src/tests.c

   1 // Copyright (c) 2013 Pieter Wuille
   2 // Distributed under the MIT/X11 software license, see the accompanying
   3 // file COPYING or http://www.opensource.org/licenses/mit-license.php.
   4
   5 #if defined HAVE_CONFIG_H
   6 #include "libsecp256k1-config.h"
   7 #endif
   8
   9 #include <assert.h>
  10
  11 #include "impl/num.h"
  12 #include "impl/field.h"
  13 #include "impl/group.h"
  14 #include "impl/ecmult.h"
  15 #include "impl/ecdsa.h"
  16 #include "impl/util.h"
  17
  18 #ifdef ENABLE_OPENSSL_TESTS
  19 #include "openssl/bn.h"
  20 #include "openssl/ec.h"
  21 #include "openssl/ecdsa.h"
  22 #include "openssl/obj_mac.h"
  23 #endif
  24
  25 static int count = 100;
  26
  27 /***** NUM TESTS *****/
  28
  29 void random_num_negate(secp256k1_num_t *num) {
  30     if (secp256k1_rand32() & 1)
  31         secp256k1_num_negate(num);
  32 }
  33
  34 void random_num_order_test(secp256k1_num_t *num) {
  35     do {
  36         unsigned char b32[32];
  37         secp256k1_rand256_test(b32);
  38         secp256k1_num_set_bin(num, b32, 32);
  39         if (secp256k1_num_is_zero(num))
  40             continue;
  41         if (secp256k1_num_cmp(num, &secp256k1_ge_consts->order) >= 0)
  42             continue;
  43         break;
  44     } while(1);
  45 }
  46
  47 void random_num_order(secp256k1_num_t *num) {
  48     do {
  49         unsigned char b32[32];
  50         secp256k1_rand256(b32);
  51         secp256k1_num_set_bin(num, b32, 32);
  52         if (secp256k1_num_is_zero(num))
  53             continue;
  54         if (secp256k1_num_cmp(num, &secp256k1_ge_consts->order) >= 0)
  55             continue;
  56         break;
  57     } while(1);
  58 }
  59
  60 void test_num_copy_inc_cmp() {
  61     secp256k1_num_t n1,n2;
  62     secp256k1_num_init(&n1);
  63     secp256k1_num_init(&n2);
  64     random_num_order(&n1);
  65     secp256k1_num_copy(&n2, &n1);
  66     assert(secp256k1_num_cmp(&n1, &n2) == 0);
  67     assert(secp256k1_num_cmp(&n2, &n1) == 0);
  68     secp256k1_num_inc(&n2);
  69     assert(secp256k1_num_cmp(&n1, &n2) != 0);
  70     assert(secp256k1_num_cmp(&n2, &n1) != 0);
  71     secp256k1_num_free(&n1);
  72     secp256k1_num_free(&n2);
  73 }
  74
  75
  76 void test_num_get_set_hex() {
  77     secp256k1_num_t n1,n2;
  78     secp256k1_num_init(&n1);
  79     secp256k1_num_init(&n2);
  80     random_num_order_test(&n1);
  81     char c[64];
  82     secp256k1_num_get_hex(c, 64, &n1);
  83     secp256k1_num_set_hex(&n2, c, 64);
  84     assert(secp256k1_num_cmp(&n1, &n2) == 0);
  85     for (int i=0; i<64; i++) {
  86         // check whether the lower 4 bits correspond to the last hex character
  87         int low1 = secp256k1_num_shift(&n1, 4);
  88         int lowh = c[63];
  89         int low2 = (lowh>>6)*9+(lowh-'0')&15;
  90         assert(low1 == low2);
  91         // shift bits off the hex representation, and compare
  92         memmove(c+1, c, 63);
  93         c[0] = '0';
  94         secp256k1_num_set_hex(&n2, c, 64);
  95         assert(secp256k1_num_cmp(&n1, &n2) == 0);
  96     }
  97     secp256k1_num_free(&n2);
  98     secp256k1_num_free(&n1);
  99 }
 100
 101 void test_num_get_set_bin() {
 102     secp256k1_num_t n1,n2;
 103     secp256k1_num_init(&n1);
 104     secp256k1_num_init(&n2);
 105     random_num_order_test(&n1);
 106     unsigned char c[32];
 107     secp256k1_num_get_bin(c, 32, &n1);
 108     secp256k1_num_set_bin(&n2, c, 32);
 109     assert(secp256k1_num_cmp(&n1, &n2) == 0);
 110     for (int i=0; i<32; i++) {
 111         // check whether the lower 8 bits correspond to the last byte
 112         int low1 = secp256k1_num_shift(&n1, 8);
 113         int low2 = c[31];
 114         assert(low1 == low2);
 115         // shift bits off the byte representation, and compare
 116         memmove(c+1, c, 31);
 117         c[0] = 0;
 118         secp256k1_num_set_bin(&n2, c, 32);
 119         assert(secp256k1_num_cmp(&n1, &n2) == 0);
 120     }
 121     secp256k1_num_free(&n2);
 122     secp256k1_num_free(&n1);
 123 }
 124
 125 void run_num_int() {
 126     secp256k1_num_t n1;
 127     secp256k1_num_init(&n1);
 128     for (int i=-255; i<256; i++) {
 129         unsigned char c1[3] = {};
 130         c1[2] = abs(i);
 131         unsigned char c2[3] = {0x11,0x22,0x33};
 132         secp256k1_num_set_int(&n1, i);
 133         secp256k1_num_get_bin(c2, 3, &n1);
 134         assert(memcmp(c1, c2, 3) == 0);
 135     }
 136     secp256k1_num_free(&n1);
 137 }
 138
 139 void test_num_negate() {
 140     secp256k1_num_t n1;
 141     secp256k1_num_t n2;
 142     secp256k1_num_init(&n1);
 143     secp256k1_num_init(&n2);
 144     random_num_order_test(&n1); // n1 = R
 145     random_num_negate(&n1);
 146     secp256k1_num_copy(&n2, &n1); // n2 = R
 147     secp256k1_num_sub(&n1, &n2, &n1); // n1 = n2-n1 = 0
 148     assert(secp256k1_num_is_zero(&n1));
 149     secp256k1_num_copy(&n1, &n2); // n1 = R
 150     secp256k1_num_negate(&n1); // n1 = -R
 151     assert(!secp256k1_num_is_zero(&n1));
 152     secp256k1_num_add(&n1, &n2, &n1); // n1 = n2+n1 = 0
 153     assert(secp256k1_num_is_zero(&n1));
 154     secp256k1_num_copy(&n1, &n2); // n1 = R
 155     secp256k1_num_negate(&n1); // n1 = -R
 156     assert(secp256k1_num_is_neg(&n1) != secp256k1_num_is_neg(&n2));
 157     secp256k1_num_negate(&n1); // n1 = R
 158     assert(secp256k1_num_cmp(&n1, &n2) == 0);
 159     assert(secp256k1_num_is_neg(&n1) == secp256k1_num_is_neg(&n2));
 160     secp256k1_num_free(&n2);
 161     secp256k1_num_free(&n1);
 162 }
 163
 164 void test_num_add_sub() {
 165     secp256k1_num_t n1;
 166     secp256k1_num_t n2;
 167     secp256k1_num_init(&n1);
 168     secp256k1_num_init(&n2);
 169     random_num_order_test(&n1); // n1 = R1
 170     random_num_negate(&n1);
 171     random_num_order_test(&n2); // n2 = R2
 172     random_num_negate(&n2);
 173     secp256k1_num_t n1p2, n2p1, n1m2, n2m1;
 174     secp256k1_num_init(&n1p2);
 175     secp256k1_num_init(&n2p1);
 176     secp256k1_num_init(&n1m2);
 177     secp256k1_num_init(&n2m1);
 178     secp256k1_num_add(&n1p2, &n1, &n2); // n1p2 = R1 + R2
 179     secp256k1_num_add(&n2p1, &n2, &n1); // n2p1 = R2 + R1
 180     secp256k1_num_sub(&n1m2, &n1, &n2); // n1m2 = R1 - R2
 181     secp256k1_num_sub(&n2m1, &n2, &n1); // n2m1 = R2 - R1
 182     assert(secp256k1_num_cmp(&n1p2, &n2p1) == 0);
 183     assert(secp256k1_num_cmp(&n1p2, &n1m2) != 0);
 184     secp256k1_num_negate(&n2m1); // n2m1 = -R2 + R1
 185     assert(secp256k1_num_cmp(&n2m1, &n1m2) == 0);
 186     assert(secp256k1_num_cmp(&n2m1, &n1) != 0);
 187     secp256k1_num_add(&n2m1, &n2m1, &n2); // n2m1 = -R2 + R1 + R2 = R1
 188     assert(secp256k1_num_cmp(&n2m1, &n1) == 0);
 189     assert(secp256k1_num_cmp(&n2p1, &n1) != 0);
 190     secp256k1_num_sub(&n2p1, &n2p1, &n2); // n2p1 = R2 + R1 - R2 = R1
 191     assert(secp256k1_num_cmp(&n2p1, &n1) == 0);
 192     secp256k1_num_free(&n2m1);
 193     secp256k1_num_free(&n1m2);
 194     secp256k1_num_free(&n2p1);
 195     secp256k1_num_free(&n1p2);
 196     secp256k1_num_free(&n2);
 197     secp256k1_num_free(&n1);
 198 }
 199
 200 void run_num_smalltests() {
 201     for (int i=0; i<100*count; i++) {
 202         test_num_copy_inc_cmp();
 203         test_num_get_set_hex();
 204         test_num_get_set_bin();
 205         test_num_negate();
 206         test_num_add_sub();
 207     }
 208     run_num_int();
 209 }
 210
 211 void run_ecmult_chain() {
 212     // random starting point A (on the curve)
 213     secp256k1_fe_t ax; secp256k1_fe_set_hex(&ax, "8b30bbe9ae2a990696b22f670709dff3727fd8bc04d3362c6c7bf458e2846004", 64);
 214     secp256k1_fe_t ay; secp256k1_fe_set_hex(&ay, "a357ae915c4a65281309edf20504740f0eb3343990216b4f81063cb65f2f7e0f", 64);
 215     secp256k1_gej_t a; secp256k1_gej_set_xy(&a, &ax, &ay);
 216     // two random initial factors xn and gn
 217     secp256k1_num_t xn;
 218     secp256k1_num_init(&xn);
 219     secp256k1_num_set_hex(&xn, "84cc5452f7fde1edb4d38a8ce9b1b84ccef31f146e569be9705d357a42985407", 64);
 220     secp256k1_num_t gn;
 221     secp256k1_num_init(&gn);
 222     secp256k1_num_set_hex(&gn, "a1e58d22553dcd42b23980625d4c57a96e9323d42b3152e5ca2c3990edc7c9de", 64);
 223     // two small multipliers to be applied to xn and gn in every iteration:
 224     secp256k1_num_t xf;
 225     secp256k1_num_init(&xf);
 226     secp256k1_num_set_hex(&xf, "1337", 4);
 227     secp256k1_num_t gf;
 228     secp256k1_num_init(&gf);
 229     secp256k1_num_set_hex(&gf, "7113", 4);
 230     // accumulators with the resulting coefficients to A and G
 231     secp256k1_num_t ae;
 232     secp256k1_num_init(&ae);
 233     secp256k1_num_set_int(&ae, 1);
 234     secp256k1_num_t ge;
 235     secp256k1_num_init(&ge);
 236     secp256k1_num_set_int(&ge, 0);
 237     // the point being computed
 238     secp256k1_gej_t x = a;
 239     const secp256k1_num_t *order = &secp256k1_ge_consts->order;
 240     for (int i=0; i<200*count; i++) {
 241         // in each iteration, compute X = xn*X + gn*G;
 242         secp256k1_ecmult(&x, &x, &xn, &gn);
 243         // also compute ae and ge: the actual accumulated factors for A and G
 244         // if X was (ae*A+ge*G), xn*X + gn*G results in (xn*ae*A + (xn*ge+gn)*G)
 245         secp256k1_num_mod_mul(&ae, &ae, &xn, order);
 246         secp256k1_num_mod_mul(&ge, &ge, &xn, order);
 247         secp256k1_num_add(&ge, &ge, &gn);
 248         secp256k1_num_mod(&ge, order);
 249         // modify xn and gn
 250         secp256k1_num_mod_mul(&xn, &xn, &xf, order);
 251         secp256k1_num_mod_mul(&gn, &gn, &gf, order);
 252
 253         // verify
 254         if (i == 19999) {
 255             char res[132]; int resl = 132;
 256             secp256k1_gej_get_hex(res, &resl, &x);
 257             assert(strcmp(res, "(D6E96687F9B10D092A6F35439D86CEBEA4535D0D409F53586440BD74B933E830,B95CBCA2C77DA786539BE8FD53354D2D3B4F566AE658045407ED6015EE1B2A88)") == 0);
 258         }
 259     }
 260     // redo the computation, but directly with the resulting ae and ge coefficients:
 261     secp256k1_gej_t x2; secp256k1_ecmult(&x2, &a, &ae, &ge);
 262     char res[132]; int resl = 132;
 263     char res2[132]; int resl2 = 132;
 264     secp256k1_gej_get_hex(res, &resl, &x);
 265     secp256k1_gej_get_hex(res2, &resl2, &x2);
 266     assert(strcmp(res, res2) == 0);
 267     assert(strlen(res) == 131);
 268     secp256k1_num_free(&xn);
 269     secp256k1_num_free(&gn);
 270     secp256k1_num_free(&xf);
 271     secp256k1_num_free(&gf);
 272     secp256k1_num_free(&ae);
 273     secp256k1_num_free(&ge);
 274 }
 275
 276 void test_point_times_order(const secp256k1_gej_t *point) {
 277     // either the point is not on the curve, or multiplying it by the order results in O
 278     if (!secp256k1_gej_is_valid(point))
 279         return;
 280
 281     const secp256k1_num_t *order = &secp256k1_ge_consts->order;
 282     secp256k1_num_t zero;
 283     secp256k1_num_init(&zero);
 284     secp256k1_num_set_int(&zero, 0);
 285     secp256k1_gej_t res;
 286     secp256k1_ecmult(&res, point, order, order); // calc res = order * point + order * G;
 287     assert(secp256k1_gej_is_infinity(&res));
 288     secp256k1_num_free(&zero);
 289 }
 290
 291 void run_point_times_order() {
 292     secp256k1_fe_t x; secp256k1_fe_set_hex(&x, "02", 2);
 293     for (int i=0; i<500; i++) {
 294         secp256k1_ge_t p; secp256k1_ge_set_xo(&p, &x, 1);
 295         secp256k1_gej_t j; secp256k1_gej_set_ge(&j, &p);
 296         test_point_times_order(&j);
 297         secp256k1_fe_sqr(&x, &x);
 298     }
 299     char c[65]; int cl=65;
 300     secp256k1_fe_get_hex(c, &cl, &x);
 301     assert(strcmp(c, "7603CB59B0EF6C63FE6084792A0C378CDB3233A80F8A9A09A877DEAD31B38C45") == 0);
 302 }
 303
 304 void test_wnaf(const secp256k1_num_t *number, int w) {
 305     secp256k1_num_t x, two, t;
 306     secp256k1_num_init(&x);
 307     secp256k1_num_init(&two);
 308     secp256k1_num_init(&t);
 309     secp256k1_num_set_int(&x, 0);
 310     secp256k1_num_set_int(&two, 2);
 311     int wnaf[257];
 312     int bits = secp256k1_ecmult_wnaf(wnaf, number, w);
 313     int zeroes = -1;
 314     for (int i=bits-1; i>=0; i--) {
 315         secp256k1_num_mul(&x, &x, &two);
 316         int v = wnaf[i];
 317         if (v) {
 318             assert(zeroes == -1 || zeroes >= w-1); // check that distance between non-zero elements is at least w-1
 319             zeroes=0;
 320             assert((v & 1) == 1); // check non-zero elements are odd
 321             assert(v <= (1 << (w-1)) - 1); // check range below
 322             assert(v >= -(1 << (w-1)) - 1); // check range above
 323         } else {
 324             assert(zeroes != -1); // check that no unnecessary zero padding exists
 325             zeroes++;
 326         }
 327         secp256k1_num_set_int(&t, v);
 328         secp256k1_num_add(&x, &x, &t);
 329     }
 330     assert(secp256k1_num_cmp(&x, number) == 0); // check that wnaf represents number
 331     secp256k1_num_free(&x);
 332     secp256k1_num_free(&two);
 333     secp256k1_num_free(&t);
 334 }
 335
 336 void run_wnaf() {
 337     secp256k1_num_t n;
 338     secp256k1_num_init(&n);
 339     for (int i=0; i<count; i++) {
 340         random_num_order(&n);
 341         if (i % 1)
 342             secp256k1_num_negate(&n);
 343         test_wnaf(&n, 4+(i%10));
 344     }
 345     secp256k1_num_free(&n);
 346 }
 347
 348 void random_sign(secp256k1_ecdsa_sig_t *sig, const secp256k1_num_t *key, const secp256k1_num_t *msg, int *recid) {
 349     secp256k1_num_t nonce;
 350     secp256k1_num_init(&nonce);
 351     do {
 352         random_num_order_test(&nonce);
 353     } while(!secp256k1_ecdsa_sig_sign(sig, key, msg, &nonce, recid));
 354     secp256k1_num_free(&nonce);
 355 }
 356
 357 void test_ecdsa_sign_verify() {
 358     const secp256k1_ge_consts_t *c = secp256k1_ge_consts;
 359     secp256k1_num_t msg, key;
 360     secp256k1_num_init(&msg);
 361     random_num_order_test(&msg);
 362     secp256k1_num_init(&key);
 363     random_num_order_test(&key);
 364     secp256k1_gej_t pubj; secp256k1_ecmult_gen(&pubj, &key);
 365     secp256k1_ge_t pub; secp256k1_ge_set_gej(&pub, &pubj);
 366     secp256k1_ecdsa_sig_t sig;
 367     secp256k1_ecdsa_sig_init(&sig);
 368     random_sign(&sig, &key, &msg, NULL);
 369     assert(secp256k1_ecdsa_sig_verify(&sig, &pub, &msg));
 370     secp256k1_num_inc(&msg);
 371     assert(!secp256k1_ecdsa_sig_verify(&sig, &pub, &msg));
 372     secp256k1_ecdsa_sig_free(&sig);
 373     secp256k1_num_free(&msg);
 374     secp256k1_num_free(&key);
 375 }
 376
 377 void run_ecdsa_sign_verify() {
 378     for (int i=0; i<10*count; i++) {
 379         test_ecdsa_sign_verify();
 380     }
 381 }
 382
 383 #ifdef ENABLE_OPENSSL_TESTS
 384 EC_KEY *get_openssl_key(const secp256k1_num_t *key) {
 385     unsigned char privkey[300];
 386     int privkeylen;
 387     int compr = secp256k1_rand32() & 1;
 388     const unsigned char* pbegin = privkey;
 389     EC_KEY *ec_key = EC_KEY_new_by_curve_name(NID_secp256k1);
 390     assert(secp256k1_ecdsa_privkey_serialize(privkey, &privkeylen, key, compr));
 391     assert(d2i_ECPrivateKey(&ec_key, &pbegin, privkeylen));
 392     assert(EC_KEY_check_key(ec_key));
 393     return ec_key;
 394 }
 395
 396 void test_ecdsa_openssl() {
 397     const secp256k1_ge_consts_t *c = secp256k1_ge_consts;
 398     secp256k1_num_t key, msg;
 399     secp256k1_num_init(&msg);
 400     unsigned char message[32];
 401     secp256k1_rand256_test(message);
 402     secp256k1_num_set_bin(&msg, message, 32);
 403     secp256k1_num_init(&key);
 404     random_num_order_test(&key);
 405     secp256k1_gej_t qj;
 406     secp256k1_ecmult_gen(&qj, &key);
 407     secp256k1_ge_t q;
 408     secp256k1_ge_set_gej(&q, &qj);
 409     EC_KEY *ec_key = get_openssl_key(&key);
 410     assert(ec_key);
 411     unsigned char signature[80];
 412     int sigsize = 80;
 413     assert(ECDSA_sign(0, message, sizeof(message), signature, &sigsize, ec_key));
 414     secp256k1_ecdsa_sig_t sig;
 415     secp256k1_ecdsa_sig_init(&sig);
 416     assert(secp256k1_ecdsa_sig_parse(&sig, signature, sigsize));
 417     assert(secp256k1_ecdsa_sig_verify(&sig, &q, &msg));
 418     secp256k1_num_inc(&sig.r);
 419     assert(!secp256k1_ecdsa_sig_verify(&sig, &q, &msg));
 420
 421     random_sign(&sig, &key, &msg, NULL);
 422     sigsize = 80;
 423     assert(secp256k1_ecdsa_sig_serialize(signature, &sigsize, &sig));
 424     assert(ECDSA_verify(0, message, sizeof(message), signature, sigsize, ec_key) == 1);
 425
 426     secp256k1_ecdsa_sig_free(&sig);
 427     EC_KEY_free(ec_key);
 428     secp256k1_num_free(&key);
 429     secp256k1_num_free(&msg);
 430 }
 431
 432 void run_ecdsa_openssl() {
 433     for (int i=0; i<10*count; i++) {
 434         test_ecdsa_openssl();
 435     }
 436 }
 437 #endif
 438
 439 int main(int argc, char **argv) {
 440     if (argc > 1)
 441         count = strtol(argv[1], NULL, 0)*47;
 442
 443     printf("test count = %i\n", count);
 444
 445     // initialize
 446     secp256k1_fe_start();
 447     secp256k1_ge_start();
 448     secp256k1_ecmult_start();
 449
 450     // num tests
 451     run_num_smalltests();
 452
 453     // ecmult tests
 454     run_wnaf();
 455     run_point_times_order();
 456     run_ecmult_chain();
 457
 458     // ecdsa tests
 459     run_ecdsa_sign_verify();
 460 #ifdef ENABLE_OPENSSL_TESTS
 461     run_ecdsa_openssl();
 462 #endif
 463
 464     // shutdown
 465     secp256k1_ecmult_stop();
 466     secp256k1_ge_stop();
 467     secp256k1_fe_stop();
 468     return 0;
 469 }