math/: Implement Grantham's Frobenius (primality) test.
authorMark Wooding <mdw@distorted.org.uk>
Sat, 17 Nov 2018 19:21:43 +0000 (19:21 +0000)
committerMark Wooding <mdw@distorted.org.uk>
Sun, 25 Nov 2018 11:37:22 +0000 (11:37 +0000)
This is a rather heavyweight test which is effective when checking
possibly adversarial numbers.

There are no known composites which pass both this test and the
Miller--Rabin test with witness 2 (although infinitely many are
conjectured to exist); the combination is called the `Baillie--PSW'
test (after Baillie, Pomerance, Selfridge, and Wagstaff).  Modify
`pgen_primep' to use Baillie--PSW.

Since Baillie--PSW is somewhat faster than the many rounds of Miller--
Rabin which `pgen_primep' used to use, celebrate by raising the `keen'
threshold in the `dh-param.c' test.

This work was prompted by the paper `Prime and Prejudice', by Martin
R. Albrecht, Jake Massimo, Kenneth G. Paterson, and Juraj Somorovsky;
though, since Catacomb already used 32 iterations of Miller--Rabin with
random witnesses, I can confidently state that the previous
implementation was inefficient but secure when used with a good
randomness source.

math/Makefile.am
math/pgen-granfrob.c [new file with mode: 0644]
math/pgen.c
math/pgen.h
math/t/pgen
pub/dh-param.c

index ac654d9..dd48057 100644 (file)
@@ -245,9 +245,10 @@ libmath_la_SOURCES += pfilt.c
 pkginclude_HEADERS     += pgen.h
 libmath_la_SOURCES     += pgen.c
 libmath_la_SOURCES     += pgen-gcd.c
+libmath_la_SOURCES     += pgen-granfrob.c
 libmath_la_SOURCES     += pgen-simul.c
 libmath_la_SOURCES     += pgen-stdev.c
-TESTS                  += pgen.t$(EXEEXT)
+TESTS                  += pgen.t$(EXEEXT) pgen-granfrob.t$(EXEEXT)
 EXTRA_DIST             += t/pgen
 
 ## Finding primitive elements in finite fields.
diff --git a/math/pgen-granfrob.c b/math/pgen-granfrob.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..8e49c73
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,276 @@
+/* -*-c-*-
+ *
+ * Grantham's Frobenius primality test
+ *
+ * (c) 2018 Straylight/Edgeware
+ */
+
+/*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
+ *
+ * This file is part of Catacomb.
+ *
+ * Catacomb is free software: you can redistribute it and/or modify it
+ * under the terms of the GNU Library General Public License as published
+ * by the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
+ * (at your option) any later version.
+ *
+ * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful, but
+ * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+ * Library General Public License for more details.
+ *
+ * You should have received a copy of the GNU Library General Public
+ * License along with Catacomb.  If not, write to the Free Software
+ * Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307,
+ * USA.
+ */
+
+/*----- Header files ------------------------------------------------------*/
+
+#include "mp.h"
+#include "mpmont.h"
+#include "mpscan.h"
+#include "pgen.h"
+
+#include "mptext.h"
+
+/*----- Main code ---------------------------------------------------------*/
+
+static int squarep(mp *n)
+{
+  mp *t = MP_NEW;
+  int rc;
+
+  if (MP_NEGP(n)) return (0);
+  t = mp_sqrt(t, n); t = mp_sqr(t, t);
+  rc = MP_EQ(t, n); mp_drop(t); return (rc);
+}
+
+/* --- @pgen_granfrob@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *n@ = an integer to test
+ *             @int a, b@ = coefficients; if @a@ is zero then choose
+ *                     automatically
+ *
+ * Returns:    One of the @PGEN_...@ codes.
+ *
+ * Use:                Performs a quadratic versoin of Grantham's Frobenius
+ *             primality test, which is a simple extension of the standard
+ *             Lucas test.
+ *
+ *             If %$a^2 - 4 b$% is a perfect square then the test can't
+ *             work; this function returns @PGEN_ABORT@ under these
+ *             circumstances.
+ */
+
+int pgen_granfrob(mp *n, int a, int b)
+{
+  mp *v = MP_NEW, *w = MP_NEW, *aa = MP_NEW, *bb = MP_NEW, *bi = MP_NEW,
+    *k = MP_NEW, *x = MP_NEW, *y = MP_NEW, *z = MP_NEW, *t, *u;
+  mp ma; mpw wa;
+  mp mb; mpw wb;
+  mp md; mpw wd; int d;
+  mpmont mm;
+  mpscan msc;
+  int e, bit, rc;
+
+  /* Maybe this is a no-hoper. */
+  if (MP_NEGP(n)) return (PGEN_FAIL);
+  if (MP_EQ(n, MP_TWO)) return (PGEN_DONE);
+  if (!MP_ODDP(n)) return (PGEN_FAIL);
+
+  /* First, build the parameters as large integers. */
+  mp_build(&ma, &wa, &wa + 1); mp_build(&mb, &wb, &wb + 1);
+  mp_build(&md, &wd, &wd + 1);
+  mpmont_create(&mm, n);
+
+  /* Prepare the Lucas sequence parameters.  Here, %$\Delta$% is the
+   * disciminant of the polynomial %$p(x) = x^2 - a x + b$%, i.e.,
+   * %$\Delta = a^2 - 4 b$%.
+   */
+  if (a) {
+    /* Explicit parameters.  Just set them and check that they'll work. */
+
+    if (a >= 0) wa = a; else { wa = -a; ma.f |= MP_NEG; }
+    if (b >= 0) wb = b; else { wb = -b; mb.f |= MP_NEG; }
+    d = a*a - 4*b;
+    if (d >= 0) wd = d; else { wd = -d; md.f |= MP_NEG; }
+
+    /* Determine the quadratic character of %$\Delta$%.  If %$(\Delta | n)$%
+     * is zero then we'll have a problem, but we'll catch that case with the
+     * GCD check below.
+     */
+    e = mp_jacobi(&md, n);
+
+    /* If %$\Delta$% is a perfect square then the test can't work. */
+    if (e == 1 && squarep(&md)) { rc = PGEN_ABORT; goto end; }
+  } else {
+    /* Determine parameters.  Use Selfridge's `Method A': choose the first
+     * %$\Delta$% from the sequence %$5$%, %$-7$%, %%\dots%%, such that
+     * %$(\Delta | n) = -1$%.
+     */
+
+    wa = 1; wd = 5;
+    for (;;) {
+      e = mp_jacobi(&md, n); if (e != +1) break;
+      if (wd == 25 && squarep(n)) { rc = PGEN_FAIL; goto end; }
+      wd += 2; md.f ^= MP_NEG;
+    }
+    a = 1; d = wd;
+    if (md.f&MP_NEG) { wb = (wd + 1)/4; d = -d; }
+    else { wb = (wd - 1)/4; mb.f |= MP_NEG; }
+    b = (1 - d)/4;
+  }
+
+  /* The test won't work if %$\gcd(2 a b \Delta, n) \ne 1$%. */
+  x = mp_lsl(x, &ma, 1); x = mp_mul(x, x, &mb); x = mp_mul(x, x, &md);
+  mp_gcd(&y, 0, 0, x, n);
+  if (!MP_EQ(y, MP_ONE))
+    { rc = MP_EQ(y, n) ? PGEN_ABORT : PGEN_FAIL; goto end; }
+
+  /* Now we use binary a Lucas chain to evaluate %$V_{n-e}(a, b) \pmod{n}$%.
+   * Here,
+   *
+   *   * %$U_{i+1}(a, b) = a U_i(a, b) - b U_{i-1}(a, b)$%, and
+   *   * %$V_{i+1}(a, b) = a V_i(a, b) - b V_{i-1}(a, b)$%; with
+   *   * %$U_0(a, b) = 0$%, $%U_1(a, b) = 1$%, %$V_0(a, b) = 2$%, and
+   *     %$V_1(a, b) = a$%.
+   *
+   * To compute this, we use the handy identities
+   *
+   *   %$V_{i+j}(a, b) = V_i(a, b) V_j(a, b) - b^i V_{j-i}(a, b)$%
+   *
+   * and
+   *
+   *   %$U_i(a, b) = (2 V_{i+1}(a, b) - a V_i(a, b))/\Delta$%.
+   *
+   * Let %$k = n - e$%.  Given %$V_i(a, b)$% and %$V_{i+1}(a, b)$%, we can
+   * determine either %$V_{2i}(a, b)$% and %$V_{2i+1}(a, b)$%, or
+   * %$V_{2i+1}(a, b)$% and %$V_{2i+2}(a, b)$%.
+   *
+   * To do this, suppose that %$n < 2^\ell$% and %$0 \le i \le \ell%; we'll
+   * start with %$i = 0$%.  Divide %$n = n_i 2^{\ell-i} + n'_i$% with
+   * %$n'_i < 2^{\ell-i}$%.  To do this, we maintain %$v_i = V_{n_i}(a, b)$%,
+   * %$w_i = V_{n_i+1}(a, b)$%, and %$b_i = b^{n_i}$%, all modulo %$n$%.  If
+   * %$n'_i < 2^{\ell-i-1}$% then we have %$n'_{i+1} = n'_i$% and
+   * %$n_{i+i} = 2 n_i$%; otherwise %$n'_{i+1} = n'_i - 2^{\ell-i-1}$% and
+   * %$n_{i+i} = 2 n_i + 1$%.
+   */
+  k = mp_add(k, n, e > 0 ? MP_MONE : MP_ONE);
+  aa = mpmont_mul(&mm, aa, &ma, mm.r2);
+  bb = mpmont_mul(&mm, bb, &mb, mm.r2); bi = MP_COPY(mm.r);
+  v = mpmont_mul(&mm, v, MP_TWO, mm.r2); w = MP_COPY(aa);
+
+  for (mpscan_rinitx(&msc, k->v, k->vl); mpscan_rstep(&msc); ) {
+    bit = mpscan_rbit(&msc);
+
+    /* We will want %$x = V_{n_i+1}(a, b) = V_{n_i} V_{n_i+1} - a b^{n_i}$%,
+     * but we don't yet know whether this is %$v_{i+1}$% or %$w_{i+1}$%.
+     */
+    x = mpmont_mul(&mm, x, v, w);
+    if (a == 1) x = mp_sub(x, x, bi);
+    else { y = mpmont_mul(&mm, y, aa, bi); x = mp_sub(x, x, y); }
+    if (MP_NEGP(x)) x = mp_add(x, x, n);
+
+    if (!bit) {
+      /* We're in the former case: %$n_{i+i} = 2 n_i$%.  So %$w_{i+1} = x$%,
+       * %$v_{i+1} = (v_i^2 - 2 b_i$%, and %$b_{i+1} = b_i^2$%.
+       */
+
+      y = mp_sqr(y, v); y = mpmont_reduce(&mm, y, y);
+      y = mp_sub(y, y, bi); if (MP_NEGP(y)) y = mp_add(y, y, n);
+      y = mp_sub(y, y, bi); if (MP_NEGP(y)) y = mp_add(y, y, n);
+      bi = mp_sqr(bi, bi); bi = mpmont_reduce(&mm, bi, bi);
+      t = v; u = w; v = y; w = x; x = t; y = u;
+    } else {
+      /* We're in the former case: %$n_{i+i} = 2 n_i + 1$%.  So
+       * %$v_{i+1} = x$%, %$w_{i+1} = w_i^2 - 2 b b^i$%$%, and
+       * %$b_{i+1} = b b_i^2$%.
+       */
+
+      y = mp_sqr(y, w); y = mpmont_reduce(&mm, y, y);
+      z = mpmont_mul(&mm, z, bi, bb);
+      y = mp_sub(y, y, z); if (MP_NEGP(y)) y = mp_add(y, y, n);
+      y = mp_sub(y, y, z); if (MP_NEGP(y)) y = mp_add(y, y, n);
+      bi = mpmont_mul(&mm, bi, bi, z);
+      t = v; u = w; v = x; w = y; x = t; y = u;
+    }
+  }
+
+  /* The Lucas test is that %$U_k(a, b) \equiv 0 \pmod{n}$% if %$n$% is
+   * prime.  I'm assured that
+   *
+   *   %$U_k(a, b) = (2 V_{k+1}(a, b) - a V_k(a, b))/\Delta$%
+   *
+   * so this is just a matter of checking that %$2 w - a v \equiv 0$%.
+   */
+  x = mp_add(x, w, w); y = mp_sub(y, x, n);
+  if (!MP_NEGP(y)) { t = x; x = y; y = t; }
+  if (a == 1) x = mp_sub(x, x, v);
+  else { y = mpmont_mul(&mm, y, v, aa); x = mp_sub(x, x, y); }
+  if (MP_NEGP(x)) x = mp_add(x, x, n);
+  if (!MP_ZEROP(x)) { rc = PGEN_FAIL; goto end; }
+
+  /* Grantham's Frobenius test is that, also, %$V_k(a, b) v = \equiv 2 b$%
+   * if %$n$% is prime and %$(\Delta | n) = -1$%, or %$v \equiv 2$% if
+   * %$(\Delta | n) = +1$%.
+   */
+  if (MP_ODDP(v)) v = mp_add(v, v, n);
+  v = mp_lsr(v, v, 1);
+  if (!MP_EQ(v, e == +1 ? mm.r : bb)) { rc = PGEN_FAIL; goto end; }
+
+  /* Looks like we made it. */
+  rc = PGEN_PASS;
+end:
+  mp_drop(v); mp_drop(w); mp_drop(aa); mp_drop(bb); mp_drop(bi);
+  mp_drop(k); mp_drop(x); mp_drop(y); mp_drop(z);
+  mpmont_destroy(&mm);
+  return (rc);
+}
+
+/*----- Test rig ----------------------------------------------------------*/
+
+#ifdef TEST_RIG
+
+#include <mLib/testrig.h>
+
+#include "mptext.h"
+
+static int verify(dstr *v)
+{
+  mp *n = *(mp **)v[0].buf;
+  int a = *(int *)v[1].buf, b = *(int *)v[2].buf, xrc = *(int *)v[3].buf, rc;
+  int ok = 1;
+
+  rc = pgen_granfrob(n, a, b);
+  if (rc != xrc) {
+    fputs("\n*** pgen_granfrob failed", stdout);
+    fputs("\nn = ", stdout); mp_writefile(n, stdout, 10);
+    printf("\na = %d", a);
+    printf("\nb = %d", a);
+    printf("\nexp rc = %d", xrc);
+    printf("\ncalc rc = %d\n", rc);
+    ok = 0;
+  }
+
+  mp_drop(n);
+  assert(mparena_count(MPARENA_GLOBAL) == 0);
+  return (ok);
+}
+
+static test_chunk tests[] = {
+  { "pgen-granfrob", verify,
+    { &type_mp, &type_int, &type_int, &type_int, 0 } },
+  { 0, 0, { 0 } }
+};
+
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+  sub_init();
+  test_run(argc, argv, tests, SRCDIR "/t/pgen");
+  return (0);
+}
+
+#endif
+
+/*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/
index 9a822f5..f10d585 100644 (file)
@@ -319,28 +319,33 @@ mp *pgen(const char *name, mp *d, mp *m, pgen_proc *event, void *ectx,
  *             @grand *gr@ = a random number source
  *
  * Returns:    Nonzero if @p@ is really prime.
+ *
+ * Use:                Checks the primality of @p@.  If @p@ is prime, then this
+ *             function returns nonzero; if @p@ is really composite then it
+ *             %%\emph{probably}%% returns zero, but might not.
+ *
+ *             Currently, this function uses the Baillie--PSW test, which
+ *             combines a single Miller--Rabin test with witness 2 with a
+ *             single Frobenius test with parameters chosen using
+ *             Selfridge's `Method A'.  No composites are known which pass
+ *             this test, though it's conjectured that infinitely many
+ *             exist.
  */
 
 int pgen_primep(mp *p, grand *gr)
 {
-  int i;
   rabin r;
-  mp *x = MP_NEW;
+  int rc;
 
   if (MP_NEGP(p)) return (0);
   switch (pfilt_smallfactor(p)) {
     case PGEN_DONE: return (1);
     case PGEN_FAIL: return (0);
   }
-  rabin_create(&r, p);
-  for (i = 32; i; i--) {
-    x = mprand_range(x, p, gr, 0);
-    if (rabin_rtest(&r, x) == PGEN_FAIL)
-      break;
-  }
-  MP_DROP(x);
-  rabin_destroy(&r);
-  return (!i);
+  rabin_create(&r, p); rc = rabin_test(&r, MP_TWO); rabin_destroy(&r);
+  if (rc == PGEN_FAIL) return (0);
+  rc = pgen_granfrob(p, 0, 0); if (rc == PGEN_FAIL) return (0);
+  return (1);
 }
 
 /*----- Test rig ----------------------------------------------------------*/
index b103c30..219b261 100644 (file)
@@ -270,6 +270,29 @@ extern mp *pgen(const char */*name*/, mp */*d*/, mp */*m*/,
                unsigned /*steps*/, pgen_proc */*step*/, void */*sctx*/,
                unsigned /*tests*/, pgen_proc */*test*/, void */*tctx*/);
 
+/* --- @pgen_granfrob@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *n@ = an integer to test
+ *             @int a, b@ = coefficients; if @a@ is zero then choose
+ *                     automatically
+ *
+ * Returns:    One of the @PGEN_...@ codes.
+ *
+ * Use:                Performs a quadratic versoin of Grantham's Frobenius
+ *             primality test, which is a simple extension of the standard
+ *             Lucas test.
+ *
+ *             If %$a^2 - 4 b$% is a perfect square then the test can't
+ *             work; this function returns @PGEN_ABORT@ under these
+ *             circumstances.
+ *
+ *             If @a@ is zero on entry, then the function will choose
+ *             suitable parameters deterministically -- i.e., it always
+ *             chooses the same parameters for a given %$n$%.
+ */
+
+extern int pgen_granfrob(mp */*n*/, int /*a*/, int /*b*/);
+
 /* --- @pgen_primep@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *p@ = a number to check
index 8d52d19..be26c18 100644 (file)
@@ -14,6 +14,29 @@ pgen {
   166359567317705838255275971708060308423814413741683015010175247351623188739655446196925981468626681882384215574706593049022467680136399439302347043107836749816290369600677730213469006507173065402294688841278559283358390567733443050775707749725690534182003442070447739085348456478911335969765393755383551520173 166359567317705838255275971708060308423814413741683015010175247351623188739655446196925981468626681882384215574706593049022467680136399439302347043107836749816290369600677730213469006507173065402294688841278559283358390567733443050775707749725690534182003442070447739085348456478911335969765393755383551520257;
 }
 
+pgen-granfrob {
+  5 0 0 -1;
+  7 0 0 4;
+  15 0 0 3;
+  5777 1 -1 4; # pseudoprime
+  40301809 0 0 4;
+  86059163416987297647409667483582114939806237974424324409828198660056356336227 1 5 4;
+  102508420970861015999300753620309481186457893679971500520427161277511389396803 1 5 4;
+  72291866454056552194087337607224612505157525245486245416393486917859196707519 1 5 4;
+  72291866454056552194087337607224612505157525245486265416393486917859196707519 1 5 3;
+
+  ## A large Frobenius pseudoprime: call the first number p_1; then p_2 = 31
+  ## (p_1 + 1) - 1 and p_3 = 43 (p_1 + 1) - 1.  These three are all prime.
+  ## Their product is a strong Lucas, and Frobenius, pseudoprime.
+  ##
+  ## See `Prime and Prejudice' by Martin R. Albrecht, Jake Massimo, Kenneth
+  ## G. Paterson, and Juraj Somorovsky.
+  3690125385954346893658786222051913500627130245213169388019826598097107079718295481926241398412699320815932808015860263240282855670239765686869973444864115322609857375876438922226372746215468824202413623127 0 0 4;
+  114393886964584753703422372883609318519441037601608251028614624541010319471267159939713483350793678945293917048491668160448768525777432736292969176790787575000905578652169606589017555132679533550274822316967 0 0 4;
+  158675391596036916427327807548232280526966600544166283684852543718175604427886705722828380131746070795085110744681991319332162793820309924535408858129156958872223867162686873655734028087265159440703785794503 0 0 4;
+  66981291792500223036804182765508448534715465524671325885174850970812009004775815201151227900130153990294748113034471984909912807896550069799856170439734910206802409847773026240559371480115711600866989845251707737806461503879250232804362190067578216069266197879151809743235261582813331022213587929425243163096486125825510076936556242805690400001899138503900919499414951069309064408305196756524628693684938044145785145327821174180933033293089394794328963673467918652042794300291355500468079109432376296868174257674548727592142782202898031102246775544402811199608266683925072825828225074019194302318324623049819212337927 0 0 4;
+}
+
 primep {
   -5 0;
   -1 0;
@@ -24,6 +47,30 @@ primep {
   4 0;
   40301809 1;
   40301811 0;
+
+  ## A small Lucas pseudoprime: 5777 = 53*109.
+  5777 0;
+
+  ## A large strong pseudoprime: this is the product of
+  ##
+  ##   p_1 = 142445387161415482404826365418175962266689133006163
+  ##   p_2 = 5840260873618034778597880982145214452934254453252643
+  ##   p_3 = 14386984103302963722887462907235772188935602433622363
+  ##
+  ## See `Prime and Prejudice' by Martin R. Albrecht, Jake Massimo, Kenneth
+  ## G. Paterson, and Juraj Somorovsky.
+  142445387161415482404826365418175962266689133006163 1;
+  5840260873618034778597880982145214452934254453252643 1;
+  14386984103302963722887462907235772188935602433622363 1;
+  11968794224604718293549908104759518204343930652759288592987578098131927050572705181539873293848476235393230314654912729920657864630317971562727057595285667 0;
+
+  ## A large Lucas pseudoprime: call the first number p_1; then p_2 = 31 (p_1
+  ## + 1) - 1 and p_3 = 43 (p_1 + 1) - 1.  These three are all prime.  Their
+  ## product is a strong Lucas pseudoprime.
+  3690125385954346893658786222051913500627130245213169388019826598097107079718295481926241398412699320815932808015860263240282855670239765686869973444864115322609857375876438922226372746215468824202413623127 1;
+  114393886964584753703422372883609318519441037601608251028614624541010319471267159939713483350793678945293917048491668160448768525777432736292969176790787575000905578652169606589017555132679533550274822316967 1;
+  158675391596036916427327807548232280526966600544166283684852543718175604427886705722828380131746070795085110744681991319332162793820309924535408858129156958872223867162686873655734028087265159440703785794503 1;
+  66981291792500223036804182765508448534715465524671325885174850970812009004775815201151227900130153990294748113034471984909912807896550069799856170439734910206802409847773026240559371480115711600866989845251707737806461503879250232804362190067578216069266197879151809743235261582813331022213587929425243163096486125825510076936556242805690400001899138503900919499414951069309064408305196756524628693684938044145785145327821174180933033293089394794328963673467918652042794300291355500468079109432376296868174257674548727592142782202898031102246775544402811199608266683925072825828225074019194302318324623049819212337927 0;
 }
 
 primeiter {
index b593fb8..69e2437 100644 (file)
@@ -126,7 +126,7 @@ int main(int argc, char *argv[])
     group *g;
     dh_infofromdata(&dp, pe->data);
     g = group_prime(&dp);
-    if (mp_bits(dp.p) > 2048 &&
+    if (mp_bits(dp.p) > 3072 &&
        (!argv[1] || strcmp(argv[1], "keen") != 0)) {
       printf(" [%s skipped]", pe->name);
       fflush(stdout);