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