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