d0_bignum-tommath.c

   1 /*
   2  * FILE:        d0_bignum-tommath.c
   3  * AUTHOR:      Rudolf Polzer - divVerent@xonotic.org
   4  *
   5  * Copyright (c) 2010, Rudolf Polzer
   6  * All rights reserved.
   7  *
   8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9  * modification, are permitted provided that the following conditions
  10  * are met:
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  16  * 3. Neither the name of the copyright holder nor the names of contributors
  17  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  18  *    without specific prior written permission.
  19  *
  20  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTOR(S) ``AS IS'' AND
  21  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  22  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  23  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTOR(S) BE LIABLE
  24  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  25  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  26  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  27  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  28  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  29  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  30  * SUCH DAMAGE.
  31  *
  32  * $Format:commit %H$
  33  * $Id$
  34  */
  35
  36 #ifdef WIN32
  37 #include <windows.h>
  38 #include <wincrypt.h>
  39 #endif
  40
  41 #include "d0_bignum.h"
  42
  43 #include <string.h>
  44 #include <stdlib.h>
  45 #include <assert.h>
  46
  47 // tommath/tomsfastmath distinction
  48 #if defined(TOMMATH)
  49 # include <tommath.h>
  50 # define TM(name) MP_##name
  51 # define tm(name) mp_##name
  52 #elif defined(TOMSFASTMATH)
  53 # include <tfm.h>
  54 # define TM(name) FP_##name
  55 # define tm(name) fp_##name
  56 # define mp_clear
  57 #else
  58 # error Either TOMMATH or TOMSFASTMATH must be defined.
  59 #endif
  60
  61 struct d0_bignum_s
  62 {
  63         tm(int) z;
  64 };
  65
  66 static d0_bignum_t temp;
  67 static unsigned char numbuf[65536];
  68 static void *tempmutex = NULL; // hold this mutex when using temp or numbuf
  69
  70 #include <stdio.h>
  71
  72 #ifdef WIN32
  73 HCRYPTPROV hCryptProv;
  74 #else
  75 static FILE *randf;
  76 #endif
  77
  78 void rand_bytes(unsigned char *buf, size_t n)
  79 {
  80 #ifdef WIN32
  81         CryptGenRandom(hCryptProv, n, (PBYTE) buf);
  82 #else
  83         if(!randf)
  84                 return;
  85         fread(buf, 1, n, randf);
  86 #endif
  87 }
  88
  89 D0_WARN_UNUSED_RESULT D0_BOOL d0_bignum_INITIALIZE(void)
  90 {
  91         D0_BOOL ret = 1;
  92         unsigned char buf[256];
  93
  94         tempmutex = d0_createmutex();
  95         d0_lockmutex(tempmutex);
  96
  97         d0_bignum_init(&temp);
  98 #ifdef WIN32
  99         {
 100                 if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT))
 101                 {
 102                 }
 103                 else if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT | CRYPT_NEWKEYSET))
 104                 {
 105                 }
 106                 else
 107                 {
 108                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptAcquireContext failed)\n");
 109                         ret = 0;
 110                         hCryptProv = NULL;
 111                 }
 112         }
 113 #else
 114         randf = fopen("/dev/urandom", "rb");
 115         if(!randf)
 116                 randf = fopen("/dev/random", "rb");
 117         if(randf)
 118         {
 119                 setbuf(randf, NULL);
 120         }
 121         else
 122         {
 123                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (no random device found)\n");
 124                 ret = 0;
 125         }
 126 #endif
 127
 128         d0_unlockmutex(tempmutex);
 129
 130         return ret;
 131 }
 132
 133 void d0_bignum_SHUTDOWN(void)
 134 {
 135         d0_lockmutex(tempmutex);
 136
 137         d0_bignum_clear(&temp);
 138 #ifdef WIN32
 139         if(hCryptProv)
 140         {
 141                 CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
 142                 hCryptProv = NULL;
 143         }
 144 #endif
 145
 146         d0_unlockmutex(tempmutex);
 147         d0_destroymutex(tempmutex);
 148         tempmutex = NULL;
 149 }
 150
 151 D0_BOOL d0_iobuf_write_bignum(d0_iobuf_t *buf, const d0_bignum_t *bignum)
 152 {
 153         D0_BOOL ret;
 154         size_t count = 0;
 155
 156         d0_lockmutex(tempmutex);
 157         numbuf[0] = (tm(iszero)(&bignum->z) ? 0 : (bignum->z.sign == TM(ZPOS)) ? 1 : 3);
 158         if((numbuf[0] & 3) != 0) // nonzero
 159         {
 160                 count = tm(unsigned_bin_size)((tm(int) *) &bignum->z);
 161                 if(count > sizeof(numbuf) - 1)
 162                 {
 163                         d0_unlockmutex(tempmutex);
 164                         return 0;
 165                 }
 166                 tm(to_unsigned_bin)((tm(int) *) &bignum->z, numbuf+1);
 167         }
 168         ret = d0_iobuf_write_packet(buf, numbuf, count + 1);
 169         d0_unlockmutex(tempmutex);
 170         return ret;
 171 }
 172
 173 d0_bignum_t *d0_iobuf_read_bignum(d0_iobuf_t *buf, d0_bignum_t *bignum)
 174 {
 175         size_t count = sizeof(numbuf);
 176         d0_lockmutex(tempmutex);
 177         if(!d0_iobuf_read_packet(buf, numbuf, &count))
 178         {
 179                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 180                 return NULL;
 181         }
 182         if(count < 1)
 183         {
 184                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 185                 return NULL;
 186         }
 187         if(!bignum)
 188                 bignum = d0_bignum_new();
 189         if(!bignum)
 190         {
 191                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 192                 return NULL;
 193         }
 194         if(numbuf[0] & 3) // nonzero
 195         {
 196                 tm(read_unsigned_bin)(&bignum->z, numbuf+1, count-1);
 197                 if(numbuf[0] & 2) // negative
 198                         bignum->z.sign = TM(NEG);
 199         }
 200         else // zero
 201         {
 202                 tm(zero)(&bignum->z);
 203         }
 204         d0_unlockmutex(tempmutex);
 205         return bignum;
 206 }
 207
 208 ssize_t d0_bignum_export_unsigned(const d0_bignum_t *bignum, void *buf, size_t bufsize)
 209 {
 210         unsigned long bufsize_;
 211         unsigned long count;
 212         count = tm(unsigned_bin_size)((tm(int) *) &bignum->z);
 213         if(count > bufsize)
 214                 return -1;
 215         if(bufsize > count)
 216         {
 217                 // pad from left (big endian numbers!)
 218                 memset(buf, 0, bufsize - count);
 219                 buf += bufsize - count;
 220         }
 221         tm(to_unsigned_bin)((tm(int) *) &bignum->z, buf);
 222         return bufsize;
 223 }
 224
 225 d0_bignum_t *d0_bignum_import_unsigned(d0_bignum_t *bignum, const void *buf, size_t bufsize)
 226 {
 227         size_t count;
 228         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 229         tm(read_unsigned_bin)(&bignum->z, (void *) buf, bufsize);
 230         return bignum;
 231 }
 232
 233 d0_bignum_t *d0_bignum_new(void)
 234 {
 235         d0_bignum_t *b = d0_malloc(sizeof(d0_bignum_t));
 236         tm(init)(&b->z);
 237         return b;
 238 }
 239
 240 void d0_bignum_free(d0_bignum_t *a)
 241 {
 242 #ifdef TOMMATH
 243         tm(clear)(&a->z);
 244 #endif
 245         d0_free(a);
 246 }
 247
 248 void d0_bignum_init(d0_bignum_t *b)
 249 {
 250         tm(init)(&b->z);
 251 }
 252
 253 void d0_bignum_clear(d0_bignum_t *a)
 254 {
 255 #ifdef TOMMATH
 256         tm(clear)(&a->z);
 257 #endif
 258 }
 259
 260 size_t d0_bignum_size(const d0_bignum_t *r)
 261 {
 262         return tm(count_bits)((tm(int) *) &r->z);
 263 }
 264
 265 int d0_bignum_cmp(const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 266 {
 267         return tm(cmp)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z);
 268 }
 269
 270 static d0_bignum_t *d0_bignum_rand_0_to_limit(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *limit)
 271 {
 272         size_t n = d0_bignum_size(limit);
 273         size_t b = (n + 7) / 8;
 274         unsigned char mask = "\xFF\x7F\x3F\x1F\x0F\x07\x03\x01"[8*b - n];
 275         assert(b <= sizeof(numbuf));
 276         d0_lockmutex(tempmutex);
 277         for(;;)
 278         {
 279                 rand_bytes(numbuf, b);
 280                 numbuf[0] &= mask;
 281                 r = d0_bignum_import_unsigned(r, numbuf, b);
 282                 if(d0_bignum_cmp(r, limit) < 0)
 283                 {
 284                         d0_unlockmutex(tempmutex);
 285                         return r;
 286                 }
 287         }
 288 }
 289
 290 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_range(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *min, const d0_bignum_t *max)
 291 {
 292         d0_lockmutex(tempmutex);
 293         tm(sub)((tm(int) *) &max->z, (tm(int) *) &min->z, &temp.z);
 294         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 295         d0_unlockmutex(tempmutex);
 296         tm(add)((tm(int) *) &r->z, (tm(int) *) &min->z, &r->z);
 297         return r;
 298 }
 299
 300 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_atmost(d0_bignum_t *r, size_t n)
 301 {
 302         d0_lockmutex(tempmutex);
 303         if(!d0_bignum_one(&temp))
 304         {
 305                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 306                 return NULL;
 307         }
 308         if(!d0_bignum_shl(&temp, &temp, n))
 309         {
 310                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 311                 return NULL;
 312         }
 313         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 314         d0_unlockmutex(tempmutex);
 315         return r;
 316 }
 317
 318 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_exact(d0_bignum_t *r, size_t n)
 319 {
 320         d0_lockmutex(tempmutex);
 321         if(!d0_bignum_one(&temp))
 322         {
 323                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 324                 return NULL;
 325         }
 326         if(!d0_bignum_shl(&temp, &temp, n-1))
 327         {
 328                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 329                 return NULL;
 330         }
 331         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 332         if(!d0_bignum_add(r, r, &temp))
 333         {
 334                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 335                 return NULL;
 336         }
 337         d0_unlockmutex(tempmutex);
 338         return r;
 339 }
 340
 341 d0_bignum_t *d0_bignum_zero(d0_bignum_t *r)
 342 {
 343         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 344         tm(zero)(&r->z);
 345         return r;
 346 }
 347
 348 d0_bignum_t *d0_bignum_one(d0_bignum_t *r)
 349 {
 350         return d0_bignum_int(r, 1);
 351 }
 352
 353 d0_bignum_t *d0_bignum_int(d0_bignum_t *r, int n)
 354 {
 355         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 356 #ifdef TOMMATH
 357         tm(set_int)(&r->z, n);
 358 #else
 359         // libtomsfastmath lacks this function
 360         if (n < 0)
 361                 assert(!"Sorry, importing signed is not implemented");
 362         {
 363                 unsigned char nbuf[sizeof(n)];
 364                 size_t i;
 365                 // big endian!
 366                 for (i = sizeof(n); i-- > 0; )
 367                 {
 368                         nbuf[i] = n & 255;
 369                         n >>= 8;
 370                 }
 371                 tm(read_unsigned_bin)(&r->z, nbuf, sizeof(n));
 372         }
 373 #endif
 374
 375         return r;
 376 }
 377
 378 d0_bignum_t *d0_bignum_mov(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 379 {
 380         if(r == a)
 381                 return r; // trivial
 382         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 383         tm(copy)((tm(int) *) &a->z, &r->z);
 384         return r;
 385 }
 386
 387 d0_bignum_t *d0_bignum_neg(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 388 {
 389         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 390         tm(neg)((tm(int) *) &a->z, &r->z);
 391         return r;
 392 }
 393
 394 d0_bignum_t *d0_bignum_shl(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, ssize_t n)
 395 {
 396         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 397         if(n > 0)
 398                 tm(mul_2d)((tm(int) *) &a->z,  n, &r->z);
 399         else if(n < 0)
 400                 tm(div_2d)((tm(int) *) &a->z, -n, &r->z, NULL);
 401         else
 402                 tm(copy)((tm(int) *) &a->z, &r->z);
 403         return r;
 404 }
 405
 406 d0_bignum_t *d0_bignum_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 407 {
 408         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 409         tm(add)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, &r->z);
 410         return r;
 411 }
 412
 413 d0_bignum_t *d0_bignum_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 414 {
 415         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 416         tm(sub)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, &r->z);
 417         return r;
 418 }
 419
 420 d0_bignum_t *d0_bignum_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 421 {
 422         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 423         tm(mul)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, &r->z);
 424         return r;
 425 }
 426
 427 d0_bignum_t *d0_bignum_divmod(d0_bignum_t *q, d0_bignum_t *m, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 428 {
 429         if(!q && !m)
 430                 m = d0_bignum_new();
 431         if(q)
 432                 tm(div)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, &q->z, m ? &m->z : NULL);
 433         else
 434                 tm(mod)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, &m->z);
 435         if(m)
 436                 return m;
 437         else
 438                 return q;
 439 }
 440
 441 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 442 {
 443         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 444         tm(addmod)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, (tm(int) *) &m->z, &r->z);
 445         return r;
 446 }
 447
 448 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 449 {
 450         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 451         tm(submod)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, (tm(int) *) &m->z, &r->z);
 452         return r;
 453 }
 454
 455 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 456 {
 457         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 458         tm(mulmod)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, (tm(int) *) &m->z, &r->z);
 459         return r;
 460 }
 461
 462 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_pow(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 463 {
 464         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 465         tm(exptmod)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, (tm(int) *) &m->z, &r->z);
 466         return r;
 467 }
 468
 469 D0_BOOL d0_bignum_mod_inv(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *m)
 470 {
 471         // here, r MUST be set, as otherwise we cannot return error state!
 472         return tm(invmod)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &m->z, &r->z) == TM(OKAY);
 473 }
 474
 475 int d0_bignum_isprime(const d0_bignum_t *r, int param)
 476 {
 477         if(param < 1)
 478                 param = 1;
 479 #ifdef TOMMATH
 480         {
 481                 int ret = 0;
 482                 tm(prime_is_prime)((tm(int) *) &r->z, param, &ret);
 483                 return ret;
 484         }
 485 #else
 486         // this does 8 rabin tests; for param > 8, do more?
 487         return tm(isprime)((tm(int) *) &r->z);
 488 #endif
 489 }
 490
 491 d0_bignum_t *d0_bignum_gcd(d0_bignum_t *r, d0_bignum_t *s, d0_bignum_t *t, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 492 {
 493         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 494         if(s || t)
 495         {
 496 #ifdef TOMMATH
 497                 tm(exteuclid)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, s ? &s->z : NULL, t ? &t->z : NULL, &r->z);
 498 #else
 499                 assert(!"Extended gcd not implemented");
 500 #endif
 501         }
 502         else
 503                 tm(gcd)((tm(int) *) &a->z, (tm(int) *) &b->z, &r->z);
 504         return r;
 505 }
 506
 507 char *d0_bignum_tostring(const d0_bignum_t *x, unsigned int base)
 508 {
 509         char *str;
 510         int sz = 0;
 511         tm(radix_size)((tm(int) *) &x->z, base, &sz);
 512         str = d0_malloc(sz + 1);
 513         tm(toradix)((tm(int) *) &x->z, str, base);
 514         return str;
 515 }