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 <tommath.h>
  44 #include <string.h>
  45 #include <stdlib.h>
  46 #include <assert.h>
  47
  48 struct d0_bignum_s
  49 {
  50         mp_int z;
  51 };
  52
  53 static d0_bignum_t temp;
  54 static unsigned char numbuf[65536];
  55 static void *tempmutex = NULL; // hold this mutex when using temp or numbuf
  56
  57 #include <stdio.h>
  58
  59 #ifdef WIN32
  60 HCRYPTPROV hCryptProv;
  61 #else
  62 static FILE *randf;
  63 #endif
  64
  65 void rand_bytes(unsigned char *buf, size_t n)
  66 {
  67 #ifdef WIN32
  68         CryptGenRandom(hCryptProv, n, (PBYTE) buf);
  69 #else
  70         if(!randf)
  71                 return;
  72         fread(buf, 1, n, randf);
  73 #endif
  74 }
  75
  76 D0_WARN_UNUSED_RESULT D0_BOOL d0_bignum_INITIALIZE(void)
  77 {
  78         D0_BOOL ret = 1;
  79         unsigned char buf[256];
  80
  81         tempmutex = d0_createmutex();
  82         d0_lockmutex(tempmutex);
  83
  84         d0_bignum_init(&temp);
  85 #ifdef WIN32
  86         {
  87                 if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT))
  88                 {
  89                 }
  90                 else if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT | CRYPT_NEWKEYSET))
  91                 {
  92                 }
  93                 else
  94                 {
  95                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptAcquireContext failed)\n");
  96                         ret = 0;
  97                         hCryptProv = NULL;
  98                 }
  99         }
 100 #else
 101         randf = fopen("/dev/urandom", "rb");
 102         if(!randf)
 103                 randf = fopen("/dev/random", "rb");
 104         if(randf)
 105         {
 106                 setbuf(randf, NULL);
 107         }
 108         else
 109         {
 110                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (no random device found)\n");
 111                 ret = 0;
 112         }
 113 #endif
 114
 115         d0_unlockmutex(tempmutex);
 116
 117         return ret;
 118 }
 119
 120 void d0_bignum_SHUTDOWN(void)
 121 {
 122         d0_lockmutex(tempmutex);
 123
 124         d0_bignum_clear(&temp);
 125 #ifdef WIN32
 126         if(hCryptProv)
 127         {
 128                 CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
 129                 hCryptProv = NULL;
 130         }
 131 #endif
 132
 133         d0_unlockmutex(tempmutex);
 134         d0_destroymutex(tempmutex);
 135         tempmutex = NULL;
 136 }
 137
 138 D0_BOOL d0_iobuf_write_bignum(d0_iobuf_t *buf, const d0_bignum_t *bignum)
 139 {
 140         D0_BOOL ret;
 141         size_t count = 0;
 142
 143         d0_lockmutex(tempmutex);
 144         numbuf[0] = (mp_iszero(&bignum->z) ? 0 : (bignum->z.sign == MP_ZPOS) ? 1 : 3);
 145         if((numbuf[0] & 3) != 0) // nonzero
 146         {
 147                 count = mp_unsigned_bin_size((mp_int *) &bignum->z);
 148                 if(count > sizeof(numbuf) - 1)
 149                 {
 150                         d0_unlockmutex(tempmutex);
 151                         return 0;
 152                 }
 153                 mp_to_unsigned_bin((mp_int *) &bignum->z, numbuf+1);
 154         }
 155         ret = d0_iobuf_write_packet(buf, numbuf, count + 1);
 156         d0_unlockmutex(tempmutex);
 157         return ret;
 158 }
 159
 160 d0_bignum_t *d0_iobuf_read_bignum(d0_iobuf_t *buf, d0_bignum_t *bignum)
 161 {
 162         size_t count = sizeof(numbuf);
 163         d0_lockmutex(tempmutex);
 164         if(!d0_iobuf_read_packet(buf, numbuf, &count))
 165         {
 166                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 167                 return NULL;
 168         }
 169         if(count < 1)
 170         {
 171                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 172                 return NULL;
 173         }
 174         if(!bignum)
 175                 bignum = d0_bignum_new();
 176         if(!bignum)
 177         {
 178                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 179                 return NULL;
 180         }
 181         if(numbuf[0] & 3) // nonzero
 182         {
 183                 mp_read_unsigned_bin(&bignum->z, numbuf+1, count-1);
 184                 if(numbuf[0] & 2) // negative
 185                         bignum->z.sign = MP_NEG;
 186         }
 187         else // zero
 188         {
 189                 mp_zero(&bignum->z);
 190         }
 191         d0_unlockmutex(tempmutex);
 192         return bignum;
 193 }
 194
 195 ssize_t d0_bignum_export_unsigned(const d0_bignum_t *bignum, void *buf, size_t bufsize)
 196 {
 197         unsigned long bufsize_;
 198         unsigned long count;
 199         count = mp_unsigned_bin_size((mp_int *) &bignum->z);
 200         if(count > bufsize)
 201                 return -1;
 202         if(bufsize > count)
 203         {
 204                 // pad from left (big endian numbers!)
 205                 memset(buf, 0, bufsize - count);
 206                 buf += bufsize - count;
 207         }
 208         bufsize_ = count;
 209         mp_to_unsigned_bin_n((mp_int *) &bignum->z, buf, &bufsize_);
 210         bufsize = bufsize_;
 211         if(bufsize > count)
 212         {
 213                 // REALLY BAD
 214                 // mpz_sizeinbase lied to us
 215                 // buffer overflow
 216                 // there is no sane way whatsoever to handle this
 217                 abort();
 218         }
 219         if(bufsize < count)
 220         {
 221                 // BAD
 222                 // mpz_sizeinbase lied to us
 223                 // move the number
 224                 if(count == 0)
 225                 {
 226                         memset(buf, 0, count);
 227                 }
 228                 else
 229                 {
 230                         memmove(buf + count - bufsize, buf, bufsize);
 231                         memset(buf, 0, count - bufsize);
 232                 }
 233         }
 234         return bufsize;
 235 }
 236
 237 d0_bignum_t *d0_bignum_import_unsigned(d0_bignum_t *bignum, const void *buf, size_t bufsize)
 238 {
 239         size_t count;
 240         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 241         mp_read_unsigned_bin(&bignum->z, buf, bufsize);
 242         return bignum;
 243 }
 244
 245 d0_bignum_t *d0_bignum_new(void)
 246 {
 247         d0_bignum_t *b = d0_malloc(sizeof(d0_bignum_t));
 248         mp_init(&b->z);
 249         return b;
 250 }
 251
 252 void d0_bignum_free(d0_bignum_t *a)
 253 {
 254         mp_clear(&a->z);
 255         d0_free(a);
 256 }
 257
 258 void d0_bignum_init(d0_bignum_t *b)
 259 {
 260         mp_init(&b->z);
 261 }
 262
 263 void d0_bignum_clear(d0_bignum_t *a)
 264 {
 265         mp_clear(&a->z);
 266 }
 267
 268 size_t d0_bignum_size(const d0_bignum_t *r)
 269 {
 270         return mp_count_bits((mp_int *) &r->z);
 271 }
 272
 273 int d0_bignum_cmp(const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 274 {
 275         return mp_cmp((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z);
 276 }
 277
 278 static d0_bignum_t *d0_bignum_rand_0_to_limit(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *limit)
 279 {
 280         size_t n = d0_bignum_size(limit);
 281         size_t b = (n + 7) / 8;
 282         unsigned char mask = "\xFF\x7F\x3F\x1F\x0F\x07\x03\x01"[8*b - n];
 283         assert(b <= sizeof(numbuf));
 284         d0_lockmutex(tempmutex);
 285         for(;;)
 286         {
 287                 rand_bytes(numbuf, b);
 288                 numbuf[0] &= mask;
 289                 r = d0_bignum_import_unsigned(r, numbuf, b);
 290                 if(d0_bignum_cmp(r, limit) < 0)
 291                 {
 292                         d0_unlockmutex(tempmutex);
 293                         return r;
 294                 }
 295         }
 296 }
 297
 298 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_range(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *min, const d0_bignum_t *max)
 299 {
 300         d0_lockmutex(tempmutex);
 301         mp_sub((mp_int *) &max->z, (mp_int *) &min->z, &temp.z);
 302         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 303         d0_unlockmutex(tempmutex);
 304         mp_add((mp_int *) &r->z, (mp_int *) &min->z, &r->z);
 305         return r;
 306 }
 307
 308 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_atmost(d0_bignum_t *r, size_t n)
 309 {
 310         d0_lockmutex(tempmutex);
 311         if(!d0_bignum_one(&temp))
 312         {
 313                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 314                 return NULL;
 315         }
 316         if(!d0_bignum_shl(&temp, &temp, n))
 317         {
 318                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 319                 return NULL;
 320         }
 321         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 322         d0_unlockmutex(tempmutex);
 323         return r;
 324 }
 325
 326 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_exact(d0_bignum_t *r, size_t n)
 327 {
 328         d0_lockmutex(tempmutex);
 329         if(!d0_bignum_one(&temp))
 330         {
 331                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 332                 return NULL;
 333         }
 334         if(!d0_bignum_shl(&temp, &temp, n-1))
 335         {
 336                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 337                 return NULL;
 338         }
 339         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 340         if(!d0_bignum_add(r, r, &temp))
 341         {
 342                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 343                 return NULL;
 344         }
 345         d0_unlockmutex(tempmutex);
 346         return r;
 347 }
 348
 349 d0_bignum_t *d0_bignum_zero(d0_bignum_t *r)
 350 {
 351         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 352         mp_zero(&r->z);
 353         return r;
 354 }
 355
 356 d0_bignum_t *d0_bignum_one(d0_bignum_t *r)
 357 {
 358         return d0_bignum_int(r, 1);
 359 }
 360
 361 d0_bignum_t *d0_bignum_int(d0_bignum_t *r, int n)
 362 {
 363         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 364         mp_set_int(&r->z, n);
 365         return r;
 366 }
 367
 368 d0_bignum_t *d0_bignum_mov(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 369 {
 370         if(r == a)
 371                 return r; // trivial
 372         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 373         mp_copy((mp_int *) &a->z, &r->z);
 374         return r;
 375 }
 376
 377 d0_bignum_t *d0_bignum_neg(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 378 {
 379         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 380         mp_neg((mp_int *) &a->z, &r->z);
 381         return r;
 382 }
 383
 384 d0_bignum_t *d0_bignum_shl(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, ssize_t n)
 385 {
 386         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 387         if(n > 0)
 388                 mp_mul_2d((mp_int *) &a->z,  n, &r->z);
 389         else if(n < 0)
 390                 mp_div_2d((mp_int *) &a->z, -n, &r->z, NULL);
 391         else
 392                 mp_copy((mp_int *) &a->z, &r->z);
 393         return r;
 394 }
 395
 396 d0_bignum_t *d0_bignum_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 397 {
 398         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 399         mp_add((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, &r->z);
 400         return r;
 401 }
 402
 403 d0_bignum_t *d0_bignum_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 404 {
 405         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 406         mp_sub((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, &r->z);
 407         return r;
 408 }
 409
 410 d0_bignum_t *d0_bignum_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 411 {
 412         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 413         mp_mul((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, &r->z);
 414         return r;
 415 }
 416
 417 d0_bignum_t *d0_bignum_divmod(d0_bignum_t *q, d0_bignum_t *m, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 418 {
 419         if(!q && !m)
 420                 m = d0_bignum_new();
 421         if(q)
 422                 mp_div((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, &q->z, m ? &m->z : NULL);
 423         else
 424                 mp_mod((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, &m->z);
 425         if(m)
 426                 return m;
 427         else
 428                 return q;
 429 }
 430
 431 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)
 432 {
 433         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 434         mp_addmod((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, (mp_int *) &m->z, &r->z);
 435         return r;
 436 }
 437
 438 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)
 439 {
 440         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 441         mp_submod((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, (mp_int *) &m->z, &r->z);
 442         return r;
 443 }
 444
 445 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)
 446 {
 447         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 448         mp_mulmod((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, (mp_int *) &m->z, &r->z);
 449         return r;
 450 }
 451
 452 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)
 453 {
 454         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 455         mp_exptmod((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, (mp_int *) &m->z, &r->z);
 456         return r;
 457 }
 458
 459 D0_BOOL d0_bignum_mod_inv(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *m)
 460 {
 461         // here, r MUST be set, as otherwise we cannot return error state!
 462         return mp_invmod((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &m->z, &r->z) == MP_OKAY;
 463 }
 464
 465 int d0_bignum_isprime(const d0_bignum_t *r, int param)
 466 {
 467         int ret = 0;
 468         if(param < 1)
 469                 param = 1;
 470         mp_prime_is_prime((mp_int *) &r->z, param, &ret);
 471         return ret;
 472 }
 473
 474 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)
 475 {
 476         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 477         if(s || t)
 478                 mp_exteuclid((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, s ? &s->z : NULL, t ? &t->z : NULL, &r->z);
 479         else
 480                 mp_gcd((mp_int *) &a->z, (mp_int *) &b->z, &r->z);
 481         return r;
 482 }
 483
 484 char *d0_bignum_tostring(const d0_bignum_t *x, unsigned int base)
 485 {
 486         char *str;
 487         int sz = 0;
 488         mp_radix_size((mp_int *) &x->z, base, &sz);
 489         str = d0_malloc(sz + 1);
 490         mp_toradix_n((mp_int *) &x->z, str, base, sz + 1);
 491         return str;
 492 }