src/scalar_impl.h

   1 /**********************************************************************
   2  * Copyright (c) 2014 Pieter Wuille                                   *
   3  * Distributed under the MIT software license, see the accompanying   *
   4  * file COPYING or http://www.opensource.org/licenses/mit-license.php.*
   5  **********************************************************************/
   6
   7 #ifndef SECP256K1_SCALAR_IMPL_H
   8 #define SECP256K1_SCALAR_IMPL_H
   9
  10 #include "scalar.h"
  11 #include "util.h"
  12
  13 #if defined HAVE_CONFIG_H
  14 #include "libsecp256k1-config.h"
  15 #endif
  16
  17 #if defined(EXHAUSTIVE_TEST_ORDER)
  18 #include "scalar_low_impl.h"
  19 #elif defined(SECP256K1_WIDEMUL_INT128)
  20 #include "scalar_4x64_impl.h"
  21 #elif defined(SECP256K1_WIDEMUL_INT64)
  22 #include "scalar_8x32_impl.h"
  23 #else
  24 #error "Please select wide multiplication implementation"
  25 #endif
  26
  27 static const secp256k1_scalar secp256k1_scalar_one = SECP256K1_SCALAR_CONST(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1);
  28 static const secp256k1_scalar secp256k1_scalar_zero = SECP256K1_SCALAR_CONST(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
  29
  30 #ifndef USE_NUM_NONE
  31 static void secp256k1_scalar_get_num(secp256k1_num *r, const secp256k1_scalar *a) {
  32     unsigned char c[32];
  33     secp256k1_scalar_get_b32(c, a);
  34     secp256k1_num_set_bin(r, c, 32);
  35 }
  36
  37 /** secp256k1 curve order, see secp256k1_ecdsa_const_order_as_fe in ecdsa_impl.h */
  38 static void secp256k1_scalar_order_get_num(secp256k1_num *r) {
  39 #if defined(EXHAUSTIVE_TEST_ORDER)
  40     static const unsigned char order[32] = {
  41         0,0,0,0,0,0,0,0,
  42         0,0,0,0,0,0,0,0,
  43         0,0,0,0,0,0,0,0,
  44         0,0,0,0,0,0,0,EXHAUSTIVE_TEST_ORDER
  45     };
  46 #else
  47     static const unsigned char order[32] = {
  48         0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
  49         0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,
  50         0xBA,0xAE,0xDC,0xE6,0xAF,0x48,0xA0,0x3B,
  51         0xBF,0xD2,0x5E,0x8C,0xD0,0x36,0x41,0x41
  52     };
  53 #endif
  54     secp256k1_num_set_bin(r, order, 32);
  55 }
  56 #endif
  57
  58 static int secp256k1_scalar_set_b32_seckey(secp256k1_scalar *r, const unsigned char *bin) {
  59     int overflow;
  60     secp256k1_scalar_set_b32(r, bin, &overflow);
  61     return (!overflow) & (!secp256k1_scalar_is_zero(r));
  62 }
  63
  64 static void secp256k1_scalar_inverse(secp256k1_scalar *r, const secp256k1_scalar *x) {
  65 #if defined(EXHAUSTIVE_TEST_ORDER)
  66     int i;
  67     *r = 0;
  68     for (i = 0; i < EXHAUSTIVE_TEST_ORDER; i++)
  69         if ((i * *x) % EXHAUSTIVE_TEST_ORDER == 1)
  70             *r = i;
  71     /* If this VERIFY_CHECK triggers we were given a noninvertible scalar (and thus
  72      * have a composite group order; fix it in exhaustive_tests.c). */
  73     VERIFY_CHECK(*r != 0);
  74 }
  75 #else
  76     secp256k1_scalar *t;
  77     int i;
  78     /* First compute xN as x ^ (2^N - 1) for some values of N,
  79      * and uM as x ^ M for some values of M. */
  80     secp256k1_scalar x2, x3, x6, x8, x14, x28, x56, x112, x126;
  81     secp256k1_scalar u2, u5, u9, u11, u13;
  82
  83     secp256k1_scalar_sqr(&u2, x);
  84     secp256k1_scalar_mul(&x2, &u2,  x);
  85     secp256k1_scalar_mul(&u5, &u2, &x2);
  86     secp256k1_scalar_mul(&x3, &u5,  &u2);
  87     secp256k1_scalar_mul(&u9, &x3, &u2);
  88     secp256k1_scalar_mul(&u11, &u9, &u2);
  89     secp256k1_scalar_mul(&u13, &u11, &u2);
  90
  91     secp256k1_scalar_sqr(&x6, &u13);
  92     secp256k1_scalar_sqr(&x6, &x6);
  93     secp256k1_scalar_mul(&x6, &x6, &u11);
  94
  95     secp256k1_scalar_sqr(&x8, &x6);
  96     secp256k1_scalar_sqr(&x8, &x8);
  97     secp256k1_scalar_mul(&x8, &x8,  &x2);
  98
  99     secp256k1_scalar_sqr(&x14, &x8);
 100     for (i = 0; i < 5; i++) {
 101         secp256k1_scalar_sqr(&x14, &x14);
 102     }
 103     secp256k1_scalar_mul(&x14, &x14, &x6);
 104
 105     secp256k1_scalar_sqr(&x28, &x14);
 106     for (i = 0; i < 13; i++) {
 107         secp256k1_scalar_sqr(&x28, &x28);
 108     }
 109     secp256k1_scalar_mul(&x28, &x28, &x14);
 110
 111     secp256k1_scalar_sqr(&x56, &x28);
 112     for (i = 0; i < 27; i++) {
 113         secp256k1_scalar_sqr(&x56, &x56);
 114     }
 115     secp256k1_scalar_mul(&x56, &x56, &x28);
 116
 117     secp256k1_scalar_sqr(&x112, &x56);
 118     for (i = 0; i < 55; i++) {
 119         secp256k1_scalar_sqr(&x112, &x112);
 120     }
 121     secp256k1_scalar_mul(&x112, &x112, &x56);
 122
 123     secp256k1_scalar_sqr(&x126, &x112);
 124     for (i = 0; i < 13; i++) {
 125         secp256k1_scalar_sqr(&x126, &x126);
 126     }
 127     secp256k1_scalar_mul(&x126, &x126, &x14);
 128
 129     /* Then accumulate the final result (t starts at x126). */
 130     t = &x126;
 131     for (i = 0; i < 3; i++) {
 132         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 133     }
 134     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u5); /* 101 */
 135     for (i = 0; i < 4; i++) { /* 0 */
 136         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 137     }
 138     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x3); /* 111 */
 139     for (i = 0; i < 4; i++) { /* 0 */
 140         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 141     }
 142     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u5); /* 101 */
 143     for (i = 0; i < 5; i++) { /* 0 */
 144         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 145     }
 146     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u11); /* 1011 */
 147     for (i = 0; i < 4; i++) {
 148         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 149     }
 150     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u11); /* 1011 */
 151     for (i = 0; i < 4; i++) { /* 0 */
 152         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 153     }
 154     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x3); /* 111 */
 155     for (i = 0; i < 5; i++) { /* 00 */
 156         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 157     }
 158     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x3); /* 111 */
 159     for (i = 0; i < 6; i++) { /* 00 */
 160         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 161     }
 162     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u13); /* 1101 */
 163     for (i = 0; i < 4; i++) { /* 0 */
 164         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 165     }
 166     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u5); /* 101 */
 167     for (i = 0; i < 3; i++) {
 168         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 169     }
 170     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x3); /* 111 */
 171     for (i = 0; i < 5; i++) { /* 0 */
 172         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 173     }
 174     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u9); /* 1001 */
 175     for (i = 0; i < 6; i++) { /* 000 */
 176         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 177     }
 178     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u5); /* 101 */
 179     for (i = 0; i < 10; i++) { /* 0000000 */
 180         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 181     }
 182     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x3); /* 111 */
 183     for (i = 0; i < 4; i++) { /* 0 */
 184         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 185     }
 186     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x3); /* 111 */
 187     for (i = 0; i < 9; i++) { /* 0 */
 188         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 189     }
 190     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x8); /* 11111111 */
 191     for (i = 0; i < 5; i++) { /* 0 */
 192         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 193     }
 194     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u9); /* 1001 */
 195     for (i = 0; i < 6; i++) { /* 00 */
 196         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 197     }
 198     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u11); /* 1011 */
 199     for (i = 0; i < 4; i++) {
 200         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 201     }
 202     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u13); /* 1101 */
 203     for (i = 0; i < 5; i++) {
 204         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 205     }
 206     secp256k1_scalar_mul(t, t, &x2); /* 11 */
 207     for (i = 0; i < 6; i++) { /* 00 */
 208         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 209     }
 210     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u13); /* 1101 */
 211     for (i = 0; i < 10; i++) { /* 000000 */
 212         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 213     }
 214     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u13); /* 1101 */
 215     for (i = 0; i < 4; i++) {
 216         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 217     }
 218     secp256k1_scalar_mul(t, t, &u9); /* 1001 */
 219     for (i = 0; i < 6; i++) { /* 00000 */
 220         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 221     }
 222     secp256k1_scalar_mul(t, t, x); /* 1 */
 223     for (i = 0; i < 8; i++) { /* 00 */
 224         secp256k1_scalar_sqr(t, t);
 225     }
 226     secp256k1_scalar_mul(r, t, &x6); /* 111111 */
 227 }
 228
 229 SECP256K1_INLINE static int secp256k1_scalar_is_even(const secp256k1_scalar *a) {
 230     return !(a->d[0] & 1);
 231 }
 232 #endif
 233
 234 static void secp256k1_scalar_inverse_var(secp256k1_scalar *r, const secp256k1_scalar *x) {
 235 #if defined(USE_SCALAR_INV_BUILTIN)
 236     secp256k1_scalar_inverse(r, x);
 237 #elif defined(USE_SCALAR_INV_NUM)
 238     unsigned char b[32];
 239     secp256k1_num n, m;
 240     secp256k1_scalar t = *x;
 241     secp256k1_scalar_get_b32(b, &t);
 242     secp256k1_num_set_bin(&n, b, 32);
 243     secp256k1_scalar_order_get_num(&m);
 244     secp256k1_num_mod_inverse(&n, &n, &m);
 245     secp256k1_num_get_bin(b, 32, &n);
 246     secp256k1_scalar_set_b32(r, b, NULL);
 247     /* Verify that the inverse was computed correctly, without GMP code. */
 248     secp256k1_scalar_mul(&t, &t, r);
 249     CHECK(secp256k1_scalar_is_one(&t));
 250 #else
 251 #error "Please select scalar inverse implementation"
 252 #endif
 253 }
 254
 255 #ifdef USE_ENDOMORPHISM
 256 #if defined(EXHAUSTIVE_TEST_ORDER)
 257 /**
 258  * Find k1 and k2 given k, such that k1 + k2 * lambda == k mod n; unlike in the
 259  * full case we don't bother making k1 and k2 be small, we just want them to be
 260  * nontrivial to get full test coverage for the exhaustive tests. We therefore
 261  * (arbitrarily) set k2 = k + 5 and k1 = k - k2 * lambda.
 262  */
 263 static void secp256k1_scalar_split_lambda(secp256k1_scalar *r1, secp256k1_scalar *r2, const secp256k1_scalar *a) {
 264     *r2 = (*a + 5) % EXHAUSTIVE_TEST_ORDER;
 265     *r1 = (*a + (EXHAUSTIVE_TEST_ORDER - *r2) * EXHAUSTIVE_TEST_LAMBDA) % EXHAUSTIVE_TEST_ORDER;
 266 }
 267 #else
 268 /**
 269  * The Secp256k1 curve has an endomorphism, where lambda * (x, y) = (beta * x, y), where
 270  * lambda is {0x53,0x63,0xad,0x4c,0xc0,0x5c,0x30,0xe0,0xa5,0x26,0x1c,0x02,0x88,0x12,0x64,0x5a,
 271  *            0x12,0x2e,0x22,0xea,0x20,0x81,0x66,0x78,0xdf,0x02,0x96,0x7c,0x1b,0x23,0xbd,0x72}
 272  *
 273  * "Guide to Elliptic Curve Cryptography" (Hankerson, Menezes, Vanstone) gives an algorithm
 274  * (algorithm 3.74) to find k1 and k2 given k, such that k1 + k2 * lambda == k mod n, and k1
 275  * and k2 have a small size.
 276  * It relies on constants a1, b1, a2, b2. These constants for the value of lambda above are:
 277  *
 278  * - a1 =      {0x30,0x86,0xd2,0x21,0xa7,0xd4,0x6b,0xcd,0xe8,0x6c,0x90,0xe4,0x92,0x84,0xeb,0x15}
 279  * - b1 =     -{0xe4,0x43,0x7e,0xd6,0x01,0x0e,0x88,0x28,0x6f,0x54,0x7f,0xa9,0x0a,0xbf,0xe4,0xc3}
 280  * - a2 = {0x01,0x14,0xca,0x50,0xf7,0xa8,0xe2,0xf3,0xf6,0x57,0xc1,0x10,0x8d,0x9d,0x44,0xcf,0xd8}
 281  * - b2 =      {0x30,0x86,0xd2,0x21,0xa7,0xd4,0x6b,0xcd,0xe8,0x6c,0x90,0xe4,0x92,0x84,0xeb,0x15}
 282  *
 283  * The algorithm then computes c1 = round(b1 * k / n) and c2 = round(b2 * k / n), and gives
 284  * k1 = k - (c1*a1 + c2*a2) and k2 = -(c1*b1 + c2*b2). Instead, we use modular arithmetic, and
 285  * compute k1 as k - k2 * lambda, avoiding the need for constants a1 and a2.
 286  *
 287  * g1, g2 are precomputed constants used to replace division with a rounded multiplication
 288  * when decomposing the scalar for an endomorphism-based point multiplication.
 289  *
 290  * The possibility of using precomputed estimates is mentioned in "Guide to Elliptic Curve
 291  * Cryptography" (Hankerson, Menezes, Vanstone) in section 3.5.
 292  *
 293  * The derivation is described in the paper "Efficient Software Implementation of Public-Key
 294  * Cryptography on Sensor Networks Using the MSP430X Microcontroller" (Gouvea, Oliveira, Lopez),
 295  * Section 4.3 (here we use a somewhat higher-precision estimate):
 296  * d = a1*b2 - b1*a2
 297  * g1 = round((2^272)*b2/d)
 298  * g2 = round((2^272)*b1/d)
 299  *
 300  * (Note that 'd' is also equal to the curve order here because [a1,b1] and [a2,b2] are found
 301  * as outputs of the Extended Euclidean Algorithm on inputs 'order' and 'lambda').
 302  *
 303  * The function below splits a in r1 and r2, such that r1 + lambda * r2 == a (mod order).
 304  */
 305
 306 static void secp256k1_scalar_split_lambda(secp256k1_scalar *r1, secp256k1_scalar *r2, const secp256k1_scalar *a) {
 307     secp256k1_scalar c1, c2;
 308     static const secp256k1_scalar minus_lambda = SECP256K1_SCALAR_CONST(
 309         0xAC9C52B3UL, 0x3FA3CF1FUL, 0x5AD9E3FDUL, 0x77ED9BA4UL,
 310         0xA880B9FCUL, 0x8EC739C2UL, 0xE0CFC810UL, 0xB51283CFUL
 311     );
 312     static const secp256k1_scalar minus_b1 = SECP256K1_SCALAR_CONST(
 313         0x00000000UL, 0x00000000UL, 0x00000000UL, 0x00000000UL,
 314         0xE4437ED6UL, 0x010E8828UL, 0x6F547FA9UL, 0x0ABFE4C3UL
 315     );
 316     static const secp256k1_scalar minus_b2 = SECP256K1_SCALAR_CONST(
 317         0xFFFFFFFFUL, 0xFFFFFFFFUL, 0xFFFFFFFFUL, 0xFFFFFFFEUL,
 318         0x8A280AC5UL, 0x0774346DUL, 0xD765CDA8UL, 0x3DB1562CUL
 319     );
 320     static const secp256k1_scalar g1 = SECP256K1_SCALAR_CONST(
 321         0x00000000UL, 0x00000000UL, 0x00000000UL, 0x00003086UL,
 322         0xD221A7D4UL, 0x6BCDE86CUL, 0x90E49284UL, 0xEB153DABUL
 323     );
 324     static const secp256k1_scalar g2 = SECP256K1_SCALAR_CONST(
 325         0x00000000UL, 0x00000000UL, 0x00000000UL, 0x0000E443UL,
 326         0x7ED6010EUL, 0x88286F54UL, 0x7FA90ABFUL, 0xE4C42212UL
 327     );
 328     VERIFY_CHECK(r1 != a);
 329     VERIFY_CHECK(r2 != a);
 330     /* these _var calls are constant time since the shift amount is constant */
 331     secp256k1_scalar_mul_shift_var(&c1, a, &g1, 272);
 332     secp256k1_scalar_mul_shift_var(&c2, a, &g2, 272);
 333     secp256k1_scalar_mul(&c1, &c1, &minus_b1);
 334     secp256k1_scalar_mul(&c2, &c2, &minus_b2);
 335     secp256k1_scalar_add(r2, &c1, &c2);
 336     secp256k1_scalar_mul(r1, r2, &minus_lambda);
 337     secp256k1_scalar_add(r1, r1, a);
 338 }
 339 #endif
 340 #endif
 341
 342 #endif /* SECP256K1_SCALAR_IMPL_H */