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[u/mdw/catacomb] / ec-prime.c
index 5a806da..8f3c731 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 /* -*-c-*-
  *
- * $Id: ec-prime.c,v 1.1 2001/04/29 18:12:33 mdw Exp $
+ * $Id: ec-prime.c,v 1.11 2004/04/08 01:36:15 mdw Exp $
  *
  * Elliptic curves over prime fields
  *
  * MA 02111-1307, USA.
  */
 
-/*----- Revision history --------------------------------------------------* 
- *
- * $Log: ec-prime.c,v $
- * Revision 1.1  2001/04/29 18:12:33  mdw
- * Prototype version.
- *
- */
-
 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
 
+#include <mLib/sub.h>
+
 #include "ec.h"
 
-/*----- Data structures ---------------------------------------------------*/
+/*----- Simple prime curves -----------------------------------------------*/
+
+static const ec_ops ec_primeops, ec_primeprojops, ec_primeprojxops;
+
+static ec *ecneg(ec_curve *c, ec *d, const ec *p)
+{
+  EC_COPY(d, p);
+  if (d->y)
+    d->y = F_NEG(c->f, d->y, d->y);
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecfind(ec_curve *c, ec *d, mp *x)
+{
+  mp *p, *q;
+  field *f = c->f;
+
+  q = F_SQR(f, MP_NEW, x);
+  p = F_MUL(f, MP_NEW, x, q);
+  q = F_MUL(f, q, x, c->a);
+  p = F_ADD(f, p, p, q);
+  p = F_ADD(f, p, p, c->b);
+  MP_DROP(q);
+  p = F_SQRT(f, p, p);
+  if (!p)
+    return (0);
+  EC_DESTROY(d);
+  d->x = MP_COPY(x);
+  d->y = p;
+  d->z = MP_COPY(f->one);
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecdbl(ec_curve *c, ec *d, const ec *a)
+{
+  if (EC_ATINF(a))
+    EC_SETINF(d);
+  else if (F_ZEROP(c->f, a->y))
+    EC_COPY(d, a);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    mp *lambda;
+    mp *dy, *dx;
+
+    dx = F_SQR(f, MP_NEW, a->x);       /* %$x^2$% */
+    dy = F_DBL(f, MP_NEW, a->y);       /* %$2 y$% */
+    dx = F_TPL(f, dx, dx);             /* %$3 x^2$% */
+    dx = F_ADD(f, dx, dx, c->a);       /* %$3 x^2 + A$% */
+    dy = F_INV(f, dy, dy);             /* %$(2 y)^{-1}$% */
+    lambda = F_MUL(f, MP_NEW, dx, dy); /* %$\lambda = (3 x^2 + A)/(2 y)$% */
 
-typedef struct ecctx {
-  ec_curve c;
-  mp *a, *b;
-} ecctx;
+    dx = F_SQR(f, dx, lambda);         /* %$\lambda^2$% */
+    dy = F_DBL(f, dy, a->x);           /* %$2 x$% */
+    dx = F_SUB(f, dx, dx, dy);         /* %$x' = \lambda^2 - 2 x */
+    dy = F_SUB(f, dy, a->x, dx);       /* %$x - x'$% */
+    dy = F_MUL(f, dy, lambda, dy);     /* %$\lambda (x - x')$% */
+    dy = F_SUB(f, dy, dy, a->y);       /* %$y' = \lambda (x - x') - y$% */
 
-/*----- Main code ---------------------------------------------------------*/
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = 0;
+    MP_DROP(lambda);
+  }
+  return (d);
+}
 
-static void ecadd(ec_curve *c, ec *d, const ec *a, const ec *b)
+static ec *ecprojdbl(ec_curve *c, ec *d, const ec *a)
 {
-  /* --- Deal with the simple cases --- */
+  if (EC_ATINF(a))
+    EC_SETINF(d);
+  else if (F_ZEROP(c->f, a->y))
+    EC_COPY(d, a);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    mp *p, *q, *m, *s, *dx, *dy, *dz;
+
+    p = F_SQR(f, MP_NEW, a->z);                /* %$z^2$% */
+    q = F_SQR(f, MP_NEW, p);           /* %$z^4$% */
+    p = F_MUL(f, p, q, c->a);          /* %$A z^4$% */
+    m = F_SQR(f, MP_NEW, a->x);                /* %$x^2$% */
+    m = F_TPL(f, m, m);                        /* %$3 x^2$% */
+    m = F_ADD(f, m, m, p);             /* %$m = 3 x^2 + A z^4$% */
+
+    q = F_DBL(f, q, a->y);             /* %$2 y$% */
+    dz = F_MUL(f, MP_NEW, q, a->z);    /* %$z' = 2 y z$% */
+
+    p = F_SQR(f, p, q);                        /* %$4 y^2$% */
+    s = F_MUL(f, MP_NEW, p, a->x);     /* %$s = 4 x y^2$% */
+    q = F_SQR(f, q, p);                        /* %$16 y^4$% */
+    q = F_HLV(f, q, q);                        /* %$t = 8 y^4$% */
+
+    p = F_DBL(f, p, s);                        /* %$2 s$% */
+    dx = F_SQR(f, MP_NEW, m);          /* %$m^2$% */
+    dx = F_SUB(f, dx, dx, p);          /* %$x' = m^2 - 2 s$% */
 
+    s = F_SUB(f, s, s, dx);            /* %$s - x'$% */
+    dy = F_MUL(f, p, m, s);            /* %$m (s - x')$% */
+    dy = F_SUB(f, dy, dy, q);          /* %$y' = m (s - x') - t$% */
+
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = dz;
+    MP_DROP(m);
+    MP_DROP(q);
+    MP_DROP(s);
+  }
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecprojxdbl(ec_curve *c, ec *d, const ec *a)
+{
+  if (EC_ATINF(a))
+    EC_SETINF(d);
+  else if (F_ZEROP(c->f, a->y))
+    EC_COPY(d, a);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    mp *p, *q, *m, *s, *dx, *dy, *dz;
+
+    m = F_SQR(f, MP_NEW, a->z);                /* %$z^2$% */
+    p = F_SUB(f, MP_NEW, a->x, m);     /* %$x - z^2$% */
+    q = F_ADD(f, MP_NEW, a->x, m);     /* %$x + z^2$% */
+    m = F_MUL(f, m, p, q);             /* %$x^2 - z^4$% */
+    m = F_TPL(f, m, m);                        /* %$m = 3 x^2 - 3 z^4$% */
+
+    q = F_DBL(f, q, a->y);             /* %$2 y$% */
+    dz = F_MUL(f, MP_NEW, q, a->z);    /* %$z' = 2 y z$% */
+
+    p = F_SQR(f, p, q);                        /* %$4 y^2$% */
+    s = F_MUL(f, MP_NEW, p, a->x);     /* %$s = 4 x y^2$% */
+    q = F_SQR(f, q, p);                        /* %$16 y^4$% */
+    q = F_HLV(f, q, q);                        /* %$t = 8 y^4$% */
+
+    p = F_DBL(f, p, s);                        /* %$2 s$% */
+    dx = F_SQR(f, MP_NEW, m);          /* %$m^2$% */
+    dx = F_SUB(f, dx, dx, p);          /* %$x' = m^2 - 2 s$% */
+
+    s = F_SUB(f, s, s, dx);            /* %$s - x'$% */
+    dy = F_MUL(f, p, m, s);            /* %$m (s - x')$% */
+    dy = F_SUB(f, dy, dy, q);          /* %$y' = m (s - x') - t$% */
+
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = dz;
+    MP_DROP(m);
+    MP_DROP(q);
+    MP_DROP(s);
+  }
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecadd(ec_curve *c, ec *d, const ec *a, const ec *b)
+{
   if (a == b)
     ecdbl(c, d, a);
   else if (EC_ATINF(a))
     EC_COPY(d, b);
   else if (EC_ATINF(b))
     EC_COPY(d, a);
-  else if (MP_EQ(a->x, b->x) && MP_EQ(a->z, b->z)) {
-    if ((a->y->f ^ b->y->f) & MP_NEG)
+  else {
+    field *f = c->f;
+    mp *lambda;
+    mp *dy, *dx;
+
+    if (!MP_EQ(a->x, b->x)) {
+      dy = F_SUB(f, MP_NEW, a->y, b->y); /* %$y_0 - y_1$% */
+      dx = F_SUB(f, MP_NEW, a->x, b->x); /* %$x_0 - x_1$% */
+      dx = F_INV(f, dx, dx);           /* %$(x_0 - x_1)^{-1}$% */
+      lambda = F_MUL(f, MP_NEW, dy, dx);
+                                  /* %$\lambda = (y_0 - y1)/(x_0 - x_1)$% */
+    } else if (F_ZEROP(c->f, a->y) || !MP_EQ(a->y, b->y)) {
       EC_SETINF(d);
-    else
-      ecdbl(c, d, a);
-  } else {
+      return (d);
+    } else {
+      dx = F_SQR(f, MP_NEW, a->x);     /* %$x_0^2$% */
+      dx = F_TPL(f, dx, dx);           /* %$3 x_0^2$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, dx, c->a);     /* %$3 x_0^2 + A$% */
+      dy = F_DBL(f, MP_NEW, a->y);     /* %$2 y_0$% */
+      dy = F_INV(f, dy, dy);           /* %$(2 y_0)^{-1}$% */
+      lambda = F_MUL(f, MP_NEW, dx, dy);
+                                   /* %$\lambda = (3 x_0^2 + A)/(2 y_0)$% */
+    }
+
+    dx = F_SQR(f, dx, lambda);         /* %$\lambda^2$% */
+    dx = F_SUB(f, dx, dx, a->x);       /* %$\lambda^2 - x_0$% */
+    dx = F_SUB(f, dx, dx, b->x);       /* %$x' = \lambda^2 - x_0 - x_1$% */
+    dy = F_SUB(f, dy, b->x, dx);       /* %$x_1 - x'$% */
+    dy = F_MUL(f, dy, lambda, dy);     /* %$\lambda (x_1 - x')$% */
+    dy = F_SUB(f, dy, dy, b->y);      /* %$y' = \lambda (x_1 - x') - y_1$% */
 
-    /* --- 
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = 0;
+    MP_DROP(lambda);
   }
+  return (d);
 }
 
+static ec *ecprojadd(ec_curve *c, ec *d, const ec *a, const ec *b)
+{
+  if (a == b)
+    c->ops->dbl(c, d, a);
+  else if (EC_ATINF(a))
+    EC_COPY(d, b);
+  else if (EC_ATINF(b))
+    EC_COPY(d, a);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    mp *p, *q, *r, *w, *u, *uu, *s, *ss, *dx, *dy, *dz;
+
+    q = F_SQR(f, MP_NEW, a->z);                /* %$z_0^2$% */
+    u = F_MUL(f, MP_NEW, q, b->x);     /* %$u = x_1 z_0^2$% */
+    p = F_MUL(f, MP_NEW, q, b->y);     /* %$y_1 z_0^2$% */
+    s = F_MUL(f, q, p, a->z);          /* %$s = y_1 z_0^3$% */
+
+    q = F_SQR(f, MP_NEW, b->z);                /* %$z_1^2$% */
+    uu = F_MUL(f, MP_NEW, q, a->x);    /* %$uu = x_0 z_1^2$%*/
+    p = F_MUL(f, p, q, a->y);          /* %$y_0 z_1^2$% */
+    ss = F_MUL(f, q, p, b->z);         /* %$ss = y_0 z_1^3$% */
+
+    w = F_SUB(f, p, uu, u);            /* %$w = uu - u$% */
+    r = F_SUB(f, MP_NEW, ss, s);       /* %$r = ss - s$% */
+    if (F_ZEROP(f, w)) {
+      MP_DROP(w);
+      MP_DROP(u);
+      MP_DROP(s);
+      MP_DROP(uu);
+      MP_DROP(ss);
+      if (F_ZEROP(f, r)) {
+       MP_DROP(r);
+       return (c->ops->dbl(c, d, a));
+      } else {
+       MP_DROP(r);
+       EC_SETINF(d);
+       return (d);
+      }
+    }
+    u = F_ADD(f, u, u, uu);            /* %$t = uu + u$% */
+    s = F_ADD(f, s, s, ss);            /* %$m = ss + r$% */
+
+    uu = F_MUL(f, uu, a->z, w);                /* %$z_0 w$% */
+    dz = F_MUL(f, ss, uu, b->z);       /* %$z' = z_0 z_1 w$% */
+
+    p = F_SQR(f, uu, w);               /* %$w^2$% */
+    q = F_MUL(f, MP_NEW, p, u);                /* %$t w^2$% */
+    u = F_MUL(f, u, p, w);             /* %$w^3$% */
+    p = F_MUL(f, p, u, s);             /* %$m w^3$% */
+    
+    dx = F_SQR(f, u, r);               /* %$r^2$% */
+    dx = F_SUB(f, dx, dx, q);          /* %$x' = r^2 - t w^2$% */
+
+    s = F_DBL(f, s, dx);               /* %$2 x'$% */
+    q = F_SUB(f, q, q, s);             /* %$v = t w^2 - 2 x'$% */
+    dy = F_MUL(f, s, q, r);            /* %$v r$% */
+    dy = F_SUB(f, dy, dy, p);          /* %$v r - m w^3$% */
+    dy = F_HLV(f, dy, dy);             /* %$y' = (v r - m w^3)/2$% */
+
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = dz;
+    MP_DROP(p);
+    MP_DROP(q);
+    MP_DROP(r);
+    MP_DROP(w);
+  }
+  return (d);
+}
+
+static int eccheck(ec_curve *c, const ec *p)
+{
+  field *f = c->f;
+  mp *l, *x, *r;
+  int rc;
+  if (EC_ATINF(p)) return (0);
+  l = F_SQR(f, MP_NEW, p->y);
+  x = F_SQR(f, MP_NEW, p->x);
+  r = F_MUL(f, MP_NEW, x, p->x);
+  x = F_MUL(f, x, c->a, p->x);
+  r = F_ADD(f, r, r, x);
+  r = F_ADD(f, r, r, c->b);
+  rc = MP_EQ(l, r) ? 0 : -1;
+  mp_drop(l);
+  mp_drop(x);
+  mp_drop(r);
+  return (rc);
+}
+
+static int ecprojcheck(ec_curve *c, const ec *p)
+{
+  ec t = EC_INIT;
+  int rc;
+  
+  c->ops->fix(c, &t, p);
+  rc = eccheck(c, &t);
+  EC_DESTROY(&t);
+  return (rc);
+}
+
+static void ecdestroy(ec_curve *c)
+{
+  MP_DROP(c->a);
+  MP_DROP(c->b);
+  DESTROY(c);
+}
+
+/* --- @ec_prime@, @ec_primeproj@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @field *f@ = the underlying field for this elliptic curve
+ *             @mp *a, *b@ = the coefficients for this curve
+ *
+ * Returns:    A pointer to the curve, or null.
+ *
+ * Use:                Creates a curve structure for an elliptic curve defined over
+ *             a prime field.  The @primeproj@ variant uses projective
+ *             coordinates, which can be a win.
+ */
+
+extern ec_curve *ec_prime(field *f, mp *a, mp *b)
+{
+  ec_curve *c = CREATE(ec_curve);
+  c->ops = &ec_primeops;
+  c->f = f;
+  c->a = F_IN(f, MP_NEW, a);
+  c->b = F_IN(f, MP_NEW, b);
+  return (c);
+}
+
+extern ec_curve *ec_primeproj(field *f, mp *a, mp *b)
+{
+  ec_curve *c = CREATE(ec_curve);
+  mp *ax;
+
+  ax = mp_add(MP_NEW, a, MP_THREE);
+  ax = F_IN(f, ax, ax);
+  if (F_ZEROP(f, ax))
+    c->ops = &ec_primeprojxops;
+  else
+    c->ops = &ec_primeprojops;
+  MP_DROP(ax);
+  c->f = f;
+  c->a = F_IN(f, MP_NEW, a);
+  c->b = F_IN(f, MP_NEW, b);
+  return (c);
+}
+
+static const ec_ops ec_primeops = {
+  ecdestroy, ec_stdsamep, ec_idin, ec_idout, ec_idfix,
+  ecfind, ecneg, ecadd, ec_stdsub, ecdbl, eccheck
+};
+
+static const ec_ops ec_primeprojops = {
+  ecdestroy, ec_stdsamep, ec_projin, ec_projout, ec_projfix,
+  ecfind, ecneg, ecprojadd, ec_stdsub, ecprojdbl, ecprojcheck
+};
+
+static const ec_ops ec_primeprojxops = {
+  ecdestroy, ec_stdsamep, ec_projin, ec_projout, ec_projfix,
+  ecfind, ecneg, ecprojadd, ec_stdsub, ecprojxdbl, ecprojcheck
+};
+
+/*----- Test rig ----------------------------------------------------------*/
+
+#ifdef TEST_RIG
+
+#define MP(x) mp_readstring(MP_NEW, #x, 0, 0)
+
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+  field *f;
+  ec_curve *c;
+  ec g = EC_INIT, d = EC_INIT;
+  mp *p, *a, *b, *r;
+  int i, n = argc == 1 ? 1 : atoi(argv[1]);
+
+  printf("ec-prime: ");
+  fflush(stdout);
+  a = MP(-3);
+  b = MP(0xb3312fa7e23ee7e4988e056be3f82d19181d9c6efe8141120314088f5013875ac656398d8a2ed19d2a85c8edd3ec2aef);
+  p = MP(39402006196394479212279040100143613805079739270465446667948293404245721771496870329047266088258938001861606973112319);
+  r = MP(39402006196394479212279040100143613805079739270465446667946905279627659399113263569398956308152294913554433653942642);
+
+  f = field_niceprime(p);
+  c = ec_primeproj(f, a, b);
+  
+  g.x = MP(0xaa87ca22be8b05378eb1c71ef320ad746e1d3b628ba79b9859f741e082542a385502f25dbf55296c3a545e3872760ab7);
+  g.y = MP(0x3617de4a96262c6f5d9e98bf9292dc29f8f41dbd289a147ce9da3113b5f0b8c00a60b1ce1d7e819d7a431d7c90ea0e5f);
+
+  for (i = 0; i < n; i++) { 
+    ec_mul(c, &d, &g, r);
+    if (EC_ATINF(&d)) {
+      fprintf(stderr, "zero too early\n");
+      return (1);
+    }
+    ec_add(c, &d, &d, &g);
+    if (!EC_ATINF(&d)) {
+      fprintf(stderr, "didn't reach zero\n");
+      MP_EPRINT("d.x", d.x);
+      MP_EPRINT("d.y", d.y);
+      return (1);
+    }
+    ec_destroy(&d);
+  }
+  ec_destroy(&g);
+  ec_destroycurve(c);
+  F_DESTROY(f);
+  MP_DROP(p); MP_DROP(a); MP_DROP(b); MP_DROP(r);
+  assert(!mparena_count(&mparena_global));
+  printf("ok\n");
+  return (0);
+}
+
+#endif
+
 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/