chiark / gitweb /
@@@ testing
[secnet] / f25519.c
1 /*
2  * f25519.c: arithmetic modulo 2^255 - 19
3  */
4 /*
5  * This file is Free Software.  It has been modified to as part of its
6  * incorporation into secnet.
7  *
8  * Copyright 2017 Mark Wooding
9  *
10  * You may redistribute this file and/or modify it under the terms of
11  * the permissive licence shown below.
12  *
13  * You may redistribute secnet as a whole and/or modify it under the
14  * terms of the GNU General Public License as published by the Free
15  * Software Foundation; either version 3, or (at your option) any
16  * later version.
17  *
18  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
19  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
20  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
21  * GNU General Public License for more details.
22  *
23  * You should have received a copy of the GNU General Public License
24  * along with this program; if not, see
25  * https://www.gnu.org/licenses/gpl.html.
26  */
27 /*
28  * Imported from Catacomb, and modified for Secnet (2017-04-30):
29  *
30  *   * Use `fake-mLib-bits.h' in place of the real <mLib/bits.h>.
31  *
32  *   * Remove the 16/32-bit implementation, since C99 always has 64-bit
33  *     arithmetic.
34  *
35  *   * Remove the test rig code: a replacement is in a separate source file.
36  *
37  *   * Disable some of the operations which aren't needed for X25519.
38  *     (They're used for Ed25519, which we don't need.)
39  *
40  * The file's original comment headers are preserved below.
41  */
42 /* -*-c-*-
43  *
44  * Arithmetic modulo 2^255 - 19
45  *
46  * (c) 2017 Straylight/Edgeware
47  */
48
49 /*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
50  *
51  * This file is part of Catacomb.
52  *
53  * Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
54  * it under the terms of the GNU Library General Public License as
55  * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
56  * License, or (at your option) any later version.
57  *
58  * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
59  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
60  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
61  * GNU Library General Public License for more details.
62  *
63  * You should have received a copy of the GNU Library General Public
64  * License along with Catacomb; if not, write to the Free
65  * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
66  * MA 02111-1307, USA.
67  */
68
69 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
70
71 #include "f25519.h"
72
73 /*----- Basic setup -------------------------------------------------------*/
74
75 /* Elements x of GF(2^255 - 19) are represented by ten signed integers x_i: x
76  * = SUM_{0<=i<10} x_i 2^ceil(51i/2), mostly following Bernstein's original
77  * paper.
78  */
79
80 typedef  int32  piece;  typedef  int64  dblpiece;
81 typedef uint32 upiece;  typedef uint64 udblpiece;
82 #define P p26
83 #define PIECEWD(i) ((i)%2 ? 25 : 26)
84 #define NPIECE 10
85
86 #define M26 0x03ffffffu
87 #define M25 0x01ffffffu
88 #define B26 0x04000000u
89 #define B25 0x02000000u
90 #define B24 0x01000000u
91
92 #define PIECES(v) v##0, v##1, v##2, v##3, v##4, v##5, v##6, v##7, v##8, v##9
93 #define FETCH(v, w) do {                                                \
94   v##0 = (w)->P[0]; v##1 = (w)->P[1];                                   \
95   v##2 = (w)->P[2]; v##3 = (w)->P[3];                                   \
96   v##4 = (w)->P[4]; v##5 = (w)->P[5];                                   \
97   v##6 = (w)->P[6]; v##7 = (w)->P[7];                                   \
98   v##8 = (w)->P[8]; v##9 = (w)->P[9];                                   \
99 } while (0)
100 #define STASH(w, v) do {                                                \
101   (w)->P[0] = v##0; (w)->P[1] = v##1;                                   \
102   (w)->P[2] = v##2; (w)->P[3] = v##3;                                   \
103   (w)->P[4] = v##4; (w)->P[5] = v##5;                                   \
104   (w)->P[6] = v##6; (w)->P[7] = v##7;                                   \
105   (w)->P[8] = v##8; (w)->P[9] = v##9;                                   \
106 } while (0)
107
108 /*----- Debugging machinery -----------------------------------------------*/
109
110 #if defined(F25519_DEBUG)
111
112 #include <stdio.h>
113
114 #include "mp.h"
115 #include "mptext.h"
116
117 static mp *get_2p255m91(void)
118 {
119   mpw w19 = 19;
120   mp *p = MP_NEW, m19;
121
122   p = mp_setbit(p, MP_ZERO, 255);
123   mp_build(&m19, &w19, &w19 + 1);
124   p = mp_sub(p, p, &m19);
125   return (p);
126 }
127
128 DEF_FDUMP(fdump, piece, PIECEWD, NPIECE, 32, get_2p255m91())
129
130 #endif
131
132 /*----- Loading and storing -----------------------------------------------*/
133
134 /* --- @f25519_load@ --- *
135  *
136  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to store the result
137  *              @const octet xv[32]@ = source to read
138  *
139  * Returns:     ---
140  *
141  * Use:         Reads an element of %$\gf{2^{255} - 19}$% in external
142  *              representation from @xv@ and stores it in @z@.
143  *
144  *              External representation is little-endian base-256.  Some
145  *              elements have multiple encodings, which are not produced by
146  *              correct software; use of noncanonical encodings is not an
147  *              error, and toleration of them is considered a performance
148  *              feature.
149  */
150
151 void f25519_load(f25519 *z, const octet xv[32])
152 {
153   uint32 xw0 = LOAD32_L(xv +  0), xw1 = LOAD32_L(xv +  4),
154          xw2 = LOAD32_L(xv +  8), xw3 = LOAD32_L(xv + 12),
155          xw4 = LOAD32_L(xv + 16), xw5 = LOAD32_L(xv + 20),
156          xw6 = LOAD32_L(xv + 24), xw7 = LOAD32_L(xv + 28);
157   piece PIECES(x), b, c;
158
159   /* First, split the 32-bit words into the irregularly-sized pieces we need
160    * for the field representation.  These pieces are all positive.  We'll do
161    * the sign correction afterwards.
162    *
163    * It may be that the top bit of the input is set.  Avoid trouble by
164    * folding that back round into the bottom piece of the representation.
165    *
166    * Here, we briefly have 0 <= x_0 < 2^26 + 19, but will resolve this later.
167    * Otherwise, we have 0 <= x_{2i} < 2^26, and 0 <= x_{2i+1} < 2^25.
168    */
169   x0 = ((xw0 <<  0)&0x03ffffff) + 19*((xw7 >> 31)&0x00000001);
170   x1 = ((xw1 <<  6)&0x01ffffc0) |    ((xw0 >> 26)&0x0000003f);
171   x2 = ((xw2 << 13)&0x03ffe000) |    ((xw1 >> 19)&0x00001fff);
172   x3 = ((xw3 << 19)&0x01f80000) |    ((xw2 >> 13)&0x0007ffff);
173   x4 =                               ((xw3 >>  6)&0x03ffffff);
174   x5 =  (xw4 <<  0)&0x01ffffff;
175   x6 = ((xw5 <<  7)&0x03ffff80) |    ((xw4 >> 25)&0x0000007f);
176   x7 = ((xw6 << 13)&0x01ffe000) |    ((xw5 >> 19)&0x00001fff);
177   x8 = ((xw7 << 20)&0x03f00000) |    ((xw6 >> 12)&0x000fffff);
178   x9 =                               ((xw7 >>  6)&0x01ffffff);
179
180   /* Next, we convert these pieces into a roughly balanced signed
181    * representation.  For each piece, check to see if its top bit is set.  If
182    * it is, then lend a bit to the next piece over.  For x_9, this needs to
183    * be carried around, which is a little fiddly.  In particular, we delay
184    * the carry until after all of the pieces have been balanced.  If we don't
185    * do this, then we have to do a more expensive test for nonzeroness to
186    * decide whether to lend a bit leftwards rather than just testing a single
187    * bit.
188    *
189    * This fixes up the anomalous size of x_0: the loan of a bit becomes an
190    * actual carry if x_0 >= 2^26.  By the end, then, we have:
191    *
192    *             { 2^25         if i even
193    *    |x_i| <= {
194    *             { 2^24         if i odd
195    *
196    * Note that we don't try for a canonical representation here: both upper
197    * and lower bounds are achievable.
198    *
199    * All of the x_i at this point are positive, so we don't need to do
200    * anything wierd when masking them.
201    */
202   b = x9&B24; c   = 19&((b >> 19) - (b >> 24)); x9 -= b << 1;
203   b = x8&B25; x9 +=      b >> 25;               x8 -= b << 1;
204   b = x7&B24; x8 +=      b >> 24;               x7 -= b << 1;
205   b = x6&B25; x7 +=      b >> 25;               x6 -= b << 1;
206   b = x5&B24; x6 +=      b >> 24;               x5 -= b << 1;
207   b = x4&B25; x5 +=      b >> 25;               x4 -= b << 1;
208   b = x3&B24; x4 +=      b >> 24;               x3 -= b << 1;
209   b = x2&B25; x3 +=      b >> 25;               x2 -= b << 1;
210   b = x1&B24; x2 +=      b >> 24;               x1 -= b << 1;
211   b = x0&B25; x1 +=     (b >> 25) + (x0 >> 26); x0 = (x0&M26) - (b << 1);
212               x0 +=      c;
213
214   /* And with that, we're done. */
215   STASH(z, x);
216 }
217
218 /* --- @f25519_store@ --- *
219  *
220  * Arguments:   @octet zv[32]@ = where to write the result
221  *              @const f25519 *x@ = the field element to write
222  *
223  * Returns:     ---
224  *
225  * Use:         Stores a field element in the given octet vector in external
226  *              representation.  A canonical encoding is always stored, so,
227  *              in particular, the top bit of @xv[31]@ is always left clear.
228  */
229
230 void f25519_store(octet zv[32], const f25519 *x)
231 {
232   piece PIECES(x), PIECES(y), c, d;
233   uint32 zw0, zw1, zw2, zw3, zw4, zw5, zw6, zw7;
234   mask32 m;
235
236   FETCH(x, x);
237
238   /* First, propagate the carries throughout the pieces.  By the end of this,
239    * we'll have all of the pieces canonically sized and positive, and maybe
240    * there'll be (signed) carry out.  The carry c is in { -1, 0, +1 }, and
241    * the remaining value will be in the half-open interval [0, 2^255).  The
242    * whole represented value is then x + 2^255 c.
243    *
244    * It's worth paying careful attention to the bounds.  We assume that we
245    * start out with |x_i| <= 2^30.  We start by cutting off and reducing the
246    * carry c_9 from the topmost piece, x_9.  This leaves 0 <= x_9 < 2^25; and
247    * we'll have |c_9| <= 2^5.  We multiply this by 19 and we'll add it onto
248    * x_0 and propagate the carries: but what bounds can we calculate on x
249    * before this?
250    *
251    * Let o_i = floor(51 i/2).  We have X_i = SUM_{0<=j<i} x_j 2^{o_i}, so
252    * x = X_10.  We see, inductively, that |X_i| < 2^{31+o_{i-1}}: X_0 = 0;
253    * |x_i| <= 2^30; and |X_{i+1}| = |X_i + x_i 2^{o_i}| <= |X_i| + 2^{30+o_i}
254    * < 2^{31+o_i}.  Then x = X_9 + 2^230 x_9, and we have better bounds for
255    * x_9, so
256    *
257    *    -2^235 < x + 19 c_9 < 2^255 + 2^235
258    *
259    * Here, the x_i are signed, so we must be cautious about bithacking them.
260    */
261               c = ASR(piece, x9, 25); x9 = (upiece)x9&M25;
262   x0 += 19*c; c = ASR(piece, x0, 26); x0 = (upiece)x0&M26;
263   x1 +=    c; c = ASR(piece, x1, 25); x1 = (upiece)x1&M25;
264   x2 +=    c; c = ASR(piece, x2, 26); x2 = (upiece)x2&M26;
265   x3 +=    c; c = ASR(piece, x3, 25); x3 = (upiece)x3&M25;
266   x4 +=    c; c = ASR(piece, x4, 26); x4 = (upiece)x4&M26;
267   x5 +=    c; c = ASR(piece, x5, 25); x5 = (upiece)x5&M25;
268   x6 +=    c; c = ASR(piece, x6, 26); x6 = (upiece)x6&M26;
269   x7 +=    c; c = ASR(piece, x7, 25); x7 = (upiece)x7&M25;
270   x8 +=    c; c = ASR(piece, x8, 26); x8 = (upiece)x8&M26;
271   x9 +=    c; c = ASR(piece, x9, 25); x9 = (upiece)x9&M25;
272
273   /* Now we have a slightly fiddly job to do.  If c = +1, or if c = 0 and
274    * x >= 2^255 - 19, then we should subtract 2^255 - 19 from the whole
275    * value; if c = -1 then we should add 2^255 - 19; and otherwise we should
276    * do nothing.
277    *
278    * But conditional behaviour is bad, m'kay.  So here's what we do instead.
279    *
280    * The first job is to sort out what we wanted to do.  If c = -1 then we
281    * want to (a) invert the constant addend and (b) feed in a carry-in;
282    * otherwise, we don't.
283    */
284   m = SIGN(c);
285   d = m&1;
286
287   /* Now do the addition/subtraction.  Remember that all of the x_i are
288    * nonnegative, so shifting and masking are safe and easy.
289    */
290   d += x0 + (19 ^ (M26&m)); y0 = d&M26; d >>= 26;
291   d += x1 +       (M25&m);  y1 = d&M25; d >>= 25;
292   d += x2 +       (M26&m);  y2 = d&M26; d >>= 26;
293   d += x3 +       (M25&m);  y3 = d&M25; d >>= 25;
294   d += x4 +       (M26&m);  y4 = d&M26; d >>= 26;
295   d += x5 +       (M25&m);  y5 = d&M25; d >>= 25;
296   d += x6 +       (M26&m);  y6 = d&M26; d >>= 26;
297   d += x7 +       (M25&m);  y7 = d&M25; d >>= 25;
298   d += x8 +       (M26&m);  y8 = d&M26; d >>= 26;
299   d += x9 +       (M25&m);  y9 = d&M25; d >>= 25;
300
301   /* The final carry-out is in d; since we only did addition, and the x_i are
302    * nonnegative, then d is in { 0, 1 }.  We want to keep y, rather than x,
303    * if (a) c /= 0 (in which case we know that the old value was
304    * unsatisfactory), or (b) if d = 1 (in which case, if c = 0, we know that
305    * the subtraction didn't cause a borrow, so we must be in the case where
306    * 2^255 - 19 <= x < 2^255).
307    */
308   m = NONZEROP(c) | ~NONZEROP(d - 1);
309   x0 = (y0&m) | (x0&~m); x1 = (y1&m) | (x1&~m);
310   x2 = (y2&m) | (x2&~m); x3 = (y3&m) | (x3&~m);
311   x4 = (y4&m) | (x4&~m); x5 = (y5&m) | (x5&~m);
312   x6 = (y6&m) | (x6&~m); x7 = (y7&m) | (x7&~m);
313   x8 = (y8&m) | (x8&~m); x9 = (y9&m) | (x9&~m);
314
315   /* Extract 32-bit words from the value. */
316   zw0 = ((x0 >>  0)&0x03ffffff) | (((uint32)x1 << 26)&0xfc000000);
317   zw1 = ((x1 >>  6)&0x0007ffff) | (((uint32)x2 << 19)&0xfff80000);
318   zw2 = ((x2 >> 13)&0x00001fff) | (((uint32)x3 << 13)&0xffffe000);
319   zw3 = ((x3 >> 19)&0x0000003f) | (((uint32)x4 <<  6)&0xffffffc0);
320   zw4 = ((x5 >>  0)&0x01ffffff) | (((uint32)x6 << 25)&0xfe000000);
321   zw5 = ((x6 >>  7)&0x0007ffff) | (((uint32)x7 << 19)&0xfff80000);
322   zw6 = ((x7 >> 13)&0x00000fff) | (((uint32)x8 << 12)&0xfffff000);
323   zw7 = ((x8 >> 20)&0x0000003f) | (((uint32)x9 <<  6)&0x7fffffc0);
324
325   /* Store the result as an octet string. */
326   STORE32_L(zv +  0, zw0); STORE32_L(zv +  4, zw1);
327   STORE32_L(zv +  8, zw2); STORE32_L(zv + 12, zw3);
328   STORE32_L(zv + 16, zw4); STORE32_L(zv + 20, zw5);
329   STORE32_L(zv + 24, zw6); STORE32_L(zv + 28, zw7);
330 }
331
332 /* --- @f25519_set@ --- *
333  *
334  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to write the result
335  *              @int a@ = a small-ish constant
336  *
337  * Returns:     ---
338  *
339  * Use:         Sets @z@ to equal @a@.
340  */
341
342 void f25519_set(f25519 *x, int a)
343 {
344   unsigned i;
345
346   x->P[0] = a;
347   for (i = 1; i < NPIECE; i++) x->P[i] = 0;
348 }
349
350 /*----- Basic arithmetic --------------------------------------------------*/
351
352 /* --- @f25519_add@ --- *
353  *
354  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
355  *              @const f25519 *x, *y@ = two operands
356  *
357  * Returns:     ---
358  *
359  * Use:         Set @z@ to the sum %$x + y$%.
360  */
361
362 void f25519_add(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
363 {
364   z->P[0] = x->P[0] + y->P[0]; z->P[1] = x->P[1] + y->P[1];
365   z->P[2] = x->P[2] + y->P[2]; z->P[3] = x->P[3] + y->P[3];
366   z->P[4] = x->P[4] + y->P[4]; z->P[5] = x->P[5] + y->P[5];
367   z->P[6] = x->P[6] + y->P[6]; z->P[7] = x->P[7] + y->P[7];
368   z->P[8] = x->P[8] + y->P[8]; z->P[9] = x->P[9] + y->P[9];
369 }
370
371 /* --- @f25519_sub@ --- *
372  *
373  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
374  *              @const f25519 *x, *y@ = two operands
375  *
376  * Returns:     ---
377  *
378  * Use:         Set @z@ to the difference %$x - y$%.
379  */
380
381 void f25519_sub(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
382 {
383   z->P[0] = x->P[0] - y->P[0]; z->P[1] = x->P[1] - y->P[1];
384   z->P[2] = x->P[2] - y->P[2]; z->P[3] = x->P[3] - y->P[3];
385   z->P[4] = x->P[4] - y->P[4]; z->P[5] = x->P[5] - y->P[5];
386   z->P[6] = x->P[6] - y->P[6]; z->P[7] = x->P[7] - y->P[7];
387   z->P[8] = x->P[8] - y->P[8]; z->P[9] = x->P[9] - y->P[9];
388 }
389
390 #ifndef F25519_TRIM_X25519
391
392 /* --- @f25519_neg@ --- *
393  *
394  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@)
395  *              @const f25519 *x@ = an operand
396  *
397  * Returns:     ---
398  *
399  * Use:         Set @z = -x@.
400  */
401
402 void f25519_neg(f25519 *z, const f25519 *x)
403 {
404   z->P[0] = -x->P[0]; z->P[1] = -x->P[1];
405   z->P[2] = -x->P[2]; z->P[3] = -x->P[3];
406   z->P[4] = -x->P[4]; z->P[5] = -x->P[5];
407   z->P[6] = -x->P[6]; z->P[7] = -x->P[7];
408   z->P[8] = -x->P[8]; z->P[9] = -x->P[9];
409 }
410
411 #endif
412
413 /*----- Constant-time utilities -------------------------------------------*/
414
415 #ifndef F25519_TRIM_X25519
416
417 /* --- @f25519_pick2@ --- *
418  *
419  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
420  *              @const f25519 *x, *y@ = two operands
421  *              @uint32 m@ = a mask
422  *
423  * Returns:     ---
424  *
425  * Use:         If @m@ is zero, set @z = y@; if @m@ is all-bits-set, then set
426  *              @z = x@.  If @m@ has some other value, then scramble @z@ in
427  *              an unhelpful way.
428  */
429
430 void f25519_pick2(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y, uint32 m)
431 {
432   mask32 mm = FIX_MASK32(m);
433
434   z->P[0] = PICK2(x->P[0], y->P[0], mm);
435   z->P[1] = PICK2(x->P[1], y->P[1], mm);
436   z->P[2] = PICK2(x->P[2], y->P[2], mm);
437   z->P[3] = PICK2(x->P[3], y->P[3], mm);
438   z->P[4] = PICK2(x->P[4], y->P[4], mm);
439   z->P[5] = PICK2(x->P[5], y->P[5], mm);
440   z->P[6] = PICK2(x->P[6], y->P[6], mm);
441   z->P[7] = PICK2(x->P[7], y->P[7], mm);
442   z->P[8] = PICK2(x->P[8], y->P[8], mm);
443   z->P[9] = PICK2(x->P[9], y->P[9], mm);
444 }
445
446 /* --- @f25519_pickn@ --- *
447  *
448  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result
449  *              @const f25519 *v@ = a table of entries
450  *              @size_t n@ = the number of entries in @v@
451  *              @size_t i@ = an index
452  *
453  * Returns:     ---
454  *
455  * Use:         If @0 <= i < n < 32@ then set @z = v[i]@.  If @n >= 32@ then
456  *              do something unhelpful; otherwise, if @i >= n@ then set @z@
457  *              to zero.
458  */
459
460 void f25519_pickn(f25519 *z, const f25519 *v, size_t n, size_t i)
461 {
462   uint32 b = (uint32)1 << (31 - i);
463   mask32 m;
464
465   z->P[0] = z->P[1] = z->P[2] = z->P[3] = z->P[4] =
466     z->P[5] = z->P[6] = z->P[7] = z->P[8] = z->P[9] = 0;
467   while (n--) {
468     m = SIGN(b);
469     CONDPICK(z->P[0], v->P[0], m);
470     CONDPICK(z->P[1], v->P[1], m);
471     CONDPICK(z->P[2], v->P[2], m);
472     CONDPICK(z->P[3], v->P[3], m);
473     CONDPICK(z->P[4], v->P[4], m);
474     CONDPICK(z->P[5], v->P[5], m);
475     CONDPICK(z->P[6], v->P[6], m);
476     CONDPICK(z->P[7], v->P[7], m);
477     CONDPICK(z->P[8], v->P[8], m);
478     CONDPICK(z->P[9], v->P[9], m);
479     v++; b <<= 1;
480   }
481 }
482
483 #endif
484
485 /* --- @f25519_condswap@ --- *
486  *
487  * Arguments:   @f25519 *x, *y@ = two operands
488  *              @uint32 m@ = a mask
489  *
490  * Returns:     ---
491  *
492  * Use:         If @m@ is zero, do nothing; if @m@ is all-bits-set, then
493  *              exchange @x@ and @y@.  If @m@ has some other value, then
494  *              scramble @x@ and @y@ in an unhelpful way.
495  */
496
497 void f25519_condswap(f25519 *x, f25519 *y, uint32 m)
498 {
499   mask32 mm = FIX_MASK32(m);
500
501   CONDSWAP(x->P[0], y->P[0], mm);
502   CONDSWAP(x->P[1], y->P[1], mm);
503   CONDSWAP(x->P[2], y->P[2], mm);
504   CONDSWAP(x->P[3], y->P[3], mm);
505   CONDSWAP(x->P[4], y->P[4], mm);
506   CONDSWAP(x->P[5], y->P[5], mm);
507   CONDSWAP(x->P[6], y->P[6], mm);
508   CONDSWAP(x->P[7], y->P[7], mm);
509   CONDSWAP(x->P[8], y->P[8], mm);
510   CONDSWAP(x->P[9], y->P[9], mm);
511 }
512
513 #ifndef F25519_TRIM_X25519
514
515 /* --- @f25519_condneg@ --- *
516  *
517  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@)
518  *              @const f25519 *x@ = an operand
519  *              @uint32 m@ = a mask
520  *
521  * Returns:     ---
522  *
523  * Use:         If @m@ is zero, set @z = x@; if @m@ is all-bits-set, then set
524  *              @z = -x@.  If @m@ has some other value then scramble @z@ in
525  *              an unhelpful way.
526  */
527
528 void f25519_condneg(f25519 *z, const f25519 *x, uint32 m)
529 {
530   mask32 m_xor = FIX_MASK32(m);
531   piece m_add = m&1;
532 # define CONDNEG(x) (((x) ^ m_xor) + m_add)
533
534   z->P[0] = CONDNEG(x->P[0]);
535   z->P[1] = CONDNEG(x->P[1]);
536   z->P[2] = CONDNEG(x->P[2]);
537   z->P[3] = CONDNEG(x->P[3]);
538   z->P[4] = CONDNEG(x->P[4]);
539   z->P[5] = CONDNEG(x->P[5]);
540   z->P[6] = CONDNEG(x->P[6]);
541   z->P[7] = CONDNEG(x->P[7]);
542   z->P[8] = CONDNEG(x->P[8]);
543   z->P[9] = CONDNEG(x->P[9]);
544
545 #undef CONDNEG
546 }
547
548 #endif
549
550 /*----- Multiplication ----------------------------------------------------*/
551
552 /* Let B = 2^63 - 1 be the largest value such that +B and -B can be
553  * represented in a double-precision piece.  On entry, it must be the case
554  * that |X_i| <= M <= B - 2^25 for some M.  If this is the case, then, on
555  * exit, we will have |Z_i| <= 2^25 + 19 M/2^25.
556  */
557 #define CARRYSTEP(z, x, m, b, f, xx, n) do {                            \
558   (z) = (dblpiece)((udblpiece)(x)&(m)) - (b) +                          \
559     (f)*ASR(dblpiece, (xx), (n));                                       \
560 } while (0)
561 #define CARRY_REDUCE(z, x) do {                                         \
562   dblpiece PIECES(_t);                                                  \
563                                                                         \
564   /* Bias the input pieces.  This keeps the carries and so on centred   \
565    * around zero rather than biased positive.                           \
566    */                                                                   \
567   _t0 = (x##0) + B25; _t1 = (x##1) + B24;                               \
568   _t2 = (x##2) + B25; _t3 = (x##3) + B24;                               \
569   _t4 = (x##4) + B25; _t5 = (x##5) + B24;                               \
570   _t6 = (x##6) + B25; _t7 = (x##7) + B24;                               \
571   _t8 = (x##8) + B25; _t9 = (x##9) + B24;                               \
572                                                                         \
573   /* Calculate the reduced pieces.  Careful with the bithacking. */     \
574   CARRYSTEP(z##0, _t0, M26, B25, 19, _t9, 25);                          \
575   CARRYSTEP(z##1, _t1, M25, B24,  1, _t0, 26);                          \
576   CARRYSTEP(z##2, _t2, M26, B25,  1, _t1, 25);                          \
577   CARRYSTEP(z##3, _t3, M25, B24,  1, _t2, 26);                          \
578   CARRYSTEP(z##4, _t4, M26, B25,  1, _t3, 25);                          \
579   CARRYSTEP(z##5, _t5, M25, B24,  1, _t4, 26);                          \
580   CARRYSTEP(z##6, _t6, M26, B25,  1, _t5, 25);                          \
581   CARRYSTEP(z##7, _t7, M25, B24,  1, _t6, 26);                          \
582   CARRYSTEP(z##8, _t8, M26, B25,  1, _t7, 25);                          \
583   CARRYSTEP(z##9, _t9, M25, B24,  1, _t8, 26);                          \
584 } while (0)
585
586 /* --- @f25519_mulconst@ --- *
587  *
588  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@)
589  *              @const f25519 *x@ = an operand
590  *              @long a@ = a small-ish constant; %$|a| < 2^{20}$%.
591  *
592  * Returns:     ---
593  *
594  * Use:         Set @z@ to the product %$a x$%.
595  */
596
597 void f25519_mulconst(f25519 *z, const f25519 *x, long a)
598 {
599   piece PIECES(x);
600   dblpiece PIECES(z), aa = a;
601
602   FETCH(x, x);
603
604   /* Suppose that |x_i| <= 2^27, and |a| <= 2^23.  Then we'll have
605    * |z_i| <= 2^50.
606    */
607   z0 = aa*x0; z1 = aa*x1; z2 = aa*x2; z3 = aa*x3; z4 = aa*x4;
608   z5 = aa*x5; z6 = aa*x6; z7 = aa*x7; z8 = aa*x8; z9 = aa*x9;
609
610   /* Following `CARRY_REDUCE', we'll have |z_i| <= 2^26. */
611   CARRY_REDUCE(z, z);
612   STASH(z, z);
613 }
614
615 /* --- @f25519_mul@ --- *
616  *
617  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
618  *              @const f25519 *x, *y@ = two operands
619  *
620  * Returns:     ---
621  *
622  * Use:         Set @z@ to the product %$x y$%.
623  */
624
625 void f25519_mul(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
626 {
627   piece PIECES(x), PIECES(y);
628   dblpiece PIECES(z);
629   unsigned i;
630
631   FETCH(x, x); FETCH(y, y);
632
633   /* Suppose that |x_i|, |y_i| <= 2^27.  Then we'll have
634    *
635    *    |z_0| <= 267*2^54
636    *    |z_1| <= 154*2^54
637    *    |z_2| <= 213*2^54
638    *    |z_3| <= 118*2^54
639    *    |z_4| <= 159*2^54
640    *    |z_5| <=  82*2^54
641    *    |z_6| <= 105*2^54
642    *    |z_7| <=  46*2^54
643    *    |z_8| <=  51*2^54
644    *    |z_9| <=  10*2^54
645    *
646    * all of which are less than 2^63 - 2^25.
647    */
648
649 #define M(a, b) ((dblpiece)(a)*(b))
650   z0 =     M(x0, y0) +
651        19*(M(x2, y8) + M(x4, y6) + M(x6, y4) + M(x8, y2)) +
652        38*(M(x1, y9) + M(x3, y7) + M(x5, y5) + M(x7, y3) + M(x9, y1));
653   z1 =     M(x0, y1) + M(x1, y0) +
654        19*(M(x2, y9) + M(x3, y8) + M(x4, y7) + M(x5, y6) +
655            M(x6, y5) + M(x7, y4) + M(x8, y3) + M(x9, y2));
656   z2 =     M(x0, y2) + M(x2, y0) +
657         2* M(x1, y1) +
658        19*(M(x4, y8) + M(x6, y6) + M(x8, y4)) +
659        38*(M(x3, y9) + M(x5, y7) + M(x7, y5) + M(x9, y3));
660   z3 =     M(x0, y3) + M(x1, y2) + M(x2, y1) + M(x3, y0) +
661        19*(M(x4, y9) + M(x5, y8) + M(x6, y7) +
662            M(x7, y6) + M(x8, y5) + M(x9, y4));
663   z4 =     M(x0, y4) + M(x2, y2) + M(x4, y0) +
664         2*(M(x1, y3) + M(x3, y1)) +
665        19*(M(x6, y8) + M(x8, y6)) +
666        38*(M(x5, y9) + M(x7, y7) + M(x9, y5));
667   z5 =     M(x0, y5) + M(x1, y4) + M(x2, y3) +
668            M(x3, y2) + M(x4, y1) + M(x5, y0) +
669        19*(M(x6, y9) + M(x7, y8) + M(x8, y7) + M(x9, y6));
670   z6 =     M(x0, y6) + M(x2, y4) + M(x4, y2) + M(x6, y0) +
671         2*(M(x1, y5) + M(x3, y3) + M(x5, y1)) +
672        19* M(x8, y8) +
673        38*(M(x7, y9) + M(x9, y7));
674   z7 =     M(x0, y7) + M(x1, y6) + M(x2, y5) + M(x3, y4) +
675            M(x4, y3) + M(x5, y2) + M(x6, y1) + M(x7, y0) +
676        19*(M(x8, y9) + M(x9, y8));
677   z8 =     M(x0, y8) + M(x2, y6) + M(x4, y4) + M(x6, y2) + M(x8, y0) +
678         2*(M(x1, y7) + M(x3, y5) + M(x5, y3) + M(x7, y1)) +
679        38* M(x9, y9);
680   z9 =     M(x0, y9) + M(x1, y8) + M(x2, y7) + M(x3, y6) + M(x4, y5) +
681            M(x5, y4) + M(x6, y3) + M(x7, y2) + M(x8, y1) + M(x9, y0);
682 #undef M
683
684   /* From above, we have |z_i| <= 2^63 - 2^25.  A pass of `CARRY_REDUCE' will
685    * leave |z_i| <= 2^38 + 2^25; and a second pass will leave |z_i| <= 2^25 +
686    * 2^13, which is comfortable for an addition prior to the next
687    * multiplication.
688    */
689   for (i = 0; i < 2; i++) CARRY_REDUCE(z, z);
690   STASH(z, z);
691 }
692
693 /* --- @f25519_sqr@ --- *
694  *
695  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
696  *              @const f25519 *x@ = an operand
697  *
698  * Returns:     ---
699  *
700  * Use:         Set @z@ to the square %$x^2$%.
701  */
702
703 void f25519_sqr(f25519 *z, const f25519 *x)
704 {
705   piece PIECES(x);
706   dblpiece PIECES(z);
707   unsigned i;
708
709   FETCH(x, x);
710
711   /* See `f25519_mul' for bounds. */
712
713 #define M(a, b) ((dblpiece)(a)*(b))
714   z0 =     M(x0, x0) +
715        38*(M(x2, x8) + M(x4, x6) + M(x5, x5)) +
716        76*(M(x1, x9) + M(x3, x7));
717   z1 =  2* M(x0, x1) +
718        38*(M(x2, x9) + M(x3, x8) + M(x4, x7) + M(x5, x6));
719   z2 =  2*(M(x0, x2) + M(x1, x1)) +
720        19* M(x6, x6) +
721        38* M(x4, x8) +
722        76*(M(x3, x9) + M(x5, x7));
723   z3 =  2*(M(x0, x3) + M(x1, x2)) +
724        38*(M(x4, x9) + M(x5, x8) + M(x6, x7));
725   z4 =     M(x2, x2) +
726         2* M(x0, x4) +
727         4* M(x1, x3) +
728        38*(M(x6, x8) + M(x7, x7)) +
729        76* M(x5, x9);
730   z5 =  2*(M(x0, x5) + M(x1, x4) + M(x2, x3)) +
731        38*(M(x6, x9) + M(x7, x8));
732   z6 =  2*(M(x0, x6) + M(x2, x4) + M(x3, x3)) +
733         4* M(x1, x5) +
734        19* M(x8, x8) +
735        76* M(x7, x9);
736   z7 =  2*(M(x0, x7) + M(x1, x6) + M(x2, x5) + M(x3, x4)) +
737        38* M(x8, x9);
738   z8 =     M(x4, x4) +
739         2*(M(x0, x8) + M(x2, x6)) +
740         4*(M(x1, x7) + M(x3, x5)) +
741        38* M(x9, x9);
742   z9 =  2*(M(x0, x9) + M(x1, x8) + M(x2, x7) + M(x3, x6) + M(x4, x5));
743 #undef M
744
745   /* See `f25519_mul' for details. */
746   for (i = 0; i < 2; i++) CARRY_REDUCE(z, z);
747   STASH(z, z);
748 }
749
750 /*----- More complicated things -------------------------------------------*/
751
752 /* --- @f25519_inv@ --- *
753  *
754  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@)
755  *              @const f25519 *x@ = an operand
756  *
757  * Returns:     ---
758  *
759  * Use:         Stores in @z@ the multiplicative inverse %$x^{-1}$%.  If
760  *              %$x = 0$% then @z@ is set to zero.  This is considered a
761  *              feature.
762  */
763
764 void f25519_inv(f25519 *z, const f25519 *x)
765 {
766   f25519 t, u, t2, t11, t2p10m1, t2p50m1;
767   unsigned i;
768
769 #define SQRN(z, x, n) do {                                              \
770   f25519_sqr((z), (x));                                                 \
771   for (i = 1; i < (n); i++) f25519_sqr((z), (z));                       \
772 } while (0)
773
774   /* Calculate x^-1 = x^(p - 2) = x^(2^255 - 21), which also handles x = 0 as
775    * intended.  The addition chain here is from Bernstein's implementation; I
776    * couldn't find a better one.
777    */                                   /* step | value */
778   f25519_sqr(&t2, x);                   /*    1 | 2 */
779   SQRN(&u, &t2, 2);                     /*    3 | 8 */
780   f25519_mul(&t, &u, x);                /*    4 | 9 */
781   f25519_mul(&t11, &t, &t2);            /*    5 | 11 = 2^5 - 21 */
782   f25519_sqr(&u, &t11);                 /*    6 | 22 */
783   f25519_mul(&t, &t, &u);               /*    7 | 31 = 2^5 - 1 */
784   SQRN(&u, &t, 5);                      /*   12 | 2^10 - 2^5 */
785   f25519_mul(&t2p10m1, &t, &u);         /*   13 | 2^10 - 1 */
786   SQRN(&u, &t2p10m1, 10);               /*   23 | 2^20 - 2^10 */
787   f25519_mul(&t, &t2p10m1, &u);         /*   24 | 2^20 - 1 */
788   SQRN(&u, &t, 20);                     /*   44 | 2^40 - 2^20 */
789   f25519_mul(&t, &t, &u);               /*   45 | 2^40 - 1 */
790   SQRN(&u, &t, 10);                     /*   55 | 2^50 - 2^10 */
791   f25519_mul(&t2p50m1, &t2p10m1, &u);   /*   56 | 2^50 - 1 */
792   SQRN(&u, &t2p50m1, 50);               /*  106 | 2^100 - 2^50 */
793   f25519_mul(&t, &t2p50m1, &u);         /*  107 | 2^100 - 1 */
794   SQRN(&u, &t, 100);                    /*  207 | 2^200 - 2^100 */
795   f25519_mul(&t, &t, &u);               /*  208 | 2^200 - 1 */
796   SQRN(&u, &t, 50);                     /*  258 | 2^250 - 2^50 */
797   f25519_mul(&t, &t2p50m1, &u);         /*  259 | 2^250 - 1 */
798   SQRN(&u, &t, 5);                      /*  264 | 2^255 - 2^5 */
799   f25519_mul(z, &u, &t11);              /*  265 | 2^255 - 21 */
800
801 #undef SQRN
802 }
803
804 #ifndef F25519_TRIM_X25519
805
806 /* --- @f25519_quosqrt@ --- *
807  *
808  * Arguments:   @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
809  *              @const f25519 *x, *y@ = two operands
810  *
811  * Returns:     Zero if successful, @-1@ if %$x/y$% is not a square.
812  *
813  * Use:         Stores in @z@ the one of the square roots %$\pm\sqrt{x/y}$%.
814  *              If %$x = y = 0% then the result is zero; if %$y = 0$% but %$x
815  *              \ne 0$% then the operation fails.  If you wanted a specific
816  *              square root then you'll have to pick it yourself.
817  */
818
819 static const piece sqrtm1_pieces[NPIECE] = {
820 #if F25519_IMPL == 26
821   -32595792,  -7943725,   9377950,   3500415,  12389472,
822     -272473, -25146209,  -2005654,    326686,  11406482
823 #elif F25519_IMPL == 10
824    176,  -88,  161,  157, -485, -196, -231, -220, -416,
825   -169, -255,   50,  189,  -89, -266,  -32,  202, -511,
826    423,  357,  248, -249,   80,  288,   50,  174
827 #endif
828 };
829 #define SQRTM1 ((const f25519 *)sqrtm1_pieces)
830
831 int f25519_quosqrt(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
832 {
833   f25519 t, u, w, beta, xy3, t2p50m1;
834   octet xb[32], b0[32], b1[32];
835   int32 rc = -1;
836   mask32 m;
837   unsigned i;
838
839 #define SQRN(z, x, n) do {                                              \
840   f25519_sqr((z), (x));                                                 \
841   for (i = 1; i < (n); i++) f25519_sqr((z), (z));                       \
842 } while (0)
843
844   /* This is a bit tricky; the algorithm is from Bernstein, Duif, Lange,
845    * Schwabe, and Yang, `High-speed high-security signatures', 2011-09-26,
846    * https://ed25519.cr.yp.to/ed25519-20110926.pdf.
847    *
848    * First of all, a complicated exponentation.  The addition chain here is
849    * mine.  We start with some preliminary values.
850    */                                   /* step | value */
851   SQRN(&u, y, 1);                       /*    1 | 0, 2 */
852   f25519_mul(&t, &u, y);                /*    2 | 0, 3 */
853   f25519_mul(&xy3, &t, x);              /*    3 | 1, 3 */
854   SQRN(&u, &u, 1);                      /*    4 | 0, 4 */
855   f25519_mul(&w, &u, &xy3);             /*    5 | 1, 7 */
856
857   /* And now we calculate w^((p - 5)/8) = w^(252 - 3). */
858   SQRN(&u, &w, 1);                      /*    6 | 2 */
859   f25519_mul(&t, &w, &u);               /*    7 | 3 */
860   SQRN(&u, &t, 1);                      /*    8 | 6 */
861   f25519_mul(&t, &u, &w);               /*    9 | 7 */
862   SQRN(&u, &t, 3);                      /*   12 | 56 */
863   f25519_mul(&t, &t, &u);               /*   13 | 63 = 2^6 - 1 */
864   SQRN(&u, &t, 6);                      /*   19 | 2^12 - 2^6 */
865   f25519_mul(&t, &t, &u);               /*   20 | 2^12 - 1 */
866   SQRN(&u, &t, 12);                     /*   32 | 2^24 - 2^12 */
867   f25519_mul(&t, &t, &u);               /*   33 | 2^24 - 1 */
868   SQRN(&u, &t, 1);                      /*   34 | 2^25 - 2 */
869   f25519_mul(&t, &u, &w);               /*   35 | 2^25 - 1 */
870   SQRN(&u, &t, 25);                     /*   60 | 2^50 - 2^25 */
871   f25519_mul(&t2p50m1, &t, &u);         /*   61 | 2^50 - 1 */
872   SQRN(&u, &t2p50m1, 50);               /*  111 | 2^100 - 2^50 */
873   f25519_mul(&t, &t2p50m1, &u);         /*  112 | 2^100 - 1 */
874   SQRN(&u, &t, 100);                    /*  212 | 2^200 - 2^100 */
875   f25519_mul(&t, &t, &u);               /*  213 | 2^200 - 1 */
876   SQRN(&u, &t, 50);                     /*  263 | 2^250 - 2^50 */
877   f25519_mul(&t, &t2p50m1, &u);         /*  264 | 2^250 - 1 */
878   SQRN(&u, &t, 2);                      /*  266 | 2^252 - 4 */
879   f25519_mul(&t, &u, &w);               /*  267 | 2^252 - 3 */
880
881   /* And finally... */
882   f25519_mul(&beta, &t, &xy3);          /*  268 | ... */
883
884   /* Now we have beta = (x y^3) (x y^7)^((p - 5)/8) = (x/y)^((p + 3)/8), and
885    * we're ready to finish the computation.  Suppose that alpha^2 = u/w.
886    * Then beta^4 = (x/y)^((p + 3)/2) = alpha^(p + 3) = alpha^4 = (x/y)^2, so
887    * we have beta^2 = ±x/y.  If y beta^2 = x then beta is the one we wanted;
888    * if -y beta^2 = x, then we want beta sqrt(-1), which we already know.  Of
889    * course, it might not match either, in which case we fail.
890    *
891    * The easiest way to compare is to encode.  This isn't as wasteful as it
892    * sounds: the hard part is normalizing the representations, which we have
893    * to do anyway.
894    */
895   f25519_sqr(&t, &beta);
896   f25519_mul(&t, &t, y);
897   f25519_neg(&u, &t);
898   f25519_store(xb, x);
899   f25519_store(b0, &t);
900   f25519_store(b1, &u);
901   f25519_mul(&u, &beta, SQRTM1);
902
903   m = -ct_memeq(b0, xb, 32);
904   rc = PICK2(0, rc, m);
905   f25519_pick2(z, &beta, &u, m);
906   m = -ct_memeq(b1, xb, 32);
907   rc = PICK2(0, rc, m);
908
909   /* And we're done. */
910   return (rc);
911 }
912
913 #endif
914
915 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/