1261287Sdes/* $OpenBSD: ge25519.c,v 1.3 2013/12/09 11:03:45 markus Exp $ */
2261287Sdes
3261287Sdes/*
4261287Sdes * Public Domain, Authors: Daniel J. Bernstein, Niels Duif, Tanja Lange,
5261287Sdes * Peter Schwabe, Bo-Yin Yang.
6261287Sdes * Copied from supercop-20130419/crypto_sign/ed25519/ref/ge25519.c
7261287Sdes */
8261287Sdes
9261287Sdes#include "includes.h"
10261287Sdes
11261287Sdes#include "fe25519.h"
12261287Sdes#include "sc25519.h"
13261287Sdes#include "ge25519.h"
14261287Sdes
15261287Sdes/*
16261287Sdes * Arithmetic on the twisted Edwards curve -x^2 + y^2 = 1 + dx^2y^2
17261287Sdes * with d = -(121665/121666) = 37095705934669439343138083508754565189542113879843219016388785533085940283555
18261287Sdes * Base point: (15112221349535400772501151409588531511454012693041857206046113283949847762202,46316835694926478169428394003475163141307993866256225615783033603165251855960);
19261287Sdes */
20261287Sdes
21261287Sdes/* d */
22261287Sdesstatic const fe25519 ge25519_ecd = {{0xA3, 0x78, 0x59, 0x13, 0xCA, 0x4D, 0xEB, 0x75, 0xAB, 0xD8, 0x41, 0x41, 0x4D, 0x0A, 0x70, 0x00,
23261287Sdes                      0x98, 0xE8, 0x79, 0x77, 0x79, 0x40, 0xC7, 0x8C, 0x73, 0xFE, 0x6F, 0x2B, 0xEE, 0x6C, 0x03, 0x52}};
24261287Sdes/* 2*d */
25261287Sdesstatic const fe25519 ge25519_ec2d = {{0x59, 0xF1, 0xB2, 0x26, 0x94, 0x9B, 0xD6, 0xEB, 0x56, 0xB1, 0x83, 0x82, 0x9A, 0x14, 0xE0, 0x00,
26261287Sdes                       0x30, 0xD1, 0xF3, 0xEE, 0xF2, 0x80, 0x8E, 0x19, 0xE7, 0xFC, 0xDF, 0x56, 0xDC, 0xD9, 0x06, 0x24}};
27261287Sdes/* sqrt(-1) */
28261287Sdesstatic const fe25519 ge25519_sqrtm1 = {{0xB0, 0xA0, 0x0E, 0x4A, 0x27, 0x1B, 0xEE, 0xC4, 0x78, 0xE4, 0x2F, 0xAD, 0x06, 0x18, 0x43, 0x2F,
29261287Sdes                         0xA7, 0xD7, 0xFB, 0x3D, 0x99, 0x00, 0x4D, 0x2B, 0x0B, 0xDF, 0xC1, 0x4F, 0x80, 0x24, 0x83, 0x2B}};
30261287Sdes
31261287Sdes#define ge25519_p3 ge25519
32261287Sdes
33261287Sdestypedef struct
34261287Sdes{
35261287Sdes  fe25519 x;
36261287Sdes  fe25519 z;
37261287Sdes  fe25519 y;
38261287Sdes  fe25519 t;
39261287Sdes} ge25519_p1p1;
40261287Sdes
41261287Sdestypedef struct
42261287Sdes{
43261287Sdes  fe25519 x;
44261287Sdes  fe25519 y;
45261287Sdes  fe25519 z;
46261287Sdes} ge25519_p2;
47261287Sdes
48261287Sdestypedef struct
49261287Sdes{
50261287Sdes  fe25519 x;
51261287Sdes  fe25519 y;
52261287Sdes} ge25519_aff;
53261287Sdes
54261287Sdes
55261287Sdes/* Packed coordinates of the base point */
56261287Sdesconst ge25519 ge25519_base = {{{0x1A, 0xD5, 0x25, 0x8F, 0x60, 0x2D, 0x56, 0xC9, 0xB2, 0xA7, 0x25, 0x95, 0x60, 0xC7, 0x2C, 0x69,
57261287Sdes                                0x5C, 0xDC, 0xD6, 0xFD, 0x31, 0xE2, 0xA4, 0xC0, 0xFE, 0x53, 0x6E, 0xCD, 0xD3, 0x36, 0x69, 0x21}},
58261287Sdes                              {{0x58, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66,
59261287Sdes                                0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66, 0x66}},
60261287Sdes                              {{0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
61261287Sdes                                0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}},
62261287Sdes                              {{0xA3, 0xDD, 0xB7, 0xA5, 0xB3, 0x8A, 0xDE, 0x6D, 0xF5, 0x52, 0x51, 0x77, 0x80, 0x9F, 0xF0, 0x20,
63261287Sdes                                0x7D, 0xE3, 0xAB, 0x64, 0x8E, 0x4E, 0xEA, 0x66, 0x65, 0x76, 0x8B, 0xD7, 0x0F, 0x5F, 0x87, 0x67}}};
64261287Sdes
65261287Sdes/* Multiples of the base point in affine representation */
66261287Sdesstatic const ge25519_aff ge25519_base_multiples_affine[425] = {
67261287Sdes#include "ge25519_base.data"
68261287Sdes};
69261287Sdes
70261287Sdesstatic void p1p1_to_p2(ge25519_p2 *r, const ge25519_p1p1 *p)
71261287Sdes{
72261287Sdes  fe25519_mul(&r->x, &p->x, &p->t);
73261287Sdes  fe25519_mul(&r->y, &p->y, &p->z);
74261287Sdes  fe25519_mul(&r->z, &p->z, &p->t);
75261287Sdes}
76261287Sdes
77261287Sdesstatic void p1p1_to_p3(ge25519_p3 *r, const ge25519_p1p1 *p)
78261287Sdes{
79261287Sdes  p1p1_to_p2((ge25519_p2 *)r, p);
80261287Sdes  fe25519_mul(&r->t, &p->x, &p->y);
81261287Sdes}
82261287Sdes
83261287Sdesstatic void ge25519_mixadd2(ge25519_p3 *r, const ge25519_aff *q)
84261287Sdes{
85261287Sdes  fe25519 a,b,t1,t2,c,d,e,f,g,h,qt;
86261287Sdes  fe25519_mul(&qt, &q->x, &q->y);
87261287Sdes  fe25519_sub(&a, &r->y, &r->x); /* A = (Y1-X1)*(Y2-X2) */
88261287Sdes  fe25519_add(&b, &r->y, &r->x); /* B = (Y1+X1)*(Y2+X2) */
89261287Sdes  fe25519_sub(&t1, &q->y, &q->x);
90261287Sdes  fe25519_add(&t2, &q->y, &q->x);
91261287Sdes  fe25519_mul(&a, &a, &t1);
92261287Sdes  fe25519_mul(&b, &b, &t2);
93261287Sdes  fe25519_sub(&e, &b, &a); /* E = B-A */
94261287Sdes  fe25519_add(&h, &b, &a); /* H = B+A */
95261287Sdes  fe25519_mul(&c, &r->t, &qt); /* C = T1*k*T2 */
96261287Sdes  fe25519_mul(&c, &c, &ge25519_ec2d);
97261287Sdes  fe25519_add(&d, &r->z, &r->z); /* D = Z1*2 */
98261287Sdes  fe25519_sub(&f, &d, &c); /* F = D-C */
99261287Sdes  fe25519_add(&g, &d, &c); /* G = D+C */
100261287Sdes  fe25519_mul(&r->x, &e, &f);
101261287Sdes  fe25519_mul(&r->y, &h, &g);
102261287Sdes  fe25519_mul(&r->z, &g, &f);
103261287Sdes  fe25519_mul(&r->t, &e, &h);
104261287Sdes}
105261287Sdes
106261287Sdesstatic void add_p1p1(ge25519_p1p1 *r, const ge25519_p3 *p, const ge25519_p3 *q)
107261287Sdes{
108261287Sdes  fe25519 a, b, c, d, t;
109261287Sdes
110261287Sdes  fe25519_sub(&a, &p->y, &p->x); /* A = (Y1-X1)*(Y2-X2) */
111261287Sdes  fe25519_sub(&t, &q->y, &q->x);
112261287Sdes  fe25519_mul(&a, &a, &t);
113261287Sdes  fe25519_add(&b, &p->x, &p->y); /* B = (Y1+X1)*(Y2+X2) */
114261287Sdes  fe25519_add(&t, &q->x, &q->y);
115261287Sdes  fe25519_mul(&b, &b, &t);
116261287Sdes  fe25519_mul(&c, &p->t, &q->t); /* C = T1*k*T2 */
117261287Sdes  fe25519_mul(&c, &c, &ge25519_ec2d);
118261287Sdes  fe25519_mul(&d, &p->z, &q->z); /* D = Z1*2*Z2 */
119261287Sdes  fe25519_add(&d, &d, &d);
120261287Sdes  fe25519_sub(&r->x, &b, &a); /* E = B-A */
121261287Sdes  fe25519_sub(&r->t, &d, &c); /* F = D-C */
122261287Sdes  fe25519_add(&r->z, &d, &c); /* G = D+C */
123261287Sdes  fe25519_add(&r->y, &b, &a); /* H = B+A */
124261287Sdes}
125261287Sdes
126261287Sdes/* See http://www.hyperelliptic.org/EFD/g1p/auto-twisted-extended-1.html#doubling-dbl-2008-hwcd */
127261287Sdesstatic void dbl_p1p1(ge25519_p1p1 *r, const ge25519_p2 *p)
128261287Sdes{
129261287Sdes  fe25519 a,b,c,d;
130261287Sdes  fe25519_square(&a, &p->x);
131261287Sdes  fe25519_square(&b, &p->y);
132261287Sdes  fe25519_square(&c, &p->z);
133261287Sdes  fe25519_add(&c, &c, &c);
134261287Sdes  fe25519_neg(&d, &a);
135261287Sdes
136261287Sdes  fe25519_add(&r->x, &p->x, &p->y);
137261287Sdes  fe25519_square(&r->x, &r->x);
138261287Sdes  fe25519_sub(&r->x, &r->x, &a);
139261287Sdes  fe25519_sub(&r->x, &r->x, &b);
140261287Sdes  fe25519_add(&r->z, &d, &b);
141261287Sdes  fe25519_sub(&r->t, &r->z, &c);
142261287Sdes  fe25519_sub(&r->y, &d, &b);
143261287Sdes}
144261287Sdes
145261287Sdes/* Constant-time version of: if(b) r = p */
146261287Sdesstatic void cmov_aff(ge25519_aff *r, const ge25519_aff *p, unsigned char b)
147261287Sdes{
148261287Sdes  fe25519_cmov(&r->x, &p->x, b);
149261287Sdes  fe25519_cmov(&r->y, &p->y, b);
150261287Sdes}
151261287Sdes
152261287Sdesstatic unsigned char equal(signed char b,signed char c)
153261287Sdes{
154261287Sdes  unsigned char ub = b;
155261287Sdes  unsigned char uc = c;
156261287Sdes  unsigned char x = ub ^ uc; /* 0: yes; 1..255: no */
157261287Sdes  crypto_uint32 y = x; /* 0: yes; 1..255: no */
158261287Sdes  y -= 1; /* 4294967295: yes; 0..254: no */
159261287Sdes  y >>= 31; /* 1: yes; 0: no */
160261287Sdes  return y;
161261287Sdes}
162261287Sdes
163261287Sdesstatic unsigned char negative(signed char b)
164261287Sdes{
165261287Sdes  unsigned long long x = b; /* 18446744073709551361..18446744073709551615: yes; 0..255: no */
166261287Sdes  x >>= 63; /* 1: yes; 0: no */
167261287Sdes  return x;
168261287Sdes}
169261287Sdes
170261287Sdesstatic void choose_t(ge25519_aff *t, unsigned long long pos, signed char b)
171261287Sdes{
172261287Sdes  /* constant time */
173261287Sdes  fe25519 v;
174261287Sdes  *t = ge25519_base_multiples_affine[5*pos+0];
175261287Sdes  cmov_aff(t, &ge25519_base_multiples_affine[5*pos+1],equal(b,1) | equal(b,-1));
176261287Sdes  cmov_aff(t, &ge25519_base_multiples_affine[5*pos+2],equal(b,2) | equal(b,-2));
177261287Sdes  cmov_aff(t, &ge25519_base_multiples_affine[5*pos+3],equal(b,3) | equal(b,-3));
178261287Sdes  cmov_aff(t, &ge25519_base_multiples_affine[5*pos+4],equal(b,-4));
179261287Sdes  fe25519_neg(&v, &t->x);
180261287Sdes  fe25519_cmov(&t->x, &v, negative(b));
181261287Sdes}
182261287Sdes
183261287Sdesstatic void setneutral(ge25519 *r)
184261287Sdes{
185261287Sdes  fe25519_setzero(&r->x);
186261287Sdes  fe25519_setone(&r->y);
187261287Sdes  fe25519_setone(&r->z);
188261287Sdes  fe25519_setzero(&r->t);
189261287Sdes}
190261287Sdes
191261287Sdes/* ********************************************************************
192261287Sdes *                    EXPORTED FUNCTIONS
193261287Sdes ******************************************************************** */
194261287Sdes
195261287Sdes/* return 0 on success, -1 otherwise */
196261287Sdesint ge25519_unpackneg_vartime(ge25519_p3 *r, const unsigned char p[32])
197261287Sdes{
198261287Sdes  unsigned char par;
199261287Sdes  fe25519 t, chk, num, den, den2, den4, den6;
200261287Sdes  fe25519_setone(&r->z);
201261287Sdes  par = p[31] >> 7;
202261287Sdes  fe25519_unpack(&r->y, p);
203261287Sdes  fe25519_square(&num, &r->y); /* x = y^2 */
204261287Sdes  fe25519_mul(&den, &num, &ge25519_ecd); /* den = dy^2 */
205261287Sdes  fe25519_sub(&num, &num, &r->z); /* x = y^2-1 */
206261287Sdes  fe25519_add(&den, &r->z, &den); /* den = dy^2+1 */
207261287Sdes
208261287Sdes  /* Computation of sqrt(num/den) */
209261287Sdes  /* 1.: computation of num^((p-5)/8)*den^((7p-35)/8) = (num*den^7)^((p-5)/8) */
210261287Sdes  fe25519_square(&den2, &den);
211261287Sdes  fe25519_square(&den4, &den2);
212261287Sdes  fe25519_mul(&den6, &den4, &den2);
213261287Sdes  fe25519_mul(&t, &den6, &num);
214261287Sdes  fe25519_mul(&t, &t, &den);
215261287Sdes
216261287Sdes  fe25519_pow2523(&t, &t);
217261287Sdes  /* 2. computation of r->x = t * num * den^3 */
218261287Sdes  fe25519_mul(&t, &t, &num);
219261287Sdes  fe25519_mul(&t, &t, &den);
220261287Sdes  fe25519_mul(&t, &t, &den);
221261287Sdes  fe25519_mul(&r->x, &t, &den);
222261287Sdes
223261287Sdes  /* 3. Check whether sqrt computation gave correct result, multiply by sqrt(-1) if not: */
224261287Sdes  fe25519_square(&chk, &r->x);
225261287Sdes  fe25519_mul(&chk, &chk, &den);
226261287Sdes  if (!fe25519_iseq_vartime(&chk, &num))
227261287Sdes    fe25519_mul(&r->x, &r->x, &ge25519_sqrtm1);
228261287Sdes
229261287Sdes  /* 4. Now we have one of the two square roots, except if input was not a square */
230261287Sdes  fe25519_square(&chk, &r->x);
231261287Sdes  fe25519_mul(&chk, &chk, &den);
232261287Sdes  if (!fe25519_iseq_vartime(&chk, &num))
233261287Sdes    return -1;
234261287Sdes
235261287Sdes  /* 5. Choose the desired square root according to parity: */
236261287Sdes  if(fe25519_getparity(&r->x) != (1-par))
237261287Sdes    fe25519_neg(&r->x, &r->x);
238261287Sdes
239261287Sdes  fe25519_mul(&r->t, &r->x, &r->y);
240261287Sdes  return 0;
241261287Sdes}
242261287Sdes
243261287Sdesvoid ge25519_pack(unsigned char r[32], const ge25519_p3 *p)
244261287Sdes{
245261287Sdes  fe25519 tx, ty, zi;
246261287Sdes  fe25519_invert(&zi, &p->z);
247261287Sdes  fe25519_mul(&tx, &p->x, &zi);
248261287Sdes  fe25519_mul(&ty, &p->y, &zi);
249261287Sdes  fe25519_pack(r, &ty);
250261287Sdes  r[31] ^= fe25519_getparity(&tx) << 7;
251261287Sdes}
252261287Sdes
253261287Sdesint ge25519_isneutral_vartime(const ge25519_p3 *p)
254261287Sdes{
255261287Sdes  int ret = 1;
256261287Sdes  if(!fe25519_iszero(&p->x)) ret = 0;
257261287Sdes  if(!fe25519_iseq_vartime(&p->y, &p->z)) ret = 0;
258261287Sdes  return ret;
259261287Sdes}
260261287Sdes
261261287Sdes/* computes [s1]p1 + [s2]p2 */
262261287Sdesvoid ge25519_double_scalarmult_vartime(ge25519_p3 *r, const ge25519_p3 *p1, const sc25519 *s1, const ge25519_p3 *p2, const sc25519 *s2)
263261287Sdes{
264261287Sdes  ge25519_p1p1 tp1p1;
265261287Sdes  ge25519_p3 pre[16];
266261287Sdes  unsigned char b[127];
267261287Sdes  int i;
268261287Sdes
269261287Sdes  /* precomputation                                                        s2 s1 */
270261287Sdes  setneutral(pre);                                                      /* 00 00 */
271261287Sdes  pre[1] = *p1;                                                         /* 00 01 */
272261287Sdes  dbl_p1p1(&tp1p1,(ge25519_p2 *)p1);      p1p1_to_p3( &pre[2], &tp1p1); /* 00 10 */
273261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[1], &pre[2]);      p1p1_to_p3( &pre[3], &tp1p1); /* 00 11 */
274261287Sdes  pre[4] = *p2;                                                         /* 01 00 */
275261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[1], &pre[4]);      p1p1_to_p3( &pre[5], &tp1p1); /* 01 01 */
276261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[2], &pre[4]);      p1p1_to_p3( &pre[6], &tp1p1); /* 01 10 */
277261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[3], &pre[4]);      p1p1_to_p3( &pre[7], &tp1p1); /* 01 11 */
278261287Sdes  dbl_p1p1(&tp1p1,(ge25519_p2 *)p2);      p1p1_to_p3( &pre[8], &tp1p1); /* 10 00 */
279261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[1], &pre[8]);      p1p1_to_p3( &pre[9], &tp1p1); /* 10 01 */
280261287Sdes  dbl_p1p1(&tp1p1,(ge25519_p2 *)&pre[5]); p1p1_to_p3(&pre[10], &tp1p1); /* 10 10 */
281261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[3], &pre[8]);      p1p1_to_p3(&pre[11], &tp1p1); /* 10 11 */
282261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[4], &pre[8]);      p1p1_to_p3(&pre[12], &tp1p1); /* 11 00 */
283261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[1],&pre[12]);      p1p1_to_p3(&pre[13], &tp1p1); /* 11 01 */
284261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[2],&pre[12]);      p1p1_to_p3(&pre[14], &tp1p1); /* 11 10 */
285261287Sdes  add_p1p1(&tp1p1,&pre[3],&pre[12]);      p1p1_to_p3(&pre[15], &tp1p1); /* 11 11 */
286261287Sdes
287261287Sdes  sc25519_2interleave2(b,s1,s2);
288261287Sdes
289261287Sdes  /* scalar multiplication */
290261287Sdes  *r = pre[b[126]];
291261287Sdes  for(i=125;i>=0;i--)
292261287Sdes  {
293261287Sdes    dbl_p1p1(&tp1p1, (ge25519_p2 *)r);
294261287Sdes    p1p1_to_p2((ge25519_p2 *) r, &tp1p1);
295261287Sdes    dbl_p1p1(&tp1p1, (ge25519_p2 *)r);
296261287Sdes    if(b[i]!=0)
297261287Sdes    {
298261287Sdes      p1p1_to_p3(r, &tp1p1);
299261287Sdes      add_p1p1(&tp1p1, r, &pre[b[i]]);
300261287Sdes    }
301261287Sdes    if(i != 0) p1p1_to_p2((ge25519_p2 *)r, &tp1p1);
302261287Sdes    else p1p1_to_p3(r, &tp1p1);
303261287Sdes  }
304261287Sdes}
305261287Sdes
306261287Sdesvoid ge25519_scalarmult_base(ge25519_p3 *r, const sc25519 *s)
307261287Sdes{
308261287Sdes  signed char b[85];
309261287Sdes  int i;
310261287Sdes  ge25519_aff t;
311261287Sdes  sc25519_window3(b,s);
312261287Sdes
313261287Sdes  choose_t((ge25519_aff *)r, 0, b[0]);
314261287Sdes  fe25519_setone(&r->z);
315261287Sdes  fe25519_mul(&r->t, &r->x, &r->y);
316261287Sdes  for(i=1;i<85;i++)
317261287Sdes  {
318261287Sdes    choose_t(&t, (unsigned long long) i, b[i]);
319261287Sdes    ge25519_mixadd2(r, &t);
320261287Sdes  }
321261287Sdes}
322