sshbn.c: Turn the bignum arithmetic internals back-to-front.
[u/mdw/putty] / sshbn.c
diff --git a/sshbn.c b/sshbn.c
index bfc34fb..2d81ee4 100644 (file)
--- a/sshbn.c
+++ b/sshbn.c
@@ -148,7 +148,7 @@ 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);
 }
 
@@ -161,7 +161,7 @@ Bignum bn_power_2(int n)
 
 /*
  * Internal addition. Sets c = a - b, where 'a', 'b' and 'c' are all
- * big-endian arrays of 'len' BignumInts. Returns a BignumInt carried
+ * little-endian arrays of 'len' BignumInts. Returns a BignumInt carried
  * off the top.
  */
 static BignumInt internal_add(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
@@ -170,7 +170,7 @@ static BignumInt internal_add(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
     int i;
     BignumDblInt carry = 0;
 
-    for (i = len-1; i >= 0; i--) {
+    for (i = 0; i < len; i++) {
         carry += (BignumDblInt)a[i] + b[i];
         c[i] = (BignumInt)carry;
         carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
@@ -181,7 +181,7 @@ static BignumInt internal_add(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
 
 /*
  * Internal subtraction. Sets c = a - b, where 'a', 'b' and 'c' are
- * all big-endian arrays of 'len' BignumInts. Any borrow from the top
+ * all little-endian arrays of 'len' BignumInts. Any borrow from the top
  * is ignored.
  */
 static void internal_sub(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
@@ -190,7 +190,7 @@ static void internal_sub(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
     int i;
     BignumDblInt carry = 1;
 
-    for (i = len-1; i >= 0; i--) {
+    for (i = 0; i < len; i++) {
         carry += (BignumDblInt)a[i] + (b[i] ^ BIGNUM_INT_MASK);
         c[i] = (BignumInt)carry;
         carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
@@ -201,15 +201,28 @@ static void internal_sub(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
  * 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.)
  */
 #define KARATSUBA_THRESHOLD 50
+static int mul_compute_scratch(int len)
+{
+    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 *c, int len, BignumInt *scratch)
 {
-    int i, j;
-    BignumDblInt t;
-
     if (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
+        int i;
 
         /*
          * Karatsuba divide-and-conquer algorithm. Cut each input in
@@ -245,11 +258,7 @@ static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
 
         int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
         int midlen = botlen + 1;
-        BignumInt *scratch;
         BignumDblInt carry;
-#ifdef KARA_DEBUG
-        int i;
-#endif
 
         /*
          * The coefficients a_1 b_1 and a_0 b_0 just avoid overlapping
@@ -261,72 +270,64 @@ static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
         printf("a1,a0 = 0x");
         for (i = 0; i < len; i++) {
             if (i == toplen) printf(", 0x");
-            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, a[i]);
+            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[i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, b[len - 1 - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
 
         /* a_1 b_1 */
-        internal_mul(a, b, c, toplen);
+        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[i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[2*len - 1 - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
 
         /* a_0 b_0 */
-        internal_mul(a + toplen, b + toplen, c + 2*toplen, botlen);
+        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*toplen+i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[2*botlen - 1 - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
 
-        /*
-         * We must allocate scratch space for the central coefficient,
-         * and also for the two input values that we multiply when
-         * computing it. Since either or both may carry into the
-         * (botlen+1)th word, we must use a slightly longer length
-         * 'midlen'.
+        /* 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 = snewn(4 * midlen, BignumInt);
-
-        /* Zero padding. midlen exceeds toplen by at most 2, so just
-         * zero the first two words of each input and the rest will be
-         * copied over. */
-        scratch[0] = scratch[1] = scratch[midlen] = scratch[midlen+1] = 0;
+        scratch[midlen - 2] = scratch[2*midlen - 2] = 0;
 
-        for (j = 0; j < toplen; j++) {
-            scratch[midlen - toplen + j] = a[j]; /* a_1 */
-            scratch[2*midlen - toplen + j] = b[j]; /* b_1 */
+        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[0] = internal_add(scratch+1, a+toplen, scratch+1, botlen);
+        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[i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[midlen - 1 - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
         /* compute b_1 + b_0 */
-        scratch[midlen] = internal_add(scratch+midlen+1, b+toplen,
-                                       scratch+midlen+1, botlen);
+        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[midlen+i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[2*midlen - 1 - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
@@ -334,11 +335,12 @@ static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
         /*
          * Now we can do the third multiplication.
          */
-        internal_mul(scratch, scratch + midlen, scratch + 2*midlen, midlen);
+        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[2*midlen+i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[4*midlen - 1 - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
@@ -348,25 +350,24 @@ static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
          * sum of the outer two coefficients, to subtract from that
          * product to obtain the middle one.
          */
-        scratch[0] = scratch[1] = scratch[2] = scratch[3] = 0;
-        for (j = 0; j < 2*toplen; j++)
-            scratch[2*midlen - 2*toplen + j] = c[j];
-        scratch[1] = internal_add(scratch+2, c + 2*toplen,
-                                  scratch+2, 2*botlen);
+        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[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, 2*midlen);
+        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[2*midlen+i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[4*midlen - 1 - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
@@ -377,48 +378,45 @@ static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
          * further up the output, but we can be sure it won't
          * propagate right the way off the top.
          */
-        carry = internal_add(c + 2*len - botlen - 2*midlen,
-                             scratch + 2*midlen,
-                             c + 2*len - botlen - 2*midlen, 2*midlen);
-        j = 2*len - botlen - 2*midlen - 1;
+        carry = internal_add(c + botlen, scratch, c + botlen, 2*midlen);
+        i = botlen + 2*midlen;
         while (carry) {
-            assert(j >= 0);
-            carry += c[j];
-            c[j] = (BignumInt)carry;
+            assert(i <= 2*len);
+            carry += c[i];
+            c[i] = (BignumInt)carry;
             carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
-            j--;
+            i++;
         }
 #ifdef KARA_DEBUG
         printf("ab = 0x");
         for (i = 0; i < 2*len; i++) {
-            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[i]);
+            printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[2*len - i]);
         }
         printf("\n");
 #endif
 
-        /* Free scratch. */
-        for (j = 0; j < 4 * midlen; j++)
-            scratch[j] = 0;
-        sfree(scratch);
-
     } 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 (j = 0; j < 2 * len; j++)
-            c[j] = 0;
+        for (i = 0; i < 2 * len; i++)
+            c[i] = 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;
+        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);
             }
-            c[i] = (BignumInt) t;
+            *cp = carry;
         }
     }
 }
@@ -429,12 +427,10 @@ static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
  * (everything above that is thrown away).
  */
 static void internal_mul_low(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
-                             BignumInt *c, int len)
+                             BignumInt *c, int len, BignumInt *scratch)
 {
-    int i, j;
-    BignumDblInt t;
-
     if (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
+        int i;
 
         /*
          * Karatsuba-aware version of internal_mul_low. As before, we
@@ -469,73 +465,74 @@ static void internal_mul_low(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
          */
 
         int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
-        BignumInt *scratch;
 
         /*
-         * Allocate 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.
+         * 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.
          */
-        scratch = snewn(len*2, BignumInt);
 
         /* a_0 b_0 */
-        internal_mul(a + toplen, b + toplen, scratch + 2*toplen, botlen);
+        internal_mul(a, b, scratch + 2*toplen, botlen, scratch + 2*len);
 
         /* a_1 b_0 */
-        internal_mul_low(a, b + len - toplen, scratch + toplen, toplen);
+        internal_mul_low(a + botlen, b, scratch + toplen, toplen,
+                         scratch + 2*len);
 
         /* a_0 b_1 */
-        internal_mul_low(a + len - toplen, b, scratch, toplen);
+        internal_mul_low(a, b + botlen, scratch, toplen, scratch + 2*len);
 
         /* Copy the bottom half of the big coefficient into place */
-        for (j = 0; j < botlen; j++)
-            c[toplen + j] = scratch[2*toplen + botlen + j];
+        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 - toplen,
-                     c, toplen);
-
-        /* Free scratch. */
-        for (j = 0; j < len*2; j++)
-            scratch[j] = 0;
-        sfree(scratch);
+        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;
 
-        for (j = 0; j < len; j++)
-            c[j] = 0;
+        /*
+         * Multiply in the ordinary O(N^2) way.
+         */
 
-        for (i = len - 1; i >= 0; i--) {
-            t = 0;
-            for (j = len - 1; j >= len - i - 1; j--) {
-                t += MUL_WORD(a[i], (BignumDblInt) b[j]);
-                t += (BignumDblInt) c[i + j + 1 - len];
-                c[i + j + 1 - len] = (BignumInt) t;
-                t = t >> BIGNUM_INT_BITS;
+        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 big-endian array of 2*len
+ * 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 big-endian arrays of 'len' BignumInts
+ * '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 at least '3*len' BignumInts used as scratch
- * space.
+ * '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)
@@ -548,7 +545,7 @@ static void monty_reduce(BignumInt *x, const BignumInt *n,
      * 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 + len, mninv, tmp, len);
+    internal_mul_low(x, mninv, tmp, len, tmp + 3*len);
 
     /*
      * Compute t = (mn+x)/r in ordinary, non-modular, integer
@@ -559,10 +556,10 @@ static void monty_reduce(BignumInt *x, const BignumInt *n,
      * significant half of the 'x' array, so then we must shift it
      * down.
      */
-    internal_mul(tmp, n, tmp+len, len);
+    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[len + i] = x[i], x[i] = 0;
+        x[i] = x[len + i], x[len + i] = 0;
 
     /*
      * Reduce t mod n. This doesn't require a full-on division by n,
@@ -576,12 +573,12 @@ static void monty_reduce(BignumInt *x, const BignumInt *n,
      *  + yielding 0 <= (mn+x)/r < 2n as required.
      */
     if (!carry) {
-        for (i = 0; i < len; i++)
-            if (x[len + i] != n[i])
+        for (i = len; i-- > 0; )
+            if (x[i] != n[i])
                 break;
     }
-    if (carry || i >= len || x[len + i] > n[i])
-        internal_sub(x+len, n, x+len, len);
+    if (carry || i < 0 || x[i] > n[i])
+        internal_sub(x, n, x, len);
 }
 
 static void internal_add_shifted(BignumInt *number,
@@ -605,11 +602,10 @@ 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,
@@ -617,29 +613,22 @@ 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 */
        if (h >= m0) {
@@ -666,7 +655,7 @@ static void internal_mod(BignumInt *a, int alen,
            DIVMOD_WORD(q, r, h, tmplo, m0);
 
            /* Refine our estimate of q by looking at
-            h:a[i]:a[i+1] / m0:m1 */
+            h:a[i]:a[i-1] / m0:m1 */
            t = MUL_WORD(m1, q);
            if (t > ((BignumDblInt) r << BIGNUM_INT_BITS) + ai1) {
                q--;
@@ -677,41 +666,73 @@ static void internal_mod(BignumInt *a, int alen,
            }
        }
 
+        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 = (unsigned)(t >> BIGNUM_INT_BITS);
-           if ((BignumInt) t > a[i + k])
+           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, the pedestrian way.
  */
 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;
 
     /*
@@ -727,36 +748,35 @@ Bignum modpow_simple(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 < (int)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;
@@ -772,10 +792,10 @@ Bignum modpow_simple(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
     /* Main computation */
     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;
@@ -791,18 +811,15 @@ Bignum modpow_simple(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]--;
 
@@ -810,6 +827,9 @@ Bignum modpow_simple(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);
@@ -831,8 +851,8 @@ Bignum modpow_simple(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
  */
 Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
 {
-    BignumInt *a, *b, *x, *n, *mninv, *tmp;
-    int len, i, j;
+    BignumInt *a, *b, *x, *n, *mninv, *scratch;
+    int len, scratchlen, i, j;
     Bignum base, base2, r, rn, inv, result;
 
     /*
@@ -876,17 +896,16 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
     freebn(r);                         /* won't need this any more */
 
     /*
-     * Set up internal arrays of the right lengths, in big-endian
-     * format, containing the base, the modulus, and the modulus's
-     * inverse.
+     * 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[len - 1 - j] = mod[j + 1];
+       n[j] = mod[j + 1];
 
     mninv = snewn(len, BignumInt);
     for (j = 0; j < len; j++)
-       mninv[len - 1 - j] = (j < inv[0] ? inv[j + 1] : 0);
+       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);
@@ -896,16 +915,18 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
 
     /* x = snewn(len, BignumInt); */ /* already done above */
     for (j = 0; j < len; j++)
-       x[len - 1 - j] = (j < base[0] ? base[j + 1] : 0);
+       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[2*len - 1 - j] = (j < rn[0] ? rn[j + 1] : 0);
+       a[j] = (j < (int)rn[0] ? rn[j + 1] : 0);
     freebn(rn);
 
-    tmp = snewn(3*len, BignumInt);
+    /* Scratch space for multiplies */
+    scratchlen = 3*len + mul_compute_scratch(len);
+    scratch = snewn(scratchlen, BignumInt);
 
     /* Skip leading zero bits of exp. */
     i = 0;
@@ -921,11 +942,11 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
     /* Main computation */
     while (i < (int)exp[0]) {
        while (j >= 0) {
-           internal_mul(a + len, a + len, b, len);
-            monty_reduce(b, n, mninv, tmp, len);
+           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 + len, x, a, len);
-                monty_reduce(a, n, mninv, tmp, len);
+                internal_mul(b, x, a, len,  scratch);
+                monty_reduce(a, n, mninv, scratch, len);
            } else {
                BignumInt *t;
                t = a;
@@ -942,19 +963,19 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
      * Final monty_reduce to get back from the adjusted Montgomery
      * representation.
      */
-    monty_reduce(a, n, mninv, tmp, len);
+    monty_reduce(a, n, mninv, scratch, len);
 
     /* Copy result to buffer */
     result = newbn(mod[0]);
     for (i = 0; i < len; i++)
-       result[result[0] - i] = a[i + len];
+       result[i + 1] = a[i];
     while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
        result[0]--;
 
     /* Free temporary arrays */
-    for (i = 0; i < 3 * len; i++)
-       tmp[i] = 0;
-    sfree(tmp);
+    for (i = 0; i < scratchlen; i++)
+       scratch[i] = 0;
+    sfree(scratch);
     for (i = 0; i < 2 * len; i++)
        a[i] = 0;
     sfree(a);
@@ -981,72 +1002,76 @@ Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
  */
 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 < (int)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 < (int)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);
@@ -1077,21 +1102,17 @@ 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 */
@@ -1100,30 +1121,26 @@ 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 <= (int)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 <= (int)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 */
@@ -1335,18 +1352,21 @@ 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 <= (int)a[0] ? a[mlen - i] : 0);
-       workspace[1 * mlen + i] = (mlen - i <= (int)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;
@@ -1354,10 +1374,10 @@ Bignum bigmuladd(Bignum a, Bignum b, Bignum addend)
        rlen = addend[0] + 1;
     ret = newbn(rlen);
     maxspot = 0;
-    for (i = 1; i <= (int)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;
 
@@ -1375,6 +1395,8 @@ Bignum bigmuladd(Bignum a, Bignum b, Bignum addend)
     }
     ret[0] = maxspot;
 
+    for (i = 0; i < wslen; i++)
+        workspace[i] = 0;
     sfree(workspace);
     return ret;
 }
@@ -1736,7 +1758,7 @@ char *bignum_decimal(Bignum x)
 #include <ctype.h>
 
 /*
- * gcc -g -O0 -DTESTBN -o testbn sshbn.c misc.c -I unix -I charset
+ * 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 .
@@ -1810,7 +1832,7 @@ int main(int argc, char **argv)
             Bignum a, b, c, p;
 
             if (ptrnum != 3) {
-                printf("%d: mul with %d parameters, expected 3\n", line);
+                printf("%d: mul with %d parameters, expected 3\n", line, ptrnum);
                 exit(1);
             }
             a = bignum_from_bytes(ptrs[0], ptrs[1]-ptrs[0]);
@@ -1843,7 +1865,7 @@ int main(int argc, char **argv)
             Bignum base, expt, modulus, expected, answer;
 
             if (ptrnum != 4) {
-                printf("%d: mul with %d parameters, expected 3\n", line);
+                printf("%d: mul with %d parameters, expected 4\n", line, ptrnum);
                 exit(1);
             }