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