sshbn.c: Some number-theoretic utilities.
authorMark Wooding <mdw@distorted.org.uk>
Sat, 3 Aug 2013 18:25:44 +0000 (19:25 +0100)
committerMark Wooding <mdw@distorted.org.uk>
Sat, 3 Aug 2013 20:40:26 +0000 (21:40 +0100)
The `kronecker' function computes the Kronecker symbol (a|n), which is
an extension of the Jacobi symbol (itself an extension of the Legendre
symbol) with three useful properties.

  * It's fairly fast to compute -- a little slower than a GCD using
    Euclid's algorithm.

  * It's well-defined on all inputs (unlike the Jacobi and Legendre
    symbols), so it's safe to call.

  * When n is prime, the result tells you whether a is a quadratic
    residue mod n.

The code doesn't describe the algorithm in detail, but it basically
follows from Gauss's work on quadratic residues in `Disquisitiones
Arithmeticae'.  The relevant theory is part of most introductory number
theory texts; I like Shoup, `A Computational Introduction to Number
Theory and Algebra', <http://shoup.net/ntb/>.

The `modsqrt' function calculates square roots in a prime field.  It
takes a bit longer than a `modpow' call.  The algorithm is basically the
same as described in Menezes, van Oorschott and Vanstone, `Handbook of
Applied Cryptography', <http://cacr.uwaterloo.ca/hac/>; but the
explanation is based on Crandall and Pomerance, `Primes: A Computational
Introduction'.

The `kronecker' function is currently untested (except via `modsqrt');
`modsqrt' itself is tested via `testdata/bignum-fixed.txt' which will
gather more non-randomized tests with time.

Signed-off-by: Mark Wooding <mdw@distorted.org.uk>
ssh.h
sshbn.c
testdata/bignum-fixed.txt [new file with mode: 0644]

diff --git a/ssh.h b/ssh.h
index c604554..1ac4e5e 100644 (file)
--- a/ssh.h
+++ b/ssh.h
@@ -457,6 +457,8 @@ Bignum bigmuladd(Bignum a, Bignum b, Bignum addend);
 Bignum bigdiv(Bignum a, Bignum b);
 Bignum bigmod(Bignum a, Bignum b);
 Bignum modinv(Bignum number, Bignum modulus);
+int kronecker(Bignum a, Bignum n);
+Bignum modsqrt(Bignum a, Bignum p);
 Bignum bignum_bitmask(Bignum number);
 Bignum bignum_rshift(Bignum number, int shift);
 int bignum_cmp(Bignum a, Bignum b);
diff --git a/sshbn.c b/sshbn.c
index 2d81ee4..0313071 100644 (file)
--- a/sshbn.c
+++ b/sshbn.c
@@ -1674,6 +1674,203 @@ 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.
  */
@@ -1899,6 +2096,42 @@ int main(int argc, char **argv)
             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);
diff --git a/testdata/bignum-fixed.txt b/testdata/bignum-fixed.txt
new file mode 100644 (file)
index 0000000..baf1560
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,10 @@
+modsqrt 1 3 1
+modsqrt 4 5 2
+modsqrt 87a9e12efc9fd544 b9d9d9fb4440f7c7 2d4e1588719986aa
+modsqrt 712ec43313c96fe4 8d68905434b020eb 1cc7a93174d21d9c
+modsqrt 2d146b877226105d 7c91fd10cc197bed 10f02ba313d1c57d
+modsqrt 2fd8dff12ab86c17 8cf04fa2e760f1a5 2709aec642ddb824
+modsqrt 142c3b15dcac5e49 2af5fd8dd69a48b1 117e3c98c1fd7d6e
+modsqrt 2eb75cd52c109ab0 3420d17b340dd381 87815684affc279
+modsqrt 35b331ec9bae9085 4ff9adae43a38f4f 26b2be1e41a0645b
+modsqrt 92bdc828e44bf30 180089dd35d2dd17 951108874f6c30c