chiark / gitweb /
Make @const@-correct.
[catacomb] / mpmont.h
1 /* -*-c-*-
2  *
3  * $Id: mpmont.h,v 1.6 2002/01/13 13:49:25 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 1.6  2002/01/13 13:49:25  mdw
34  * Make @const@-correct.
35  *
36  * Revision 1.5  2001/06/16 13:00:04  mdw
37  * Moved @mpmont_factor@ to <mp.h>.  Documented interface change to
38  * @mpmont_expr@ and @mpmont_mexpr@ -- the arguments are now in Montgomery
39  * form.
40  *
41  * Revision 1.4  1999/12/11 01:51:14  mdw
42  * Use a Karatsuba-based reduction for large moduli.
43  *
44  * Revision 1.3  1999/12/10 23:29:48  mdw
45  * Change header file guard names.
46  *
47  * Revision 1.2  1999/11/19 13:17:43  mdw
48  * Add extra interface to exponentiation which returns a Montgomerized
49  * result.  Add simultaneous exponentiation interface.
50  *
51  * Revision 1.1  1999/11/17 18:02:16  mdw
52  * New multiprecision integer arithmetic suite.
53  *
54  */
55
56 #ifndef CATACOMB_MPMONT_H
57 #define CATACOMB_MPMONT_H
58
59 #ifdef __cplusplus
60   extern "C" {
61 #endif
62
63 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
64
65 #ifndef CATACOMB_MP_H
66 #  include "mp.h"
67 #endif
68
69 /*----- Notes on Montgomery reduction -------------------------------------*
70  *
71  * Given a little bit of precomputation, Montgomery reduction enables modular
72  * reductions of products to be calculated rather rapidly, without recourse
73  * to annoying things like division.
74  *
75  * Before starting, you need to do a little work.  In particular, the
76  * following things need to be worked out:
77  *
78  *   * %$m$%, which is the modulus you'll be working with.  This must be odd,
79  *     otherwise the whole thing doesn't work.  You're better off using
80  *     Barrett reduction if your modulus might be even.
81  *
82  *   * %$b$%, the radix of the number system you're in (here, it's
83  *     @MPW_MAX + 1@).
84  *
85  *   * %$-m^{-1} \bmod b$%, a useful number for the reduction step.  (This
86  *     means that the modulus mustn't be even.  This shouldn't be a problem.)
87  *
88  *   * %$R = b^n > m > b^{n - 1}$%, or at least %$\log_2 R$%.
89  *
90  *   * %$R \bmod m$% and %$R^2 \bmod m$%, which are useful when doing
91  *     calculations such as exponentiation.
92  *
93  * The result of a Montgomery reduction of %$x$% is %$x R^{-1} \bmod m$%,
94  * which doesn't look ever-so useful.  The trick is to initially apply a
95  * factor of %$R$% to all of your numbers so that when you multiply and
96  * perform a Montgomery reduction you get %$(x R \cdot y R) R^{-1} \bmod m$%,
97  * which is just %$x y R \bmod m$%.  Thanks to distributivity, even additions
98  * and subtractions can be performed on numbers in this form -- the extra
99  * factor of %$R$% just runs through all the calculations until it's finally
100  * stripped out by a final reduction operation.
101  */
102
103 /*----- Data structures ---------------------------------------------------*/
104
105 /* --- A Montgomery reduction context --- */
106
107 typedef struct mpmont {
108   mp *m;                                /* Modulus */
109   mp *mi;                               /* %$-m^{-1} \bmod R$% */
110   size_t n;                             /* %$\log_b R$% */
111   mp *r, *r2;                           /* %$R \bmod m$%, %$R^2 \bmod m$% */
112 } mpmont;
113
114 /*----- Functions provided ------------------------------------------------*/
115
116 /* --- @mpmont_create@ --- *
117  *
118  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
119  *              @mp *m@ = modulus to use
120  *
121  * Returns:     ---
122  *
123  * Use:         Initializes a Montgomery reduction context ready for use.
124  *              The argument @m@ must be a positive odd integer.
125  */
126
127 extern void mpmont_create(mpmont */*mm*/, mp */*m*/);
128
129 /* --- @mpmont_destroy@ --- *
130  *
131  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to a Montgomery reduction context
132  *
133  * Returns:     ---
134  *
135  * Use:         Disposes of a context when it's no longer of any use to
136  *              anyone.
137  */
138
139 extern void mpmont_destroy(mpmont */*mm*/);
140
141 /* --- @mpmont_reduce@ --- *
142  *
143  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
144  *              @mp *d@ = destination
145  *              @mp *a@ = source, assumed positive
146  *
147  * Returns:     Result, %$a R^{-1} \bmod m$%.
148  */
149
150 extern mp *mpmont_reduce(mpmont */*mm*/, mp */*d*/, mp */*a*/);
151
152 /* --- @mpmont_mul@ --- *
153  *
154  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
155  *              @mp *d@ = destination
156  *              @mp *a, *b@ = sources, assumed positive
157  *
158  * Returns:     Result, %$a b R^{-1} \bmod m$%.
159  */
160
161 extern mp *mpmont_mul(mpmont */*mm*/, mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
162
163 /* --- @mpmont_expr@ --- *
164  *
165  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
166  *              @mp *d@ = fake destination
167  *              @mp *a@ = base
168  *              @mp *e@ = exponent
169  *
170  * Returns:     Result, %$(a R^{-1})^e R \bmod m$%.  This is useful if
171  *              further modular arithmetic is to be performed on the result.
172  */
173
174 extern mp *mpmont_expr(mpmont */*mm*/, mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*e*/);
175
176 /* --- @mpmont_exp@ --- *
177  *
178  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
179  *              @mp *d@ = fake destination
180  *              @mp *a@ = base
181  *              @mp *e@ = exponent
182  *
183  * Returns:     Result, %$a^e \bmod m$%.
184  */
185
186 extern mp *mpmont_exp(mpmont */*mm*/, mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*e*/);
187
188 /* --- @mpmont_mexpr@ --- *
189  *
190  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
191  *              @mp *d@ = fake destination
192  *              @mp_expfactor *f@ = pointer to array of factors
193  *              @size_t n@ = number of factors supplied
194  *
195  * Returns:     If the bases are %$g_0, g_1, \ldots, g_{n-1}$% and the
196  *              exponents are %$e_0, e_1, \ldots, e_{n-1}$% then the result
197  *              is:
198  *
199  *              %$g_0^{e_0} g_1^{e_1} \ldots g_{n-1}^{e_{n-1}} \bmod m$%
200  *
201  *
202  *              except that the %$g_i$% and result are in Montgomery form.
203  */
204
205 extern mp *mpmont_mexpr(mpmont */*mm*/, mp */*d*/,
206                         mp_expfactor */*f*/, size_t /*n*/);
207
208 /* --- @mpmont_mexp@ --- *
209  *
210  * Arguments:   @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
211  *              @mp *d@ = fake destination
212  *              @const mp_expfactor *f@ = pointer to array of factors
213  *              @size_t n@ = number of factors supplied
214  *
215  * Returns:     Product of bases raised to exponents, all mod @m@.
216  *
217  * Use:         Convenient interface over @mpmont_mexpr@.
218  */
219
220 extern mp *mpmont_mexp(mpmont */*mm*/, mp */*d*/,
221                        const mp_expfactor */*f*/, size_t /*n*/);
222
223 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/
224
225 #ifdef __cplusplus
226   }
227 #endif
228
229 #endif