d0_bignum-tommath.c

   1 /*
   2  * FILE:        d0_bignum-gmp.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 libgmp (http://gmplib.org), which is under the
  37  * Lesser General Public License 2.1 or later. You may have to abide to its
  38  * terms too if you use this file.
  39  * To alternatively link to OpenSSL, provide the option --with-openssl to
  40  * ./configure.
  41  */
  42
  43 #ifdef WIN32
  44 #include <windows.h>
  45 #include <wincrypt.h>
  46 #endif
  47
  48 #include "d0_bignum.h"
  49
  50 #include <tommath.h>
  51 #include <string.h>
  52 #include <stdlib.h>
  53 #include <assert.h>
  54
  55 struct d0_bignum_s
  56 {
  57         mp_int z;
  58 };
  59
  60 static d0_bignum_t temp;
  61
  62 #include <stdio.h>
  63
  64 #ifdef WIN32
  65 HCRYPTPROV hCryptProv;
  66 #else
  67 static FILE *randf;
  68 #endif
  69
  70 void rand_bytes(unsigned char *buf, size_t n)
  71 {
  72 #ifdef WIN32
  73         CryptGenRandom(hCryptProv, n, (PBYTE) buf);
  74 #else
  75         if(!randf)
  76                 return;
  77         fread(buf, 1, n, randf);
  78 #endif
  79 }
  80
  81 D0_WARN_UNUSED_RESULT D0_BOOL d0_bignum_INITIALIZE(void)
  82 {
  83         D0_BOOL ret = 1;
  84         unsigned char buf[256];
  85         d0_bignum_init(&temp);
  86 #ifdef WIN32
  87         {
  88                 if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT))
  89                 {
  90                 }
  91                 else if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT | CRYPT_NEWKEYSET))
  92                 {
  93                 }
  94                 else
  95                 {
  96                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptAcquireContext failed)\n");
  97                         ret = 0;
  98                         hCryptProv = NULL;
  99                 }
 100         }
 101 #else
 102         randf = fopen("/dev/urandom", "rb");
 103         if(!randf)
 104                 randf = fopen("/dev/random", "rb");
 105         if(randf)
 106         {
 107                 setbuf(randf, NULL);
 108         }
 109         else
 110         {
 111                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (no random device found)\n");
 112                 ret = 0;
 113         }
 114 #endif
 115
 116         return ret;
 117 }
 118
 119 void d0_bignum_SHUTDOWN(void)
 120 {
 121         d0_bignum_clear(&temp);
 122 #ifdef WIN32
 123         if(hCryptProv)
 124         {
 125                 CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
 126                 hCryptProv = NULL;
 127         }
 128 #endif
 129 }
 130
 131 D0_BOOL d0_iobuf_write_bignum(d0_iobuf_t *buf, const d0_bignum_t *bignum)
 132 {
 133         static unsigned char numbuf[65536];
 134         size_t count = 0;
 135         numbuf[0] = (mp_iszero(&bignum->z) ? 0 : (bignum->z.sign == MP_ZPOS) ? 1 : 3);
 136         if((numbuf[0] & 3) != 0) // nonzero
 137         {
 138                 count = mp_unsigned_bin_size(&bignum->z);
 139                 if(count > sizeof(numbuf) - 1)
 140                         return 0;
 141                 mp_to_unsigned_bin(&bignum->z, numbuf+1);
 142         }
 143         return d0_iobuf_write_packet(buf, numbuf, count + 1);
 144 }
 145
 146 d0_bignum_t *d0_iobuf_read_bignum(d0_iobuf_t *buf, d0_bignum_t *bignum)
 147 {
 148         static unsigned char numbuf[65536];
 149         size_t count = sizeof(numbuf);
 150         if(!d0_iobuf_read_packet(buf, numbuf, &count))
 151                 return NULL;
 152         if(count < 1)
 153                 return NULL;
 154         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 155         if(numbuf[0] & 3) // nonzero
 156         {
 157                 mp_read_unsigned_bin(&bignum->z, numbuf+1, count-1);
 158                 if(numbuf[0] & 2) // negative
 159                         bignum->z.sign = MP_NEG;
 160         }
 161         else // zero
 162         {
 163                 mp_zero(&bignum->z);
 164         }
 165         return bignum;
 166 }
 167
 168 ssize_t d0_bignum_export_unsigned(const d0_bignum_t *bignum, void *buf, size_t bufsize)
 169 {
 170         unsigned long count;
 171         count = mp_unsigned_bin_size(&bignum->z);
 172         if(count > bufsize)
 173                 return -1;
 174         if(bufsize > count)
 175         {
 176                 // pad from left (big endian numbers!)
 177                 memset(buf, 0, bufsize - count);
 178                 buf += bufsize - count;
 179         }
 180         bufsize = count;
 181         mp_to_unsigned_bin_n(&bignum->z, buf, &bufsize);
 182         if(bufsize > count)
 183         {
 184                 // REALLY BAD
 185                 // mpz_sizeinbase lied to us
 186                 // buffer overflow
 187                 // there is no sane way whatsoever to handle this
 188                 abort();
 189         }
 190         if(bufsize < count)
 191         {
 192                 // BAD
 193                 // mpz_sizeinbase lied to us
 194                 // move the number
 195                 if(count == 0)
 196                 {
 197                         memset(buf, 0, count);
 198                 }
 199                 else
 200                 {
 201                         memmove(buf + count - bufsize, buf, bufsize);
 202                         memset(buf, 0, count - bufsize);
 203                 }
 204         }
 205         return bufsize;
 206 }
 207
 208 d0_bignum_t *d0_bignum_import_unsigned(d0_bignum_t *bignum, const void *buf, size_t bufsize)
 209 {
 210         size_t count;
 211         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 212         mp_read_unsigned_bin(&bignum->z, buf, bufsize);
 213         return bignum;
 214 }
 215
 216 d0_bignum_t *d0_bignum_new(void)
 217 {
 218         d0_bignum_t *b = d0_malloc(sizeof(d0_bignum_t));
 219         mp_init(&b->z);
 220         return b;
 221 }
 222
 223 void d0_bignum_free(d0_bignum_t *a)
 224 {
 225         mp_clear(&a->z);
 226         d0_free(a);
 227 }
 228
 229 void d0_bignum_init(d0_bignum_t *b)
 230 {
 231         mp_init(&b->z);
 232 }
 233
 234 void d0_bignum_clear(d0_bignum_t *a)
 235 {
 236         mp_clear(&a->z);
 237 }
 238
 239 size_t d0_bignum_size(const d0_bignum_t *r)
 240 {
 241         return mp_count_bits(&r->z);
 242 }
 243
 244 int d0_bignum_cmp(const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 245 {
 246         return mp_cmp(&a->z, &b->z);
 247 }
 248
 249 static d0_bignum_t *d0_bignum_rand_0_to_limit(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *limit)
 250 {
 251         size_t n = d0_bignum_size(limit);
 252         size_t b = (n + 7) / 8;
 253         unsigned char mask = "\xFF\x7F\x3F\x1F\x0F\x07\x03\x01"[8*b - n];
 254         unsigned char numbuf[65536];
 255         assert(b <= sizeof(numbuf));
 256         for(;;)
 257         {
 258                 rand_bytes(&numbuf, b);
 259                 numbuf[0] &= mask;
 260                 r = d0_bignum_import_unsigned(r, numbuf, b);
 261                 if(d0_bignum_cmp(r, limit) < 0)
 262                         return r;
 263         }
 264 }
 265
 266 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_range(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *min, const d0_bignum_t *max)
 267 {
 268         mp_sub(&max->z, &min->z, &temp.z);
 269         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 270         mp_add(&r->z, &min->z, &r->z);
 271         return r;
 272 }
 273
 274 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_atmost(d0_bignum_t *r, size_t n)
 275 {
 276         d0_bignum_one(&temp);
 277         d0_bignum_shl(&temp, &temp, n);
 278         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 279         return r;
 280 }
 281
 282 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_exact(d0_bignum_t *r, size_t n)
 283 {
 284         d0_bignum_one(&temp);
 285         d0_bignum_shl(&temp, &temp, n-1);
 286         r = d0_bignum_rand_0_to_limit(r, &temp);
 287         d0_bignum_add(r, r, &temp);
 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(&r->z, &a->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(&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         r = d0_bignum_mov(r, a);
 329         if(n > 0)
 330                 mp_mul_2d(&r->z,  n, &r->z);
 331         else if(n < 0)
 332                 mp_div_2d(&r->z, -n, &r->z, NULL);
 333         return r;
 334 }
 335
 336 d0_bignum_t *d0_bignum_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 337 {
 338         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 339         mp_add(&a->z, &b->z, &r->z);
 340         return r;
 341 }
 342
 343 d0_bignum_t *d0_bignum_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 344 {
 345         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 346         mp_sub(&a->z, &b->z, &r->z);
 347         return r;
 348 }
 349
 350 d0_bignum_t *d0_bignum_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 351 {
 352         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 353         mp_mul(&a->z, &b->z, &r->z);
 354         return r;
 355 }
 356
 357 d0_bignum_t *d0_bignum_divmod(d0_bignum_t *q, d0_bignum_t *m, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 358 {
 359         if(!q && !m)
 360                 m = d0_bignum_new();
 361         if(q)
 362                 mp_div(&a->z, &b->z, &q->z, m ? &m->z : NULL);
 363         else
 364                 mp_mod(&a->z, &b->z, &m->z);
 365         if(m)
 366                 return m;
 367         else
 368                 return q;
 369 }
 370
 371 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)
 372 {
 373         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 374         mp_addmod(&a->z, &b->z, &m->z, &r->z);
 375         return r;
 376 }
 377
 378 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)
 379 {
 380         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 381         mp_submod(&a->z, &b->z, &m->z, &r->z);
 382         return r;
 383 }
 384
 385 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)
 386 {
 387         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 388         mp_mulmod(&a->z, &b->z, &m->z, &r->z);
 389         return r;
 390 }
 391
 392 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)
 393 {
 394         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 395         mp_exptmod(&a->z, &b->z, &m->z, &r->z);
 396         return r;
 397 }
 398
 399 D0_BOOL d0_bignum_mod_inv(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *m)
 400 {
 401         // here, r MUST be set, as otherwise we cannot return error state!
 402         return mp_invmod(&a->z, &m->z, &r->z) == MP_OKAY;
 403 }
 404
 405 int d0_bignum_isprime(d0_bignum_t *r, int param)
 406 {
 407         int ret = 0;
 408         if(param < 1)
 409                 param = 1;
 410         mp_prime_is_prime(&r->z, param, &ret);
 411         return ret;
 412 }
 413
 414 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)
 415 {
 416         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 417         if(s || t)
 418                 mp_exteuclid(&a->z, &b->z, s ? &s->z : NULL, t ? &t->z : NULL, &r->z);
 419         else
 420                 mp_gcd(&a->z, &b->z, &r->z);
 421         return r;
 422 }
 423
 424 char *d0_bignum_tostring(const d0_bignum_t *x, unsigned int base)
 425 {
 426         static char str[65536];
 427         mp_toradix_n(&x->z, str, base, sizeof(str));
 428         return str;
 429 }