chiark / gitweb /
Add extra interface to exponentiation which returns a Montgomerized
[catacomb] / mpmont.h
1 /* -*-c-*-
2  *
3  * $Id: mpmont.h,v 1.2 1999/11/19 13:17:43 mdw Exp $
4  *
5  * Montgomery reduction
6  *
7  * (c) 1999 Straylight/Edgeware
8  */
9
10 /*----- Licensing notice --------------------------------------------------* 
11  *
12  * This file is part of Catacomb.
13  *
14  * Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
15  * it under the terms of the GNU Library General Public License as
16  * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
17  * License, or (at your option) any later version.
18  * 
19  * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
20  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
21  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
22  * GNU Library General Public License for more details.
23  * 
24  * You should have received a copy of the GNU Library General Public
25  * License along with Catacomb; if not, write to the Free
26  * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
27  * MA 02111-1307, USA.
28  */
29
30 /*----- Revision history --------------------------------------------------* 
31  *
32  * $Log: mpmont.h,v $
33  * Revision 1.2  1999/11/19 13:17:43  mdw
34  * Add extra interface to exponentiation which returns a Montgomerized
35  * result.  Add simultaneous exponentiation interface.
36  *
37  * Revision 1.1  1999/11/17 18:02:16  mdw
38  * New multiprecision integer arithmetic suite.
39  *
40  */
41
42 #ifndef MPMONT_H
43 #define MPMONT_H
44
45 #ifdef __cplusplus
46   extern "C" {
47 #endif
48
49 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
50
51 #ifndef MP_H
52 #  include "mp.h"
53 #endif
54
55 /*----- What's going on here? ---------------------------------------------*
56  *
57  * Given a little bit of precomputation, Montgomery reduction enables modular
58  * reductions of products to be calculated rather rapidly, without recourse
59  * to annoying things like division.
60  *
61  * Before starting, you need to do a little work.  In particular, the
62  * following things need to be worked out:
63  *
64  *   * %$m$%, which is the modulus you'll be working with.
65  *
66  *   * %$b$%, the radix of the number system you're in (here, it's
67  *     @MPW_MAX + 1@).
68  *
69  *   * %$-m^{-1} \bmod b$%, a useful number for the reduction step.  (This
70  *     means that the modulus mustn't be even.  This shouldn't be a problem.)
71  *
72  *   * %$R = b^n > m > b^{n - 1}$%, or at least %$\log_2 R$%.
73  *
74  *   * %$R \bmod m$% and %$R^2 \bmod m$%, which are useful when doing
75  *     calculations such as exponentiation.
76  *
77  * The result of a Montgomery reduction of %$x$% is %$x R^{-1} \bmod m$%,
78  * which doesn't look ever-so useful.  The trick is to initially apply a
79  * factor of %$R$% to all of your numbers so that when you multiply and
80  * perform a Montgomery reduction you get %$(xR \cdot yR)R^{-1} \bmod m$%,
81  * which is just %$xyR \bmod m$%.  Thanks to distributivity, even additions
82  * and subtractions can be performed on numbers in this form -- the extra
83  * factor of %$R$% just runs through all the calculations until it's finally
84  * stripped out by a final reduction operation.
85  */
86
87 /*----- Data structures ---------------------------------------------------*/
88
89 /* --- A Montgomery reduction context --- */
90
91 typedef struct mpmont {
92   mp *m;                                /* Modulus */
93   mpw mi;                               /* %$-m^{-1} \bmod b$% */
94   size_t shift;                         /* %$\log_2 R$% */
95   mp *r, *r2;                           /* %$R \bmod m$%, %$R^2 \bmod m$% */
96 } mpmont;
97
98 /* --- A base/exponent pair for @mpmont_mexp@ --- */
99
100 typedef struct mpmont_factor {
101   mp *base;
102   mp *exp;
103 } mpmont_factor;
104
105 /*----- Functions provided ------------------------------------------------*/
106
107 /* --- @mpmont_create@ --- *
108  *
109  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
110  *              @mp *m@ = modulus to use
111  *
112  * Returns:     ---
113  *
114  * Use:         Initializes a Montgomery reduction context ready for use.
115  */
116
117 extern void mpmont_create(mpmont */*mm*/, mp */*m*/);
118
119 /* --- @mpmont_destroy@ --- *
120  *
121  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to a Montgomery reduction context
122  *
123  * Returns:     ---
124  *
125  * Use:         Disposes of a context when it's no longer of any use to
126  *              anyone.
127  */
128
129 extern void mpmont_destroy(mpmont */*mm*/);
130
131 /* --- @mpmont_reduce@ --- *
132  *
133  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
134  *              @mp *d@ = destination
135  *              @const mp *a@ = source, assumed positive
136  *
137  * Returns:     Result, %$a R^{-1} \bmod m$%.
138  */
139
140 extern mp *mpmont_reduce(mpmont */*mm*/, mp */*d*/, const mp */*a*/);
141
142 /* --- @mpmont_mul@ --- *
143  *
144  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
145  *              @mp *d@ = destination
146  *              @const mp *a, *b@ = sources, assumed positive
147  *
148  * Returns:     Result, %$a b R^{-1} \bmod m$%.
149  */
150
151 extern mp *mpmont_mul(mpmont */*mm*/, mp */*d*/,
152                       const mp */*a*/, const mp */*b*/);
153
154 /* --- @mpmont_expr@ --- *
155  *
156  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
157  *              @const mp *a@ = base
158  *              @const mp *e@ = exponent
159  *
160  * Returns:     Result, %$a^e R \bmod m$%.  This is useful if further modular
161  *              arithmetic is to be performed on the result.
162  */
163
164 extern mp *mpmont_expr(mpmont */*mm*/, const mp */*a*/, const mp */*e*/);
165
166 /* --- @mpmont_exp@ --- *
167  *
168  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
169  *              @const mp *a@ = base
170  *              @const mp *e@ = exponent
171  *
172  * Returns:     Result, %$a^e \bmod m$%.
173  */
174
175 extern mp *mpmont_exp(mpmont */*mm*/, const mp */*a*/, const mp */*e*/);
176
177 /* --- @mpmont_mexpr@ --- *
178  *
179  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
180  *              @mpmont_factor *f@ = pointer to array of factors
181  *              @size_t n@ = number of factors supplied
182  *
183  * Returns:     If the bases are %$g_0, g_1, \ldots, g_{n-1}$% and the
184  *              exponents are %$e_0, e_1, \ldots, e_{n-1}$% then the result
185  *              is:
186  *
187  *              %$g_0^{e_0} g_1^{e_1} \ldots g_{n-1}^{e_{n-1}} R \bmod m$%
188  */
189
190 extern mp *mpmont_mexpr(mpmont */*mm*/, mpmont_factor */*f*/, size_t /*n*/);
191
192 /* --- @mpmont_mexp@ --- *
193  *
194  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
195  *              @mpmont_factor *f@ = pointer to array of factors
196  *              @size_t n@ = number of factors supplied
197  *
198  * Returns:     Product of bases raised to exponents, all mod @m@.
199  *
200  * Use:         Convenient interface over @mpmont_mexpr@.
201  */
202
203 extern mp *mpmont_mexp(mpmont */*mm*/, mpmont_factor */*f*/, size_t /*n*/);
204
205 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/
206
207 #ifdef __cplusplus
208   }
209 #endif
210
211 #endif