sub(R, S2, S1);                /* R = S2 - S1 */
 344
 345     ecp_nistz256_mul_mont(U1, in1_x, Z2sqr);    /* U1 = X1*Z2^2 */
 346     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
 347     ecp_nistz256_sub(H, U2, U1);                /* H = U2 - U1 */
 348
 349     /*
 350      * This should not happen during sign/ecdh, so no constant time violation
 351      */
 352     if (is_equal(U1, U2) && !in1infty && !in2infty) {
 353         if (is_equal(S1, S2)) {
 354             ecp_nistz256_point_double(r, a);
 355             return;
 356         } else {
 357             memset(r, 0, sizeof(*r));
 358             return;
 359         }
 360     }
 361
 362     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
 363     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
 364     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
 365     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, res_z, in2_z); /* Z3 = H*Z1*Z2 */
 366     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
 367
 368     ecp_nistz256_mul_mont(U2, U1, Hsqr);        /* U1*H^2 */
 369     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
 370
 371     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
 372     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
 373
 374     ecp_nistz256_sub(res_y, U2, res_x);
 375
 376     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S1, Hcub);
 377     ecp_nistz256_mul_mont(res_y, R, res_y);
 378     ecp_nistz256_sub(res_y, res_y, S2);
 379
 380     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
 381     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
 382     copy_conditional(res_z, in2_z, in1infty);
 383
 384     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
 385     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
 386     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
 387
 388     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
 389     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
 390     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
 391 }
 392
 393 /* Point addition when b is known to be affine: r = a+b */
 394 static void ecp_nistz256_point_add_affine(P256_POINT *r,
 395                                           const P256_POINT *a,
 396                                           const P256_POINT_AFFINE *b)
 397 {
 398     BN_ULONG U2[P256_LIMBS], S2[P256_LIMBS];
 399     BN_ULONG Z1sqr[P256_LIMBS];
 400     BN_ULONG H[P256_LIMBS], R[P256_LIMBS];
 401     BN_ULONG Hsqr[P256_LIMBS];
 402     BN_ULONG Rsqr[P256_LIMBS];
 403     BN_ULONG Hcub[P256_LIMBS];
 404
 405     BN_ULONG res_x[P256_LIMBS];
 406     BN_ULONG res_y[P256_LIMBS];
 407     BN_ULONG res_z[P256_LIMBS];
 408
 409     BN_ULONG in1infty, in2infty;
 410
 411     const BN_ULONG *in1_x = a->X;
 412     const BN_ULONG *in1_y = a->Y;
 413     const BN_ULONG *in1_z = a->Z;
 414
 415     const BN_ULONG *in2_x = b->X;
 416     const BN_ULONG *in2_y = b->Y;
 417
 418     /*
 419      * In affine representation we encode infty as (0,0), which is not on the
 420      * curve, so it is OK
 421      */
 422     in1infty = (in1_x[0] | in1_x[1] | in1_x[2] | in1_x[3] |
 423                 in1_y[0] | in1_y[1] | in1_y[2] | in1_y[3]);
 424     if (P256_LIMBS == 8)
 425         in1infty |= (in1_x[4] | in1_x[5] | in1_x[6] | in1_x[7] |
 426                      in1_y[4] | in1_y[5] | in1_y[6] | in1_y[7]);
 427
 428     in2infty = (in2_x[0] | in2_x[1] | in2_x[2] | in2_x[3] |
 429                 in2_y[0] | in2_y[1] | in2_y[2] | in2_y[3]);
 430     if (P256_LIMBS == 8)
 431         in2infty |= (in2_x[4] | in2_x[5] | in2_x[6] | in2_x[7] |
 432                      in2_y[4] | in2_y[5] | in2_y[6] | in2_y[7]);
 433
 434     in1infty = is_zero(in1infty);
 435     in2infty = is_zero(in2infty);
 436
 437     ecp_nistz256_sqr_mont(Z1sqr, in1_z);        /* Z1^2 */
 438
 439     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in2_x, Z1sqr);    /* U2 = X2*Z1^2 */
 440     ecp_nistz256_sub(H, U2, in1_x);             /* H = U2 - U1 */
 441
 442     ecp_nistz256_mul_mont(S2, Z1sqr, in1_z);    /* S2 = Z1^3 */
 443
 444     ecp_nistz256_mul_mont(res_z, H, in1_z);     /* Z3 = H*Z1*Z2 */
 445
 446     ecp_nistz256_mul_mont(S2, S2, in2_y);       /* S2 = Y2*Z1^3 */
 447     ecp_nistz256_sub(R, S2, in1_y);             /* R = S2 - S1 */
 448
 449     ecp_nistz256_sqr_mont(Hsqr, H);             /* H^2 */
 450     ecp_nistz256_sqr_mont(Rsqr, R);             /* R^2 */
 451     ecp_nistz256_mul_mont(Hcub, Hsqr, H);       /* H^3 */
 452
 453     ecp_nistz256_mul_mont(U2, in1_x, Hsqr);     /* U1*H^2 */
 454     ecp_nistz256_mul_by_2(Hsqr, U2);            /* 2*U1*H^2 */
 455
 456     ecp_nistz256_sub(res_x, Rsqr, Hsqr);
 457     ecp_nistz256_sub(res_x, res_x, Hcub);
 458     ecp_nistz256_sub(H, U2, res_x);
 459
 460     ecp_nistz256_mul_mont(S2, in1_y, Hcub);
 461     ecp_nistz256_mul_mont(H, H, R);
 462     ecp_nistz256_sub(res_y, H, S2);
 463
 464     copy_conditional(res_x, in2_x, in1infty);
 465     copy_conditional(res_x, in1_x, in2infty);
 466
 467     copy_conditional(res_y, in2_y, in1infty);
 468     copy_conditional(res_y, in1_y, in2infty);
 469
 470     copy_conditional(res_z, ONE, in1infty);
 471     copy_conditional(res_z, in1_z, in2infty);
 472
 473     memcpy(r->X, res_x, sizeof(res_x));
 474     memcpy(r->Y, res_y, sizeof(res_y));
 475     memcpy(r->Z, res_z, sizeof(res_z));
 476 }
 477 #endif
 478
 479 /* r = in^-1 mod p */
 480 static void ecp_nistz256_mod_inverse(BN_ULONG r[P256_LIMBS],
 481                                      const BN_ULONG in[P256_LIMBS])
 482 {
 483     /*
 484      * The poly is ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000 ffffffff
 485      * ffffffff ffffffff We use FLT and used poly-2 as exponent
 486      */
 487     BN_ULONG p2[P256_LIMBS];
 488     BN_ULONG p4[P256_LIMBS];
 489     BN_ULONG p8[P256_LIMBS];
 490     BN_ULONG p16[P256_LIMBS];
 491     BN_ULONG p32[P256_LIMBS];
 492     BN_ULONG res[P256_LIMBS];
 493     int i;
 494
 495     ecp_nistz256_sqr_mont(res, in);
 496     ecp_nistz256_mul_mont(p2, res, in);         /* 3*p */
 497
 498     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p2);
 499     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 500     ecp_nistz256_mul_mont(p4, res, p2);         /* f*p */
 501
 502     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p4);
 503     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 504     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 505     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 506     ecp_nistz256_mul_mont(p8, res, p4);         /* ff*p */
 507
 508     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p8);
 509     for (i = 0; i < 7; i++)
 510         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 511     ecp_nistz256_mul_mont(p16, res, p8);        /* ffff*p */
 512
 513     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p16);
 514     for (i = 0; i < 15; i++)
 515         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 516     ecp_nistz256_mul_mont(p32, res, p16);       /* ffffffff*p */
 517
 518     ecp_nistz256_sqr_mont(res, p32);
 519     for (i = 0; i < 31; i++)
 520         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 521     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
 522
 523     for (i = 0; i < 32 * 4; i++)
 524         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 525     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
 526
 527     for (i = 0; i < 32; i++)
 528         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 529     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p32);
 530
 531     for (i = 0; i < 16; i++)
 532         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 533     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p16);
 534
 535     for (i = 0; i < 8; i++)
 536         ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 537     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p8);
 538
 539     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 540     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 541     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 542     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 543     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p4);
 544
 545     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 546     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 547     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, p2);
 548
 549     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 550     ecp_nistz256_sqr_mont(res, res);
 551     ecp_nistz256_mul_mont(res, res, in);
 552
 553     memcpy(r, res, sizeof(res));
 554 }
 555
 556 /*
 557  * ecp_nistz256_bignum_to_field_elem copies the contents of |in| to |out| and
 558  * returns one if it fits. Otherwise it returns zero.
 559  */
 560 static int ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(BN_ULONG out[P256_LIMBS],
 561                                              const BIGNUM *in)
 562 {
 563     if (in->top > P256_LIMBS)
 564         return 0;
 565
 566     memset(out, 0, sizeof(BN_ULONG) * P256_LIMBS);
 567     memcpy(out, in->d, sizeof(BN_ULONG) * in->top);
 568     return 1;
 569 }
 570
 571 /* r = sum(scalar[i]*point[i]) */
 572 static void ecp_nistz256_windowed_mul(const EC_GROUP *group,
 573                                       P256_POINT *r,
 574                                       const BIGNUM **scalar,
 575                                       const EC_POINT **point,
 576                                       int num, BN_CTX *ctx)
 577 {
 578     int i, j;
 579     unsigned int index;
 580     unsigned char (*p_str)[33] = NULL;
 581     const unsigned int window_size = 5;
 582     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
 583     unsigned int wvalue;
 584     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
 585     ALIGN32 P256_POINT h;
 586     const BIGNUM **scalars = NULL;
 587     P256_POINT (*table)[16] = NULL;
 588     void *table_storage = NULL;
 589
 590     if ((table_storage =
 591          OPENSSL_malloc(num * 16 * sizeof(P256_POINT) + 64)) == NULL
 592         || (p_str =
 593             OPENSSL_malloc(num * 33 * sizeof(unsigned char))) == NULL
 594         || (scalars = OPENSSL_malloc(num * sizeof(BIGNUM *))) == NULL) {
 595         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 596         goto err;
 597     } else {
 598         table = (void *)ALIGNPTR(table_storage, 64);
 599     }
 600
 601     for (i = 0; i < num; i++) {
 602         P256_POINT *row = table[i];
 603
 604         /* This is an unusual input, we don't guarantee constant-timeness. */
 605         if ((BN_num_bits(scalar[i]) > 256) || BN_is_negative(scalar[i])) {
 606             BIGNUM *mod;
 607
 608             if ((mod = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
 609                 goto err;
 610             if (!BN_nnmod(mod, scalar[i], &group->order, ctx)) {
 611                 ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, ERR_R_BN_LIB);
 612                 goto err;
 613             }
 614             scalars[i] = mod;
 615         } else
 616             scalars[i] = scalar[i];
 617
 618         for (j = 0; j < scalars[i]->top * BN_BYTES; j += BN_BYTES) {
 619             BN_ULONG d = scalars[i]->d[j / BN_BYTES];
 620
 621             p_str[i][j + 0] = d & 0xff;
 622             p_str[i][j + 1] = (d >> 8) & 0xff;
 623             p_str[i][j + 2] = (d >> 16) & 0xff;
 624             p_str[i][j + 3] = (d >>= 24) & 0xff;
 625             if (BN_BYTES == 8) {
 626                 d >>= 8;
 627                 p_str[i][j + 4] = d & 0xff;
 628                 p_str[i][j + 5] = (d >> 8) & 0xff;
 629                 p_str[i][j + 6] = (d >> 16) & 0xff;
 630                 p_str[i][j + 7] = (d >> 24) & 0xff;
 631             }
 632         }
 633         for (; j < 33; j++)
 634             p_str[i][j] = 0;
 635
 636         /* table[0] is implicitly (0,0,0) (the point at infinity),
 637          * therefore it is not stored. All other values are actually
 638          * stored with an offset of -1 in table.
 639          */
 640
 641         if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(row[1 - 1].X, &point[i]->X)
 642             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(row[1 - 1].Y, &point[i]->Y)
 643             || !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(row[1 - 1].Z, &point[i]->Z)) {
 644             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_WINDOWED_MUL, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
 645             goto err;
 646         }
 647
 648         ecp_nistz256_point_double(&row[ 2 - 1], &row[ 1 - 1]);
 649         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 3 - 1], &row[ 2 - 1], &row[1 - 1]);
 650         ecp_nistz256_point_double(&row[ 4 - 1], &row[ 2 - 1]);
 651         ecp_nistz256_point_double(&row[ 6 - 1], &row[ 3 - 1]);
 652         ecp_nistz256_point_double(&row[ 8 - 1], &row[ 4 - 1]);
 653         ecp_nistz256_point_double(&row[12 - 1], &row[ 6 - 1]);
 654         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 5 - 1], &row[ 4 - 1], &row[1 - 1]);
 655         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 7 - 1], &row[ 6 - 1], &row[1 - 1]);
 656         ecp_nistz256_point_add   (&row[ 9 - 1], &row[ 8 - 1], &row[1 - 1]);
 657         ecp_nistz256_point_add   (&row[13 - 1], &row[12 - 1], &row[1 - 1]);
 658         ecp_nistz256_point_double(&row[14 - 1], &row[ 7 - 1]);
 659         ecp_nistz256_point_double(&row[10 - 1], &row[ 5 - 1]);
 660         ecp_nistz256_point_add   (&row[15 - 1], &row[14 - 1], &row[1 - 1]);
 661         ecp_nistz256_point_add   (&row[11 - 1], &row[10 - 1], &row[1 - 1]);
 662         ecp_nistz256_point_add   (&row[16 - 1], &row[15 - 1], &row[1 - 1]);
 663     }
 664
 665     index = 255;
 666
 667     wvalue = p_str[0][(index - 1) / 8];
 668     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 669
 670     ecp_nistz256_select_w5(r, table[0], _booth_recode_w5(wvalue) >> 1);
 671
 672     while (index >= 5) {
 673         for (i = (index == 255 ? 1 : 0); i < num; i++) {
 674             unsigned int off = (index - 1) / 8;
 675
 676             wvalue = p_str[i][off] | p_str[i][off + 1] << 8;
 677             wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 678
 679             wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
 680
 681             ecp_nistz256_select_w5(&h, table[i], wvalue >> 1);
 682
 683             ecp_nistz256_neg(tmp, h.Y);
 684             copy_conditional(h.Y, tmp, (wvalue & 1));
 685
 686             ecp_nistz256_point_add(r, r, &h);
 687         }
 688
 689         index -= window_size;
 690
 691         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 692         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 693         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 694         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 695         ecp_nistz256_point_double(r, r);
 696     }
 697
 698     /* Final window */
 699     for (i = 0; i < num; i++) {
 700         wvalue = p_str[i][0];
 701         wvalue = (wvalue << 1) & mask;
 702
 703         wvalue = _booth_recode_w5(wvalue);
 704
 705         ecp_nistz256_select_w5(&h, table[i], wvalue >> 1);
 706
 707         ecp_nistz256_neg(tmp, h.Y);
 708         copy_conditional(h.Y, tmp, wvalue & 1);
 709
 710         ecp_nistz256_point_add(r, r, &h);
 711     }
 712
 713  err:
 714     if (table_storage)
 715         OPENSSL_free(table_storage);
 716     if (p_str)
 717         OPENSSL_free(p_str);
 718     if (scalars)
 719         OPENSSL_free(scalars);
 720 }
 721
 722 /* Coordinates of G, for which we have precomputed tables */
 723 const static BN_ULONG def_xG[P256_LIMBS] = {
 724     TOBN(0x79e730d4, 0x18a9143c), TOBN(0x75ba95fc, 0x5fedb601),
 725     TOBN(0x79fb732b, 0x77622510), TOBN(0x18905f76, 0xa53755c6)
 726 };
 727
 728 const static BN_ULONG def_yG[P256_LIMBS] = {
 729     TOBN(0xddf25357, 0xce95560a), TOBN(0x8b4ab8e4, 0xba19e45c),
 730     TOBN(0xd2e88688, 0xdd21f325), TOBN(0x8571ff18, 0x25885d85)
 731 };
 732
 733 /*
 734  * ecp_nistz256_is_affine_G returns one if |generator| is the standard, P-256
 735  * generator.
 736  */
 737 static int ecp_nistz256_is_affine_G(const EC_POINT *generator)
 738 {
 739     return (generator->X.top == P256_LIMBS) &&
 740         (generator->Y.top == P256_LIMBS) &&
 741         (generator->Z.top == (P256_LIMBS - P256_LIMBS / 8)) &&
 742         is_equal(generator->X.d, def_xG) &&
 743         is_equal(generator->Y.d, def_yG) && is_one(generator->Z.d);
 744 }
 745
 746 static int ecp_nistz256_mult_precompute(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx)
 747 {
 748     /*
 749      * We precompute a table for a Booth encoded exponent (wNAF) based
 750      * computation. Each table holds 64 values for safe access, with an
 751      * implicit value of infinity at index zero. We use window of size 7, and
 752      * therefore require ceil(256/7) = 37 tables.
 753      */
 754     BIGNUM *order;
 755     EC_POINT *P = NULL, *T = NULL;
 756     const EC_POINT *generator;
 757     EC_PRE_COMP *pre_comp;
 758     BN_CTX *new_ctx = NULL;
 759     int i, j, k, ret = 0;
 760     size_t w;
 761
 762     PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
 763     unsigned char *precomp_storage = NULL;
 764
 765     /* if there is an old EC_PRE_COMP object, throw it away */
 766     EC_EX_DATA_free_data(&group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
 767                          ecp_nistz256_pre_comp_free,
 768                          ecp_nistz256_pre_comp_clear_free);
 769
 770     generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
 771     if (generator == NULL) {
 772         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
 773         return 0;
 774     }
 775
 776     if (ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
 777         /*
 778          * No need to calculate tables for the standard generator because we
 779          * have them statically.
 780          */
 781         return 1;
 782     }
 783
 784     if ((pre_comp = ecp_nistz256_pre_comp_new(group)) == NULL)
 785         return 0;
 786
 787     if (ctx == NULL) {
 788         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
 789         if (ctx == NULL)
 790             goto err;
 791     }
 792
 793     BN_CTX_start(ctx);
 794     order = BN_CTX_get(ctx);
 795
 796     if (order == NULL)
 797         goto err;
 798
 799     if (!EC_GROUP_get_order(group, order, ctx))
 800         goto err;
 801
 802     if (BN_is_zero(order)) {
 803         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, EC_R_UNKNOWN_ORDER);
 804         goto err;
 805     }
 806
 807     w = 7;
 808
 809     if ((precomp_storage =
 810          OPENSSL_malloc(37 * 64 * sizeof(P256_POINT_AFFINE) + 64)) == NULL) {
 811         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_MULT_PRECOMPUTE, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
 812         goto err;
 813     } else {
 814         preComputedTable = (void *)ALIGNPTR(precomp_storage, 64);
 815     }
 816
 817     P = EC_POINT_new(group);
 818     T = EC_POINT_new(group);
 819     if (P == NULL || T == NULL)
 820         goto err;
 821
 822     /*
 823      * The zero entry is implicitly infinity, and we skip it, storing other
 824      * values with -1 offset.
 825      */
 826     if (!EC_POINT_copy(T, generator))
 827         goto err;
 828
 829     for (k = 0; k < 64; k++) {
 830         if (!EC_POINT_copy(P, T))
 831             goto err;
 832         for (j = 0; j < 37; j++) {
 833             /*
 834              * It would be faster to use
 835              * ec_GFp_simple_points_make_affine and make multiple
 836              * points affine at the same time.
 837              */
 838             ec_GFp_simple_make_affine(group, P, ctx);
 839             ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(preComputedTable[j]
 840                                               [k].X, &P->X);
 841             ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(preComputedTable[j]
 842                                               [k].Y, &P->Y);
 843             for (i = 0; i < 7; i++)
 844                 ec_GFp_simple_dbl(group, P, P, ctx);
 845         }
 846         ec_GFp_simple_add(group, T, T, generator, ctx);
 847     }
 848
 849     pre_comp->group = group;
 850     pre_comp->w = w;
 851     pre_comp->precomp = preComputedTable;
 852     pre_comp->precomp_storage = precomp_storage;
 853
 854     precomp_storage = NULL;
 855
 856     if (!EC_EX_DATA_set_data(&group->extra_data, pre_comp,
 857                              ecp_nistz256_pre_comp_dup,
 858                              ecp_nistz256_pre_comp_free,
 859                              ecp_nistz256_pre_comp_clear_free)) {
 860         goto err;
 861     }
 862
 863     pre_comp = NULL;
 864
 865     ret = 1;
 866
 867  err:
 868     if (ctx != NULL)
 869         BN_CTX_end(ctx);
 870     BN_CTX_free(new_ctx);
 871
 872     if (pre_comp)
 873         ecp_nistz256_pre_comp_free(pre_comp);
 874     if (precomp_storage)
 875         OPENSSL_free(precomp_storage);
 876     if (P)
 877         EC_POINT_free(P);
 878     if (T)
 879         EC_POINT_free(T);
 880     return ret;
 881 }
 882
 883 /*
 884  * Note that by default ECP_NISTZ256_AVX2 is undefined. While it's great
 885  * code processing 4 points in parallel, corresponding serial operation
 886  * is several times slower, because it uses 29x29=58-bit multiplication
 887  * as opposite to 64x64=128-bit in integer-only scalar case. As result
 888  * it doesn't provide *significant* performance improvement. Note that
 889  * just defining ECP_NISTZ256_AVX2 is not sufficient to make it work,
 890  * you'd need to compile even asm/ecp_nistz256-avx.pl module.
 891  */
 892 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
 893 # if !(defined(__x86_64) || defined(__x86_64__)) || \
 894        defined(_M_AMD64) || defined(_MX64)) || \
 895      !(defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)) /* this is for ALIGN32 */
 896 #  undef ECP_NISTZ256_AVX2
 897 # else
 898 /* Constant time access, loading four values, from four consecutive tables */
 899 void ecp_nistz256_avx2_select_w7(P256_POINT_AFFINE * val,
 900                                  const P256_POINT_AFFINE * in_t, int index);
 901 void ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(void *result, const void *in, int index0,
 902                                        int index1, int index2, int index3);
 903 void ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(void *RESULTx4, const void *in);
 904 void ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(void *result, const void *Ax4);
 905 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
 906                                            const void *Bx4);
 907 void ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(void *RESULTx4, const void *Ax4,
 908                                             const void *Bx4);
 909 void ecp_nistz256_avx2_to_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
 910 void ecp_nistz256_avx2_from_mont(void *RESULTx4, const void *Ax4);
 911 void ecp_nistz256_avx2_set1(void *RESULTx4);
 912 int ecp_nistz_avx2_eligible(void);
 913
 914 static void booth_recode_w7(unsigned char *sign,
 915                             unsigned char *digit, unsigned char in)
 916 {
 917     unsigned char s, d;
 918
 919     s = ~((in >> 7) - 1);
 920     d = (1 << 8) - in - 1;
 921     d = (d & s) | (in & ~s);
 922     d = (d >> 1) + (d & 1);
 923
 924     *sign = s & 1;
 925     *digit = d;
 926 }
 927
 928 /*
 929  * ecp_nistz256_avx2_mul_g performs multiplication by G, using only the
 930  * precomputed table. It does 4 affine point additions in parallel,
 931  * significantly speeding up point multiplication for a fixed value.
 932  */
 933 static void ecp_nistz256_avx2_mul_g(P256_POINT *r,
 934                                     unsigned char p_str[33],
 935                                     const P256_POINT_AFFINE(*preComputedTable)[64])
 936 {
 937     const unsigned int window_size = 7;
 938     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
 939     unsigned int wvalue;
 940     /* Using 4 windows at a time */
 941     unsigned char sign0, digit0;
 942     unsigned char sign1, digit1;
 943     unsigned char sign2, digit2;
 944     unsigned char sign3, digit3;
 945     unsigned int index = 0;
 946     BN_ULONG tmp[P256_LIMBS];
 947     int i;
 948
 949     ALIGN32 BN_ULONG aX4[4 * 9 * 3] = { 0 };
 950     ALIGN32 BN_ULONG bX4[4 * 9 * 2] = { 0 };
 951     ALIGN32 P256_POINT_AFFINE point_arr[P256_LIMBS];
 952     ALIGN32 P256_POINT res_point_arr[P256_LIMBS];
 953
 954     /* Initial four windows */
 955     wvalue = *((u16 *) & p_str[0]);
 956     wvalue = (wvalue << 1) & mask;
 957     index += window_size;
 958     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
 959     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 960     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 961     index += window_size;
 962     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
 963     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 964     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 965     index += window_size;
 966     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
 967     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 968     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 969     index += window_size;
 970     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
 971
 972     ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(point_arr, preComputedTable[0],
 973                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
 974
 975     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
 976     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
 977     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
 978     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
 979     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
 980     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
 981     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
 982     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
 983
 984     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(aX4, point_arr);
 985     ecp_nistz256_avx2_to_mont(aX4, aX4);
 986     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&aX4[4 * 9], &aX4[4 * 9]);
 987     ecp_nistz256_avx2_set1(&aX4[4 * 9 * 2]);
 988
 989     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 990     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 991     index += window_size;
 992     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
 993     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 994     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 995     index += window_size;
 996     booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
 997     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
 998     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
 999     index += window_size;
1000     booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1001     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1002     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1003     index += window_size;
1004     booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1005
1006     ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(point_arr, preComputedTable[4 * 1],
1007                                       digit0, digit1, digit2, digit3);
1008
1009     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1010     copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1011     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1012     copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1013     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1014     copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1015     ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1016     copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1017
1018     ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1019     ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1020     ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1021     /* Optimized when both inputs are affine */
1022     ecp_nistz256_avx2_point_add_affines_x4(aX4, aX4, bX4);
1023
1024     for (i = 2; i < 9; i++) {
1025         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1026         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1027         index += window_size;
1028         booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1029         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1030         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1031         index += window_size;
1032         booth_recode_w7(&sign1, &digit1, wvalue);
1033         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1034         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1035         index += window_size;
1036         booth_recode_w7(&sign2, &digit2, wvalue);
1037         wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1038         wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1039         index += window_size;
1040         booth_recode_w7(&sign3, &digit3, wvalue);
1041
1042         ecp_nistz256_avx2_multi_select_w7(point_arr,
1043                                           preComputedTable[4 * i],
1044                                           digit0, digit1, digit2, digit3);
1045
1046         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[0].Y);
1047         copy_conditional(point_arr[0].Y, tmp, sign0);
1048         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[1].Y);
1049         copy_conditional(point_arr[1].Y, tmp, sign1);
1050         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[2].Y);
1051         copy_conditional(point_arr[2].Y, tmp, sign2);
1052         ecp_nistz256_neg(tmp, point_arr[3].Y);
1053         copy_conditional(point_arr[3].Y, tmp, sign3);
1054
1055         ecp_nistz256_avx2_transpose_convert(bX4, point_arr);
1056         ecp_nistz256_avx2_to_mont(bX4, bX4);
1057         ecp_nistz256_avx2_to_mont(&bX4[4 * 9], &bX4[4 * 9]);
1058
1059         ecp_nistz256_avx2_point_add_affine_x4(aX4, aX4, bX4);
1060     }
1061
1062     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 0], &aX4[4 * 9 * 0]);
1063     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 1], &aX4[4 * 9 * 1]);
1064     ecp_nistz256_avx2_from_mont(&aX4[4 * 9 * 2], &aX4[4 * 9 * 2]);
1065
1066     ecp_nistz256_avx2_convert_transpose_back(res_point_arr, aX4);
1067     /* Last window is performed serially */
1068     wvalue = *((u16 *) & p_str[(index - 1) / 8]);
1069     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1070     booth_recode_w7(&sign0, &digit0, wvalue);
1071     ecp_nistz256_avx2_select_w7((P256_POINT_AFFINE *) r,
1072                                 preComputedTable[36], digit0);
1073     ecp_nistz256_neg(tmp, r->Y);
1074     copy_conditional(r->Y, tmp, sign0);
1075     memcpy(r->Z, ONE, sizeof(ONE));
1076     /* Sum the four windows */
1077     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[0]);
1078     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[1]);
1079     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[2]);
1080     ecp_nistz256_point_add(r, r, &res_point_arr[3]);
1081 }
1082 # endif
1083 #endif
1084
1085 static int ecp_nistz256_set_from_affine(EC_POINT *out, const EC_GROUP *group,
1086                                         const P256_POINT_AFFINE *in,
1087                                         BN_CTX *ctx)
1088 {
1089     BIGNUM x, y;
1090     BN_ULONG d_x[P256_LIMBS], d_y[P256_LIMBS];
1091     int ret = 0;
1092
1093     memcpy(d_x, in->X, sizeof(d_x));
1094     x.d = d_x;
1095     x.dmax = x.top = P256_LIMBS;
1096     x.neg = 0;
1097     x.flags = BN_FLG_STATIC_DATA;
1098
1099     memcpy(d_y, in->Y, sizeof(d_y));
1100     y.d = d_y;
1101     y.dmax = y.top = P256_LIMBS;
1102     y.neg = 0;
1103     y.flags = BN_FLG_STATIC_DATA;
1104
1105     ret = EC_POINT_set_affine_coordinates_GFp(group, out, &x, &y, ctx);
1106
1107     return ret;
1108 }
1109
1110 /* r = scalar*G + sum(scalars[i]*points[i]) */
1111 static int ecp_nistz256_points_mul(const EC_GROUP *group,
1112                                    EC_POINT *r,
1113                                    const BIGNUM *scalar,
1114                                    size_t num,
1115                                    const EC_POINT *points[],
1116                                    const BIGNUM *scalars[], BN_CTX *ctx)
1117 {
1118     int i = 0, ret = 0, no_precomp_for_generator = 0, p_is_infinity = 0;
1119     size_t j;
1120     unsigned char p_str[33] = { 0 };
1121     const PRECOMP256_ROW *preComputedTable = NULL;
1122     const EC_PRE_COMP *pre_comp = NULL;
1123     const EC_POINT *generator = NULL;
1124     unsigned int index = 0;
1125     BN_CTX *new_ctx = NULL;
1126     const unsigned int window_size = 7;
1127     const unsigned int mask = (1 << (window_size + 1)) - 1;
1128     unsigned int wvalue;
1129     ALIGN32 union {
1130         P256_POINT p;
1131         P256_POINT_AFFINE a;
1132     } t, p;
1133     BIGNUM *tmp_scalar;
1134
1135     if (group->meth != r->meth) {
1136         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1137         return 0;
1138     }
1139
1140     if ((scalar == NULL) && (num == 0))
1141         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
1142
1143     for (j = 0; j < num; j++) {
1144         if (group->meth != points[j]->meth) {
1145             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);
1146             return 0;
1147         }
1148     }
1149
1150     if (ctx == NULL) {
1151         ctx = new_ctx = BN_CTX_new();
1152         if (ctx == NULL)
1153             goto err;
1154     }
1155
1156     BN_CTX_start(ctx);
1157
1158     if (scalar) {
1159         generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1160         if (generator == NULL) {
1161             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, EC_R_UNDEFINED_GENERATOR);
1162             goto err;
1163         }
1164
1165         /* look if we can use precomputed multiples of generator */
1166         pre_comp =
1167             EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
1168                                 ecp_nistz256_pre_comp_free,
1169                                 ecp_nistz256_pre_comp_clear_free);
1170
1171         if (pre_comp) {
1172             /*
1173              * If there is a precomputed table for the generator, check that
1174              * it was generated with the same generator.
1175              */
1176             EC_POINT *pre_comp_generator = EC_POINT_new(group);
1177             if (pre_comp_generator == NULL)
1178                 goto err;
1179
1180             if (!ecp_nistz256_set_from_affine
1181                 (pre_comp_generator, group, pre_comp->precomp[0], ctx)) {
1182                 EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1183                 goto err;
1184             }
1185
1186             if (0 == EC_POINT_cmp(group, generator, pre_comp_generator, ctx))
1187                 preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)pre_comp->precomp;
1188
1189             EC_POINT_free(pre_comp_generator);
1190         }
1191
1192         if (preComputedTable == NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1193             /*
1194              * If there is no precomputed data, but the generator
1195              * is the default, a hardcoded table of precomputed
1196              * data is used. This is because applications, such as
1197              * Apache, do not use EC_KEY_precompute_mult.
1198              */
1199             preComputedTable = (const PRECOMP256_ROW *)ecp_nistz256_precomputed;
1200         }
1201
1202         if (preComputedTable) {
1203             if ((BN_num_bits(scalar) > 256)
1204                 || BN_is_negative(scalar)) {
1205                 if ((tmp_scalar = BN_CTX_get(ctx)) == NULL)
1206                     goto err;
1207
1208                 if (!BN_nnmod(tmp_scalar, scalar, &group->order, ctx)) {
1209                     ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_BN_LIB);
1210                     goto err;
1211                 }
1212                 scalar = tmp_scalar;
1213             }
1214
1215             for (i = 0; i < scalar->top * BN_BYTES; i += BN_BYTES) {
1216                 BN_ULONG d = scalar->d[i / BN_BYTES];
1217
1218                 p_str[i + 0] = d & 0xff;
1219                 p_str[i + 1] = (d >> 8) & 0xff;
1220                 p_str[i + 2] = (d >> 16) & 0xff;
1221                 p_str[i + 3] = (d >>= 24) & 0xff;
1222                 if (BN_BYTES == 8) {
1223                     d >>= 8;
1224                     p_str[i + 4] = d & 0xff;
1225                     p_str[i + 5] = (d >> 8) & 0xff;
1226                     p_str[i + 6] = (d >> 16) & 0xff;
1227                     p_str[i + 7] = (d >> 24) & 0xff;
1228                 }
1229             }
1230
1231             for (; i < 33; i++)
1232                 p_str[i] = 0;
1233
1234 #if defined(ECP_NISTZ256_AVX2)
1235             if (ecp_nistz_avx2_eligible()) {
1236                 ecp_nistz256_avx2_mul_g(&p.p, p_str, preComputedTable);
1237             } else
1238 #endif
1239             {
1240                 /* First window */
1241                 wvalue = (p_str[0] << 1) & mask;
1242                 index += window_size;
1243
1244                 wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1245
1246                 ecp_nistz256_select_w7(&p.a, preComputedTable[0], wvalue >> 1);
1247
1248                 ecp_nistz256_neg(p.p.Z, p.p.Y);
1249                 copy_conditional(p.p.Y, p.p.Z, wvalue & 1);
1250
1251                 memcpy(p.p.Z, ONE, sizeof(ONE));
1252
1253                 for (i = 1; i < 37; i++) {
1254                     unsigned int off = (index - 1) / 8;
1255                     wvalue = p_str[off] | p_str[off + 1] << 8;
1256                     wvalue = (wvalue >> ((index - 1) % 8)) & mask;
1257                     index += window_size;
1258
1259                     wvalue = _booth_recode_w7(wvalue);
1260
1261                     ecp_nistz256_select_w7(&t.a,
1262                                            preComputedTable[i], wvalue >> 1);
1263
1264                     ecp_nistz256_neg(t.p.Z, t.a.Y);
1265                     copy_conditional(t.a.Y, t.p.Z, wvalue & 1);
1266
1267                     ecp_nistz256_point_add_affine(&p.p, &p.p, &t.a);
1268                 }
1269             }
1270         } else {
1271             p_is_infinity = 1;
1272             no_precomp_for_generator = 1;
1273         }
1274     } else
1275         p_is_infinity = 1;
1276
1277     if (no_precomp_for_generator) {
1278         /*
1279          * Without a precomputed table for the generator, it has to be
1280          * handled like a normal point.
1281          */
1282         const BIGNUM **new_scalars;
1283         const EC_POINT **new_points;
1284
1285         new_scalars = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(BIGNUM *));
1286         if (!new_scalars) {
1287             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1288             goto err;
1289         }
1290
1291         new_points = OPENSSL_malloc((num + 1) * sizeof(EC_POINT *));
1292         if (!new_points) {
1293             OPENSSL_free(new_scalars);
1294             ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_POINTS_MUL, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1295             goto err;
1296         }
1297
1298         memcpy(new_scalars, scalars, num * sizeof(BIGNUM *));
1299         new_scalars[num] = scalar;
1300         memcpy(new_points, points, num * sizeof(EC_POINT *));
1301         new_points[num] = generator;
1302
1303         scalars = new_scalars;
1304         points = new_points;
1305         num++;
1306     }
1307
1308     if (num) {
1309         P256_POINT *out = &t.p;
1310         if (p_is_infinity)
1311             out = &p.p;
1312
1313         ecp_nistz256_windowed_mul(group, out, scalars, points, num, ctx);
1314
1315         if (!p_is_infinity)
1316             ecp_nistz256_point_add(&p.p, &p.p, out);
1317     }
1318
1319     if (no_precomp_for_generator) {
1320         OPENSSL_free(points);
1321         OPENSSL_free(scalars);
1322     }
1323
1324     /* Not constant-time, but we're only operating on the public output. */
1325     if (!ecp_nistz256_set_words(&r->X, p.p.X) ||
1326         !ecp_nistz256_set_words(&r->Y, p.p.Y) ||
1327         !ecp_nistz256_set_words(&r->Z, p.p.Z)) {
1328         goto err;
1329     }
1330     r->Z_is_one = is_one(p.p.Z) & 1;
1331
1332     ret = 1;
1333
1334 err:
1335     if (ctx)
1336         BN_CTX_end(ctx);
1337     BN_CTX_free(new_ctx);
1338     return ret;
1339 }
1340
1341 static int ecp_nistz256_get_affine(const EC_GROUP *group,
1342                                    const EC_POINT *point,
1343                                    BIGNUM *x, BIGNUM *y, BN_CTX *ctx)
1344 {
1345     BN_ULONG z_inv2[P256_LIMBS];
1346     BN_ULONG z_inv3[P256_LIMBS];
1347     BN_ULONG x_aff[P256_LIMBS];
1348     BN_ULONG y_aff[P256_LIMBS];
1349     BN_ULONG point_x[P256_LIMBS], point_y[P256_LIMBS], point_z[P256_LIMBS];
1350     BN_ULONG x_ret[P256_LIMBS], y_ret[P256_LIMBS];
1351
1352     if (EC_POINT_is_at_infinity(group, point)) {
1353         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_POINT_AT_INFINITY);
1354         return 0;
1355     }
1356
1357     if (!ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_x, &point->X) ||
1358         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_y, &point->Y) ||
1359         !ecp_nistz256_bignum_to_field_elem(point_z, &point->Z)) {
1360         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_GET_AFFINE, EC_R_COORDINATES_OUT_OF_RANGE);
1361         return 0;
1362     }
1363
1364     ecp_nistz256_mod_inverse(z_inv3, point_z);
1365     ecp_nistz256_sqr_mont(z_inv2, z_inv3);
1366     ecp_nistz256_mul_mont(x_aff, z_inv2, point_x);
1367
1368     if (x != NULL) {
1369         ecp_nistz256_from_mont(x_ret, x_aff);
1370         if (!ecp_nistz256_set_words(x, x_ret))
1371             return 0;
1372     }
1373
1374     if (y != NULL) {
1375         ecp_nistz256_mul_mont(z_inv3, z_inv3, z_inv2);
1376         ecp_nistz256_mul_mont(y_aff, z_inv3, point_y);
1377         ecp_nistz256_from_mont(y_ret, y_aff);
1378         if (!ecp_nistz256_set_words(y, y_ret))
1379             return 0;
1380     }
1381
1382     return 1;
1383 }
1384
1385 static EC_PRE_COMP *ecp_nistz256_pre_comp_new(const EC_GROUP *group)
1386 {
1387     EC_PRE_COMP *ret = NULL;
1388
1389     if (!group)
1390         return NULL;
1391
1392     ret = (EC_PRE_COMP *)OPENSSL_malloc(sizeof(EC_PRE_COMP));
1393
1394     if (!ret) {
1395         ECerr(EC_F_ECP_NISTZ256_PRE_COMP_NEW, ERR_R_MALLOC_FAILURE);
1396         return ret;
1397     }
1398
1399     ret->group = group;
1400     ret->w = 6;                 /* default */
1401     ret->precomp = NULL;
1402     ret->precomp_storage = NULL;
1403     ret->references = 1;
1404     return ret;
1405 }
1406
1407 static void *ecp_nistz256_pre_comp_dup(void *src_)
1408 {
1409     EC_PRE_COMP *src = src_;
1410
1411     /* no need to actually copy, these objects never change! */
1412     CRYPTO_add(&src->references, 1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1413
1414     return src_;
1415 }
1416
1417 static void ecp_nistz256_pre_comp_free(void *pre_)
1418 {
1419     int i;
1420     EC_PRE_COMP *pre = pre_;
1421
1422     if (!pre)
1423         return;
1424
1425     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1426     if (i > 0)
1427         return;
1428
1429     if (pre->precomp_storage)
1430         OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1431
1432     OPENSSL_free(pre);
1433 }
1434
1435 static void ecp_nistz256_pre_comp_clear_free(void *pre_)
1436 {
1437     int i;
1438     EC_PRE_COMP *pre = pre_;
1439
1440     if (!pre)
1441         return;
1442
1443     i = CRYPTO_add(&pre->references, -1, CRYPTO_LOCK_EC_PRE_COMP);
1444     if (i > 0)
1445         return;
1446
1447     if (pre->precomp_storage) {
1448         OPENSSL_cleanse(pre->precomp,
1449                         32 * sizeof(unsigned char) * (1 << pre->w) * 2 * 37);
1450         OPENSSL_free(pre->precomp_storage);
1451     }
1452     OPENSSL_cleanse(pre, sizeof *pre);
1453     OPENSSL_free(pre);
1454 }
1455
1456 static int ecp_nistz256_window_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group)
1457 {
1458     /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1459     const EC_POINT *generator = EC_GROUP_get0_generator(group);
1460     if (generator != NULL && ecp_nistz256_is_affine_G(generator)) {
1461         /* There is a hard-coded table for the default generator. */
1462         return 1;
1463     }
1464
1465     return EC_EX_DATA_get_data(group->extra_data, ecp_nistz256_pre_comp_dup,
1466                                ecp_nistz256_pre_comp_free,
1467                                ecp_nistz256_pre_comp_clear_free) != NULL;
1468 }
1469
1470 const EC_METHOD *EC_GFp_nistz256_method(void)
1471 {
1472     static const EC_METHOD ret = {
1473         EC_FLAGS_DEFAULT_OCT,
1474         NID_X9_62_prime_field,
1475         ec_GFp_mont_group_init,
1476         ec_GFp_mont_group_finish,
1477         ec_GFp_mont_group_clear_finish,
1478         ec_GFp_mont_group_copy,
1479         ec_GFp_mont_group_set_curve,
1480         ec_GFp_simple_group_get_curve,
1481         ec_GFp_simple_group_get_degree,
1482         ec_GFp_simple_group_check_discriminant,
1483         ec_GFp_simple_point_init,
1484         ec_GFp_simple_point_finish,
1485         ec_GFp_simple_point_clear_finish,
1486         ec_GFp_simple_point_copy,
1487         ec_GFp_simple_point_set_to_infinity,
1488         ec_GFp_simple_set_Jprojective_coordinates_GFp,
1489         ec_GFp_simple_get_Jprojective_coordinates_GFp,
1490         ec_GFp_simple_point_set_affine_coordinates,
1491         ecp_nistz256_get_affine,
1492         0, 0, 0,
1493         ec_GFp_simple_add,
1494         ec_GFp_simple_dbl,
1495         ec_GFp_simple_invert,
1496         ec_GFp_simple_is_at_infinity,
1497         ec_GFp_simple_is_on_curve,
1498         ec_GFp_simple_cmp,
1499         ec_GFp_simple_make_affine,
1500         ec_GFp_simple_points_make_affine,
1501         ecp_nistz256_points_mul,                    /* mul */
1502         ecp_nistz256_mult_precompute,               /* precompute_mult */
1503         ecp_nistz256_window_have_precompute_mult,   /* have_precompute_mult */
1504         ec_GFp_mont_field_mul,
1505         ec_GFp_mont_field_sqr,
1506         0,                                          /* field_div */
1507         ec_GFp_mont_field_encode,
1508         ec_GFp_mont_field_decode,
1509         ec_GFp_mont_field_set_to_one
1510     };
1511
1512     return &ret;
1513 }