ECDSA: remove nonce padding (delegated to EC_POINT_mul)
[openssl.git] / crypto / ec / ec_mult.c
index 1b9a4cf2ae179d249fed4ccb7801d4dc94cfb0b3..1f34329182f715e1b83db04e1b44dd5a2e1ebe10 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*
- * Copyright 2001-2017 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
+ * Copyright 2001-2018 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
  * Copyright (c) 2002, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved
  *
  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
@@ -101,19 +101,21 @@ void EC_ec_pre_comp_free(EC_PRE_COMP *pre)
     OPENSSL_free(pre);
 }
 
-#define EC_POINT_set_flags(P, flags) do { \
+#define EC_POINT_BN_set_flags(P, flags) do { \
     BN_set_flags((P)->X, (flags)); \
     BN_set_flags((P)->Y, (flags)); \
     BN_set_flags((P)->Z, (flags)); \
 } while(0)
 
-/*
+/*-
  * This functions computes (in constant time) a point multiplication over the
  * EC group.
  *
- * It performs either a fixed scalar point multiplication
+ * At a high level, it is Montgomery ladder with conditional swaps.
+ *
+ * It performs either a fixed point multiplication
  *          (scalar * generator)
- * when point is NULL, or a generic scalar point multiplication
+ * when point is NULL, or a variable point multiplication
  *          (scalar * point)
  * when point is not NULL.
  *
@@ -126,22 +128,21 @@ void EC_ec_pre_comp_free(EC_PRE_COMP *pre)
  *
  * Returns 1 on success, 0 otherwise.
  */
-static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
-                            const EC_POINT *point, BN_CTX *ctx)
+static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r,
+                            const BIGNUM *scalar, const EC_POINT *point,
+                            BN_CTX *ctx)
 {
-    int i, order_bits, group_top, kbit, pbit, Z_is_one, ret;
-    ret = 0;
+    int i, order_bits, group_top, kbit, pbit, Z_is_one;
     EC_POINT *s = NULL;
     BIGNUM *k = NULL;
     BIGNUM *lambda = NULL;
     BN_CTX *new_ctx = NULL;
+    int ret = 0;
 
-    if (ctx == NULL)
-        if ((ctx = new_ctx = BN_CTX_secure_new()) == NULL)
-            return 0;
+    if (ctx == NULL && (ctx = new_ctx = BN_CTX_secure_new()) == NULL)
+        return 0;
 
-    if ((group->order == NULL) || (group->field == NULL))
-        goto err;
+    BN_CTX_start(ctx);
 
     order_bits = BN_num_bits(group->order);
 
@@ -150,8 +151,6 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *sc
         goto err;
 
     if (point == NULL) {
-        if (group->generator == NULL)
-            goto err;
         if (!EC_POINT_copy(s, group->generator))
             goto err;
     } else {
@@ -159,9 +158,8 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *sc
             goto err;
     }
 
-    EC_POINT_set_flags(s, BN_FLG_CONSTTIME);
+    EC_POINT_BN_set_flags(s, BN_FLG_CONSTTIME);
 
-    BN_CTX_start(ctx);
     lambda = BN_CTX_get(ctx);
     k = BN_CTX_get(ctx);
     if (k == NULL)
@@ -184,11 +182,11 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *sc
     BN_set_flags(k, BN_FLG_CONSTTIME);
 
     if ((BN_num_bits(k) > order_bits) || (BN_is_negative(k))) {
-        /*
+        /*-
          * this is an unusual input, and we don't guarantee
          * constant-timeness
          */
-        if(!BN_nnmod(k, k, group->order, ctx))
+        if (!BN_nnmod(k, k, group->order, ctx))
             goto err;
     }
 
@@ -217,7 +215,7 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *sc
     if (!EC_POINT_copy(r, s))
         goto err;
 
-    EC_POINT_set_flags(r, BN_FLG_CONSTTIME);
+    EC_POINT_BN_set_flags(r, BN_FLG_CONSTTIME);
 
     if (!EC_POINT_dbl(group, s, s, ctx))
         goto err;
@@ -233,6 +231,64 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *sc
         (b)->Z_is_one ^= (t);                      \
 } while(0)
 
+    /*-
+     * The ladder step, with branches, is
+     *
+     * k[i] == 0: S = add(R, S), R = dbl(R)
+     * k[i] == 1: R = add(S, R), S = dbl(S)
+     *
+     * Swapping R, S conditionally on k[i] leaves you with state
+     *
+     * k[i] == 0: T, U = R, S
+     * k[i] == 1: T, U = S, R
+     *
+     * Then perform the ECC ops.
+     *
+     * U = add(T, U)
+     * T = dbl(T)
+     *
+     * Which leaves you with state
+     *
+     * k[i] == 0: U = add(R, S), T = dbl(R)
+     * k[i] == 1: U = add(S, R), T = dbl(S)
+     *
+     * Swapping T, U conditionally on k[i] leaves you with state
+     *
+     * k[i] == 0: R, S = T, U
+     * k[i] == 1: R, S = U, T
+     *
+     * Which leaves you with state
+     *
+     * k[i] == 0: S = add(R, S), R = dbl(R)
+     * k[i] == 1: R = add(S, R), S = dbl(S)
+     *
+     * So we get the same logic, but instead of a branch it's a
+     * conditional swap, followed by ECC ops, then another conditional swap.
+     *
+     * Optimization: The end of iteration i and start of i-1 looks like
+     *
+     * ...
+     * CSWAP(k[i], R, S)
+     * ECC
+     * CSWAP(k[i], R, S)
+     * (next iteration)
+     * CSWAP(k[i-1], R, S)
+     * ECC
+     * CSWAP(k[i-1], R, S)
+     * ...
+     *
+     * So instead of two contiguous swaps, you can merge the condition
+     * bits and do a single swap.
+     *
+     * k[i]   k[i-1]    Outcome
+     * 0      0         No Swap
+     * 0      1         Swap
+     * 1      0         Swap
+     * 1      1         No Swap
+     *
+     * This is XOR. pbit tracks the previous bit of k.
+     */
+
     for (i = order_bits - 1; i >= 0; i--) {
         kbit = BN_is_bit_set(k, i) ^ pbit;
         EC_POINT_CSWAP(kbit, r, s, group_top, Z_is_one);
@@ -252,14 +308,15 @@ static int ec_mul_consttime(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *sc
 
     ret = 1;
 
-err:
+ err:
     EC_POINT_free(s);
     BN_CTX_end(ctx);
     BN_CTX_free(new_ctx);
 
     return ret;
 }
-#undef EC_POINT_set_flags
+
+#undef EC_POINT_BN_set_flags
 
 /*
  * TODO: table should be optimised for the wNAF-based implementation,
@@ -286,28 +343,6 @@ int ec_wNAF_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
                 size_t num, const EC_POINT *points[], const BIGNUM *scalars[],
                 BN_CTX *ctx)
 {
-    if ((scalar != NULL) && (num == 0)) {
-        /* In this case we want to compute scalar * GeneratorPoint:
-         * this codepath is reached most prominently by (ephemeral) key
-         * generation of EC cryptosystems (i.e. ECDSA keygen and sign setup,
-         * ECDH keygen/first half), where the scalar is always secret.
-         * This is why we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is actually set and we
-         * always call the constant time version.
-         */
-        return ec_mul_consttime(group, r, scalar, NULL, ctx);
-    }
-
-    if ((scalar == NULL) && (num == 1)) {
-        /* In this case we want to compute scalar * GenericPoint:
-         * this codepath is reached most prominently by the second half of
-         * ECDH, where the secret scalar is multiplied by the peer's public
-         * point.
-         * To protect the secret scalar, we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is
-         * actually set and we always call the constant time version.
-         */
-        return ec_mul_consttime(group, r, scalars[0], points[0], ctx);
-    }
-
     BN_CTX *new_ctx = NULL;
     const EC_POINT *generator = NULL;
     EC_POINT *tmp = NULL;
@@ -342,6 +377,32 @@ int ec_wNAF_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *scalar,
         return EC_POINT_set_to_infinity(group, r);
     }
 
+    /*-
+     * Handle the common cases where the scalar is secret, enforcing a constant
+     * time scalar multiplication algorithm.
+     */
+    if ((scalar != NULL) && (num == 0)) {
+        /*-
+         * In this case we want to compute scalar * GeneratorPoint: this
+         * codepath is reached most prominently by (ephemeral) key generation
+         * of EC cryptosystems (i.e. ECDSA keygen and sign setup, ECDH
+         * keygen/first half), where the scalar is always secret. This is why
+         * we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is actually set and we always call the
+         * constant time version.
+         */
+        return ec_mul_consttime(group, r, scalar, NULL, ctx);
+    }
+    if ((scalar == NULL) && (num == 1)) {
+        /*-
+         * In this case we want to compute scalar * GenericPoint: this codepath
+         * is reached most prominently by the second half of ECDH, where the
+         * secret scalar is multiplied by the peer's public point. To protect
+         * the secret scalar, we ignore if BN_FLG_CONSTTIME is actually set and
+         * we always call the constant time version.
+         */
+        return ec_mul_consttime(group, r, scalars[0], points[0], ctx);
+    }
+
     for (i = 0; i < num; i++) {
         if (group->meth != points[i]->meth) {
             ECerr(EC_F_EC_WNAF_MUL, EC_R_INCOMPATIBLE_OBJECTS);