]> Git Repo - secp256k1.git/blob - doc/safegcd_implementation.md
8346d22e579bde1aa7d2c144b7744f862c609de8
[secp256k1.git] / doc / safegcd_implementation.md
1 # The safegcd implementation in libsecp256k1 explained
2
3 This document explains the modular inverse implementation in the `src/modinv*.h` files. It is based
4 on the paper
5 ["Fast constant-time gcd computation and modular inversion"](https://gcd.cr.yp.to/papers.html#safegcd)
6 by Daniel J. Bernstein and Bo-Yin Yang. The references below are for the Date: 2019.04.13 version.
7
8 The actual implementation is in C of course, but for demonstration purposes Python3 is used here.
9 Most implementation aspects and optimizations are explained, except those that depend on the specific
10 number representation used in the C code.
11
12 ## 1. Computing the Greatest Common Divisor (GCD) using divsteps
13
14 The algorithm from the paper (section 11), at a very high level, is this:
15
16 ```python
17 def gcd(f, g):
18     """Compute the GCD of an odd integer f and another integer g."""
19     assert f & 1  # require f to be odd
20     delta = 1     # additional state variable
21     while g != 0:
22         assert f & 1  # f will be odd in every iteration
23         if delta > 0 and g & 1:
24             delta, f, g = 1 - delta, g, (g - f) // 2
25         elif g & 1:
26             delta, f, g = 1 + delta, f, (g + f) // 2
27         else:
28             delta, f, g = 1 + delta, f, (g    ) // 2
29     return abs(f)
30 ```
31
32 It computes the greatest common divisor of an odd integer *f* and any integer *g*. Its inner loop
33 keeps rewriting the variables *f* and *g* alongside a state variable *δ* that starts at *1*, until
34 *g=0* is reached. At that point, *|f|* gives the GCD. Each of the transitions in the loop is called a
35 "division step" (referred to as divstep in what follows).
36
37 For example, *gcd(21, 14)* would be computed as:
38 - Start with *δ=1 f=21 g=14*
39 - Take the third branch: *δ=2 f=21 g=7*
40 - Take the first branch: *δ=-1 f=7 g=-7*
41 - Take the second branch: *δ=0 f=7 g=0*
42 - The answer *|f| = 7*.
43
44 Why it works:
45 - Divsteps can be decomposed into two steps (see paragraph 8.2 in the paper):
46   - (a) If *g* is odd, replace *(f,g)* with *(g,g-f)* or (f,g+f), resulting in an even *g*.
47   - (b) Replace *(f,g)* with *(f,g/2)* (where *g* is guaranteed to be even).
48 - Neither of those two operations change the GCD:
49   - For (a), assume *gcd(f,g)=c*, then it must be the case that *f=a c* and *g=b c* for some integers *a*
50     and *b*. As *(g,g-f)=(b c,(b-a)c)* and *(f,f+g)=(a c,(a+b)c)*, the result clearly still has
51     common factor *c*. Reasoning in the other direction shows that no common factor can be added by
52     doing so either.
53   - For (b), we know that *f* is odd, so *gcd(f,g)* clearly has no factor *2*, and we can remove
54     it from *g*.
55 - The algorithm will eventually converge to *g=0*. This is proven in the paper (see theorem G.3).
56 - It follows that eventually we find a final value *f'* for which *gcd(f,g) = gcd(f',0)*. As the
57   gcd of *f'* and *0* is *|f'|* by definition, that is our answer.
58
59 Compared to more [traditional GCD algorithms](https://en.wikipedia.org/wiki/Euclidean_algorithm), this one has the property of only ever looking at
60 the low-order bits of the variables to decide the next steps, and being easy to make
61 constant-time (in more low-level languages than Python). The *δ* parameter is necessary to
62 guide the algorithm towards shrinking the numbers' magnitudes without explicitly needing to look
63 at high order bits.
64
65 Properties that will become important later:
66 - Performing more divsteps than needed is not a problem, as *f* does not change anymore after *g=0*.
67 - Only even numbers are divided by *2*. This means that when reasoning about it algebraically we
68   do not need to worry about rounding.
69 - At every point during the algorithm's execution the next *N* steps only depend on the bottom *N*
70   bits of *f* and *g*, and on *δ*.
71
72
73 ## 2. From GCDs to modular inverses
74
75 We want an algorithm to compute the inverse *a* of *x* modulo *M*, i.e. the number a such that *a x=1
76 mod M*. This inverse only exists if the GCD of *x* and *M* is *1*, but that is always the case if *M* is
77 prime and *0 < x < M*. In what follows, assume that the modular inverse exists.
78 It turns out this inverse can be computed as a side effect of computing the GCD by keeping track
79 of how the internal variables can be written as linear combinations of the inputs at every step
80 (see the [extended Euclidean algorithm](https://en.wikipedia.org/wiki/Extended_Euclidean_algorithm)).
81 Since the GCD is *1*, such an algorithm will compute numbers *a* and *b* such that a&thinsp;x + b&thinsp;M = 1*.
82 Taking that expression *mod M* gives *a&thinsp;x mod M = 1*, and we see that *a* is the modular inverse of *x
83 mod M*.
84
85 A similar approach can be used to calculate modular inverses using the divsteps-based GCD
86 algorithm shown above, if the modulus *M* is odd. To do so, compute *gcd(f=M,g=x)*, while keeping
87 track of extra variables *d* and *e*, for which at every step *d = f/x (mod M)* and *e = g/x (mod M)*.
88 *f/x* here means the number which multiplied with *x* gives *f mod M*. As *f* and *g* are initialized to *M*
89 and *x* respectively, *d* and *e* just start off being *0* (*M/x mod M = 0/x mod M = 0*) and *1* (*x/x mod M
90 = 1*).
91
92 ```python
93 def div2(M, x):
94     """Helper routine to compute x/2 mod M (where M is odd)."""
95     assert M & 1
96     if x & 1: # If x is odd, make it even by adding M.
97         x += M
98     # x must be even now, so a clean division by 2 is possible.
99     return x // 2
100
101 def modinv(M, x):
102     """Compute the inverse of x mod M (given that it exists, and M is odd)."""
103     assert M & 1
104     delta, f, g, d, e = 1, M, x, 0, 1
105     while g != 0:
106         # Note that while division by two for f and g is only ever done on even inputs, this is
107         # not true for d and e, so we need the div2 helper function.
108         if delta > 0 and g & 1:
109             delta, f, g, d, e = 1 - delta, g, (g - f) // 2, e, div2(M, e - d)
110         elif g & 1:
111             delta, f, g, d, e = 1 + delta, f, (g + f) // 2, d, div2(M, e + d)
112         else:
113             delta, f, g, d, e = 1 + delta, f, (g    ) // 2, d, div2(M, e    )
114         # Verify that the invariants d=f/x mod M, e=g/x mod M are maintained.
115         assert f % M == (d * x) % M
116         assert g % M == (e * x) % M
117     assert f == 1 or f == -1  # |f| is the GCD, it must be 1
118     # Because of invariant d = f/x (mod M), 1/x = d/f (mod M). As |f|=1, d/f = d*f.
119     return (d * f) % M
120 ```
121
122 Also note that this approach to track *d* and *e* throughout the computation to determine the inverse
123 is different from the paper. There (see paragraph 12.1 in the paper) a transition matrix for the
124 entire computation is determined (see section 3 below) and the inverse is computed from that.
125 The approach here avoids the need for 2x2 matrix multiplications of various sizes, and appears to
126 be faster at the level of optimization we're able to do in C.
127
128
129 ## 3. Batching multiple divsteps
130
131 Every divstep can be expressed as a matrix multiplication, applying a transition matrix *(1/2 t)*
132 to both vectors *[f, g]* and *[d, e]* (see paragraph 8.1 in the paper):
133
134 ```
135   t = [ u,  v ]
136       [ q,  r ]
137
138   [ out_f ] = (1/2 * t) * [ in_f ]
139   [ out_g ] =             [ in_g ]
140
141   [ out_d ] = (1/2 * t) * [ in_d ]  (mod M)
142   [ out_e ]               [ in_e ]
143 ```
144
145 where *(u, v, q, r)* is *(0, 2, -1, 1)*, *(2, 0, 1, 1)*, or *(2, 0, 0, 1)*, depending on which branch is
146 taken. As above, the resulting *f* and *g* are always integers.
147
148 Performing multiple divsteps corresponds to a multiplication with the product of all the
149 individual divsteps' transition matrices. As each transition matrix consists of integers
150 divided by *2*, the product of these matrices will consist of integers divided by *2<sup>N</sup>* (see also
151 theorem 9.2 in the paper). These divisions are expensive when updating *d* and *e*, so we delay
152 them: we compute the integer coefficients of the combined transition matrix scaled by *2<sup>N</sup>*, and
153 do one division by *2<sup>N</sup>* as a final step:
154
155 ```python
156 def divsteps_n_matrix(delta, f, g):
157     """Compute delta and transition matrix t after N divsteps (multiplied by 2^N)."""
158     u, v, q, r = 1, 0, 0, 1 # start with identity matrix
159     for _ in range(N):
160         if delta > 0 and g & 1:
161             delta, f, g, u, v, q, r = 1 - delta, g, (g - f) // 2, 2*q, 2*r, q-u, r-v
162         elif g & 1:
163             delta, f, g, u, v, q, r = 1 + delta, f, (g + f) // 2, 2*u, 2*v, q+u, r+v
164         else:
165             delta, f, g, u, v, q, r = 1 + delta, f, (g    ) // 2, 2*u, 2*v, q  , r
166     return delta, (u, v, q, r)
167 ```
168
169 As the branches in the divsteps are completely determined by the bottom *N* bits of *f* and *g*, this
170 function to compute the transition matrix only needs to see those bottom bits. Furthermore all
171 intermediate results and outputs fit in *(N+1)*-bit numbers (unsigned for *f* and *g*; signed for *u*, *v*,
172 *q*, and *r*) (see also paragraph 8.3 in the paper). This means that an implementation using 64-bit
173 integers could set *N=62* and compute the full transition matrix for 62 steps at once without any
174 big integer arithmetic at all. This is the reason why this algorithm is efficient: it only needs
175 to update the full-size *f*, *g*, *d*, and *e* numbers once every *N* steps.
176
177 We still need functions to compute:
178
179 ```
180   [ out_f ] = (1/2^N * [ u,  v ]) * [ in_f ]
181   [ out_g ]   (        [ q,  r ])   [ in_g ]
182
183   [ out_d ] = (1/2^N * [ u,  v ]) * [ in_d ]  (mod M)
184   [ out_e ]   (        [ q,  r ])   [ in_e ]
185 ```
186
187 Because the divsteps transformation only ever divides even numbers by two, the result of *t&thinsp;[f,g]* is always even. When *t* is a composition of *N* divsteps, it follows that the resulting *f*
188 and *g* will be multiple of *2<sup>N</sup>*, and division by *2<sup>N</sup>* is simply shifting them down:
189
190 ```python
191 def update_fg(f, g, t):
192     """Multiply matrix t/2^N with [f, g]."""
193     u, v, q, r = t
194     cf, cg = u*f + v*g, q*f + r*g
195     # (t / 2^N) should cleanly apply to [f,g] so the result of t*[f,g] should have N zero
196     # bottom bits.
197     assert cf % 2**N == 0
198     assert cg % 2**N == 0
199     return cf >> N, cg >> N
200 ```
201
202 The same is not true for *d* and *e*, and we need an equivalent of the `div2` function for division by *2<sup>N</sup> mod M*.
203 This is easy if we have precomputed *1/M mod 2<sup>N</sup>* (which always exists for odd *M*):
204
205 ```python
206 def div2n(M, Mi, x):
207     """Compute x/2^N mod M, given Mi = 1/M mod 2^N."""
208     assert (M * Mi) % 2**N == 1
209     # Find a factor m such that m*M has the same bottom N bits as x. We want:
210     #     (m * M) mod 2^N = x mod 2^N
211     # <=> m mod 2^N = (x / M) mod 2^N
212     # <=> m mod 2^N = (x * Mi) mod 2^N
213     m = (Mi * x) % 2**N
214     # Subtract that multiple from x, cancelling its bottom N bits.
215     x -= m * M
216     # Now a clean division by 2^N is possible.
217     assert x % 2**N == 0
218     return (x >> N) % M
219
220 def update_de(d, e, t, M, Mi):
221     """Multiply matrix t/2^N with [d, e], modulo M."""
222     u, v, q, r = t
223     cd, ce = u*d + v*e, q*d + r*e
224     return div2n(M, Mi, cd), div2n(M, Mi, ce)
225 ```
226
227 With all of those, we can write a version of `modinv` that performs *N* divsteps at once:
228
229 ```python3
230 def modinv(M, Mi, x):
231     """Compute the modular inverse of x mod M, given Mi=1/M mod 2^N."""
232     assert M & 1
233     delta, f, g, d, e = 1, M, x, 0, 1
234     while g != 0:
235         # Compute the delta and transition matrix t for the next N divsteps (this only needs
236         # (N+1)-bit signed integer arithmetic).
237         delta, t = divsteps_n_matrix(delta, f % 2**N, g % 2**N)
238         # Apply the transition matrix t to [f, g]:
239         f, g = update_fg(f, g, t)
240         # Apply the transition matrix t to [d, e]:
241         d, e = update_de(d, e, t, M, Mi)
242     return (d * f) % M
243 ```
244
245 This means that in practice we'll always perform a multiple of *N* divsteps. This is not a problem
246 because once *g=0*, further divsteps do not affect *f*, *g*, *d*, or *e* anymore (only *&delta;* keeps
247 increasing). For variable time code such excess iterations will be mostly optimized away in
248 section 6.
249
250
251 ## 4. Avoiding modulus operations
252
253 So far, there are two places where we compute a remainder of big numbers modulo *M*: at the end of
254 `div2n` in every `update_de`, and at the very end of `modinv` after potentially negating *d* due to the
255 sign of *f*. These are relatively expensive operations when done generically.
256
257 To deal with the modulus operation in `div2n`, we simply stop requiring *d* and *e* to be in range
258 *[0,M)* all the time. Let's start by inlining `div2n` into `update_de`, and dropping the modulus
259 operation at the end:
260
261 ```python
262 def update_de(d, e, t, M, Mi):
263     """Multiply matrix t/2^N with [d, e] mod M, given Mi=1/M mod 2^N."""
264     u, v, q, r = t
265     cd, ce = u*d + v*e, q*d + r*e
266     # Cancel out bottom N bits of cd and ce.
267     md = -((Mi * cd) % 2**N)
268     me = -((Mi * ce) % 2**N)
269     cd += md * M
270     ce += me * M
271     # And cleanly divide by 2**N.
272     return cd >> N, ce >> N
273 ```
274
275 Let's look at bounds on the ranges of these numbers. It can be shown that *|u|+|v|* and *|q|+|r|*
276 never exceed *2<sup>N</sup>* (see paragraph 8.3 in the paper), and thus a multiplication with *t* will have
277 outputs whose absolute values are at most *2<sup>N</sup>* times the maximum absolute input value. In case the
278 inputs *d* and *e* are in *(-M,M)*, which is certainly true for the initial values *d=0* and *e=1* assuming
279 *M > 1*, the multiplication results in numbers in range *(-2<sup>N</sup>M,2<sup>N</sup>M)*. Subtracting less than *2<sup>N</sup>*
280 times *M* to cancel out *N* bits brings that up to *(-2<sup>N+1</sup>M,2<sup>N</sup>M)*, and
281 dividing by *2<sup>N</sup>* at the end takes it to *(-2M,M)*. Another application of `update_de` would take that
282 to *(-3M,2M)*, and so forth. This progressive expansion of the variables' ranges can be
283 counteracted by incrementing *d* and *e* by *M* whenever they're negative:
284
285 ```python
286     ...
287     if d < 0:
288         d += M
289     if e < 0:
290         e += M
291     cd, ce = u*d + v*e, q*d + r*e
292     # Cancel out bottom N bits of cd and ce.
293     ...
294 ```
295
296 With inputs in *(-2M,M)*, they will first be shifted into range *(-M,M)*, which means that the
297 output will again be in *(-2M,M)*, and this remains the case regardless of how many `update_de`
298 invocations there are. In what follows, we will try to make this more efficient.
299
300 Note that increasing *d* by *M* is equal to incrementing *cd* by *u&thinsp;M* and *ce* by *q&thinsp;M*. Similarly,
301 increasing *e* by *M* is equal to incrementing *cd* by *v&thinsp;M* and *ce* by *r&thinsp;M*. So we could instead write:
302
303 ```python
304     ...
305     cd, ce = u*d + v*e, q*d + r*e
306     # Perform the equivalent of incrementing d, e by M when they're negative.
307     if d < 0:
308         cd += u*M
309         ce += q*M
310     if e < 0:
311         cd += v*M
312         ce += r*M
313     # Cancel out bottom N bits of cd and ce.
314     md = -((Mi * cd) % 2**N)
315     me = -((Mi * ce) % 2**N)
316     cd += md * M
317     ce += me * M
318     ...
319 ```
320
321 Now note that we have two steps of corrections to *cd* and *ce* that add multiples of *M*: this
322 increment, and the decrement that cancels out bottom bits. The second one depends on the first
323 one, but they can still be efficiently combined by only computing the bottom bits of *cd* and *ce*
324 at first, and using that to compute the final *md*, *me* values:
325
326 ```python
327 def update_de(d, e, t, M, Mi):
328     """Multiply matrix t/2^N with [d, e], modulo M."""
329     u, v, q, r = t
330     md, me = 0, 0
331     # Compute what multiples of M to add to cd and ce.
332     if d < 0:
333         md += u
334         me += q
335     if e < 0:
336         md += v
337         me += r
338     # Compute bottom N bits of t*[d,e] + M*[md,me].
339     cd, ce = (u*d + v*e + md*M) % 2**N, (q*d + r*e + me*M) % 2**N
340     # Correct md and me such that the bottom N bits of t*[d,e] + M*[md,me] are zero.
341     md -= (Mi * cd) % 2**N
342     me -= (Mi * ce) % 2**N
343     # Do the full computation.
344     cd, ce = u*d + v*e + md*M, q*d + r*e + me*M
345     # And cleanly divide by 2**N.
346     return cd >> N, ce >> N
347 ```
348
349 One last optimization: we can avoid the *md&thinsp;M* and *me&thinsp;M* multiplications in the bottom bits of *cd*
350 and *ce* by moving them to the *md* and *me* correction:
351
352 ```python
353     ...
354     # Compute bottom N bits of t*[d,e].
355     cd, ce = (u*d + v*e) % 2**N, (q*d + r*e) % 2**N
356     # Correct md and me such that the bottom N bits of t*[d,e]+M*[md,me] are zero.
357     # Note that this is not the same as {md = (-Mi * cd) % 2**N} etc. That would also result in N
358     # zero bottom bits, but isn't guaranteed to be a reduction of [0,2^N) compared to the
359     # previous md and me values, and thus would violate our bounds analysis.
360     md -= (Mi*cd + md) % 2**N
361     me -= (Mi*ce + me) % 2**N
362     ...
363 ```
364
365 The resulting function takes *d* and *e* in range *(-2M,M)* as inputs, and outputs values in the same
366 range. That also means that the *d* value at the end of `modinv` will be in that range, while we want
367 a result in *[0,M)*. To do that, we need a normalization function. It's easy to integrate the
368 conditional negation of *d* (based on the sign of *f*) into it as well:
369
370 ```python
371 def normalize(sign, v, M):
372     """Compute sign*v mod M, where v is in range (-2*M,M); output in [0,M)."""
373     assert sign == 1 or sign == -1
374     # v in (-2*M,M)
375     if v < 0:
376         v += M
377     # v in (-M,M). Now multiply v with sign (which can only be 1 or -1).
378     if sign == -1:
379         v = -v
380     # v in (-M,M)
381     if v < 0:
382         v += M
383     # v in [0,M)
384     return v
385 ```
386
387 And calling it in `modinv` is simply:
388
389 ```python
390    ...
391    return normalize(f, d, M)
392 ```
393
394
395 ## 5. Constant-time operation
396
397 The primary selling point of the algorithm is fast constant-time operation. What code flow still
398 depends on the input data so far?
399
400 - the number of iterations of the while *g &ne; 0* loop in `modinv`
401 - the branches inside `divsteps_n_matrix`
402 - the sign checks in `update_de`
403 - the sign checks in `normalize`
404
405 To make the while loop in `modinv` constant time it can be replaced with a constant number of
406 iterations. The paper proves (Theorem 11.2) that *741* divsteps are sufficient for any *256*-bit
407 inputs, and [safegcd-bounds](https://github.com/sipa/safegcd-bounds) shows that the slightly better bound *724* is
408 sufficient even. Given that every loop iteration performs *N* divsteps, it will run a total of
409 *&lceil;724/N&rceil;* times.
410
411 To deal with the branches in `divsteps_n_matrix` we will replace them with constant-time bitwise
412 operations (and hope the C compiler isn't smart enough to turn them back into branches; see
413 `valgrind_ctime_test.c` for automated tests that this isn't the case). To do so, observe that a
414 divstep can be written instead as (compare to the inner loop of `gcd` in section 1).
415
416 ```python
417     x = -f if delta > 0 else f         # set x equal to (input) -f or f
418     if g & 1:
419         g += x                         # set g to (input) g-f or g+f
420         if delta > 0:
421             delta = -delta
422             f += g                     # set f to (input) g (note that g was set to g-f before)
423     delta += 1
424     g >>= 1
425 ```
426
427 To convert the above to bitwise operations, we rely on a trick to negate conditionally: per the
428 definition of negative numbers in two's complement, (*-v == ~v + 1*) holds for every number *v*. As
429 *-1* in two's complement is all *1* bits, bitflipping can be expressed as xor with *-1*. It follows
430 that *-v == (v ^ -1) - (-1)*. Thus, if we have a variable *c* that takes on values *0* or *-1*, then
431 *(v ^ c) - c* is *v* if *c=0* and *-v* if *c=-1*.
432
433 Using this we can write:
434
435 ```python
436     x = -f if delta > 0 else f
437 ```
438
439 in constant-time form as:
440
441 ```python
442     c1 = (-delta) >> 63
443     # Conditionally negate f based on c1:
444     x = (f ^ c1) - c1
445 ```
446
447 To use that trick, we need a helper mask variable *c1* that resolves the condition *&delta;>0* to *-1*
448 (if true) or *0* (if false). We compute *c1* using right shifting, which is equivalent to dividing by
449 the specified power of *2* and rounding down (in Python, and also in C under the assumption of a typical two's complement system; see
450 `assumptions.h` for tests that this is the case). Right shifting by *63* thus maps all
451 numbers in range *[-2<sup>63</sup>,0)* to *-1*, and numbers in range *[0,2<sup>63</sup>)* to *0*.
452
453 Using the facts that *x&0=0* and *x&(-1)=x* (on two's complement systems again), we can write:
454
455 ```python
456     if g & 1:
457         g += x
458 ```
459
460 as:
461
462 ```python
463     # Compute c2=0 if g is even and c2=-1 if g is odd.
464     c2 = -(g & 1)
465     # This masks out x if g is even, and leaves x be if g is odd.
466     g += x & c2
467 ```
468
469 Using the conditional negation trick again we can write:
470
471 ```python
472     if g & 1:
473         if delta > 0:
474             delta = -delta
475 ```
476
477 as:
478
479 ```python
480     # Compute c3=-1 if g is odd and delta>0, and 0 otherwise.
481     c3 = c1 & c2
482     # Conditionally negate delta based on c3:
483     delta = (delta ^ c3) - c3
484 ```
485
486 Finally:
487
488 ```python
489     if g & 1:
490         if delta > 0:
491             f += g
492 ```
493
494 becomes:
495
496 ```python
497     f += g & c3
498 ```
499
500 It turns out that this can be implemented more efficiently by applying the substitution
501 *&eta;=-&delta;*. In this representation, negating *&delta;* corresponds to negating *&eta;*, and incrementing
502 *&delta;* corresponds to decrementing *&eta;*. This allows us to remove the negation in the *c1*
503 computation:
504
505 ```python
506     # Compute a mask c1 for eta < 0, and compute the conditional negation x of f:
507     c1 = eta >> 63
508     x = (f ^ c1) - c1
509     # Compute a mask c2 for odd g, and conditionally add x to g:
510     c2 = -(g & 1)
511     g += x & c2
512     # Compute a mask c for (eta < 0) and odd (input) g, and use it to conditionally negate eta,
513     # and add g to f:
514     c3 = c1 & c2
515     eta = (eta ^ c3) - c3
516     f += g & c3
517     # Incrementing delta corresponds to decrementing eta.
518     eta -= 1
519     g >>= 1
520 ```
521
522 By replacing the loop in `divsteps_n_matrix` with a variant of the divstep code above (extended to
523 also apply all *f* operations to *u*, *v* and all *g* operations to *q*, *r*), a constant-time version of
524 `divsteps_n_matrix` is obtained. The full code will be in section 7.
525
526 These bit fiddling tricks can also be used to make the conditional negations and additions in
527 `update_de` and `normalize` constant-time.
528
529
530 ## 6. Variable-time optimizations
531
532 In section 5, we modified the `divsteps_n_matrix` function (and a few others) to be constant time.
533 Constant time operations are only necessary when computing modular inverses of secret data. In
534 other cases, it slows down calculations unnecessarily. In this section, we will construct a
535 faster non-constant time `divsteps_n_matrix` function.
536
537 To do so, first consider yet another way of writing the inner loop of divstep operations in
538 `gcd` from section 1. This decomposition is also explained in the paper in section 8.2.
539
540 ```python
541 for _ in range(N):
542     if g & 1 and eta < 0:
543         eta, f, g = -eta, g, -f
544     if g & 1:
545         g += f
546     eta -= 1
547     g >>= 1
548 ```
549
550 Whenever *g* is even, the loop only shifts *g* down and decreases *&eta;*. When *g* ends in multiple zero
551 bits, these iterations can be consolidated into one step. This requires counting the bottom zero
552 bits efficiently, which is possible on most platforms; it is abstracted here as the function
553 `count_trailing_zeros`.
554
555 ```python
556 def count_trailing_zeros(v):
557     """For a non-zero value v, find z such that v=(d<<z) for some odd d."""
558     return (v & -v).bit_length() - 1
559
560 i = N # divsteps left to do
561 while True:
562     # Get rid of all bottom zeros at once. In the first iteration, g may be odd and the following
563     # lines have no effect (until "if eta < 0").
564     zeros = min(i, count_trailing_zeros(g))
565     eta -= zeros
566     g >>= zeros
567     i -= zeros
568     if i == 0:
569         break
570     # We know g is odd now
571     if eta < 0:
572         eta, f, g = -eta, g, -f
573     g += f
574     # g is even now, and the eta decrement and g shift will happen in the next loop.
575 ```
576
577 We can now remove multiple bottom *0* bits from *g* at once, but still need a full iteration whenever
578 there is a bottom *1* bit. In what follows, we will get rid of multiple *1* bits simultaneously as
579 well.
580
581 Observe that as long as *&eta; &geq; 0*, the loop does not modify *f*. Instead, it cancels out bottom
582 bits of *g* and shifts them out, and decreases *&eta;* and *i* accordingly - interrupting only when *&eta;*
583 becomes negative, or when *i* reaches *0*. Combined, this is equivalent to adding a multiple of *f* to
584 *g* to cancel out multiple bottom bits, and then shifting them out.
585
586 It is easy to find what that multiple is: we want a number *w* such that *g+w&thinsp;f* has a few bottom
587 zero bits. If that number of bits is *L*, we want *g+w&thinsp;f mod 2<sup>L</sup> = 0*, or *w = -g/f mod 2<sup>L</sup>*. Since *f*
588 is odd, such a *w* exists for any *L*. *L* cannot be more than *i* steps (as we'd finish the loop before
589 doing more) or more than *&eta;+1* steps (as we'd run `eta, f, g = -eta, g, f` at that point), but
590 apart from that, we're only limited by the complexity of computing *w*.
591
592 This code demonstrates how to cancel up to 4 bits per step:
593
594 ```python
595 NEGINV16 = [15, 5, 3, 9, 7, 13, 11, 1] # NEGINV16[n//2] = (-n)^-1 mod 16, for odd n
596 i = N
597 while True:
598     zeros = min(i, count_trailing_zeros(g))
599     eta -= zeros
600     g >>= zeros
601     i -= zeros
602     if i == 0:
603         break
604     # We know g is odd now
605     if eta < 0:
606         eta, f, g = -eta, g, f
607     # Compute limit on number of bits to cancel
608     limit = min(min(eta + 1, i), 4)
609     # Compute w = -g/f mod 2**limit, using the table value for -1/f mod 2**4. Note that f is
610     # always odd, so its inverse modulo a power of two always exists.
611     w = (g * NEGINV16[(f & 15) // 2]) % (2**limit)
612     # As w = -g/f mod (2**limit), g+w*f mod 2**limit = 0 mod 2**limit.
613     g += w * f
614     assert g % (2**limit) == 0
615     # The next iteration will now shift out at least limit bottom zero bits from g.
616 ```
617
618 By using a bigger table more bits can be cancelled at once. The table can also be implemented
619 as a formula. Several formulas are known for computing modular inverses modulo powers of two;
620 some can be found in Hacker's Delight second edition by Henry S. Warren, Jr. pages 245-247.
621 Here we need the negated modular inverse, which is a simple transformation of those:
622
623 - Instead of a 3-bit table:
624   - *-f* or *f ^ 6*
625 - Instead of a 4-bit table:
626   - *1 - f(f + 1)*
627   - *-(f + (((f + 1) & 4) << 1))*
628 - For larger tables the following technique can be used: if *w=-1/f mod 2<sup>L</sup>*, then *w(w&thinsp;f+2)* is
629   *-1/f mod 2<sup>2L</sup>*. This allows extending the previous formulas (or tables). In particular we
630   have this 6-bit function (based on the 3-bit function above):
631   - *f(f<sup>2</sup> - 2)*
632
633 This loop, again extended to also handle *u*, *v*, *q*, and *r* alongside *f* and *g*, placed in
634 `divsteps_n_matrix`, gives a significantly faster, but non-constant time version.
635
636
637 ## 7. Final Python version
638
639 All together we need the following functions:
640
641 - A way to compute the transition matrix in constant time, using the `divsteps_n_matrix` function
642   from section 2, but with its loop replaced by a variant of the constant-time divstep from
643   section 5, extended to handle *u*, *v*, *q*, *r*:
644
645 ```python
646 def divsteps_n_matrix(eta, f, g):
647     """Compute eta and transition matrix t after N divsteps (multiplied by 2^N)."""
648     u, v, q, r = 1, 0, 0, 1 # start with identity matrix
649     for _ in range(N):
650         c1 = eta >> 63
651         # Compute x, y, z as conditionally-negated versions of f, u, v.
652         x, y, z = (f ^ c1) - c1, (u ^ c1) - c1, (v ^ c1) - c1
653         c2 = -(g & 1)
654         # Conditionally add x, y, z to g, q, r.
655         g, q, r = g + (x & c2), q + (y & c2), r + (z & c2)
656         c1 &= c2                     # reusing c1 here for the earlier c3 variable
657         eta = (eta ^ c1) - (c1 + 1)  # inlining the unconditional eta decrement here
658         # Conditionally add g, q, r to f, u, v.
659         f, u, v = f + (g & c1), u + (q & c1), v + (r & c1)
660         # When shifting g down, don't shift q, r, as we construct a transition matrix multiplied
661         # by 2^N. Instead, shift f's coefficients u and v up.
662         g, u, v = g >> 1, u << 1, v << 1
663     return eta, (u, v, q, r)
664 ```
665
666 - The functions to update *f* and *g*, and *d* and *e*, from section 2 and section 4, with the constant-time
667   changes to `update_de` from section 5:
668
669 ```python
670 def update_fg(f, g, t):
671     """Multiply matrix t/2^N with [f, g]."""
672     u, v, q, r = t
673     cf, cg = u*f + v*g, q*f + r*g
674     return cf >> N, cg >> N
675
676 def update_de(d, e, t, M, Mi):
677     """Multiply matrix t/2^N with [d, e], modulo M."""
678     u, v, q, r = t
679     d_sign, e_sign = d >> 257, e >> 257
680     md, me = (u & d_sign) + (v & e_sign), (q & d_sign) + (r & e_sign)
681     cd, ce = (u*d + v*e) % 2**N, (q*d + r*e) % 2**N
682     md -= (Mi*cd + md) % 2**N
683     me -= (Mi*ce + me) % 2**N
684     cd, ce = u*d + v*e + Mi*md, q*d + r*e + Mi*me
685     return cd >> N, ce >> N
686 ```
687
688 - The `normalize` function from section 4, made constant time as well:
689
690 ```python
691 def normalize(sign, v, M):
692     """Compute sign*v mod M, where v in (-2*M,M); output in [0,M)."""
693     v_sign = v >> 257
694     # Conditionally add M to v.
695     v += M & v_sign
696     c = (sign - 1) >> 1
697     # Conditionally negate v.
698     v = (v ^ c) - c
699     v_sign = v >> 257
700     # Conditionally add M to v again.
701     v += M & v_sign
702     return v
703 ```
704
705 - And finally the `modinv` function too, adapted to use *&eta;* instead of *&delta;*, and using the fixed
706   iteration count from section 5:
707
708 ```python
709 def modinv(M, Mi, x):
710     """Compute the modular inverse of x mod M, given Mi=1/M mod 2^N."""
711     eta, f, g, d, e = -1, M, x, 0, 1
712     for _ in range((724 + N - 1) // N):
713         eta, t = divsteps_n_matrix(-eta, f % 2**N, g % 2**N)
714         f, g = update_fg(f, g, t)
715         d, e = update_de(d, e, t, M, Mi)
716     return normalize(f, d, M)
717 ```
718
719 - To get a variable time version, replace the `divsteps_n_matrix` function with one that uses the
720   divsteps loop from section 5, and a `modinv` version that calls it without the fixed iteration
721   count:
722
723 ```python
724 NEGINV16 = [15, 5, 3, 9, 7, 13, 11, 1] # NEGINV16[n//2] = (-n)^-1 mod 16, for odd n
725 def divsteps_n_matrix_var(eta, f, g):
726     """Compute eta and transition matrix t after N divsteps (multiplied by 2^N)."""
727     u, v, q, r = 1, 0, 0, 1
728     i = N
729     while True:
730         zeros = min(i, count_trailing_zeros(g))
731         eta, i = eta - zeros, i - zeros
732         g, u, v = g >> zeros, u << zeros, v << zeros
733         if i == 0:
734             break
735         if eta < 0:
736             eta, f, u, v, g, q, r = -eta, g, q, r, -f, -u, -v
737         limit = min(min(eta + 1, i), 4)
738         w = (g * NEGINV16[(f & 15) // 2]) % (2**limit)
739         g, q, r = g + w*f, q + w*u, r + w*v
740     return eta, (u, v, q, r)
741
742 def modinv_var(M, Mi, x):
743     """Compute the modular inverse of x mod M, given Mi = 1/M mod 2^N."""
744     eta, f, g, d, e = -1, M, x, 0, 1
745     while g != 0:
746         eta, t = divsteps_n_matrix_var(eta, f % 2**N, g % 2**N)
747         f, g = update_fg(f, g, t)
748         d, e = update_de(d, e, t, M, Mi)
749     return normalize(f, d, Mi)
750 ```
This page took 0.059268 seconds and 2 git commands to generate.