Merge and close elliptic curve branch.
[u/mdw/catacomb] / ec-bin.c
diff --git a/ec-bin.c b/ec-bin.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..3e85e65
--- /dev/null
+++ b/ec-bin.c
@@ -0,0 +1,431 @@
+/* -*-c-*-
+ *
+ * $Id: ec-bin.c,v 1.2 2004/03/21 22:52:06 mdw Exp $
+ *
+ * Arithmetic for elliptic curves over binary fields
+ *
+ * (c) 2004 Straylight/Edgeware
+ */
+
+/*----- Licensing notice --------------------------------------------------* 
+ *
+ * This file is part of Catacomb.
+ *
+ * Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
+ * it under the terms of the GNU Library General Public License as
+ * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
+ * License, or (at your option) any later version.
+ * 
+ * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
+ * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+ * GNU Library General Public License for more details.
+ * 
+ * You should have received a copy of the GNU Library General Public
+ * License along with Catacomb; if not, write to the Free
+ * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
+ * MA 02111-1307, USA.
+ */
+
+/*----- Revision history --------------------------------------------------* 
+ *
+ * $Log: ec-bin.c,v $
+ * Revision 1.2  2004/03/21 22:52:06  mdw
+ * Merge and close elliptic curve branch.
+ *
+ * Revision 1.1.2.1  2004/03/21 22:39:46  mdw
+ * Elliptic curves on binary fields work.
+ *
+ */
+
+/*----- Header files ------------------------------------------------------*/
+
+#include <mLib/sub.h>
+
+#include "ec.h"
+
+/*----- Data structures ---------------------------------------------------*/
+
+typedef struct ecctx {
+  ec_curve c;
+  mp *a, *b;
+  mp *bb;
+} ecctx;
+
+/*----- Main code ---------------------------------------------------------*/
+
+static const ec_ops ec_binops, ec_binprojops;
+
+static ec *ecneg(ec_curve *c, ec *d, const ec *p)
+{
+  EC_COPY(d, p);
+  if (d->x)
+    d->y = F_ADD(c->f, d->y, d->y, d->x);
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecprojneg(ec_curve *c, ec *d, const ec *p)
+{
+  EC_COPY(d, p);
+  if (d->x) {
+    mp *t = F_MUL(c->f, MP_NEW, d->x, d->z);
+    d->y = F_ADD(c->f, d->y, d->y, t);
+    MP_DROP(t);
+  }
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecfind(ec_curve *c, ec *d, mp *x)
+{
+  /* write me */
+  return (0);
+}
+
+static ec *ecdbl(ec_curve *c, ec *d, const ec *a)
+{
+  if (EC_ATINF(a) || F_ZEROP(c->f, a->x))
+    EC_SETINF(d);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    ecctx *cc = (ecctx *)c;
+    mp *lambda;
+    mp *dx, *dy;
+
+    dx = F_INV(f, MP_NEW, a->x);       /* %$x^{-1}$% */
+    dy = F_MUL(f, MP_NEW, dx, a->y);   /* %$y/x$% */
+    lambda = F_ADD(f, dy, dy, a->x);   /* %$\lambda = x + y/x$% */
+
+    dx = F_SQR(f, dx, lambda);         /* %$\lambda^2$% */
+    dx = F_ADD(f, dx, dx, lambda);     /* %$\lambda^2 + \lambda$% */
+    dx = F_ADD(f, dx, dx, cc->a);     /* %$x' = a + \lambda^2 + \lambda$% */
+
+    dy = F_ADD(f, MP_NEW, a->x, dx);   /* %$ x + x' $% */
+    dy = F_MUL(f, dy, dy, lambda);     /* %$ (x + x') \lambda$% */
+    dy = F_ADD(f, dy, dy, a->y);       /* %$ (x + x') \lambda + y$% */
+    dy = F_ADD(f, dy, dy, dx);     /* %$ y' = (x + x') \lambda + y + x'$% */
+
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = 0;
+    MP_DROP(lambda);
+  }
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecprojdbl(ec_curve *c, ec *d, const ec *a)
+{
+  if (EC_ATINF(a) || F_ZEROP(c->f, a->x))
+    EC_SETINF(d);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    ecctx *cc = (ecctx *)c;
+    mp *dx, *dy, *dz, *u, *v;
+
+    dy = F_SQR(f, MP_NEW, a->z);       /* %$z^2$% */
+    dx = F_MUL(f, MP_NEW, dy, cc->bb); /* %$c z^2$% */
+    dx = F_ADD(f, dx, dx, a->x);       /* %$x + c z^2$% */
+    dz = F_SQR(f, MP_NEW, dx);         /* %$(x + c z^2)^2$% */
+    dx = F_SQR(f, dx, dz);             /* %$x' = (x + c z^2)^4$% */
+
+    dz = F_MUL(f, dz, dy, a->x);       /* %$z' = x z^2$% */
+
+    dy = F_SQR(f, dy, a->x);           /* %$x^2$% */
+    u = F_MUL(f, MP_NEW, a->y, a->z);  /* %$y z$% */
+    u = F_ADD(f, u, u, dz);            /* %$z' + y z$% */
+    u = F_ADD(f, u, u, dy);            /* %$u = z' + x^2 + y z$% */
+
+    v = F_SQR(f, MP_NEW, dy);          /* %$x^4$% */
+    dy = F_MUL(f, dy, v, dz);          /* %$x^4 z'$% */
+    v = F_MUL(f, v, u, dx);            /* %$u x'$% */
+    dy = F_ADD(f, dy, dy, v);          /* %$y' = x^4 z' + u x'$% */
+
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = dz;
+    MP_DROP(u);
+    MP_DROP(v);
+    assert(!(d->x->f & MP_DESTROYED));
+    assert(!(d->y->f & MP_DESTROYED));
+    assert(!(d->z->f & MP_DESTROYED));
+  }
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecadd(ec_curve *c, ec *d, const ec *a, const ec *b)
+{
+  if (a == b)
+    ecdbl(c, d, a);
+  else if (EC_ATINF(a))
+    EC_COPY(d, b);
+  else if (EC_ATINF(b))
+    EC_COPY(d, a);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    ecctx *cc = (ecctx *)c;
+    mp *lambda;
+    mp *dx, *dy;
+
+    if (!MP_EQ(a->x, b->x)) {
+      dx = F_ADD(f, MP_NEW, a->x, b->x); /* %$x_0 + x_1$% */
+      dy = F_INV(f, MP_NEW, dx);       /* %$(x_0 + x_1)^{-1}$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, a->y, b->y);   /* %$y_0 + y_1$% */
+      lambda = F_MUL(f, MP_NEW, dy, dx);
+                                 /* %$\lambda = (y_0 + y_1)/(x_0 + x_1)$% */
+
+      dx = F_SQR(f, dx, lambda);       /* %$\lambda^2$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, dx, lambda);   /* %$\lambda^2 + \lambda$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, dx, cc->a);    /* %$a + \lambda^2 + \lambda$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, dx, a->x);    /* %$a + \lambda^2 + \lambda + x_0$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, dx, b->x);
+                           /* %$x' = a + \lambda^2 + \lambda + x_0 + x_1$% */
+    } else if (!MP_EQ(a->y, b->y) || F_ZEROP(f, a->x)) {
+      EC_SETINF(d);
+      return (d);
+    } else {
+      dx = F_INV(f, MP_NEW, a->x);     /* %$x^{-1}$% */
+      dy = F_MUL(f, MP_NEW, dx, a->y); /* %$y/x$% */
+      lambda = F_ADD(f, dy, dy, a->x); /* %$\lambda = x + y/x$% */
+
+      dx = F_SQR(f, dx, lambda);       /* %$\lambda^2$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, dx, lambda);   /* %$\lambda^2 + \lambda$% */
+      dx = F_ADD(f, dx, dx, cc->a);    /* %$x' = a + \lambda^2 + \lambda$% */
+      dy = MP_NEW;
+    }
+      
+    dy = F_ADD(f, dy, a->x, dx);       /* %$ x + x' $% */
+    dy = F_MUL(f, dy, dy, lambda);     /* %$ (x + x') \lambda$% */
+    dy = F_ADD(f, dy, dy, a->y);       /* %$ (x + x') \lambda + y$% */
+    dy = F_ADD(f, dy, dy, dx);     /* %$ y' = (x + x') \lambda + y + x'$% */
+
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = 0;
+    MP_DROP(lambda);
+  }
+  return (d);
+}
+
+static ec *ecprojadd(ec_curve *c, ec *d, const ec *a, const ec *b)
+{
+  if (a == b)
+    c->ops->dbl(c, d, a);
+  else if (EC_ATINF(a))
+    EC_COPY(d, b);
+  else if (EC_ATINF(b))
+    EC_COPY(d, a);
+  else {
+    field *f = c->f;
+    ecctx *cc = (ecctx *)c;
+    mp *dx, *dy, *dz, *u, *uu, *v, *t, *s, *ss, *r, *w, *l;
+
+    dz = F_SQR(f, MP_NEW, b->z);       /* %$z_1^2$% */
+    u = F_MUL(f, MP_NEW, dz, a->x);    /* %$u_0 = x_0 z_1^2$% */
+    t = F_MUL(f, MP_NEW, dz, b->z);    /* %$z_1^3$% */
+    s = F_MUL(f, MP_NEW, t, a->y);     /* %$s_0 = y_0 z_1^3$% */
+
+    dz = F_SQR(f, dz, a->z);           /* %$z_0^2$% */
+    uu = F_MUL(f, MP_NEW, dz, b->x);   /* %$u_1 = x_1 z_0^2$% */
+    t = F_MUL(f, t, dz, a->z);         /* %$z_0^3$% */
+    ss = F_MUL(f, MP_NEW, t, b->y);    /* %$s_1 = y_1 z_0^3$% */
+
+    w = F_ADD(f, u, u, uu);            /* %$r = u_0 + u_1$% */
+    r = F_ADD(f, s, s, ss);            /* %$w = s_0 + s_1$% */
+    if (F_ZEROP(f, w)) {
+      MP_DROP(w);
+      MP_DROP(uu);
+      MP_DROP(ss);
+      MP_DROP(t);
+      MP_DROP(dz);
+      if (F_ZEROP(f, r)) {
+       MP_DROP(r);
+       return (c->ops->dbl(c, d, a));
+      } else {
+       MP_DROP(r);
+       EC_SETINF(d);
+       return (d);
+      }
+    }
+
+    l = F_MUL(f, t, a->z, w);          /* %$l = z_0 w$% */
+
+    dz = F_MUL(f, dz, l, b->z);                /* %$z' = l z_1$% */
+
+    ss = F_MUL(f, ss, r, b->x);                /* %$r x_1$% */
+    t = F_MUL(f, uu, l, b->y);         /* %$l y_1$% */
+    v = F_ADD(f, ss, ss, t);           /* %$v = r x_1 + l y_1$% */
+
+    t = F_ADD(f, t, r, dz);            /* %$t = r + z'$% */
+
+    uu = F_SQR(f, MP_NEW, dz);         /* %$z'^2$% */
+    dx = F_MUL(f, MP_NEW, uu, cc->a);  /* %$a z'^2$% */
+    uu = F_MUL(f, uu, t, r);           /* %$t r$% */
+    dx = F_ADD(f, dx, dx, uu);         /* %$a z'^2 + t r$% */
+    r = F_SQR(f, r, w);                        /* %$w^2$% */
+    uu = F_MUL(f, uu, r, w);           /* %$w^3$% */
+    dx = F_ADD(f, dx, dx, uu);         /* %$x' = a z'^2 + t r + w^3$% */
+
+    r = F_SQR(f, r, l);                        /* %$l^2$% */
+    dy = F_MUL(f, uu, v, r);           /* %$v l^2$% */
+    l = F_MUL(f, l, t, dx);            /* %$t x'$% */
+    dy = F_ADD(f, dy, dy, l);          /* %$y' = t x' + v l^2$% */
+
+    EC_DESTROY(d);
+    d->x = dx;
+    d->y = dy;
+    d->z = dz;
+    MP_DROP(l);
+    MP_DROP(r);
+    MP_DROP(w);
+    MP_DROP(t);
+    MP_DROP(v);
+  }
+  return (d);
+}
+
+static int eccheck(ec_curve *c, const ec *p)
+{
+  ecctx *cc = (ecctx *)c;
+  field *f = c->f;
+  int rc;
+  mp *u, *v;
+
+  v = F_SQR(f, MP_NEW, p->x);
+  u = F_MUL(f, MP_NEW, v, p->x);
+  v = F_MUL(f, v, v, cc->a);
+  u = F_ADD(f, u, u, v);
+  u = F_ADD(f, u, u, cc->b);
+  v = F_MUL(f, v, p->x, p->y);
+  u = F_ADD(f, u, u, v);
+  v = F_SQR(f, v, p->y);
+  u = F_ADD(f, u, u, v);
+  rc = F_ZEROP(f, u);
+  mp_drop(u);
+  mp_drop(v);
+  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)
+{
+  ecctx *cc = (ecctx *)c;
+  MP_DROP(cc->a);
+  MP_DROP(cc->b);
+  if (cc->bb) MP_DROP(cc->bb);
+  DESTROY(cc);
+}
+
+/* --- @ec_bin@, @ec_binproj@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @field *f@ = the underlying field for this elliptic curve
+ *             @mp *a, *b@ = the coefficients for this curve
+ *
+ * Returns:    A pointer to the curve.
+ *
+ * Use:                Creates a curve structure for an elliptic curve defined over
+ *             a binary field.  The @binproj@ variant uses projective
+ *             coordinates, which can be a win.
+ */
+
+ec_curve *ec_bin(field *f, mp *a, mp *b)
+{
+  ecctx *cc = CREATE(ecctx);
+  cc->c.ops = &ec_binops;
+  cc->c.f = f;
+  cc->a = F_IN(f, MP_NEW, a);
+  cc->b = F_IN(f, MP_NEW, b);
+  cc->bb = 0;
+  return (&cc->c);
+}
+
+ec_curve *ec_binproj(field *f, mp *a, mp *b)
+{
+  ecctx *cc = CREATE(ecctx);
+  cc->c.ops = &ec_binprojops;
+  cc->c.f = f;
+  cc->a = F_IN(f, MP_NEW, a);
+  cc->b = F_IN(f, MP_NEW, b);
+  cc->bb = F_SQRT(f, MP_NEW, b);
+  cc->bb = F_SQRT(f, cc->bb, cc->bb);
+  return (&cc->c);
+}
+
+static const ec_ops ec_binops = {
+  ecdestroy, ec_idin, ec_idout, ec_idfix,
+  0, ecneg, ecadd, ec_stdsub, ecdbl, eccheck
+};
+
+static const ec_ops ec_binprojops = {
+  ecdestroy, ec_projin, ec_projout, ec_projfix,
+  0, ecprojneg, ecprojadd, ec_stdsub, ecprojdbl, 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-bin: ");
+  fflush(stdout);
+  a = MP(1);
+  b = MP(0x066647ede6c332c7f8c0923bb58213b333b20e9ce4281fe115f7d8f90ad);
+  p = MP(0x20000000000000000000000000000000000000004000000000000000001);
+  r =
+  MP(6901746346790563787434755862277025555839812737345013555379383634485462);
+
+  f = field_binpoly(p);
+  c = ec_binproj(f, a, b);
+  
+  g.x = MP(0x0fac9dfcbac8313bb2139f1bb755fef65bc391f8b36f8f8eb7371fd558b);
+  g.y = MP(0x1006a08a41903350678e58528bebf8a0beff867a7ca36716f7e01f81052);
+
+  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_EPRINTX("d.x", d.x);
+      MP_EPRINTX("d.y", d.y);
+      MP_EPRINTX("d.z", 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 -------------------------------------------------*/