d0_bignum-openssl.c

   1 /*
   2  * FILE:        d0_bignum-openssl.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 /* NOTE: this file links against openssl (http://www.openssl.org), which is
  37  * under the OpenSSL License. You may have to abide to its terms too if you use
  38  * this file.
  39  * To alternatively link to GMP, provide the option --without-openssl to
  40  * ./configure.
  41  */
  42
  43 #include "d0_bignum.h"
  44
  45 #include <assert.h>
  46 #include <string.h>
  47 #include <openssl/bn.h>
  48
  49 // for stupid OpenSSL versions in Mac OS X
  50 #ifndef BN_is_negative
  51 #define BN_is_negative(a) ((a)->neg != 0)
  52 #define BN_set_negative(a,n) ((a)->neg = ((n) && !BN_is_zero(a)))
  53 #endif
  54
  55 struct d0_bignum_s
  56 {
  57         BIGNUM z;
  58 };
  59
  60 // FIXME implement http://www.openssl.org/docs/crypto/threads.html
  61
  62 static d0_bignum_t temp;
  63 static BN_CTX *ctx;
  64 static void *tempmutex = NULL; // hold this mutex when using ctx or temp
  65
  66 #include <time.h>
  67 #include <stdio.h>
  68
  69 D0_WARN_UNUSED_RESULT D0_BOOL d0_bignum_INITIALIZE(void)
  70 {
  71         tempmutex = d0_createmutex();
  72         d0_lockmutex(tempmutex);
  73
  74         ctx = BN_CTX_new();
  75         d0_bignum_init(&temp);
  76
  77         d0_unlockmutex(tempmutex);
  78
  79         return 1;
  80         // FIXME initialize the RNG on Windows on UNIX it is done right already
  81 }
  82
  83 void d0_bignum_SHUTDOWN(void)
  84 {
  85         d0_lockmutex(tempmutex);
  86
  87         d0_bignum_clear(&temp);
  88         BN_CTX_free(ctx);
  89         ctx = NULL;
  90
  91         d0_unlockmutex(tempmutex);
  92         d0_destroymutex(tempmutex);
  93         tempmutex = NULL;
  94 }
  95
  96 D0_BOOL d0_iobuf_write_bignum(d0_iobuf_t *buf, const d0_bignum_t *bignum)
  97 {
  98         static __thread unsigned char numbuf[65536];
  99         size_t count = 0;
 100         numbuf[0] = BN_is_zero(&bignum->z) ? 0 : BN_is_negative(&bignum->z) ? 3 : 1;
 101         if((numbuf[0] & 3) != 0) // nonzero
 102         {
 103                 count = BN_num_bytes(&bignum->z);
 104                 if(count > sizeof(numbuf) - 1)
 105                         return 0;
 106                 BN_bn2bin(&bignum->z, numbuf+1);
 107         }
 108         return d0_iobuf_write_packet(buf, numbuf, count + 1);
 109 }
 110
 111 d0_bignum_t *d0_iobuf_read_bignum(d0_iobuf_t *buf, d0_bignum_t *bignum)
 112 {
 113         static __thread unsigned char numbuf[65536];
 114         size_t count = sizeof(numbuf);
 115         if(!d0_iobuf_read_packet(buf, numbuf, &count))
 116                 return NULL;
 117         if(count < 1)
 118                 return NULL;
 119         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 120         if(numbuf[0] & 3) // nonzero
 121         {
 122                 BN_bin2bn(numbuf+1, count-1, &bignum->z);
 123                 if(numbuf[0] & 2) // negative
 124                         BN_set_negative(&bignum->z, 1);
 125         }
 126         else // zero
 127         {
 128                 BN_zero(&bignum->z);
 129         }
 130         return bignum;
 131 }
 132
 133 ssize_t d0_bignum_export_unsigned(const d0_bignum_t *bignum, void *buf, size_t bufsize)
 134 {
 135         size_t count;
 136         count = BN_num_bytes(&bignum->z);
 137         if(count > bufsize)
 138                 return -1;
 139         if(bufsize > count)
 140         {
 141                 // pad from left (big endian numbers!)
 142                 memset(buf, 0, bufsize - count);
 143                 buf += bufsize - count;
 144         }
 145         BN_bn2bin(&bignum->z, buf);
 146         return bufsize;
 147 }
 148
 149 d0_bignum_t *d0_bignum_import_unsigned(d0_bignum_t *bignum, const void *buf, size_t bufsize)
 150 {
 151         size_t count;
 152         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 153         BN_bin2bn(buf, bufsize, &bignum->z);
 154         return bignum;
 155 }
 156
 157 d0_bignum_t *d0_bignum_new(void)
 158 {
 159         d0_bignum_t *b = d0_malloc(sizeof(d0_bignum_t));
 160         BN_init(&b->z);
 161         return b;
 162 }
 163
 164 void d0_bignum_free(d0_bignum_t *a)
 165 {
 166         BN_free(&a->z);
 167         d0_free(a);
 168 }
 169
 170 void d0_bignum_init(d0_bignum_t *b)
 171 {
 172         BN_init(&b->z);
 173 }
 174
 175 void d0_bignum_clear(d0_bignum_t *a)
 176 {
 177         BN_free(&a->z);
 178 }
 179
 180 size_t d0_bignum_size(const d0_bignum_t *r)
 181 {
 182         return BN_num_bits(&r->z);
 183 }
 184
 185 int d0_bignum_cmp(const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 186 {
 187         return BN_cmp(&a->z, &b->z);
 188 }
 189
 190 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_range(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *min, const d0_bignum_t *max)
 191 {
 192         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 193         d0_lockmutex(tempmutex);
 194         BN_sub(&temp.z, &max->z, &min->z);
 195         BN_rand_range(&r->z, &temp.z);
 196         d0_unlockmutex(tempmutex);
 197         BN_add(&r->z, &r->z, &min->z);
 198         return r;
 199 }
 200
 201 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_atmost(d0_bignum_t *r, size_t n)
 202 {
 203         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 204         BN_rand(&r->z, n, -1, 0);
 205         return r;
 206 }
 207
 208 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_exact(d0_bignum_t *r, size_t n)
 209 {
 210         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 211         BN_rand(&r->z, n, 0, 0);
 212         return r;
 213 }
 214
 215 d0_bignum_t *d0_bignum_zero(d0_bignum_t *r)
 216 {
 217         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 218         BN_zero(&r->z);
 219         return r;
 220 }
 221
 222 d0_bignum_t *d0_bignum_one(d0_bignum_t *r)
 223 {
 224         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 225         BN_one(&r->z);
 226         return r;
 227 }
 228
 229 d0_bignum_t *d0_bignum_int(d0_bignum_t *r, int n)
 230 {
 231         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 232         BN_set_word(&r->z, n);
 233         return r;
 234 }
 235
 236 d0_bignum_t *d0_bignum_mov(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 237 {
 238         if(r == a)
 239                 return r; // trivial
 240         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 241         BN_copy(&r->z, &a->z);
 242         return r;
 243 }
 244
 245 d0_bignum_t *d0_bignum_neg(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 246 {
 247         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 248         if(r != a)
 249                 BN_copy(&r->z, &a->z);
 250         BN_set_negative(&r->z, !BN_is_negative(&r->z));
 251         return r;
 252 }
 253
 254 d0_bignum_t *d0_bignum_shl(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, ssize_t n)
 255 {
 256         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 257         if(n > 0)
 258                 BN_lshift(&r->z, &a->z, n);
 259         else if(n < 0)
 260                 BN_rshift(&r->z, &a->z, -n);
 261         else if(r != a)
 262                 BN_copy(&r->z, &a->z);
 263         return r;
 264 }
 265
 266 d0_bignum_t *d0_bignum_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 267 {
 268         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 269         BN_add(&r->z, &a->z, &b->z);
 270         return r;
 271 }
 272
 273 d0_bignum_t *d0_bignum_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 274 {
 275         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 276         BN_sub(&r->z, &a->z, &b->z);
 277         return r;
 278 }
 279
 280 d0_bignum_t *d0_bignum_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 281 {
 282         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 283         d0_lockmutex(tempmutex);
 284         BN_mul(&r->z, &a->z, &b->z, ctx);
 285         d0_unlockmutex(tempmutex);
 286         return r;
 287 }
 288
 289 d0_bignum_t *d0_bignum_divmod(d0_bignum_t *q, d0_bignum_t *m, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 290 {
 291         if(!q && !m)
 292                 m = d0_bignum_new();
 293         d0_lockmutex(tempmutex);
 294         if(q)
 295         {
 296                 if(m)
 297                         BN_div(&q->z, &m->z, &a->z, &b->z, ctx);
 298                 else
 299                         BN_div(&q->z, NULL, &a->z, &b->z, ctx);
 300                 assert(!"I know this code is broken (rounds towards zero), need handle negative correctly");
 301         }
 302         else
 303                 BN_nnmod(&m->z, &a->z, &b->z, ctx);
 304         d0_unlockmutex(tempmutex);
 305         if(m)
 306                 return m;
 307         else
 308                 return q;
 309 }
 310
 311 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)
 312 {
 313         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 314         d0_lockmutex(tempmutex);
 315         BN_mod_add(&r->z, &a->z, &b->z, &m->z, ctx);
 316         d0_unlockmutex(tempmutex);
 317         return r;
 318 }
 319
 320 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)
 321 {
 322         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 323         d0_lockmutex(tempmutex);
 324         BN_mod_sub(&r->z, &a->z, &b->z, &m->z, ctx);
 325         d0_unlockmutex(tempmutex);
 326         return r;
 327 }
 328
 329 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)
 330 {
 331         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 332         d0_lockmutex(tempmutex);
 333         BN_mod_mul(&r->z, &a->z, &b->z, &m->z, ctx);
 334         d0_unlockmutex(tempmutex);
 335         return r;
 336 }
 337
 338 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)
 339 {
 340         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 341         d0_lockmutex(tempmutex);
 342         BN_mod_exp(&r->z, &a->z, &b->z, &m->z, ctx);
 343         d0_unlockmutex(tempmutex);
 344         return r;
 345 }
 346
 347 D0_BOOL d0_bignum_mod_inv(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *m)
 348 {
 349         // here, r MUST be set, as otherwise we cannot return error state!
 350         int ret;
 351         d0_lockmutex(tempmutex);
 352         ret = !!BN_mod_inverse(&r->z, &a->z, &m->z, ctx);
 353         d0_unlockmutex(tempmutex);
 354         return ret;
 355 }
 356
 357 int d0_bignum_isprime(const d0_bignum_t *r, int param)
 358 {
 359         int ret;
 360         d0_lockmutex(tempmutex);
 361         if(param <= 0)
 362                 ret = BN_is_prime_fasttest(&r->z, 1, NULL, ctx, NULL, 1);
 363         else
 364                 ret = BN_is_prime(&r->z, param, NULL, ctx, NULL);
 365         d0_unlockmutex(tempmutex);
 366         return ret;
 367 }
 368
 369 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)
 370 {
 371         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 372         if(s)
 373                 assert(!"Extended gcd not implemented");
 374         else if(t)
 375                 assert(!"Extended gcd not implemented");
 376         else
 377         {
 378                 d0_lockmutex(tempmutex);
 379                 BN_gcd(&r->z, &a->z, &b->z, ctx);
 380                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 381         }
 382         return r;
 383 }
 384
 385 char *d0_bignum_tostring(const d0_bignum_t *x, unsigned int base)
 386 {
 387         if(base == 10)
 388                 return BN_bn2dec(&x->z);
 389         else if(base == 16)
 390                 return BN_bn2hex(&x->z);
 391         else
 392                 assert(!"Other bases not implemented");
 393 }