work in progress; to be tidied and fixed
[u/mdw/putty] / sshbn.c
diff --git a/sshbn.c b/sshbn.c
index dc83c40..580dd6f 100644 (file)
--- a/sshbn.c
+++ b/sshbn.c
@@ -8,37 +8,7 @@
 #include <string.h>
 
 #include "misc.h"
-
-#if defined __GNUC__ && defined __i386__
-typedef unsigned long BignumInt;
-typedef unsigned long long BignumDblInt;
-#define BIGNUM_INT_MASK  0xFFFFFFFFUL
-#define BIGNUM_TOP_BIT   0x80000000UL
-#define BIGNUM_INT_BITS  32
-#define MUL_WORD(w1, w2) ((BignumDblInt)w1 * w2)
-#define DIVMOD_WORD(q, r, hi, lo, w) \
-    __asm__("div %2" : \
-           "=d" (r), "=a" (q) : \
-           "r" (w), "d" (hi), "a" (lo))
-#else
-typedef unsigned short BignumInt;
-typedef unsigned long BignumDblInt;
-#define BIGNUM_INT_MASK  0xFFFFU
-#define BIGNUM_TOP_BIT   0x8000U
-#define BIGNUM_INT_BITS  16
-#define MUL_WORD(w1, w2) ((BignumDblInt)w1 * w2)
-#define DIVMOD_WORD(q, r, hi, lo, w) do { \
-    BignumDblInt n = (((BignumDblInt)hi) << BIGNUM_INT_BITS) | lo; \
-    q = n / w; \
-    r = n % w; \
-} while (0)
-#endif
-
-#define BIGNUM_INT_BYTES (BIGNUM_INT_BITS / 8)
-
-#define BIGNUM_INTERNAL
-typedef BignumInt *Bignum;
-
+#include "bn-internal.h"
 #include "ssh.h"
 
 BignumInt bnZero[1] = { 0 };
@@ -90,7 +60,7 @@ void freebn(Bignum b)
     /*
      * Burn the evidence, just in case.
      */
-    memset(b, 0, sizeof(b[0]) * (b[0] + 1));
+    smemclr(b, sizeof(b[0]) * (b[0] + 1));
     sfree(b);
 }
 
@@ -102,31 +72,427 @@ Bignum bn_power_2(int n)
 }
 
 /*
+ * Internal addition. Sets c = a - b, where 'a', 'b' and 'c' are all
+ * little-endian arrays of 'len' BignumInts. Returns a BignumInt carried
+ * off the top.
+ */
+static BignumInt internal_add(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
+                              BignumInt *c, int len)
+{
+    int i;
+    BignumDblInt carry = 0;
+
+    for (i = 0; i < len; i++) {
+        carry += (BignumDblInt)a[i] + b[i];
+        c[i] = (BignumInt)carry;
+        carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
+    }
+
+    return (BignumInt)carry;
+}
+
+/*
+ * Internal subtraction. Sets c = a - b, where 'a', 'b' and 'c' are
+ * all little-endian arrays of 'len' BignumInts. Any borrow from the top
+ * is ignored.
+ */
+static void internal_sub(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
+                         BignumInt *c, int len)
+{
+    int i;
+    BignumDblInt carry = 1;
+
+    for (i = 0; i < len; i++) {
+        carry += (BignumDblInt)a[i] + (b[i] ^ BIGNUM_INT_MASK);
+        c[i] = (BignumInt)carry;
+        carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
+    }
+}
+
+/*
  * Compute c = a * b.
  * Input is in the first len words of a and b.
  * Result is returned in the first 2*len words of c.
+ *
+ * 'scratch' must point to an array of BignumInt of size at least
+ * mul_compute_scratch(len). (This covers the needs of internal_mul
+ * and all its recursive calls to itself.)
  */
-static void internal_mul(BignumInt *a, BignumInt *b,
-                        BignumInt *c, int len)
+#define KARATSUBA_THRESHOLD 50
+static int mul_compute_scratch(int len)
 {
-    int i, j;
-    BignumDblInt t;
-
-    for (j = 0; j < 2 * len; j++)
-       c[j] = 0;
-
-    for (i = len - 1; i >= 0; i--) {
-       t = 0;
-       for (j = len - 1; j >= 0; j--) {
-           t += MUL_WORD(a[i], (BignumDblInt) b[j]);
-           t += (BignumDblInt) c[i + j + 1];
-           c[i + j + 1] = (BignumInt) t;
-           t = t >> BIGNUM_INT_BITS;
-       }
-       c[i] = (BignumInt) t;
+    int ret = 0;
+    while (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
+        int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
+        int midlen = botlen + 1;
+        ret += 4*midlen;
+        len = midlen;
+    }
+    return ret;
+}
+static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
+                        BignumInt *c, int len, BignumInt *scratch)
+{
+    if (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
+        int i;
+
+        /*
+         * Karatsuba divide-and-conquer algorithm. Cut each input in
+         * half, so that it's expressed as two big 'digits' in a giant
+         * base D:
+         *
+         *   a = a_1 D + a_0
+         *   b = b_1 D + b_0
+         *
+         * Then the product is of course
+         *
+         *  ab = a_1 b_1 D^2 + (a_1 b_0 + a_0 b_1) D + a_0 b_0
+         *
+         * and we compute the three coefficients by recursively
+         * calling ourself to do half-length multiplications.
+         *
+         * The clever bit that makes this worth doing is that we only
+         * need _one_ half-length multiplication for the central
+         * coefficient rather than the two that it obviouly looks
+         * like, because we can use a single multiplication to compute
+         *
+         *   (a_1 + a_0) (b_1 + b_0) = a_1 b_1 + a_1 b_0 + a_0 b_1 + a_0 b_0
+         *
+         * and then we subtract the other two coefficients (a_1 b_1
+         * and a_0 b_0) which we were computing anyway.
+         *
+         * Hence we get to multiply two numbers of length N in about
+         * three times as much work as it takes to multiply numbers of
+         * length N/2, which is obviously better than the four times
+         * as much work it would take if we just did a long
+         * conventional multiply.
+         */
+
+        int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
+        int midlen = botlen + 1;
+        BignumDblInt carry;
+
+        /*
+         * The coefficients a_1 b_1 and a_0 b_0 just avoid overlapping
+         * in the output array, so we can compute them immediately in
+         * place.
+         */
+
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("a1,a0 = 0x");
+        for (i = 0; i < len; i++) {
+            if (i == toplen) printf(", 0x");
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, a[len - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+        printf("b1,b0 = 0x");
+        for (i = 0; i < len; i++) {
+            if (i == toplen) printf(", 0x");
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, b[len - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+        /* a_1 b_1 */
+        internal_mul(a + botlen, b + botlen, c + 2*botlen, toplen, scratch);
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("a1b1 = 0x");
+        for (i = 0; i < 2*toplen; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[2*len - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+        /* a_0 b_0 */
+        internal_mul(a, b, c, botlen, scratch);
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("a0b0 = 0x");
+        for (i = 0; i < 2*botlen; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[2*botlen - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+        /* Zero padding. botlen exceeds toplen by at most 1, and we'll set
+         * the extra carry explicitly below, so we only need to zero at most
+         * one of the top words here.
+         */
+        scratch[midlen - 2] = scratch[2*midlen - 2] = 0;
+
+        for (i = 0; i < toplen; i++) {
+            scratch[i] = a[i + botlen]; /* a_1 */
+            scratch[midlen + i] = b[i + botlen]; /* b_1 */
+        }
+
+        /* compute a_1 + a_0 */
+        scratch[midlen - 1] = internal_add(scratch, a, scratch, botlen);
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("a1plusa0 = 0x");
+        for (i = 0; i < midlen; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[midlen - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+        /* compute b_1 + b_0 */
+        scratch[2*midlen - 1] = internal_add(scratch+midlen, b,
+                                             scratch+midlen, botlen);
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("b1plusb0 = 0x");
+        for (i = 0; i < midlen; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[2*midlen - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+        /*
+         * Now we can do the third multiplication.
+         */
+        internal_mul(scratch, scratch + midlen, scratch + 2*midlen, midlen,
+                     scratch + 4*midlen);
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("a1plusa0timesb1plusb0 = 0x");
+        for (i = 0; i < 2*midlen; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[4*midlen - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+        /*
+         * Now we can reuse the first half of 'scratch' to compute the
+         * sum of the outer two coefficients, to subtract from that
+         * product to obtain the middle one.
+         */
+        scratch[2*botlen - 2] = scratch[2*botlen - 1] = 0;
+        for (i = 0; i < 2*toplen; i++)
+            scratch[i] = c[2*botlen + i];
+        scratch[2*botlen] = internal_add(scratch, c, scratch, 2*botlen);
+        scratch[2*botlen + 1] = 0;
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("a1b1plusa0b0 = 0x");
+        for (i = 0; i < 2*midlen; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[2*midlen - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+        internal_sub(scratch + 2*midlen, scratch, scratch, 2*midlen);
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("a1b0plusa0b1 = 0x");
+        for (i = 0; i < 2*midlen; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[4*midlen - 1 - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+        /*
+         * And now all we need to do is to add that middle coefficient
+         * back into the output. We may have to propagate a carry
+         * further up the output, but we can be sure it won't
+         * propagate right the way off the top.
+         */
+        carry = internal_add(c + botlen, scratch, c + botlen, 2*midlen);
+        i = botlen + 2*midlen;
+        while (carry) {
+            assert(i <= 2*len);
+            carry += c[i];
+            c[i] = (BignumInt)carry;
+            carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
+            i++;
+        }
+#ifdef KARA_DEBUG
+        printf("ab = 0x");
+        for (i = 0; i < 2*len; i++) {
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[2*len - i]);
+        }
+        printf("\n");
+#endif
+
+    } else {
+        int i;
+        BignumInt carry;
+        BignumDblInt t;
+        const BignumInt *ap, *alim = a + len, *bp, *blim = b + len;
+        BignumInt *cp, *cps;
+
+        /*
+         * Multiply in the ordinary O(N^2) way.
+         */
+
+        for (i = 0; i < 2 * len; i++)
+            c[i] = 0;
+
+        for (cps = c, ap = a; ap < alim; ap++, cps++) {
+            carry = 0;
+            for (cp = cps, bp = b, i = blim - bp; i--; bp++, cp++) {
+                t = (MUL_WORD(*ap, *bp) + carry) + *cp;
+                *cp = (BignumInt) t;
+                carry = (BignumInt)(t >> BIGNUM_INT_BITS);
+            }
+            *cp = carry;
+        }
+    }
+}
+
+/*
+ * Variant form of internal_mul used for the initial step of
+ * Montgomery reduction. Only bothers outputting 'len' words
+ * (everything above that is thrown away).
+ */
+static void internal_mul_low(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
+                             BignumInt *c, int len, BignumInt *scratch)
+{
+    if (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
+        int i;
+
+        /*
+         * Karatsuba-aware version of internal_mul_low. As before, we
+         * express each input value as a shifted combination of two
+         * halves:
+         *
+         *   a = a_1 D + a_0
+         *   b = b_1 D + b_0
+         *
+         * Then the full product is, as before,
+         *
+         *  ab = a_1 b_1 D^2 + (a_1 b_0 + a_0 b_1) D + a_0 b_0
+         *
+         * Provided we choose D on the large side (so that a_0 and b_0
+         * are _at least_ as long as a_1 and b_1), we don't need the
+         * topmost term at all, and we only need half of the middle
+         * term. So there's no point in doing the proper Karatsuba
+         * optimisation which computes the middle term using the top
+         * one, because we'd take as long computing the top one as
+         * just computing the middle one directly.
+         *
+         * So instead, we do a much more obvious thing: we call the
+         * fully optimised internal_mul to compute a_0 b_0, and we
+         * recursively call ourself to compute the _bottom halves_ of
+         * a_1 b_0 and a_0 b_1, each of which we add into the result
+         * in the obvious way.
+         *
+         * In other words, there's no actual Karatsuba _optimisation_
+         * in this function; the only benefit in doing it this way is
+         * that we call internal_mul proper for a large part of the
+         * work, and _that_ can optimise its operation.
+         */
+
+        int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
+
+        /*
+         * Scratch space for the various bits and pieces we're going
+         * to be adding together: we need botlen*2 words for a_0 b_0
+         * (though we may end up throwing away its topmost word), and
+         * toplen words for each of a_1 b_0 and a_0 b_1. That adds up
+         * to exactly 2*len.
+         */
+
+        /* a_0 b_0 */
+        internal_mul(a, b, scratch + 2*toplen, botlen, scratch + 2*len);
+
+        /* a_1 b_0 */
+        internal_mul_low(a + botlen, b, scratch + toplen, toplen,
+                         scratch + 2*len);
+
+        /* a_0 b_1 */
+        internal_mul_low(a, b + botlen, scratch, toplen, scratch + 2*len);
+
+        /* Copy the bottom half of the big coefficient into place */
+        for (i = 0; i < botlen; i++)
+            c[i] = scratch[2*toplen + i];
+
+        /* Add the two small coefficients, throwing away the returned carry */
+        internal_add(scratch, scratch + toplen, scratch, toplen);
+
+        /* And add that to the large coefficient, leaving the result in c. */
+        internal_add(scratch, scratch + 2*toplen + botlen,
+                     c + botlen, toplen);
+
+    } else {
+        int i;
+        BignumInt carry;
+        BignumDblInt t;
+        const BignumInt *ap, *alim = a + len, *bp;
+        BignumInt *cp, *cps, *clim = c + len;
+
+        /*
+         * Multiply in the ordinary O(N^2) way.
+         */
+
+        for (i = 0; i < len; i++)
+            c[i] = 0;
+
+        for (cps = c, ap = a; ap < alim; ap++, cps++) {
+            carry = 0;
+            for (cp = cps, bp = b, i = clim - cp; i--; bp++, cp++) {
+                t = (MUL_WORD(*ap, *bp) + carry) + *cp;
+                *cp = (BignumInt) t;
+                carry = (BignumInt)(t >> BIGNUM_INT_BITS);
+            }
+        }
     }
 }
 
+/*
+ * Montgomery reduction. Expects x to be a little-endian array of 2*len
+ * BignumInts whose value satisfies 0 <= x < rn (where r = 2^(len *
+ * BIGNUM_INT_BITS) is the Montgomery base). Returns in the same array
+ * a value x' which is congruent to xr^{-1} mod n, and satisfies 0 <=
+ * x' < n.
+ *
+ * 'n' and 'mninv' should be little-endian arrays of 'len' BignumInts
+ * each, containing respectively n and the multiplicative inverse of
+ * -n mod r.
+ *
+ * 'tmp' is an array of BignumInt used as scratch space, of length at
+ * least 3*len + mul_compute_scratch(len).
+ */
+static void monty_reduce(BignumInt *x, const BignumInt *n,
+                         const BignumInt *mninv, BignumInt *tmp, int len)
+{
+    int i;
+    BignumInt carry;
+
+    /*
+     * Multiply x by (-n)^{-1} mod r. This gives us a value m such
+     * that mn is congruent to -x mod r. Hence, mn+x is an exact
+     * multiple of r, and is also (obviously) congruent to x mod n.
+     */
+    internal_mul_low(x, mninv, tmp, len, tmp + 3*len);
+
+    /*
+     * Compute t = (mn+x)/r in ordinary, non-modular, integer
+     * arithmetic. By construction this is exact, and is congruent mod
+     * n to x * r^{-1}, i.e. the answer we want.
+     *
+     * The following multiply leaves that answer in the _most_
+     * significant half of the 'x' array, so then we must shift it
+     * down.
+     */
+    internal_mul(tmp, n, tmp+len, len, tmp + 3*len);
+    carry = internal_add(x, tmp+len, x, 2*len);
+    for (i = 0; i < len; i++)
+        x[i] = x[len + i], x[len + i] = 0;
+
+    /*
+     * Reduce t mod n. This doesn't require a full-on division by n,
+     * but merely a test and single optional subtraction, since we can
+     * show that 0 <= t < 2n.
+     *
+     * Proof:
+     *  + we computed m mod r, so 0 <= m < r.
+     *  + so 0 <= mn < rn, obviously
+     *  + hence we only need 0 <= x < rn to guarantee that 0 <= mn+x < 2rn
+     *  + yielding 0 <= (mn+x)/r < 2n as required.
+     */
+    if (!carry) {
+        for (i = len; i-- > 0; )
+            if (x[i] != n[i])
+                break;
+    }
+    if (carry || i < 0 || x[i] > n[i])
+        internal_sub(x, n, x, len);
+}
+
 static void internal_add_shifted(BignumInt *number,
                                 unsigned n, int shift)
 {
@@ -148,11 +514,10 @@ static void internal_add_shifted(BignumInt *number,
  * Compute a = a % m.
  * Input in first alen words of a and first mlen words of m.
  * Output in first alen words of a
- * (of which first alen-mlen words will be zero).
+ * (of which last alen-mlen words will be zero).
  * The MSW of m MUST have its high bit set.
- * Quotient is accumulated in the `quotient' array, which is a Bignum
- * rather than the internal bigendian format. Quotient parts are shifted
- * left by `qshift' before adding into quot.
+ * Quotient is accumulated in the `quotient' array. Quotient parts
+ * are shifted left by `qshift' before adding into quot.
  */
 static void internal_mod(BignumInt *a, int alen,
                         BignumInt *m, int mlen,
@@ -160,79 +525,126 @@ static void internal_mod(BignumInt *a, int alen,
 {
     BignumInt m0, m1;
     unsigned int h;
-    int i, k;
+    int i, j, k;
 
-    m0 = m[0];
+    m0 = m[mlen - 1];
     if (mlen > 1)
-       m1 = m[1];
+       m1 = m[mlen - 2];
     else
        m1 = 0;
 
-    for (i = 0; i <= alen - mlen; i++) {
+    for (i = alen, h = 0; i-- >= mlen; ) {
        BignumDblInt t;
        unsigned int q, r, c, ai1;
 
-       if (i == 0) {
-           h = 0;
-       } else {
-           h = a[i - 1];
-           a[i - 1] = 0;
-       }
-
-       if (i == alen - 1)
-           ai1 = 0;
-       else
-           ai1 = a[i + 1];
+        if (i)
+            ai1 = a[i - 1];
+        else
+            ai1 = 0;
 
        /* Find q = h:a[i] / m0 */
-       DIVMOD_WORD(q, r, h, a[i], m0);
-
-       /* Refine our estimate of q by looking at
-          h:a[i]:a[i+1] / m0:m1 */
-       t = MUL_WORD(m1, q);
-       if (t > ((BignumDblInt) r << BIGNUM_INT_BITS) + ai1) {
-           q--;
-           t -= m1;
-           r = (r + m0) & BIGNUM_INT_MASK;     /* overflow? */
-           if (r >= (BignumDblInt) m0 &&
-               t > ((BignumDblInt) r << BIGNUM_INT_BITS) + ai1) q--;
+       if (h >= m0) {
+           /*
+            * Special case.
+            * 
+            * To illustrate it, suppose a BignumInt is 8 bits, and
+            * we are dividing (say) A1:23:45:67 by A1:B2:C3. Then
+            * our initial division will be 0xA123 / 0xA1, which
+            * will give a quotient of 0x100 and a divide overflow.
+            * However, the invariants in this division algorithm
+            * are not violated, since the full number A1:23:... is
+            * _less_ than the quotient prefix A1:B2:... and so the
+            * following correction loop would have sorted it out.
+            * 
+            * In this situation we set q to be the largest
+            * quotient we _can_ stomach (0xFF, of course).
+            */
+           q = BIGNUM_INT_MASK;
+       } else {
+           /* Macro doesn't want an array subscript expression passed
+            * into it (see definition), so use a temporary. */
+           BignumInt tmplo = a[i];
+           DIVMOD_WORD(q, r, h, tmplo, m0);
+
+           /* Refine our estimate of q by looking at
+            h:a[i]:a[i-1] / m0:m1 */
+           t = MUL_WORD(m1, q);
+           if (t > ((BignumDblInt) r << BIGNUM_INT_BITS) + ai1) {
+               q--;
+               t -= m1;
+               r = (r + m0) & BIGNUM_INT_MASK;     /* overflow? */
+               if (r >= (BignumDblInt) m0 &&
+                   t > ((BignumDblInt) r << BIGNUM_INT_BITS) + ai1) q--;
+           }
        }
 
+        j = i + 1 - mlen;
+
        /* Subtract q * m from a[i...] */
        c = 0;
-       for (k = mlen - 1; k >= 0; k--) {
+        for (k = 0; k < mlen; k++) {
            t = MUL_WORD(q, m[k]);
            t += c;
-           c = t >> BIGNUM_INT_BITS;
-           if ((BignumInt) t > a[i + k])
+           c = (unsigned)(t >> BIGNUM_INT_BITS);
+           if ((BignumInt) t > a[j + k])
                c++;
-           a[i + k] -= (BignumInt) t;
+           a[j + k] -= (BignumInt) t;
        }
 
        /* Add back m in case of borrow */
        if (c != h) {
            t = 0;
-           for (k = mlen - 1; k >= 0; k--) {
+            for (k = 0; k < mlen; k++) {
                t += m[k];
-               t += a[i + k];
-               a[i + k] = (BignumInt) t;
+               t += a[j + k];
+               a[j + k] = (BignumInt) t;
                t = t >> BIGNUM_INT_BITS;
            }
            q--;
        }
+
        if (quot)
-           internal_add_shifted(quot, q, qshift + BIGNUM_INT_BITS * (alen - mlen - i));
+           internal_add_shifted(quot, q,
+                                 qshift + BIGNUM_INT_BITS * (i + 1 - mlen));
+
+       if (i >= mlen) {
+           h = a[i];
+           a[i] = 0;
+       }
     }
 }
 
+static void shift_left(BignumInt *x, int xlen, int shift)
+{
+    int i;
+
+    if (!shift)
+        return;
+    for (i = xlen; --i > 0; )
+        x[i] = (x[i] << shift) | (x[i - 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - shift));
+    x[0] = x[0] << shift;
+}
+
+static void shift_right(BignumInt *x, int xlen, int shift)
+{
+    int i;
+
+    if (!shift || !xlen)
+        return;
+    xlen--;
+    for (i = 0; i < xlen; i++)
+        x[i] = (x[i] >> shift) | (x[i + 1] << (BIGNUM_INT_BITS - shift));
+    x[i] = x[i] >> shift;
+}
+
 /*
- * Compute (base ^ exp) % mod.
+ * Compute (base ^ exp) % mod, the pedestrian way.
  */
-Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
+Bignum modpow_simple(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
 {
-    BignumInt *a, *b, *n, *m;
+    BignumInt *a, *b, *n, *m, *scratch;
     int mshift;
-    int mlen, i, j;
+    int mlen, scratchlen, i, j;
     Bignum base, result;
 
     /*
@@ -248,41 +660,40 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
     base = bigmod(base_in, mod);
 
     /* Allocate m of size mlen, copy mod to m */
-    /* We use big endian internally */
     mlen = mod[0];
     m = snewn(mlen, BignumInt);
     for (j = 0; j < mlen; j++)
-       m[j] = mod[mod[0] - j];
+       m[j] = mod[j + 1];
 
     /* Shift m left to make msb bit set */
     for (mshift = 0; mshift < BIGNUM_INT_BITS-1; mshift++)
-       if ((m[0] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
+       if ((m[mlen - 1] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
            break;
-    if (mshift) {
-       for (i = 0; i < mlen - 1; i++)
-           m[i] = (m[i] << mshift) | (m[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
-       m[mlen - 1] = m[mlen - 1] << mshift;
-    }
+    if (mshift)
+        shift_left(m, mlen, mshift);
 
     /* Allocate n of size mlen, copy base to n */
     n = snewn(mlen, BignumInt);
-    i = mlen - base[0];
-    for (j = 0; j < i; j++)
-       n[j] = 0;
-    for (j = 0; j < base[0]; j++)
-       n[i + j] = base[base[0] - j];
+    for (i = 0; i < (int)base[0]; i++)
+       n[i] = base[i + 1];
+    for (; i < mlen; i++)
+        n[i] = 0;
 
     /* Allocate a and b of size 2*mlen. Set a = 1 */
     a = snewn(2 * mlen, BignumInt);
     b = snewn(2 * mlen, BignumInt);
-    for (i = 0; i < 2 * mlen; i++)
+    a[0] = 1;
+    for (i = 1; i < 2 * mlen; i++)
        a[i] = 0;
-    a[2 * mlen - 1] = 1;
+
+    /* Scratch space for multiplies */
+    scratchlen = mul_compute_scratch(mlen);
+    scratch = snewn(scratchlen, BignumInt);
 
     /* Skip leading zero bits of exp. */
     i = 0;
     j = BIGNUM_INT_BITS-1;
-    while (i < exp[0] && (exp[exp[0] - i] & (1 << j)) == 0) {
+    while (i < (int)exp[0] && (exp[exp[0] - i] & (1 << j)) == 0) {
        j--;
        if (j < 0) {
            i++;
@@ -291,12 +702,12 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
     }
 
     /* Main computation */
-    while (i < exp[0]) {
+    while (i < (int)exp[0]) {
        while (j >= 0) {
-           internal_mul(a + mlen, a + mlen, b, mlen);
+           internal_mul(a, a, b, mlen, scratch);
            internal_mod(b, mlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
            if ((exp[exp[0] - i] & (1 << j)) != 0) {
-               internal_mul(b + mlen, n, a, mlen);
+               internal_mul(b, n, a, mlen, scratch);
                internal_mod(a, mlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
            } else {
                BignumInt *t;
@@ -312,18 +723,15 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
 
     /* Fixup result in case the modulus was shifted */
     if (mshift) {
-       for (i = mlen - 1; i < 2 * mlen - 1; i++)
-           a[i] = (a[i] << mshift) | (a[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
-       a[2 * mlen - 1] = a[2 * mlen - 1] << mshift;
-       internal_mod(a, mlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
-       for (i = 2 * mlen - 1; i >= mlen; i--)
-           a[i] = (a[i] >> mshift) | (a[i - 1] << (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
+        shift_left(a, mlen + 1, mshift);
+       internal_mod(a, mlen + 1, m, mlen, NULL, 0);
+        shift_right(a, mlen, mshift);
     }
 
     /* Copy result to buffer */
     result = newbn(mod[0]);
     for (i = 0; i < mlen; i++)
-       result[result[0] - i] = a[i + mlen];
+       result[i + 1] = a[i];
     while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
        result[0]--;
 
@@ -331,6 +739,9 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
     for (i = 0; i < 2 * mlen; i++)
        a[i] = 0;
     sfree(a);
+    for (i = 0; i < scratchlen; i++)
+       scratch[i] = 0;
+    sfree(scratch);
     for (i = 0; i < 2 * mlen; i++)
        b[i] = 0;
     sfree(b);
@@ -347,78 +758,232 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
 }
 
 /*
+ * Compute (base ^ exp) % mod. Uses the Montgomery multiplication
+ * technique where possible, falling back to modpow_simple otherwise.
+ */
+Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
+{
+    BignumInt *a, *b, *x, *n, *mninv, *scratch;
+    int len, scratchlen, i, j;
+    Bignum base, base2, r, rn, inv, result;
+
+    /*
+     * The most significant word of mod needs to be non-zero. It
+     * should already be, but let's make sure.
+     */
+    assert(mod[mod[0]] != 0);
+
+    /*
+     * mod had better be odd, or we can't do Montgomery multiplication
+     * using a power of two at all.
+     */
+    if (!(mod[1] & 1))
+        return modpow_simple(base_in, exp, mod);
+
+    /*
+     * Make sure the base is smaller than the modulus, by reducing
+     * it modulo the modulus if not.
+     */
+    base = bigmod(base_in, mod);
+
+    /*
+     * Compute the inverse of n mod r, for monty_reduce. (In fact we
+     * want the inverse of _minus_ n mod r, but we'll sort that out
+     * below.)
+     */
+    len = mod[0];
+    r = bn_power_2(BIGNUM_INT_BITS * len);
+    inv = modinv(mod, r);
+
+    /*
+     * Multiply the base by r mod n, to get it into Montgomery
+     * representation.
+     */
+    base2 = modmul(base, r, mod);
+    freebn(base);
+    base = base2;
+
+    rn = bigmod(r, mod);               /* r mod n, i.e. Montgomerified 1 */
+
+    freebn(r);                         /* won't need this any more */
+
+    /*
+     * Set up internal arrays of the right lengths containing the base,
+     * the modulus, and the modulus's inverse.
+     */
+    n = snewn(len, BignumInt);
+    for (j = 0; j < len; j++)
+       n[j] = mod[j + 1];
+
+    mninv = snewn(len, BignumInt);
+    for (j = 0; j < len; j++)
+       mninv[j] = (j < (int)inv[0] ? inv[j + 1] : 0);
+    freebn(inv);         /* we don't need this copy of it any more */
+    /* Now negate mninv mod r, so it's the inverse of -n rather than +n. */
+    x = snewn(len, BignumInt);
+    for (j = 0; j < len; j++)
+        x[j] = 0;
+    internal_sub(x, mninv, mninv, len);
+
+    /* x = snewn(len, BignumInt); */ /* already done above */
+    for (j = 0; j < len; j++)
+       x[j] = (j < (int)base[0] ? base[j + 1] : 0);
+    freebn(base);        /* we don't need this copy of it any more */
+
+    a = snewn(2*len, BignumInt);
+    b = snewn(2*len, BignumInt);
+    for (j = 0; j < len; j++)
+       a[j] = (j < (int)rn[0] ? rn[j + 1] : 0);
+    freebn(rn);
+
+    /* Scratch space for multiplies */
+    scratchlen = 3*len + mul_compute_scratch(len);
+    scratch = snewn(scratchlen, BignumInt);
+
+    /* Skip leading zero bits of exp. */
+    i = 0;
+    j = BIGNUM_INT_BITS-1;
+    while (i < (int)exp[0] && (exp[exp[0] - i] & (1 << j)) == 0) {
+       j--;
+       if (j < 0) {
+           i++;
+           j = BIGNUM_INT_BITS-1;
+       }
+    }
+
+    /* Main computation */
+    while (i < (int)exp[0]) {
+       while (j >= 0) {
+           internal_mul(a, a, b, len, scratch);
+            monty_reduce(b, n, mninv, scratch, len);
+           if ((exp[exp[0] - i] & (1 << j)) != 0) {
+                internal_mul(b, x, a, len,  scratch);
+                monty_reduce(a, n, mninv, scratch, len);
+           } else {
+               BignumInt *t;
+               t = a;
+               a = b;
+               b = t;
+           }
+           j--;
+       }
+       i++;
+       j = BIGNUM_INT_BITS-1;
+    }
+
+    /*
+     * Final monty_reduce to get back from the adjusted Montgomery
+     * representation.
+     */
+    monty_reduce(a, n, mninv, scratch, len);
+
+    /* Copy result to buffer */
+    result = newbn(mod[0]);
+    for (i = 0; i < len; i++)
+       result[i + 1] = a[i];
+    while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
+       result[0]--;
+
+    /* Free temporary arrays */
+    for (i = 0; i < scratchlen; i++)
+       scratch[i] = 0;
+    sfree(scratch);
+    for (i = 0; i < 2 * len; i++)
+       a[i] = 0;
+    sfree(a);
+    for (i = 0; i < 2 * len; i++)
+       b[i] = 0;
+    sfree(b);
+    for (i = 0; i < len; i++)
+       mninv[i] = 0;
+    sfree(mninv);
+    for (i = 0; i < len; i++)
+       n[i] = 0;
+    sfree(n);
+    for (i = 0; i < len; i++)
+       x[i] = 0;
+    sfree(x);
+
+    return result;
+}
+
+/*
  * Compute (p * q) % mod.
  * The most significant word of mod MUST be non-zero.
  * We assume that the result array is the same size as the mod array.
  */
 Bignum modmul(Bignum p, Bignum q, Bignum mod)
 {
-    BignumInt *a, *n, *m, *o;
-    int mshift;
+    BignumInt *a, *n, *m, *o, *scratch;
+    int mshift, scratchlen;
     int pqlen, mlen, rlen, i, j;
     Bignum result;
 
     /* Allocate m of size mlen, copy mod to m */
-    /* We use big endian internally */
     mlen = mod[0];
     m = snewn(mlen, BignumInt);
     for (j = 0; j < mlen; j++)
-       m[j] = mod[mod[0] - j];
+       m[j] = mod[j + 1];
 
     /* Shift m left to make msb bit set */
     for (mshift = 0; mshift < BIGNUM_INT_BITS-1; mshift++)
-       if ((m[0] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
+       if ((m[mlen - 1] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
            break;
-    if (mshift) {
-       for (i = 0; i < mlen - 1; i++)
-           m[i] = (m[i] << mshift) | (m[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
-       m[mlen - 1] = m[mlen - 1] << mshift;
-    }
+    if (mshift)
+        shift_left(m, mlen, mshift);
 
     pqlen = (p[0] > q[0] ? p[0] : q[0]);
 
+    /* Make sure that we're allowing enough space.  The shifting below will
+     * underflow the vectors we allocate if `pqlen' is too small.
+     */
+    if (2*pqlen <= mlen)
+        pqlen = mlen/2 + 1;
+
     /* Allocate n of size pqlen, copy p to n */
     n = snewn(pqlen, BignumInt);
-    i = pqlen - p[0];
-    for (j = 0; j < i; j++)
-       n[j] = 0;
-    for (j = 0; j < p[0]; j++)
-       n[i + j] = p[p[0] - j];
+    for (i = 0; i < (int)p[0]; i++)
+        n[i] = p[i + 1];
+    for (; i < pqlen; i++)
+        n[i] = 0;
 
     /* Allocate o of size pqlen, copy q to o */
     o = snewn(pqlen, BignumInt);
-    i = pqlen - q[0];
-    for (j = 0; j < i; j++)
-       o[j] = 0;
-    for (j = 0; j < q[0]; j++)
-       o[i + j] = q[q[0] - j];
+    for (i = 0; i < (int)q[0]; i++)
+        o[i] = q[i + 1];
+    for (; i < pqlen; i++)
+        o[i] = 0;
 
     /* Allocate a of size 2*pqlen for result */
     a = snewn(2 * pqlen, BignumInt);
 
+    /* Scratch space for multiplies */
+    scratchlen = mul_compute_scratch(pqlen);
+    scratch = snewn(scratchlen, BignumInt);
+
     /* Main computation */
-    internal_mul(n, o, a, pqlen);
+    internal_mul(n, o, a, pqlen, scratch);
     internal_mod(a, pqlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
 
     /* Fixup result in case the modulus was shifted */
     if (mshift) {
-       for (i = 2 * pqlen - mlen - 1; i < 2 * pqlen - 1; i++)
-           a[i] = (a[i] << mshift) | (a[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
-       a[2 * pqlen - 1] = a[2 * pqlen - 1] << mshift;
-       internal_mod(a, pqlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
-       for (i = 2 * pqlen - 1; i >= 2 * pqlen - mlen; i--)
-           a[i] = (a[i] >> mshift) | (a[i - 1] << (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
+        shift_left(a, mlen + 1, mshift);
+       internal_mod(a, mlen + 1, m, mlen, NULL, 0);
+        shift_right(a, mlen, mshift);
     }
 
     /* Copy result to buffer */
     rlen = (mlen < pqlen * 2 ? mlen : pqlen * 2);
     result = newbn(rlen);
     for (i = 0; i < rlen; i++)
-       result[result[0] - i] = a[i + 2 * pqlen - rlen];
+       result[i + 1] = a[i];
     while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
        result[0]--;
 
     /* Free temporary arrays */
+    for (i = 0; i < scratchlen; i++)
+       scratch[i] = 0;
+    sfree(scratch);
     for (i = 0; i < 2 * pqlen; i++)
        a[i] = 0;
     sfree(a);
@@ -449,21 +1014,17 @@ static void bigdivmod(Bignum p, Bignum mod, Bignum result, Bignum quotient)
     int plen, mlen, i, j;
 
     /* Allocate m of size mlen, copy mod to m */
-    /* We use big endian internally */
     mlen = mod[0];
     m = snewn(mlen, BignumInt);
     for (j = 0; j < mlen; j++)
-       m[j] = mod[mod[0] - j];
+       m[j] = mod[j + 1];
 
     /* Shift m left to make msb bit set */
     for (mshift = 0; mshift < BIGNUM_INT_BITS-1; mshift++)
-       if ((m[0] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
+       if ((m[mlen - 1] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
            break;
-    if (mshift) {
-       for (i = 0; i < mlen - 1; i++)
-           m[i] = (m[i] << mshift) | (m[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
-       m[mlen - 1] = m[mlen - 1] << mshift;
-    }
+    if (mshift)
+        shift_left(m, mlen, mshift);
 
     plen = p[0];
     /* Ensure plen > mlen */
@@ -472,30 +1033,26 @@ static void bigdivmod(Bignum p, Bignum mod, Bignum result, Bignum quotient)
 
     /* Allocate n of size plen, copy p to n */
     n = snewn(plen, BignumInt);
-    for (j = 0; j < plen; j++)
-       n[j] = 0;
-    for (j = 1; j <= p[0]; j++)
-       n[plen - j] = p[j];
+    for (i = 0; i < (int)p[0]; i++)
+        n[i] = p[i + 1];
+    for (; i < plen; i++)
+        n[i] = 0;
 
     /* Main computation */
     internal_mod(n, plen, m, mlen, quotient, mshift);
 
     /* Fixup result in case the modulus was shifted */
     if (mshift) {
-       for (i = plen - mlen - 1; i < plen - 1; i++)
-           n[i] = (n[i] << mshift) | (n[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
-       n[plen - 1] = n[plen - 1] << mshift;
+        shift_left(n, mlen + 1, mshift);
        internal_mod(n, plen, m, mlen, quotient, 0);
-       for (i = plen - 1; i >= plen - mlen; i--)
-           n[i] = (n[i] >> mshift) | (n[i - 1] << (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
+        shift_right(n, mlen, mshift);
     }
 
     /* Copy result to buffer */
     if (result) {
-       for (i = 1; i <= result[0]; i++) {
-           int j = plen - i;
-           result[i] = j >= 0 ? n[j] : 0;
-       }
+       for (i = 0; i < (int)result[0]; i++)
+           result[i + 1] = i < plen ? n[i] : 0;
+        bn_restore_invariant(result);
     }
 
     /* Free temporary arrays */
@@ -513,7 +1070,7 @@ static void bigdivmod(Bignum p, Bignum mod, Bignum result, Bignum quotient)
 void decbn(Bignum bn)
 {
     int i = 1;
-    while (i < bn[0] && bn[i] == 0)
+    while (i < (int)bn[0] && bn[i] == 0)
        bn[i++] = BIGNUM_INT_MASK;
     bn[i]--;
 }
@@ -539,20 +1096,26 @@ Bignum bignum_from_bytes(const unsigned char *data, int nbytes)
 }
 
 /*
- * Read an ssh1-format bignum from a data buffer. Return the number
- * of bytes consumed.
+ * Read an SSH-1-format bignum from a data buffer. Return the number
+ * of bytes consumed, or -1 if there wasn't enough data.
  */
-int ssh1_read_bignum(const unsigned char *data, Bignum * result)
+int ssh1_read_bignum(const unsigned char *data, int len, Bignum * result)
 {
     const unsigned char *p = data;
     int i;
     int w, b;
 
+    if (len < 2)
+       return -1;
+
     w = 0;
     for (i = 0; i < 2; i++)
        w = (w << 8) + *p++;
     b = (w + 7) / 8;                  /* bits -> bytes */
 
+    if (len < b+2)
+       return -1;
+
     if (!result)                      /* just return length */
        return b + 2;
 
@@ -562,7 +1125,7 @@ int ssh1_read_bignum(const unsigned char *data, Bignum * result)
 }
 
 /*
- * Return the bit count of a bignum, for ssh1 encoding.
+ * Return the bit count of a bignum, for SSH-1 encoding.
  */
 int bignum_bitcount(Bignum bn)
 {
@@ -573,7 +1136,7 @@ int bignum_bitcount(Bignum bn)
 }
 
 /*
- * Return the byte length of a bignum when ssh1 encoded.
+ * Return the byte length of a bignum when SSH-1 encoded.
  */
 int ssh1_bignum_length(Bignum bn)
 {
@@ -581,7 +1144,7 @@ int ssh1_bignum_length(Bignum bn)
 }
 
 /*
- * Return the byte length of a bignum when ssh2 encoded.
+ * Return the byte length of a bignum when SSH-2 encoded.
  */
 int ssh2_bignum_length(Bignum bn)
 {
@@ -593,7 +1156,7 @@ int ssh2_bignum_length(Bignum bn)
  */
 int bignum_byte(Bignum bn, int i)
 {
-    if (i >= BIGNUM_INT_BYTES * bn[0])
+    if (i >= (int)(BIGNUM_INT_BYTES * bn[0]))
        return 0;                      /* beyond the end */
     else
        return (bn[i / BIGNUM_INT_BYTES + 1] >>
@@ -605,7 +1168,7 @@ int bignum_byte(Bignum bn, int i)
  */
 int bignum_bit(Bignum bn, int i)
 {
-    if (i >= BIGNUM_INT_BITS * bn[0])
+    if (i >= (int)(BIGNUM_INT_BITS * bn[0]))
        return 0;                      /* beyond the end */
     else
        return (bn[i / BIGNUM_INT_BITS + 1] >> (i % BIGNUM_INT_BITS)) & 1;
@@ -616,7 +1179,7 @@ int bignum_bit(Bignum bn, int i)
  */
 void bignum_set_bit(Bignum bn, int bitnum, int value)
 {
-    if (bitnum >= BIGNUM_INT_BITS * bn[0])
+    if (bitnum >= (int)(BIGNUM_INT_BITS * bn[0]))
        abort();                       /* beyond the end */
     else {
        int v = bitnum / BIGNUM_INT_BITS + 1;
@@ -629,7 +1192,7 @@ void bignum_set_bit(Bignum bn, int bitnum, int value)
 }
 
 /*
- * Write a ssh1-format bignum into a buffer. It is assumed the
+ * Write a SSH-1-format bignum into a buffer. It is assumed the
  * buffer is big enough. Returns the number of bytes used.
  */
 int ssh1_write_bignum(void *data, Bignum bn)
@@ -683,9 +1246,9 @@ Bignum bignum_rshift(Bignum a, int shift)
        shiftbb = BIGNUM_INT_BITS - shiftb;
 
        ai1 = a[shiftw + 1];
-       for (i = 1; i <= ret[0]; i++) {
+       for (i = 1; i <= (int)ret[0]; i++) {
            ai = ai1;
-           ai1 = (i + shiftw + 1 <= a[0] ? a[i + shiftw + 1] : 0);
+           ai1 = (i + shiftw + 1 <= (int)a[0] ? a[i + shiftw + 1] : 0);
            ret[i] = ((ai >> shiftb) | (ai1 << shiftbb)) & BIGNUM_INT_MASK;
        }
     }
@@ -701,29 +1264,32 @@ Bignum bigmuladd(Bignum a, Bignum b, Bignum addend)
     int alen = a[0], blen = b[0];
     int mlen = (alen > blen ? alen : blen);
     int rlen, i, maxspot;
+    int wslen;
     BignumInt *workspace;
     Bignum ret;
 
-    /* mlen space for a, mlen space for b, 2*mlen for result */
-    workspace = snewn(mlen * 4, BignumInt);
+    /* mlen space for a, mlen space for b, 2*mlen for result,
+     * plus scratch space for multiplication */
+    wslen = mlen * 4 + mul_compute_scratch(mlen);
+    workspace = snewn(wslen, BignumInt);
     for (i = 0; i < mlen; i++) {
-       workspace[0 * mlen + i] = (mlen - i <= a[0] ? a[mlen - i] : 0);
-       workspace[1 * mlen + i] = (mlen - i <= b[0] ? b[mlen - i] : 0);
+       workspace[0 * mlen + i] = i < (int)a[0] ? a[i + 1] : 0;
+       workspace[1 * mlen + i] = i < (int)b[0] ? b[i + 1] : 0;
     }
 
     internal_mul(workspace + 0 * mlen, workspace + 1 * mlen,
-                workspace + 2 * mlen, mlen);
+                workspace + 2 * mlen, mlen, workspace + 4 * mlen);
 
     /* now just copy the result back */
     rlen = alen + blen + 1;
-    if (addend && rlen <= addend[0])
+    if (addend && rlen <= (int)addend[0])
        rlen = addend[0] + 1;
     ret = newbn(rlen);
     maxspot = 0;
-    for (i = 1; i <= ret[0]; i++) {
-       ret[i] = (i <= 2 * mlen ? workspace[4 * mlen - i] : 0);
-       if (ret[i] != 0)
-           maxspot = i;
+    for (i = 0; i < (int)ret[0]; i++) {
+       ret[i + 1] = (i < 2 * mlen ? workspace[2 * mlen + i] : 0);
+       if (ret[i + 1] != 0)
+           maxspot = i + 1;
     }
     ret[0] = maxspot;
 
@@ -731,8 +1297,8 @@ Bignum bigmuladd(Bignum a, Bignum b, Bignum addend)
     if (addend) {
        BignumDblInt carry = 0;
        for (i = 1; i <= rlen; i++) {
-           carry += (i <= ret[0] ? ret[i] : 0);
-           carry += (i <= addend[0] ? addend[i] : 0);
+           carry += (i <= (int)ret[0] ? ret[i] : 0);
+           carry += (i <= (int)addend[0] ? addend[i] : 0);
            ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
            carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
            if (ret[i] != 0 && i > maxspot)
@@ -741,6 +1307,8 @@ Bignum bigmuladd(Bignum a, Bignum b, Bignum addend)
     }
     ret[0] = maxspot;
 
+    for (i = 0; i < wslen; i++)
+        workspace[i] = 0;
     sfree(workspace);
     return ret;
 }
@@ -754,6 +1322,141 @@ Bignum bigmul(Bignum a, Bignum b)
 }
 
 /*
+ * Simple addition.
+ */
+Bignum bigadd(Bignum a, Bignum b)
+{
+    int alen = a[0], blen = b[0];
+    int rlen = (alen > blen ? alen : blen) + 1;
+    int i, maxspot;
+    Bignum ret;
+    BignumDblInt carry;
+
+    ret = newbn(rlen);
+
+    carry = 0;
+    maxspot = 0;
+    for (i = 1; i <= rlen; i++) {
+        carry += (i <= (int)a[0] ? a[i] : 0);
+        carry += (i <= (int)b[0] ? b[i] : 0);
+        ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
+        carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
+        if (ret[i] != 0 && i > maxspot)
+            maxspot = i;
+    }
+    ret[0] = maxspot;
+
+    return ret;
+}
+
+/*
+ * Subtraction. Returns a-b, or NULL if the result would come out
+ * negative (recall that this entire bignum module only handles
+ * positive numbers).
+ */
+Bignum bigsub(Bignum a, Bignum b)
+{
+    int alen = a[0], blen = b[0];
+    int rlen = (alen > blen ? alen : blen);
+    int i, maxspot;
+    Bignum ret;
+    BignumDblInt carry;
+
+    ret = newbn(rlen);
+
+    carry = 1;
+    maxspot = 0;
+    for (i = 1; i <= rlen; i++) {
+        carry += (i <= (int)a[0] ? a[i] : 0);
+        carry += (i <= (int)b[0] ? b[i] ^ BIGNUM_INT_MASK : BIGNUM_INT_MASK);
+        ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
+        carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
+        if (ret[i] != 0 && i > maxspot)
+            maxspot = i;
+    }
+    ret[0] = maxspot;
+
+    if (!carry) {
+        freebn(ret);
+        return NULL;
+    }
+
+    return ret;
+}
+
+/*
+ * Return a bignum which is the result of shifting another left by N bits.
+ * If N is negative then you get a right shift instead.
+ */
+Bignum biglsl(Bignum x, int n)
+{
+    Bignum d;
+    unsigned o, i;
+
+    if (!n || !x[0])
+        return copybn(x);
+    else if (n < 0)
+        return biglsr(x, -n);
+
+    o = n/BIGNUM_INT_BITS;
+    n %= BIGNUM_INT_BITS;
+    d = newbn(x[0] + o + !!n);
+
+    for (i = 1; i <= o; i++)
+        d[i] = 0;
+
+    if (!n) {
+        for (i = 1; i <= x[0]; i++)
+            d[o + i] = x[i];
+    } else {
+        d[o + 1] = x[1] << n;
+        for (i = 2; i <= x[0]; i--)
+            d[o + i] = (x[i] << n) | (x[i - 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - n));
+        d[o + x[0] + 1] = x[x[0]] >> (BIGNUM_INT_BITS - n);
+    }
+
+    bn_restore_invariant(d);
+    return d;
+}
+
+/*
+ * Return a bignum which is the result of shifting another right by N bits
+ * (discarding the least significant N bits, and shifting zeroes in at the
+ * most significant end).  If N is negative then you get a left shift
+ * instead.
+ */
+Bignum biglsr(Bignum x, int n)
+{
+    Bignum d;
+    unsigned o, i;
+
+    if (!n || !x[0])
+        return copybn(x);
+    else if (n < 0)
+        return biglsl(x, -n);
+
+    o = n/BIGNUM_INT_BITS;
+    n %= BIGNUM_INT_BITS;
+    d = newbn(x[0]);
+
+    if (!n) {
+        for (i = o + 1; i <= x[0]; i++)
+            d[i - o] = x[i];
+    } else {
+        d[1] = x[o + 1] >> n;
+        for (i = o + 2; i < x[0]; i++)
+            d[i - o] = x[
+        d[o + x[0] + 1] = x[x[0]] >> (BIGNUM_INT_BITS - n);
+        for (i = x[0]; i > 1; i--)
+            d[o + i] = (x[i] << n) | (x[i - 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - n));
+        d[o + 1] = x[1] << n;
+    }
+
+    bn_restore_invariant(d);
+    return d;
+}
+
+/*
  * Create a bignum which is the bitmask covering another one. That
  * is, the smallest integer which is >= N and is also one less than
  * a power of two.
@@ -803,9 +1506,9 @@ Bignum bignum_add_long(Bignum number, unsigned long addendx)
     int i, maxspot = 0;
     BignumDblInt carry = 0, addend = addendx;
 
-    for (i = 1; i <= ret[0]; i++) {
+    for (i = 1; i <= (int)ret[0]; i++) {
        carry += addend & BIGNUM_INT_MASK;
-       carry += (i <= number[0] ? number[i] : 0);
+       carry += (i <= (int)number[0] ? number[i] : 0);
        addend >>= BIGNUM_INT_BITS;
        ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
        carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
@@ -936,9 +1639,9 @@ Bignum modinv(Bignum number, Bignum modulus)
        int maxspot = 1;
        int i;
 
-       for (i = 1; i <= newx[0]; i++) {
-           BignumInt aword = (i <= modulus[0] ? modulus[i] : 0);
-           BignumInt bword = (i <= x[0] ? x[i] : 0);
+       for (i = 1; i <= (int)newx[0]; i++) {
+           BignumInt aword = (i <= (int)modulus[0] ? modulus[i] : 0);
+           BignumInt bword = (i <= (int)x[0] ? x[i] : 0);
            newx[i] = aword - bword - carry;
            bword = ~bword;
            carry = carry ? (newx[i] >= bword) : (newx[i] > bword);
@@ -955,6 +1658,203 @@ Bignum modinv(Bignum number, Bignum modulus)
 }
 
 /*
+ * Extract the largest power of 2 dividing x, storing it in p2, and returning
+ * the product of the remaining factors.
+ */
+static Bignum extract_p2(Bignum x, unsigned *p2)
+{
+    unsigned i, j, k, n;
+    Bignum y;
+
+    /* If x is zero then the following won't work.  And if x is odd then
+     * there's nothing very useful to do.
+     */
+    if (!x[0] || (x[1] & 1)) {
+        *p2 = 0;
+        return copybn(x);
+    }
+
+    /* Find the power of two. */
+    for (i = 0; !x[i + 1]; i++);
+    for (j = 0; !((x[i + 1] >> j) & 1); j++);
+    *p2 = i*BIGNUM_INT_BITS + j;
+
+    /* Work out how big the copy should be. */
+    n = x[0] - i - 1;
+    if (x[x[0]] >> j) n++;
+
+    /* Copy and shift down. */
+    y = newbn(n);
+    for (k = 1; k <= n; k++) {
+        y[k] = x[k + i] >> j;
+        if (j && k < x[0]) y[k] |= x[k + i + 1] << (BIGNUM_INT_BITS - j);
+    }
+
+    /* Done. */
+    return y;
+}
+
+/*
+ * Kronecker symbol (a|n).  The result is always in { -1, 0, +1 }, and is
+ * zero if and only if a and n have a nontrivial common factor.  Most
+ * usefully, if n is prime, this is the Legendre symbol, taking the value +1
+ * if a is a quadratic residue mod n, and -1 otherwise; i.e., (a|p) ==
+ * a^{(p-1)/2} (mod p).
+ */
+int kronecker(Bignum a, Bignum n)
+{
+    unsigned s, nn;
+    int r = +1;
+    Bignum t;
+
+    /* Special case for n = 0.  This is the same convention PARI uses,
+     * except that we can't represent negative numbers.
+     */
+    if (bignum_cmp(n, Zero) == 0) {
+        if (bignum_cmp(a, One) == 0) return +1;
+        else return 0;
+    }
+
+    /* Write n = 2^s t, with t odd.  If s > 0 and a is even, then the answer
+     * is zero; otherwise throw in a factor of (-1)^s if a == 3 or 5 (mod 8).
+     *
+     * At this point, we have a copy of n, and must remember to free it when
+     * we're done.  It's convenient to take a copy of a at the same time.
+     */
+    a = copybn(a);
+    n = extract_p2(n, &s);
+
+    if (s && (!a[0] || !(a[1] & 1))) { r = 0; goto done; }
+    else if ((s & 1) && ((a[1] & 7) == 3 || (a[1] & 7) == 5)) r = -r;
+
+    /* If n is (now) a unit then we're done. */
+    if (bignum_cmp(n, One) == 0) goto done;
+
+    /* Reduce a modulo n before we go any further. */
+    if (bignum_cmp(a, n) >= 0) { t = bigmod(a, n); freebn(a); a = t; }
+
+    /* Main loop. */
+    for (;;) {
+        if (bignum_cmp(a, Zero) == 0) { r = 0; goto done; }
+
+        /* Strip out and handle powers of two from a. */
+        t = extract_p2(a, &s); freebn(a); a = t;
+        nn = n[1] & 7;
+        if ((s & 1) && (nn == 3 || nn == 5)) r = -r;
+        if (bignum_cmp(a, One) == 0) break;
+
+        /* Swap, applying quadratic reciprocity. */
+        if ((nn & 3) == 3 && (a[1] & 3) == 3) r = -r;
+        t = bigmod(n, a); freebn(n); n = a; a = t;
+    }
+
+    /* Tidy up: we're done. */
+done:
+    freebn(a); freebn(n);
+    return r;
+}
+
+/*
+ * Modular square root.  We must have p prime: extracting square roots modulo
+ * composites is equivalent to factoring (but we don't check: you'll just get
+ * the wrong answer).  Returns NULL if x is not a quadratic residue mod p.
+ */
+Bignum modsqrt(Bignum x, Bignum p)
+{
+    Bignum xinv, b, c, r, t, z, X, mone;
+    unsigned i, j, s;
+
+    /* If x is not a quadratic residue then we will not go to space today. */
+    if (kronecker(x, p) != +1) return NULL;
+
+    /* We need a quadratic nonresidue from somewhere.  Exactly half of all
+     * units mod p are quadratic residues, but no efficient deterministic
+     * algorithm for finding one is known.  So pick at random: we don't
+     * expect this to take long.
+     */
+    z = newbn(p[0]);
+    do {
+        for (i = 1; i <= p[0]; i++) z[i] = rand();
+        z[0] = p[0]; bn_restore_invariant(z);
+    } while (kronecker(z, p) != -1);
+    b = bigmod(z, p); freebn(z);
+
+    /* We need to compute a few things before we really get started. */
+    xinv = modinv(x, p);                /* x^{-1} mod p */
+    mone = bigsub(p, One);              /* p - 1 == -1 (mod p) */
+    t = extract_p2(mone, &s);           /* 2^s t = p - 1 */
+    c = modpow(b, t, p);                /* b^t (mod p) */
+    z = bigadd(t, One); freebn(t); t = z; /* (t + 1) */
+    shift_right(t + 1, t[0], 1); if (!t[t[0]]) t[0]--;
+    r = modpow(x, t, p);                /* x^{(t+1)/2} (mod p) */
+    freebn(b); freebn(mone); freebn(t);
+
+    /* OK, so how does this work anyway?
+     *
+     * We know that x^t is somewhere in the order-2^s subgroup of GF(p)^*;
+     * and g = c^{-1} is a generator for this subgroup (since we know that
+     * g^{2^{s-1}} = b^{(p-1)/2} = (b|p) = -1); so x^t = g^m for some m.  In
+     * fact, we know that m is even because x is a square.  Suppose we can
+     * determine m; then we know that x^t/g^m = 1, so x^{t+1}/c^m = x -- but
+     * both t + 1 and m are even, so x^{(t+1)/2}/g^{m/2} is a square root of
+     * x.
+     *
+     * Conveniently, finding the discrete log of an element X in a group of
+     * order 2^s is easy.  Write X = g^m = g^{m_0+2k'}; then X^{2^{s-1}} =
+     * g^{m_0 2^{s-1}} c^{m' 2^s} = g^{m_0 2^{s-1}} is either -1 or +1,
+     * telling us that m_0 is 1 or 0 respectively.  Then X/g^{m_0} =
+     * (g^2)^{m'} has order 2^{s-1} so we can continue inductively.  What we
+     * end up with at the end is X/g^m.
+     *
+     * There are a few wrinkles.  As we proceed through the induction, the
+     * generator for the subgroup will be c^{-2}, since we know that m is
+     * even.  While we want the discrete log of X = x^t, we're actually going
+     * to keep track of r, which will eventually be x^{(t+1)/2}/g^{m/2} =
+     * x^{(t+1)/2} c^m, recovering X/g^m = r^2/x as we go.  We don't actually
+     * form the discrete log explicitly, because the final result will
+     * actually be the square root we want.
+     */
+    for (i = 1; i < s; i++) {
+
+        /* Determine X.  We could optimize this, only recomputing it when
+         * it's been invalidated, but that's fiddlier and this isn't
+         * performance critical.
+         */
+        z = modmul(r, r, p);
+        X = modmul(z, xinv, p);
+        freebn(z);
+
+        /* Determine X^{2^{s-1-i}}. */
+        for (j = i + 1; j < s; j++)
+            z = modmul(X, X, p), freebn(X), X = z;
+
+        /* Maybe accumulate a factor of c. */
+        if (bignum_cmp(X, One) != 0)
+            z = modmul(r, c, p), freebn(r), r = z;
+
+        /* Move on to the next smaller subgroup. */
+        z = modmul(c, c, p), freebn(c), c = z;
+        freebn(X);
+    }
+
+    /* Of course, there are two square roots of x.  For predictability's sake
+     * we'll always return the one in [1..(p - 1)/2].  The other is, of
+     * course, p - r.
+     */
+    z = bigsub(p, r);
+    if (bignum_cmp(r, z) < 0)
+        freebn(z);
+    else {
+        freebn(r);
+        r = z;
+    }
+
+    /* We're done. */
+    freebn(xinv); freebn(c);
+    return r;
+}
+
+/*
  * Render a bignum into decimal. Return a malloced string holding
  * the decimal representation.
  */
@@ -978,9 +1878,14 @@ char *bignum_decimal(Bignum x)
      * round up (rounding down might make it less than x again).
      * Therefore if we multiply the bit count by 28/93, rounding
      * up, we will have enough digits.
+     *
+     * i=0 (i.e., x=0) is an irritating special case.
      */
     i = bignum_bitcount(x);
-    ndigits = (28 * i + 92) / 93;      /* multiply by 28/93 and round up */
+    if (!i)
+       ndigits = 1;                   /* x = 0 */
+    else
+       ndigits = (28 * i + 92) / 93;  /* multiply by 28/93 and round up */
     ndigits++;                        /* allow for trailing \0 */
     ret = snewn(ndigits, char);
 
@@ -990,7 +1895,7 @@ char *bignum_decimal(Bignum x)
      * big-endian form of the number.
      */
     workspace = snewn(x[0], BignumInt);
-    for (i = 0; i < x[0]; i++)
+    for (i = 0; i < (int)x[0]; i++)
        workspace[i] = x[x[0] - i];
 
     /*
@@ -1003,7 +1908,7 @@ char *bignum_decimal(Bignum x)
     do {
        iszero = 1;
        carry = 0;
-       for (i = 0; i < x[0]; i++) {
+       for (i = 0; i < (int)x[0]; i++) {
            carry = (carry << BIGNUM_INT_BITS) + workspace[i];
            workspace[i] = (BignumInt) (carry / 10);
            if (workspace[i])
@@ -1026,3 +1931,202 @@ char *bignum_decimal(Bignum x)
     sfree(workspace);
     return ret;
 }
+
+#ifdef TESTBN
+
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <ctype.h>
+
+/*
+ * gcc -Wall -g -O0 -DTESTBN -o testbn sshbn.c misc.c conf.c tree234.c unix/uxmisc.c -I. -I unix -I charset
+ *
+ * Then feed to this program's standard input the output of
+ * testdata/bignum.py .
+ */
+
+void modalfatalbox(char *p, ...)
+{
+    va_list ap;
+    fprintf(stderr, "FATAL ERROR: ");
+    va_start(ap, p);
+    vfprintf(stderr, p, ap);
+    va_end(ap);
+    fputc('\n', stderr);
+    exit(1);
+}
+
+#define fromxdigit(c) ( (c)>'9' ? ((c)&0xDF) - 'A' + 10 : (c) - '0' )
+
+int main(int argc, char **argv)
+{
+    char *buf;
+    int line = 0;
+    int passes = 0, fails = 0;
+
+    while ((buf = fgetline(stdin)) != NULL) {
+        int maxlen = strlen(buf);
+        unsigned char *data = snewn(maxlen, unsigned char);
+        unsigned char *ptrs[5], *q;
+        int ptrnum;
+        char *bufp = buf;
+
+        line++;
+
+        q = data;
+        ptrnum = 0;
+
+        while (*bufp && !isspace((unsigned char)*bufp))
+            bufp++;
+        if (bufp)
+            *bufp++ = '\0';
+
+        while (*bufp) {
+            char *start, *end;
+            int i;
+
+            while (*bufp && !isxdigit((unsigned char)*bufp))
+                bufp++;
+            start = bufp;
+
+            if (!*bufp)
+                break;
+
+            while (*bufp && isxdigit((unsigned char)*bufp))
+                bufp++;
+            end = bufp;
+
+            if (ptrnum >= lenof(ptrs))
+                break;
+            ptrs[ptrnum++] = q;
+            
+            for (i = -((end - start) & 1); i < end-start; i += 2) {
+                unsigned char val = (i < 0 ? 0 : fromxdigit(start[i]));
+                val = val * 16 + fromxdigit(start[i+1]);
+                *q++ = val;
+            }
+
+            ptrs[ptrnum] = q;
+        }
+
+        if (!strcmp(buf, "mul")) {
+            Bignum a, b, c, p;
+
+            if (ptrnum != 3) {
+                printf("%d: mul with %d parameters, expected 3\n", line, ptrnum);
+                exit(1);
+            }
+            a = bignum_from_bytes(ptrs[0], ptrs[1]-ptrs[0]);
+            b = bignum_from_bytes(ptrs[1], ptrs[2]-ptrs[1]);
+            c = bignum_from_bytes(ptrs[2], ptrs[3]-ptrs[2]);
+            p = bigmul(a, b);
+
+            if (bignum_cmp(c, p) == 0) {
+                passes++;
+            } else {
+                char *as = bignum_decimal(a);
+                char *bs = bignum_decimal(b);
+                char *cs = bignum_decimal(c);
+                char *ps = bignum_decimal(p);
+                
+                printf("%d: fail: %s * %s gave %s expected %s\n",
+                       line, as, bs, ps, cs);
+                fails++;
+
+                sfree(as);
+                sfree(bs);
+                sfree(cs);
+                sfree(ps);
+            }
+            freebn(a);
+            freebn(b);
+            freebn(c);
+            freebn(p);
+        } else if (!strcmp(buf, "pow")) {
+            Bignum base, expt, modulus, expected, answer;
+
+            if (ptrnum != 4) {
+                printf("%d: mul with %d parameters, expected 4\n", line, ptrnum);
+                exit(1);
+            }
+
+            base = bignum_from_bytes(ptrs[0], ptrs[1]-ptrs[0]);
+            expt = bignum_from_bytes(ptrs[1], ptrs[2]-ptrs[1]);
+            modulus = bignum_from_bytes(ptrs[2], ptrs[3]-ptrs[2]);
+            expected = bignum_from_bytes(ptrs[3], ptrs[4]-ptrs[3]);
+            answer = modpow(base, expt, modulus);
+
+            if (bignum_cmp(expected, answer) == 0) {
+                passes++;
+            } else {
+                char *as = bignum_decimal(base);
+                char *bs = bignum_decimal(expt);
+                char *cs = bignum_decimal(modulus);
+                char *ds = bignum_decimal(answer);
+                char *ps = bignum_decimal(expected);
+                
+                printf("%d: fail: %s ^ %s mod %s gave %s expected %s\n",
+                       line, as, bs, cs, ds, ps);
+                fails++;
+
+                sfree(as);
+                sfree(bs);
+                sfree(cs);
+                sfree(ds);
+                sfree(ps);
+            }
+            freebn(base);
+            freebn(expt);
+            freebn(modulus);
+            freebn(expected);
+            freebn(answer);
+        } else if (!strcmp(buf, "modsqrt")) {
+            Bignum x, p, expected, answer;
+
+            if (ptrnum != 3) {
+                printf("%d: modsqrt with %d parameters, expected 3\n", line, ptrnum);
+                exit(1);
+            }
+
+            x = bignum_from_bytes(ptrs[0], ptrs[1]-ptrs[0]);
+            p = bignum_from_bytes(ptrs[1], ptrs[2]-ptrs[1]);
+            expected = bignum_from_bytes(ptrs[2], ptrs[3]-ptrs[2]);
+            answer = modsqrt(x, p);
+            if (!answer)
+                answer = copybn(Zero);
+
+            if (bignum_cmp(expected, answer) == 0) {
+                passes++;
+            } else {
+                char *xs = bignum_decimal(x);
+                char *ps = bignum_decimal(p);
+                char *qs = bignum_decimal(answer);
+                char *ws = bignum_decimal(expected);
+
+                printf("%d: fail: sqrt(%s) mod %s gave %s expected %s\n",
+                       line, xs, ps, qs, ws);
+                fails++;
+
+                sfree(xs);
+                sfree(ps);
+                sfree(qs);
+                sfree(ws);
+            }
+            freebn(p);
+            freebn(x);
+            freebn(expected);
+            freebn(answer);
+        } else {
+            printf("%d: unrecognised test keyword: '%s'\n", line, buf);
+            exit(1);
+        }
+
+        sfree(buf);
+        sfree(data);
+    }
+
+    printf("passed %d failed %d total %d\n", passes, fails, passes+fails);
+    return fails != 0;
+}
+
+#endif