chiark / gitweb /
Add cyclic group abstraction, with test code. Separate off exponentation
[catacomb] / ec.h
1 /* -*-c-*-
2  *
3  * $Id: ec.h,v 1.9 2004/04/01 12:50:09 mdw Exp $
4  *
5  * Elliptic curve definitions
6  *
7  * (c) 2001 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
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18  * 
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23  * 
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26  * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
27  * MA 02111-1307, USA.
28  */
29
30 /*----- Revision history --------------------------------------------------* 
31  *
32  * $Log: ec.h,v $
33  * Revision 1.9  2004/04/01 12:50:09  mdw
34  * Add cyclic group abstraction, with test code.  Separate off exponentation
35  * functions for better static linking.  Fix a buttload of bugs on the way.
36  * Generally ensure that negative exponents do inversion correctly.  Add
37  * table of standard prime-field subgroups.  (Binary field subgroups are
38  * currently unimplemented but easy to add if anyone ever finds a good one.)
39  *
40  * Revision 1.8  2004/03/27 17:54:11  mdw
41  * Standard curves and curve checking.
42  *
43  * Revision 1.7  2004/03/23 15:19:32  mdw
44  * Test elliptic curves more thoroughly.
45  *
46  * Revision 1.6  2004/03/22 02:19:10  mdw
47  * Rationalise the sliding-window threshold.  Drop guarantee that right
48  * arguments to EC @add@ are canonical, and fix up projective implementations
49  * to cope.
50  *
51  * Revision 1.5  2004/03/21 22:52:06  mdw
52  * Merge and close elliptic curve branch.
53  *
54  * Revision 1.4.4.3  2004/03/21 22:39:46  mdw
55  * Elliptic curves on binary fields work.
56  *
57  * Revision 1.4.4.2  2004/03/20 00:13:31  mdw
58  * Projective coordinates for prime curves
59  *
60  * Revision 1.4.4.1  2003/06/10 13:43:53  mdw
61  * Simple (non-projective) curves over prime fields now seem to work.
62  *
63  * Revision 1.4  2003/05/15 23:25:59  mdw
64  * Make elliptic curve stuff build.
65  *
66  * Revision 1.3  2002/01/13 13:48:44  mdw
67  * Further progress.
68  *
69  * Revision 1.2  2001/05/07 17:29:44  mdw
70  * Treat projective coordinates as an internal representation.  Various
71  * minor interface changes.
72  *
73  * Revision 1.1  2001/04/29 18:12:33  mdw
74  * Prototype version.
75  *
76  */
77
78 #ifndef CATACOMB_EC_H
79 #define CATACOMB_EC_H
80
81 #ifdef __cplusplus
82   extern "C" {
83 #endif
84
85 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
86
87 #ifndef CATACOMB_FIELD_H
88 #  include "field.h"
89 #endif
90
91 #ifndef CATACOMB_MP_H
92 #  include "mp.h"
93 #endif
94
95 #ifndef CATACOMB_QDPARSE_H
96 #  include "qdparse.h"
97 #endif
98
99 /*----- Data structures ---------------------------------------------------*/
100
101 /* --- An elliptic curve representation --- */
102
103 typedef struct ec_curve {
104   const struct ec_ops *ops;             /* Curve operations */
105   field *f;                             /* Underlying field structure */
106   mp *a, *b;                            /* Standard params (internal form) */
107 } ec_curve;
108
109 /* --- An elliptic curve point --- */
110
111 typedef struct ec {
112   mp *x, *y;                            /* Point coordinates */
113   mp *z;                                /* Common denominator (or null) */
114 } ec;
115
116 /* --- A factor for simultaneous multiplication --- */
117
118 typedef struct ec_mulfactor {
119   ec base;                              /* The point */
120   mp *exp;                              /* The exponent */
121 } ec_mulfactor;
122
123 /* --- Elliptic curve operations --- *
124  *
125  * All operations (apart from @destroy@ and @in@) are guaranteed to be
126  * performed on internal representations of points.
127  *
128  * (Historical note.  We used to guarantee that the second to @add@ and @mul@
129  * was the output of @in@ or @fix@, but this canonification turned out to
130  * make the precomputation in @ec_exp@ too slow.  Projective implementations
131  * must therefore cope with a pair of arbitrary points.)
132  */
133
134 typedef struct ec_ops {
135   void (*destroy)(ec_curve */*c*/);
136   int (*samep)(ec_curve */*c*/, ec_curve */*d*/);
137   ec *(*in)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
138   ec *(*out)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
139   ec *(*fix)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
140   ec *(*find)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, mp */*x*/);
141   ec *(*neg)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
142   ec *(*add)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/, const ec */*q*/);
143   ec *(*sub)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/, const ec */*q*/);
144   ec *(*dbl)(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
145   int (*check)(ec_curve */*c*/, const ec */*p*/);
146 } ec_ops;
147
148 #define EC_SAMEP(c, d)          (c)->ops->samep((c), (d))
149 #define EC_IN(c, d, p)          (c)->ops->in((c), (d), (p))
150 #define EC_OUT(c, d, p)         (c)->ops->out((c), (d), (p))
151 #define EC_FIX(c, d, p)         (c)->ops->fix((c), (d), (p))
152
153 #define EC_FIND(c, d, x)        (c)->ops->find((c), (d), (x))
154 #define EC_NEG(c, d, x)         (c)->ops->neg((c), (d), (x))
155 #define EC_ADD(c, d, p, q)      (c)->ops->add((c), (d), (p), (q))
156 #define EC_SUB(c, d, p, q)      (c)->ops->sub((c), (d), (p), (q))
157 #define EC_DBL(c, d, p)         (c)->ops->dbl((c), (d), (p))
158 #define EC_CHECK(c, p)          (c)->ops->check((c), (p))
159
160 /* --- Elliptic curve parameters --- */
161
162 typedef struct ec_info {
163   ec_curve *c;                          /* The actual curve */
164   ec g;                                 /* The common point */
165   mp *r;                                /* Order of %$g$% */
166   mp *h;                                /* Cofactor %$h = \#E/r$% */
167 } ec_info;
168
169 /*----- Simple memory management things -----------------------------------*/
170
171 /* --- @ec_create@ --- *
172  *
173  * Arguments:   @ec *p@ = pointer to an elliptic-curve point
174  *
175  * Returns:     The argument @p@.
176  *
177  * Use:         Initializes a new point.  The initial value is the additive
178  *              identity (which is universal for all curves).
179  */
180
181 #define EC_INIT { MP_NEW, MP_NEW, MP_NEW }
182
183 #define EC_CREATE(p) do {                                               \
184   ec *_p = (p);                                                         \
185   _p->x = _p->y = _p->z = MP_NEW;                                       \
186 } while (0)
187
188 extern ec *ec_create(ec */*p*/);
189
190 /* --- @ec_destroy@ --- *
191  *
192  * Arguments:   @ec *p@ = pointer to an elliptic-curve point
193  *
194  * Returns:     ---
195  *
196  * Use:         Destroys a point, making it invalid.
197  */
198
199 #define EC_DESTROY(p) do {                                              \
200   ec *_p = (p);                                                         \
201   if (!EC_ATINF(_p)) {                                                  \
202     MP_DROP(_p->x);                                                     \
203     MP_DROP(_p->y);                                                     \
204     if (_p->z) MP_DROP(_p->z);                                          \
205   }                                                                     \
206 } while (0)
207
208 extern void ec_destroy(ec */*p*/);
209
210 /* --- @ec_atinf@ --- *
211  *
212  * Arguments:   @const ec *p@ = pointer to a point
213  *
214  * Returns:     Nonzero if %$p = O$% is the point at infinity, zero
215  *              otherwise.
216  */
217
218 #define EC_ATINF(p) ((p)->x == MP_NEW || (p)->x == MP_NEWSEC)
219
220 extern int ec_atinf(const ec */*p*/);
221
222 /* --- @ec_setinf@ --- *
223  *
224  * Arguments:   @ec *p@ = pointer to a point
225  *
226  * Returns:     The argument @p@.
227  *
228  * Use:         Sets the given point to be the point %$O$% at infinity.
229  */
230
231 #define EC_SETINF(p) do {                                               \
232   ec *_p = (p);                                                         \
233   if (!EC_ATINF(_p)) {                                                  \
234     MP_DROP(_p->x);                                                     \
235     MP_DROP(_p->y);                                                     \
236     if (_p->z) MP_DROP(_p->z);                                          \
237     _p->x = _p->y = _p->z = MP_NEW;                                     \
238     _p->y = MP_NEW;                                                     \
239     _p->z = MP_NEW;                                                     \
240   }                                                                     \
241 } while (0)
242
243 extern ec *ec_setinf(ec */*p*/);
244
245 /* --- @ec_copy@ --- *
246  *
247  * Arguments:   @ec *d@ = pointer to destination point
248  *              @const ec *p@ = pointer to source point
249  *
250  * Returns:     The destination @d@.
251  *
252  * Use:         Creates a copy of an elliptic curve point.
253  */
254
255 #define EC_COPY(d, p) do {                                              \
256   ec *_d = (d);                                                         \
257   const ec *_p = (p);                                                   \
258   if (d != p) {                                                         \
259     EC_DESTROY(d);                                                      \
260     if (EC_ATINF(p))                                                    \
261       _d->x = _d->y = _d->z = MP_NEW;                                   \
262     else {                                                              \
263       _d->x = MP_COPY(_p->x);                                           \
264       _d->y = MP_COPY(_p->y);                                           \
265       _d->z = _p->z ? MP_COPY(_p->z) : MP_NEW;                          \
266     }                                                                   \
267   }                                                                     \
268 } while (0)
269
270 extern ec *ec_copy(ec */*d*/, const ec */*p*/);
271
272 /* --- @ec_eq@ --- *
273  *
274  * Arguments:   @const ec *p, *q@ = two points
275  *
276  * Returns:     Nonzero if the points are equal.  Compares external-format
277  *              points.
278  */
279
280 #define EC_EQ(p, q)                                                     \
281     ((EC_ATINF(p) && EC_ATINF(q)) ||                                    \
282      (!EC_ATINF(p) && !EC_ATINF(q) &&                                   \
283       MP_EQ((p)->x, (q)->x) &&                                          \
284       MP_EQ((p)->y, (q)->y)))
285
286 extern int ec_eq(const ec *p, const ec *q);
287
288 /*----- Interesting arithmetic --------------------------------------------*/
289
290 /* --- @ec_samep@ --- *
291  *
292  * Arguments:   @ec_curve *c, *d@ = two elliptic curves
293  *
294  * Returns:     Nonzero if the curves are identical (not just isomorphic).
295  *
296  * Use:         Checks for sameness of curves.  This function does the full
297  *              check, not just the curve-type-specific check done by the
298  *              @sampep@ field operation.
299  */
300
301 extern int ec_samep(ec_curve */*c*/, ec_curve */*d*/);
302
303 /* --- @ec_find@ --- *
304  *
305  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
306  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
307  *              @mp *x@ = a possible x-coordinate
308  *
309  * Returns:     The destination if OK, or null if no point was found.
310  *
311  * Use:         Finds a point on an elliptic curve with a given
312  *              x-coordinate.  If there is no point with the given
313  *              %$x$%-coordinate, a null pointer is returned and the
314  *              destination is left invalid.
315  */
316
317 extern ec *ec_find(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, mp */*x*/);
318
319 /* --- @ec_rand@ --- *
320  *
321  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
322  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
323  *              @grand *r@ = random number source
324  *
325  * Returns:     The destination @d@.
326  *
327  * Use:         Finds a random point on the given curve.
328  */
329
330 extern ec *ec_rand(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, grand */*r*/);
331
332 /* --- @ec_neg@ --- *
333  *
334  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
335  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
336  *              @const ec *p@ = pointer to the operand point
337  *
338  * Returns:     The destination point.
339  *
340  * Use:         Computes the negation of the given point.
341  */
342
343 extern ec *ec_neg(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
344
345 /* --- @ec_add@ --- *
346  *
347  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
348  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
349  *              @const ec *p, *q@ = pointers to the operand points
350  *
351  * Returns:     The destination @d@.
352  *
353  * Use:         Adds two points on an elliptic curve.
354  */
355
356 extern ec *ec_add(ec_curve */*c*/, ec */*d*/,
357                   const ec */*p*/, const ec */*q*/);
358
359 /* --- @ec_sub@ --- *
360  *
361  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
362  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
363  *              @const ec *p, *q@ = pointers to the operand points
364  *
365  * Returns:     The destination @d@.
366  *
367  * Use:         Subtracts one point from another on an elliptic curve.
368  */
369
370 extern ec *ec_sub(ec_curve */*c*/, ec */*d*/,
371                   const ec */*p*/, const ec */*q*/);
372
373 /* --- @ec_dbl@ --- *
374  *
375  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
376  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
377  *              @const ec *p@ = pointer to the operand point
378  *
379  * Returns:     The destination @d@.
380  *
381  * Use:         Doubles a point on an elliptic curve.
382  */
383
384 extern ec *ec_dbl(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
385
386 /* --- @ec_check@ --- *
387  *
388  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
389  *              @const ec *p@ = pointer to the point
390  *
391  * Returns:     Zero if OK, nonzero if this is an invalid point.
392  *
393  * Use:         Checks that a point is actually on an elliptic curve.
394  */
395
396 extern int ec_check(ec_curve */*c*/, const ec */*p*/);
397
398 /* --- @ec_mul@, @ec_imul@ --- *
399  *
400  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
401  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
402  *              @const ec *p@ = pointer to the generator point
403  *              @mp *n@ = integer multiplier
404  *
405  * Returns:     The destination @d@.
406  *
407  * Use:         Multiplies a point by a scalar, returning %$n p$%.  The
408  *              @imul@ variant uses internal representations for argument
409  *              and result.
410  */
411
412 extern ec *ec_mul(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/, mp */*n*/);
413 extern ec *ec_imul(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/, mp */*n*/);
414
415 /* --- @ec_mmul@, @ec_immul@ --- *
416  *
417  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
418  *              @ec *d@ = pointer to the destination point
419  *              @const ec_mulfactor *f@ = pointer to vector of factors
420  *              @size_t n@ = number of factors
421  *
422  * Returns:     The destination @d@.
423  *
424  * Use:         Does simultaneous point multiplication.  The @immul@ variant
425  *              uses internal representations for arguments and result.
426  */
427
428 extern ec *ec_mmul(ec_curve */*c*/, ec */*d*/,
429                    const ec_mulfactor */*f*/, size_t /*n*/);
430 extern ec *ec_immul(ec_curve */*c*/, ec */*d*/,
431                     const ec_mulfactor */*f*/, size_t /*n*/);
432
433 /*----- Standard curve operations -----------------------------------------*/
434
435 /* --- @ec_stdsamep@ --- *
436  *
437  * Arguments:   @ec_curve *c, *d@ = two elliptic curves
438  *
439  * Returns:     Nonzero if the curves are identical (not just isomorphic).
440  *
441  * Use:         Simple sameness check on @a@ and @b@ curve members.
442  */
443
444 extern int ec_stdsamep(ec_curve */*c*/, ec_curve */*d*/);
445
446 /* --- @ec_idin@, @ec_idout@, @ec_idfix@ --- *
447  *
448  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
449  *              @ec *d@ = pointer to the destination
450  *              @const ec *p@ = pointer to a source point
451  *
452  * Returns:     The destination @d@.
453  *
454  * Use:         An identity operation if your curve has no internal
455  *              representation.  (The field internal representation is still
456  *              used.)
457  */
458
459 extern ec *ec_idin(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
460 extern ec *ec_idout(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
461 extern ec *ec_idfix(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
462
463 /* --- @ec_projin@, @ec_projout@, @ec_projfix@ --- *
464  *
465  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
466  *              @ec *d@ = pointer to the destination
467  *              @const ec *p@ = pointer to a source point
468  *
469  * Returns:     The destination @d@.
470  *
471  * Use:         Conversion functions if your curve operations use a
472  *              projective representation.
473  */
474
475 extern ec *ec_projin(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
476 extern ec *ec_projout(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
477 extern ec *ec_projfix(ec_curve */*c*/, ec */*d*/, const ec */*p*/);
478
479 /* --- @ec_stdsub@ --- *
480  *
481  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an elliptic curve
482  *              @ec *d@ = pointer to the destination
483  *              @const ec *p, *q@ = the operand points
484  *
485  * Returns:     The destination @d@.
486  *
487  * Use:         Standard point subtraction operation, in terms of negation
488  *              and addition.  This isn't as efficient as a ready-made
489  *              subtraction operator.
490  */
491
492 extern ec *ec_stdsub(ec_curve */*c*/, ec */*d*/,
493                      const ec */*p*/, const ec */*q*/);
494
495 /*----- Creating curves ---------------------------------------------------*/
496
497 /* --- @ec_destroycurve@ --- *
498  *
499  * Arguments:   @ec_curve *c@ = pointer to an ellptic curve
500  *
501  * Returns:     ---
502  *
503  * Use:         Destroys a description of an elliptic curve.
504  */
505
506 extern void ec_destroycurve(ec_curve */*c*/);
507
508 /* --- @ec_prime@, @ec_primeproj@ --- *
509  *
510  * Arguments:   @field *f@ = the underlying field for this elliptic curve
511  *              @mp *a, *b@ = the coefficients for this curve
512  *
513  * Returns:     A pointer to the curve.
514  *
515  * Use:         Creates a curve structure for an elliptic curve defined over
516  *              a prime field.  The @primeproj@ variant uses projective
517  *              coordinates, which can be a win.
518  */
519
520 extern ec_curve *ec_prime(field */*f*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
521 extern ec_curve *ec_primeproj(field */*f*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
522
523 /* --- @ec_bin@, @ec_binproj@ --- *
524  *
525  * Arguments:   @field *f@ = the underlying field for this elliptic curve
526  *              @mp *a, *b@ = the coefficients for this curve
527  *
528  * Returns:     A pointer to the curve.
529  *
530  * Use:         Creates a curve structure for an elliptic curve defined over
531  *              a binary field.  The @binproj@ variant uses projective
532  *              coordinates, which can be a win.
533  */
534
535 extern ec_curve *ec_bin(field */*f*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
536 extern ec_curve *ec_binproj(field */*f*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
537
538 /*----- Curve parameter sets ----------------------------------------------*/
539
540 /* --- @ec_curveparse@ --- *
541  *
542  * Arguments:   @qd_parse *qd@ = parser context
543  *
544  * Returns:     Elliptic curve pointer if OK, or null.
545  *
546  * Use:         Parses an elliptic curve description, which has the form
547  *
548  *                * a field description
549  *                * an optional `/'
550  *                * `prime', `primeproj', `bin', or `binproj'
551  *                * an optional `:'
552  *                * the %$a$% parameter
553  *                * an optional `,'
554  *                * the %$b$% parameter
555  */
556
557 extern ec_curve *ec_curveparse(qd_parse */*qd*/);
558
559 /* --- @ec_ptparse@ --- *
560  *
561  * Arguments:   @qd_parse *qd@ = parser context
562  *              @ec *p@ = where to put the point
563  *
564  * Returns:     The point address, or null.
565  *
566  * Use:         Parses an elliptic curve point.  This has the form
567  *
568  *                * %$x$%-coordinate
569  *                * optional `,'
570  *                * %$y$%-coordinate
571  */
572
573 extern ec *ec_ptparse(qd_parse */*qd*/, ec */*p*/);
574
575 /* --- @ec_infoparse@ --- *
576  *
577  * Arguments:   @qd_parse *qd@ = parser context
578  *              @ec_info *ei@ = curve information block, currently
579  *                      uninitialized
580  *
581  * Returns:     Zero on success, nonzero on failure.
582  *
583  * Use:         Parses an elliptic curve information string, and stores the
584  *              information in @ei@.  This has the form
585  *
586  *                * elliptic curve description
587  *                * optional `/'
588  *                * common point
589  *                * optional `:'
590  *                * group order
591  *                * optional `*'
592  *                * cofactor
593  */
594
595 extern int ec_infoparse(qd_parse */*qd*/, ec_info */*ei*/);
596
597 /* --- @ec_getinfo@ --- *
598  *
599  * Arguments:   @ec_info *ei@ = where to write the information
600  *              @const char *p@ = string describing a curve
601  *
602  * Returns:     Null on success, or a pointer to an error message.
603  *
604  * Use:         Parses out information about a curve.  The string is either a
605  *              standard curve name, or a curve info string.
606  */
607
608 extern const char *ec_getinfo(ec_info */*ei*/, const char */*p*/);
609
610 /* --- @ec_sameinfop@ --- *
611  *
612  * Arguments:   @ec_info *ei, *ej@ = two elliptic curve parameter sets
613  *
614  * Returns:     Nonzero if the curves are identical (not just isomorphic).
615  *
616  * Use:         Checks for sameness of curve parameters.
617  */
618
619 extern int ec_sameinfop(ec_info */*ei*/, ec_info */*ej*/);
620
621 /* --- @ec_freeinfo@ --- *
622  *
623  * Arguments:   @ec_info *ei@ = elliptic curve information block to free
624  *
625  * Returns:     ---
626  *
627  * Use:         Frees the information block.
628  */
629
630 extern void ec_freeinfo(ec_info */*ei*/);
631
632 /* --- @ec_checkinfo@ --- *
633  *
634  * Arguments:   @const ec_info *ei@ = elliptic curve information block
635  *
636  * Returns:     Null if OK, or pointer to error message.
637  *
638  * Use:         Checks an elliptic curve according to the rules in SEC1.
639  */
640
641 extern const char *ec_checkinfo(const ec_info */*ei*/, grand */*gr*/);
642
643 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/
644
645 #ifdef __cplusplus
646   }
647 #endif
648
649 #endif