ec-field-test.c: Make the field-element type use internal format.
[secnet] / f25519.c
index 4e0d1cc..fc57ae4 100644 (file)
--- a/f25519.c
+++ b/f25519.c
@@ -1,44 +1,3 @@
-/*
- * f25519.c: arithmetic modulo 2^255 - 19
- */
-/*
- * This file is Free Software.  It has been modified to as part of its
- * incorporation into secnet.
- *
- * Copyright 2017 Mark Wooding
- *
- * You may redistribute this file and/or modify it under the terms of
- * the permissive licence shown below.
- *
- * You may redistribute secnet as a whole and/or modify it under the
- * terms of the GNU General Public License as published by the Free
- * Software Foundation; either version 3, or (at your option) any
- * later version.
- *
- * This program 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 General Public License for more details.
- *
- * You should have received a copy of the GNU General Public License
- * along with this program; if not, see
- * https://www.gnu.org/licenses/gpl.html.
- */
-/*
- * Imported from Catacomb, and modified for Secnet (2017-04-30):
- *
- *   * Use `fake-mLib-bits.h' in place of the real <mLib/bits.h>.
- *
- *   * Remove the 16/32-bit implementation, since C99 always has 64-bit
- *     arithmetic.
- *
- *   * Remove the test rig code: a replacement is in a separate source file.
- *
- *   * Disable some of the operations which aren't needed for X25519.
- *     (They're used for Ed25519, which we don't need.)
- *
- * The file's original comment headers are preserved below.
- */
 /* -*-c-*-
  *
  * Arithmetic modulo 2^255 - 19
@@ -48,7 +7,26 @@
 
 /*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
  *
- * This file is part of Catacomb.
+ * This file is part of secnet.
+ * See README for full list of copyright holders.
+ *
+ * secnet is free software; you can redistribute it and/or modify it
+ * under the terms of the GNU General Public License as published by
+ * the Free Software Foundation; either version d of the License, or
+ * (at your option) any later version.
+ *
+ * secnet 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
+ * General Public License for more details.
+ *
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License
+ * version 3 along with secnet; if not, see
+ * https://www.gnu.org/licenses/gpl.html.
+ *
+ * This file was originally part of Catacomb, but has been automatically
+ * modified for incorporation into secnet: see `import-catacomb-crypto'
+ * for details.
  *
  * Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
  * it under the terms of the GNU Library General Public License as
 
 /*----- Basic setup -------------------------------------------------------*/
 
+typedef f25519_piece piece;
+
 /* Elements x of GF(2^255 - 19) are represented by ten signed integers x_i: x
  * = SUM_{0<=i<10} x_i 2^ceil(51i/2), mostly following Bernstein's original
  * paper.
  */
 
-typedef  int32  piece;  typedef  int64  dblpiece;
+                       typedef  int64  dblpiece;
 typedef uint32 upiece;  typedef uint64 udblpiece;
 #define P p26
 #define PIECEWD(i) ((i)%2 ? 25 : 26)
@@ -85,7 +65,6 @@ typedef uint32 upiece;  typedef uint64 udblpiece;
 
 #define M26 0x03ffffffu
 #define M25 0x01ffffffu
-#define B26 0x04000000u
 #define B25 0x02000000u
 #define B24 0x01000000u
 
@@ -150,6 +129,7 @@ DEF_FDUMP(fdump, piece, PIECEWD, NPIECE, 32, get_2p255m91())
 
 void f25519_load(f25519 *z, const octet xv[32])
 {
+
   uint32 xw0 = LOAD32_L(xv +  0), xw1 = LOAD32_L(xv +  4),
         xw2 = LOAD32_L(xv +  8), xw3 = LOAD32_L(xv + 12),
         xw4 = LOAD32_L(xv + 16), xw5 = LOAD32_L(xv + 20),
@@ -229,6 +209,7 @@ void f25519_load(f25519 *z, const octet xv[32])
 
 void f25519_store(octet zv[32], const f25519 *x)
 {
+
   piece PIECES(x), PIECES(y), c, d;
   uint32 zw0, zw1, zw2, zw3, zw4, zw5, zw6, zw7;
   mask32 m;
@@ -387,8 +368,6 @@ void f25519_sub(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
   z->P[8] = x->P[8] - y->P[8]; z->P[9] = x->P[9] - y->P[9];
 }
 
-#ifndef F25519_TRIM_X25519
-
 /* --- @f25519_neg@ --- *
  *
  * Arguments:  @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@)
@@ -408,12 +387,8 @@ void f25519_neg(f25519 *z, const f25519 *x)
   z->P[8] = -x->P[8]; z->P[9] = -x->P[9];
 }
 
-#endif
-
 /*----- Constant-time utilities -------------------------------------------*/
 
-#ifndef F25519_TRIM_X25519
-
 /* --- @f25519_pick2@ --- *
  *
  * Arguments:  @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
@@ -480,8 +455,6 @@ void f25519_pickn(f25519 *z, const f25519 *v, size_t n, size_t i)
   }
 }
 
-#endif
-
 /* --- @f25519_condswap@ --- *
  *
  * Arguments:  @f25519 *x, *y@ = two operands
@@ -510,8 +483,6 @@ void f25519_condswap(f25519 *x, f25519 *y, uint32 m)
   CONDSWAP(x->P[9], y->P[9], mm);
 }
 
-#ifndef F25519_TRIM_X25519
-
 /* --- @f25519_condneg@ --- *
  *
  * Arguments:  @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@)
@@ -545,8 +516,6 @@ void f25519_condneg(f25519 *z, const f25519 *x, uint32 m)
 #undef CONDNEG
 }
 
-#endif
-
 /*----- Multiplication ----------------------------------------------------*/
 
 /* Let B = 2^63 - 1 be the largest value such that +B and -B can be
@@ -596,6 +565,7 @@ void f25519_condneg(f25519 *z, const f25519 *x, uint32 m)
 
 void f25519_mulconst(f25519 *z, const f25519 *x, long a)
 {
+
   piece PIECES(x);
   dblpiece PIECES(z), aa = a;
 
@@ -624,6 +594,7 @@ void f25519_mulconst(f25519 *z, const f25519 *x, long a)
 
 void f25519_mul(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
 {
+
   piece PIECES(x), PIECES(y);
   dblpiece PIECES(z);
   unsigned i;
@@ -702,6 +673,7 @@ void f25519_mul(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
 
 void f25519_sqr(f25519 *z, const f25519 *x)
 {
+
   piece PIECES(x);
   dblpiece PIECES(z);
   unsigned i;
@@ -801,8 +773,6 @@ void f25519_inv(f25519 *z, const f25519 *x)
 #undef SQRN
 }
 
-#ifndef F25519_TRIM_X25519
-
 /* --- @f25519_quosqrt@ --- *
  *
  * Arguments:  @f25519 *z@ = where to put the result (may alias @x@ or @y@)
@@ -817,20 +787,14 @@ void f25519_inv(f25519 *z, const f25519 *x)
  */
 
 static const piece sqrtm1_pieces[NPIECE] = {
-#if F25519_IMPL == 26
   -32595792,  -7943725,   9377950,   3500415,  12389472,
     -272473, -25146209,  -2005654,    326686,  11406482
-#elif F25519_IMPL == 10
-   176,  -88,  161,  157, -485, -196, -231, -220, -416,
-  -169, -255,   50,  189,  -89, -266,  -32,  202, -511,
-   423,  357,  248, -249,   80,  288,   50,  174
-#endif
 };
 #define SQRTM1 ((const f25519 *)sqrtm1_pieces)
 
 int f25519_quosqrt(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
 {
-  f25519 t, u, w, beta, xy3, t2p50m1;
+  f25519 t, u, v, w, t15;
   octet xb[32], b0[32], b1[32];
   int32 rc = -1;
   mask32 m;
@@ -841,75 +805,77 @@ int f25519_quosqrt(f25519 *z, const f25519 *x, const f25519 *y)
   for (i = 1; i < (n); i++) f25519_sqr((z), (z));                      \
 } while (0)
 
-  /* This is a bit tricky; the algorithm is from Bernstein, Duif, Lange,
-   * Schwabe, and Yang, `High-speed high-security signatures', 2011-09-26,
-   * https://ed25519.cr.yp.to/ed25519-20110926.pdf.
+  /* This is a bit tricky; the algorithm is loosely based on Bernstein, Duif,
+   * Lange, Schwabe, and Yang, `High-speed high-security signatures',
+   * 2011-09-26, https://ed25519.cr.yp.to/ed25519-20110926.pdf.
+   */
+  f25519_mul(&v, x, y);
+
+  /* Now for an addition chain. */     /* step | value */
+  f25519_sqr(&u, &v);                  /*    1 | 2 */
+  f25519_mul(&t, &u, &v);              /*    2 | 3 */
+  SQRN(&u, &t, 2);                     /*    4 | 12 */
+  f25519_mul(&t15, &u, &t);            /*    5 | 15 */
+  f25519_sqr(&u, &t15);                        /*    6 | 30 */
+  f25519_mul(&t, &u, &v);              /*    7 | 31 = 2^5 - 1 */
+  SQRN(&u, &t, 5);                     /*   12 | 2^10 - 2^5 */
+  f25519_mul(&t, &u, &t);              /*   13 | 2^10 - 1 */
+  SQRN(&u, &t, 10);                    /*   23 | 2^20 - 2^10 */
+  f25519_mul(&u, &u, &t);              /*   24 | 2^20 - 1 */
+  SQRN(&u, &u, 10);                    /*   34 | 2^30 - 2^10 */
+  f25519_mul(&t, &u, &t);              /*   35 | 2^30 - 1 */
+  f25519_sqr(&u, &t);                  /*   36 | 2^31 - 2 */
+  f25519_mul(&t, &u, &v);              /*   37 | 2^31 - 1 */
+  SQRN(&u, &t, 31);                    /*   68 | 2^62 - 2^31 */
+  f25519_mul(&t, &u, &t);              /*   69 | 2^62 - 1 */
+  SQRN(&u, &t, 62);                    /*  131 | 2^124 - 2^62 */
+  f25519_mul(&t, &u, &t);              /*  132 | 2^124 - 1 */
+  SQRN(&u, &t, 124);                   /*  256 | 2^248 - 2^124 */
+  f25519_mul(&t, &u, &t);              /*  257 | 2^248 - 1 */
+  f25519_sqr(&u, &t);                  /*  258 | 2^249 - 2 */
+  f25519_mul(&t, &u, &v);              /*  259 | 2^249 - 1 */
+  SQRN(&t, &t, 3);                     /*  262 | 2^252 - 8 */
+  f25519_sqr(&u, &t);                  /*  263 | 2^253 - 16 */
+  f25519_mul(&t, &u, &t);              /*  264 | 3*2^252 - 24 */
+  f25519_mul(&t, &t, &t15);            /*  265 | 3*2^252 - 9 */
+  f25519_mul(&w, &t, &v);              /*  266 | 3*2^252 - 8 */
+
+  /* Awesome.  Now let me explain.  Let v be a square in GF(p), and let w =
+   * v^(3*2^252 - 8).  In particular, let's consider
    *
-   * First of all, a complicated exponentation.  The addition chain here is
-   * mine.  We start with some preliminary values.
-   */                                  /* step | value */
-  SQRN(&u, y, 1);                      /*    1 | 0, 2 */
-  f25519_mul(&t, &u, y);               /*    2 | 0, 3 */
-  f25519_mul(&xy3, &t, x);             /*    3 | 1, 3 */
-  SQRN(&u, &u, 1);                     /*    4 | 0, 4 */
-  f25519_mul(&w, &u, &xy3);            /*    5 | 1, 7 */
-
-  /* And now we calculate w^((p - 5)/8) = w^(252 - 3). */
-  SQRN(&u, &w, 1);                     /*    6 | 2 */
-  f25519_mul(&t, &w, &u);              /*    7 | 3 */
-  SQRN(&u, &t, 1);                     /*    8 | 6 */
-  f25519_mul(&t, &u, &w);              /*    9 | 7 */
-  SQRN(&u, &t, 3);                     /*   12 | 56 */
-  f25519_mul(&t, &t, &u);              /*   13 | 63 = 2^6 - 1 */
-  SQRN(&u, &t, 6);                     /*   19 | 2^12 - 2^6 */
-  f25519_mul(&t, &t, &u);              /*   20 | 2^12 - 1 */
-  SQRN(&u, &t, 12);                    /*   32 | 2^24 - 2^12 */
-  f25519_mul(&t, &t, &u);              /*   33 | 2^24 - 1 */
-  SQRN(&u, &t, 1);                     /*   34 | 2^25 - 2 */
-  f25519_mul(&t, &u, &w);              /*   35 | 2^25 - 1 */
-  SQRN(&u, &t, 25);                    /*   60 | 2^50 - 2^25 */
-  f25519_mul(&t2p50m1, &t, &u);                /*   61 | 2^50 - 1 */
-  SQRN(&u, &t2p50m1, 50);              /*  111 | 2^100 - 2^50 */
-  f25519_mul(&t, &t2p50m1, &u);                /*  112 | 2^100 - 1 */
-  SQRN(&u, &t, 100);                   /*  212 | 2^200 - 2^100 */
-  f25519_mul(&t, &t, &u);              /*  213 | 2^200 - 1 */
-  SQRN(&u, &t, 50);                    /*  263 | 2^250 - 2^50 */
-  f25519_mul(&t, &t2p50m1, &u);                /*  264 | 2^250 - 1 */
-  SQRN(&u, &t, 2);                     /*  266 | 2^252 - 4 */
-  f25519_mul(&t, &u, &w);              /*  267 | 2^252 - 3 */
-
-  /* And finally... */
-  f25519_mul(&beta, &t, &xy3);         /*  268 | ... */
-
-  /* Now we have beta = (x y^3) (x y^7)^((p - 5)/8) = (x/y)^((p + 3)/8), and
-   * we're ready to finish the computation.  Suppose that alpha^2 = u/w.
-   * Then beta^4 = (x/y)^((p + 3)/2) = alpha^(p + 3) = alpha^4 = (x/y)^2, so
-   * we have beta^2 = ±x/y.  If y beta^2 = x then beta is the one we wanted;
-   * if -y beta^2 = x, then we want beta sqrt(-1), which we already know.  Of
-   * course, it might not match either, in which case we fail.
+   *    v^2 w^4 = v^2 v^{3*2^254 - 32} = (v^{2^254 - 10})^3
+   *
+   * But 2^254 - 10 = ((2^255 - 19) - 1)/2 = (p - 1)/2.  Since v is a square,
+   * it has order dividing (p - 1)/2, and therefore v^2 w^4 = 1 and
+   *
+   *    w^4 = 1/v^2
+   *
+   * That in turn implies that w^2 = ±1/v.  Now, recall that v = x y, and let
+   * w' = w x.  Then w'^2 = ±x^2/v = ±x/y.  If y w'^2 = x then we set
+   * z = w', since we have z^2 = x/y; otherwise let z = i w', where i^2 = -1,
+   * so z^2 = -w^2 = x/y, and we're done.
    *
    * The easiest way to compare is to encode.  This isn't as wasteful as it
    * sounds: the hard part is normalizing the representations, which we have
    * to do anyway.
    */
-  f25519_sqr(&t, &beta);
+  f25519_mul(&w, &w, x);
+  f25519_sqr(&t, &w);
   f25519_mul(&t, &t, y);
   f25519_neg(&u, &t);
   f25519_store(xb, x);
   f25519_store(b0, &t);
   f25519_store(b1, &u);
-  f25519_mul(&u, &beta, SQRTM1);
+  f25519_mul(&u, &w, SQRTM1);
 
-  m = -ct_memeq(b0, xb, 32);
+  m = -consttime_memeq(b0, xb, 32);
   rc = PICK2(0, rc, m);
-  f25519_pick2(z, &beta, &u, m);
-  m = -ct_memeq(b1, xb, 32);
+  f25519_pick2(z, &w, &u, m);
+  m = -consttime_memeq(b1, xb, 32);
   rc = PICK2(0, rc, m);
 
   /* And we're done. */
   return (rc);
 }
 
-#endif
-
 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/