math/f25519.[ch]: More field operations.
[catacomb] / utils / curve25519.sage
index 32ddb17..8047aeb 100644 (file)
@@ -2,9 +2,77 @@
 ### -*- mode: python; coding: utf-8 -*-
 
 ###--------------------------------------------------------------------------
-### Define the field.
+### Some general utilities.
+
+def ld(v):
+  return 0 + sum(ord(v[i]) << 8*i for i in xrange(len(v)))
+
+def st(x, n):
+  return ''.join(chr((x >> 8*i)&0xff) for i in xrange(n))
+
+def piece_widths_offsets(wd, n):
+  o = [ceil(wd*i/n) for i in xrange(n + 1)]
+  w = [o[i + 1] - o[i] for i in xrange(n)]
+  return w, o
+
+def pieces(x, wd, n, bias = 0):
+
+  ## Figure out widths and offsets.
+  w, o = piece_widths_offsets(wd, n)
+
+  ## First, normalize |n| < bias/2.
+  if bias and n >= bias/2: n -= bias
+
+  ## First, collect the bits.
+  nn = []
+  for i in xrange(n - 1):
+    m = (1 << w[i]) - 1
+    nn.append(x&m)
+    x >>= w[i]
+  nn.append(x)
+
+  ## Now normalize them to the appropriate interval.
+  c = 0
+  for i in xrange(n - 1):
+    b = 1 << (w[i] - 1)
+    if nn[i] >= b:
+      nn[i] -= 2*b
+      nn[i + 1] += 1
+
+  ## And we're done.
+  return nn
+
+def combine(v, wd, n):
+  w, o = piece_widths_offsets(wd, n)
+  return sum(v[i] << o[i] for i in xrange(n))
+
+###--------------------------------------------------------------------------
+### Define the curve.
 
 p = 2^255 - 19; k = GF(p)
+A = k(486662); A0 = (A - 2)/4
+E = EllipticCurve(k, [0, A, 0, 1, 0]); P = E.lift_x(9)
+l = 2^252 + 27742317777372353535851937790883648493
+
+assert is_prime(l)
+assert (l*P).is_zero()
+assert (p + 1 - 8*l)^2 <= 4*p
+
+###--------------------------------------------------------------------------
+### Example points from `Cryptography in NaCl'.
+
+x = ld(map(chr, [0x70,0x07,0x6d,0x0a,0x73,0x18,0xa5,0x7d
+,0x3c,0x16,0xc1,0x72,0x51,0xb2,0x66,0x45
+,0xdf,0x4c,0x2f,0x87,0xeb,0xc0,0x99,0x2a
+,0xb1,0x77,0xfb,0xa5,0x1d,0xb9,0x2c,0x6a]))
+y = ld(map(chr, [0x58,0xab,0x08,0x7e,0x62,0x4a,0x8a,0x4b
+,0x79,0xe1,0x7f,0x8b,0x83,0x80,0x0e,0xe6
+,0x6f,0x3b,0xb1,0x29,0x26,0x18,0xb6,0xfd
+,0x1c,0x2f,0x8b,0x27,0xff,0x88,0xe0,0x6b]))
+X = x*P
+Y = y*P
+Z = x*Y
+assert Z == y*X
 
 ###--------------------------------------------------------------------------
 ### Arithmetic implementation.
@@ -13,6 +81,8 @@ def sqrn(x, n):
   for i in xrange(n): x = x*x
   return x
 
+sqrtm1 = sqrt(k(-1))
+
 def inv(x):
   t2 = sqrn(x, 1)        #   1 | 2
   u = sqrn(t2, 2)        #   3 | 8
@@ -38,6 +108,100 @@ def inv(x):
   t = u*t11              # 265 | 2^255 - 21
   return t
 
+def quosqrt(x, y):
+
+  ## First, some preliminary values.
+  y2 = sqrn(y, 1)        #   1 | 0, 2
+  y3 = y2*y              #   2 | 0, 3
+  xy3 = x*y3             #   3 | 1, 3
+  y4 = sqrn(y2, 1)       #   4 | 0, 4
+  w = xy3*y4             #   5 | 1, 7
+
+  ## Now calculate w^(p - 5)/8.  Notice that (p - 5)/8 =
+  ## (2^255 - 24)/8 = 2^252 - 3.
+  u = sqrn(w, 1)         #   6 | 2
+  t = u*w                #   7 | 3
+  u = sqrn(t, 1)         #   8 | 6
+  t = u*w                #   9 | 7
+  u = sqrn(t, 3)         #  12 | 56
+  t = u*t                #  13 | 63 = 2^6 - 1
+  u = sqrn(t, 6)         #  19 | 2^12 - 2^6
+  t = u*t                #  20 | 2^12 - 1
+  u = sqrn(t, 12)        #  32 | 2^24 - 2^12
+  t = u*t                #  33 | 2^24 - 1
+  u = sqrn(t, 1)         #  34 | 2^25 - 2
+  t = u*w                #  35 | 2^25 - 1
+  u = sqrn(t, 25)        #  60 | 2^50 - 2^25
+  t2p50m1 = u*t          #  61 | 2^50 - 1
+  u = sqrn(t2p50m1, 50)  # 111 | 2^100 - 2^50
+  t = u*t2p50m1          # 112 | 2^100 - 1
+  u = sqrn(t, 100)       # 212 | 2^200 - 2^100
+  t = u*t                # 213 | 2^200 - 1
+  u = sqrn(t, 50)        # 263 | 2^250 - 2^50
+  t = u*t2p50m1          # 264 | 2^250 - 1
+  u = sqrn(t, 2)         # 266 | 2^252 - 4
+  t = u*w                # 267 | 2^252 - 3
+  beta = t*xy3           # 268 |
+
+  ## Now we have beta = (x y^3) (x y^7)^((p - 5)/8) =
+  ## x^((p + 3)/8) y^((7 p - 11)/8) = (x/y)^((p + 3)/8).
+  ## Suppose alpha^2 = x/y.  Then beta^4 = (x/y)^((p + 3)/2) =
+  ## alpha^(p + 3) = alpha^4 = (x/y)^2, so beta^2 = ±x/y.  If
+  ## y beta^2 = x then alpha = beta and we're done; if
+  ## y beta^2 = -x, then alpha = beta sqrt(-1); otherwise x/y
+  ## wasn't actually a square after all.
+  t = y*beta^2
+  if t == x: return beta
+  elif t == -x: return beta*sqrtm1
+  else: raise ValueError, 'not a square'
+
 assert inv(k(9))*9 == 1
+assert 5*quosqrt(k(4), k(5))^2 == 4
+
+###--------------------------------------------------------------------------
+### The Montgomery ladder.
+
+A0 = (A - 2)/4
+
+def x25519(n, x1):
+
+  ## Let Q = (x_1 : y_1 : 1) be an input point.  We calculate
+  ## n Q = (x_n : y_n : z_n), returning x_n/z_n (unless z_n = 0,
+  ## in which case we return zero).
+  ##
+  ## We're given that n = 2^254 + n'_254, where 0 <= n'_254 < 2^254.
+  bb = n.bits()
+  x, z = 1, 0
+  u, w = x1, 1
+
+  ## Initially, let i = 255.
+  for i in xrange(len(bb) - 1, -1, -1):
+
+    ## Split n = n_i 2^i + n'_i, where 0 <= n'_i < 2^i, so n_0 = n.
+    ## We have x, z = x_{n_{i+1}}, z_{n_{i+1}}, and
+    ## u, w = x_{n_{i+1}+1}, z_{n_{i+1}+1}.
+    ## Now either n_i = 2 n_{i+1} or n_i = 2 n_{i+1} + 1, depending
+    ## on bit i of n.
+
+    ## Swap (x : z) and (u : w) if bit i of n is set.
+    if bb[i]: x, z, u, w = u, w, x, z
+
+    ## Do the ladder step.
+    xmz, xpz = x - z, x + z
+    umw, upw = u - w, u + w
+    xmz2, xpz2 = xmz^2, xpz^2
+    xpz2mxmz2 = xpz2 - xmz2
+    xmzupw, xpzumw = xmz*upw, xpz*umw
+    x, z = xmz2*xpz2, xpz2mxmz2*(xpz2 + A0*xpz2mxmz2)
+    u, w = (xmzupw + xpzumw)^2, x1*(xmzupw - xpzumw)^2
+
+    ## Finally, unswap.
+    if bb[i]: x, z, u, w = u, w, x, z
+
+  ## Almost done.
+  return x*inv(z)
+
+assert x25519(y, k(9)) == Y[0]
+assert x25519(x, Y[0]) == x25519(y, X[0]) == Z[0]
 
 ###----- That's all, folks --------------------------------------------------