File Coverage

curve25519-donna-c64.c
Criterion Covered Total %
statement 204 204 100.0
branch 32 38 84.2
condition n/a
subroutine n/a
pod n/a
total 236 242 97.5


line stmt bran cond sub pod time code
1             /* Copyright 2008, Google Inc.
2             * All rights reserved.
3             *
4             * Code released into the public domain.
5             *
6             * curve25519-donna: Curve25519 elliptic curve, public key function
7             *
8             * http://code.google.com/p/curve25519-donna/
9             *
10             * Adam Langley
11             *
12             * Derived from public domain C code by Daniel J. Bernstein
13             *
14             * More information about curve25519 can be found here
15             * http://cr.yp.to/ecdh.html
16             *
17             * djb's sample implementation of curve25519 is written in a special assembly
18             * language called qhasm and uses the floating point registers.
19             *
20             * This is, almost, a clean room reimplementation from the curve25519 paper. It
21             * uses many of the tricks described therein. Only the crecip function is taken
22             * from the sample implementation.
23             */
24              
25             #include
26             #include
27              
28             typedef uint8_t u8;
29             typedef uint64_t limb;
30             typedef limb felem[5];
31             // This is a special gcc mode for 128-bit integers. It's implemented on 64-bit
32             // platforms only as far as I know.
33             typedef unsigned uint128_t __attribute__((mode(TI)));
34              
35             #undef force_inline
36             #define force_inline __attribute__((always_inline))
37              
38             /* Sum two numbers: output += in */
39             static inline void force_inline
40             fsum(limb *output, const limb *in) {
41 40980480           output[0] += in[0];
42 40980480           output[1] += in[1];
43 40980480           output[2] += in[2];
44 40980480           output[3] += in[3];
45 40980480           output[4] += in[4];
46             }
47              
48             /* Find the difference of two numbers: output = in - output
49             * (note the order of the arguments!)
50             *
51             * Assumes that out[i] < 2**52
52             * On return, out[i] < 2**55
53             */
54             static inline void force_inline
55             fdifference_backwards(felem out, const felem in) {
56             /* 152 is 19 << 3 */
57             static const limb two54m152 = (((limb)1) << 54) - 152;
58             static const limb two54m8 = (((limb)1) << 54) - 8;
59              
60 40980480           out[0] = in[0] + two54m152 - out[0];
61 40980480           out[1] = in[1] + two54m8 - out[1];
62 40980480           out[2] = in[2] + two54m8 - out[2];
63 40980480           out[3] = in[3] + two54m8 - out[3];
64 40980480           out[4] = in[4] + two54m8 - out[4];
65             }
66              
67             /* Multiply a number by a scalar: output = in * scalar */
68             static inline void force_inline
69             fscalar_product(felem output, const felem in, const limb scalar) {
70             uint128_t a;
71              
72 10245120           a = ((uint128_t) in[0]) * scalar;
73 10245120           output[0] = ((limb)a) & 0x7ffffffffffff;
74              
75 10245120           a = ((uint128_t) in[1]) * scalar + ((limb) (a >> 51));
76 10245120           output[1] = ((limb)a) & 0x7ffffffffffff;
77              
78 10245120           a = ((uint128_t) in[2]) * scalar + ((limb) (a >> 51));
79 10245120           output[2] = ((limb)a) & 0x7ffffffffffff;
80              
81 10245120           a = ((uint128_t) in[3]) * scalar + ((limb) (a >> 51));
82 10245120           output[3] = ((limb)a) & 0x7ffffffffffff;
83              
84 10245120           a = ((uint128_t) in[4]) * scalar + ((limb) (a >> 51));
85 10245120           output[4] = ((limb)a) & 0x7ffffffffffff;
86              
87 10245120           output[0] += (a >> 51) * 19;
88             }
89              
90             /* Multiply two numbers: output = in2 * in
91             *
92             * output must be distinct to both inputs. The inputs are reduced coefficient
93             * form, the output is not.
94             *
95             * Assumes that in[i] < 2**55 and likewise for in2.
96             * On return, output[i] < 2**52
97             */
98             static inline void force_inline
99             fmulren(felem output, const felem in2, const felem in) {
100             uint128_t t[5];
101             limb r0,r1,r2,r3,r4,s0,s1,s2,s3,s4,c;
102              
103 51705840           r0 = in[0];
104 51705840           r1 = in[1];
105 51705840           r2 = in[2];
106 51705840           r3 = in[3];
107 51705840           r4 = in[4];
108              
109 51705840           s0 = in2[0];
110 51705840           s1 = in2[1];
111 51705840           s2 = in2[2];
112 51705840           s3 = in2[3];
113 51705840           s4 = in2[4];
114              
115 51705840           t[0] = ((uint128_t) r0) * s0;
116 51705840           t[1] = ((uint128_t) r0) * s1 + ((uint128_t) r1) * s0;
117 51705840           t[2] = ((uint128_t) r0) * s2 + ((uint128_t) r2) * s0 + ((uint128_t) r1) * s1;
118 51705840           t[3] = ((uint128_t) r0) * s3 + ((uint128_t) r3) * s0 + ((uint128_t) r1) * s2 + ((uint128_t) r2) * s1;
119 51705840           t[4] = ((uint128_t) r0) * s4 + ((uint128_t) r4) * s0 + ((uint128_t) r3) * s1 + ((uint128_t) r1) * s3 + ((uint128_t) r2) * s2;
120              
121 51705840           r4 *= 19;
122 51705840           r1 *= 19;
123 51705840           r2 *= 19;
124 51705840           r3 *= 19;
125              
126 51705840           t[0] += ((uint128_t) r4) * s1 + ((uint128_t) r1) * s4 + ((uint128_t) r2) * s3 + ((uint128_t) r3) * s2;
127 51705840           t[1] += ((uint128_t) r4) * s2 + ((uint128_t) r2) * s4 + ((uint128_t) r3) * s3;
128 51705840           t[2] += ((uint128_t) r4) * s3 + ((uint128_t) r3) * s4;
129 51705840           t[3] += ((uint128_t) r4) * s4;
130              
131 51705840           r0 = (limb)t[0] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[0] >> 51);
132 51705840           t[1] += c; r1 = (limb)t[1] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[1] >> 51);
133 51705840           t[2] += c; r2 = (limb)t[2] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[2] >> 51);
134 51705840           t[3] += c; r3 = (limb)t[3] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[3] >> 51);
135 51705840           t[4] += c; r4 = (limb)t[4] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[4] >> 51);
136 51705840           r0 += c * 19; c = r0 >> 51; r0 = r0 & 0x7ffffffffffff;
137 51705840           r1 += c; c = r1 >> 51; r1 = r1 & 0x7ffffffffffff;
138 51705840           r2 += c;
139              
140 51705840           output[0] = r0;
141 51705840           output[1] = r1;
142 51705840           output[2] = r2;
143 51705840           output[3] = r3;
144 51705840           output[4] = r4;
145             }
146              
147             static inline void force_inline
148             fsquare_times(felem output, const felem in, limb count) {
149             uint128_t t[5];
150             limb r0,r1,r2,r3,r4,c;
151             limb d0,d1,d2,d4,d419;
152              
153 41420700           r0 = in[0];
154 41420700           r1 = in[1];
155 41420700           r2 = in[2];
156 41420700           r3 = in[3];
157 41420700           r4 = in[4];
158              
159             do {
160 51145560           d0 = r0 * 2;
161 51145560           d1 = r1 * 2;
162 51145560           d2 = r2 * 2 * 19;
163 51145560           d419 = r4 * 19;
164 51145560           d4 = d419 * 2;
165              
166 51145560           t[0] = ((uint128_t) r0) * r0 + ((uint128_t) d4) * r1 + (((uint128_t) d2) * (r3 ));
167 51145560           t[1] = ((uint128_t) d0) * r1 + ((uint128_t) d4) * r2 + (((uint128_t) r3) * (r3 * 19));
168 51145560           t[2] = ((uint128_t) d0) * r2 + ((uint128_t) r1) * r1 + (((uint128_t) d4) * (r3 ));
169 51145560           t[3] = ((uint128_t) d0) * r3 + ((uint128_t) d1) * r2 + (((uint128_t) r4) * (d419 ));
170 51145560           t[4] = ((uint128_t) d0) * r4 + ((uint128_t) d1) * r3 + (((uint128_t) r2) * (r2 ));
171              
172 51145560           r0 = (limb)t[0] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[0] >> 51);
173 51145560           t[1] += c; r1 = (limb)t[1] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[1] >> 51);
174 51145560           t[2] += c; r2 = (limb)t[2] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[2] >> 51);
175 51145560           t[3] += c; r3 = (limb)t[3] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[3] >> 51);
176 51145560           t[4] += c; r4 = (limb)t[4] & 0x7ffffffffffff; c = (limb)(t[4] >> 51);
177 51145560           r0 += c * 19; c = r0 >> 51; r0 = r0 & 0x7ffffffffffff;
178 51145560           r1 += c; c = r1 >> 51; r1 = r1 & 0x7ffffffffffff;
179 51145560           r2 += c;
180 51145560 50         } while(--count);
    100          
    50          
    100          
    100          
    100          
    100          
    100          
    100          
    100          
    100          
    50          
    50          
    50          
    50          
181              
182 41420700           output[0] = r0;
183 41420700           output[1] = r1;
184 41420700           output[2] = r2;
185 41420700           output[3] = r3;
186 41420700           output[4] = r4;
187             }
188              
189             /* Load a little-endian 64-bit number */
190             static limb
191 200100           load_limb(const u8 *in) {
192             return
193 200100           ((limb)in[0]) |
194 400200           (((limb)in[1]) << 8) |
195 400200           (((limb)in[2]) << 16) |
196 400200           (((limb)in[3]) << 24) |
197 400200           (((limb)in[4]) << 32) |
198 400200           (((limb)in[5]) << 40) |
199 200100           (((limb)in[6]) << 48) |
200 200100           (((limb)in[7]) << 56);
201             }
202              
203             static void
204 160080           store_limb(u8 *out, limb in) {
205 160080           out[0] = in & 0xff;
206 160080           out[1] = (in >> 8) & 0xff;
207 160080           out[2] = (in >> 16) & 0xff;
208 160080           out[3] = (in >> 24) & 0xff;
209 160080           out[4] = (in >> 32) & 0xff;
210 160080           out[5] = (in >> 40) & 0xff;
211 160080           out[6] = (in >> 48) & 0xff;
212 160080           out[7] = (in >> 56) & 0xff;
213 160080           }
214              
215             /* Take a little-endian, 32-byte number and expand it into polynomial form */
216             static void
217 40020           fexpand(limb *output, const u8 *in) {
218 40020           output[0] = load_limb(in) & 0x7ffffffffffff;
219 40020           output[1] = (load_limb(in+6) >> 3) & 0x7ffffffffffff;
220 40020           output[2] = (load_limb(in+12) >> 6) & 0x7ffffffffffff;
221 40020           output[3] = (load_limb(in+19) >> 1) & 0x7ffffffffffff;
222 40020           output[4] = (load_limb(in+24) >> 12) & 0xfffffffffffff;
223 40020           }
224              
225             /* Take a fully reduced polynomial form number and contract it into a
226             * little-endian, 32-byte array
227             */
228             static void
229 40020           fcontract(u8 *output, const felem input) {
230             uint128_t t[5];
231              
232 40020           t[0] = input[0];
233 40020           t[1] = input[1];
234 40020           t[2] = input[2];
235 40020           t[3] = input[3];
236 40020           t[4] = input[4];
237              
238 40020           t[1] += t[0] >> 51; t[0] &= 0x7ffffffffffff;
239 40020           t[2] += t[1] >> 51; t[1] &= 0x7ffffffffffff;
240 40020           t[3] += t[2] >> 51; t[2] &= 0x7ffffffffffff;
241 40020           t[4] += t[3] >> 51; t[3] &= 0x7ffffffffffff;
242 40020           t[0] += 19 * (t[4] >> 51); t[4] &= 0x7ffffffffffff;
243              
244 40020           t[1] += t[0] >> 51; t[0] &= 0x7ffffffffffff;
245 40020           t[2] += t[1] >> 51; t[1] &= 0x7ffffffffffff;
246 40020           t[3] += t[2] >> 51; t[2] &= 0x7ffffffffffff;
247 40020           t[4] += t[3] >> 51; t[3] &= 0x7ffffffffffff;
248 40020           t[0] += 19 * (t[4] >> 51); t[4] &= 0x7ffffffffffff;
249              
250             /* now t is between 0 and 2^255-1, properly carried. */
251             /* case 1: between 0 and 2^255-20. case 2: between 2^255-19 and 2^255-1. */
252              
253 40020           t[0] += 19;
254              
255 40020           t[1] += t[0] >> 51; t[0] &= 0x7ffffffffffff;
256 40020           t[2] += t[1] >> 51; t[1] &= 0x7ffffffffffff;
257 40020           t[3] += t[2] >> 51; t[2] &= 0x7ffffffffffff;
258 40020           t[4] += t[3] >> 51; t[3] &= 0x7ffffffffffff;
259 40020           t[0] += 19 * (t[4] >> 51); t[4] &= 0x7ffffffffffff;
260              
261             /* now between 19 and 2^255-1 in both cases, and offset by 19. */
262              
263 40020           t[0] += 0x8000000000000 - 19;
264 40020           t[1] += 0x8000000000000 - 1;
265 40020           t[2] += 0x8000000000000 - 1;
266 40020           t[3] += 0x8000000000000 - 1;
267 40020           t[4] += 0x8000000000000 - 1;
268              
269             /* now between 2^255 and 2^256-20, and offset by 2^255. */
270              
271 40020           t[1] += t[0] >> 51; t[0] &= 0x7ffffffffffff;
272 40020           t[2] += t[1] >> 51; t[1] &= 0x7ffffffffffff;
273 40020           t[3] += t[2] >> 51; t[2] &= 0x7ffffffffffff;
274 40020           t[4] += t[3] >> 51; t[3] &= 0x7ffffffffffff;
275 40020           t[4] &= 0x7ffffffffffff;
276              
277 40020           store_limb(output, t[0] | (t[1] << 51));
278 40020           store_limb(output+8, (t[1] >> 13) | (t[2] << 38));
279 40020           store_limb(output+16, (t[2] >> 26) | (t[3] << 25));
280 40020           store_limb(output+24, (t[3] >> 39) | (t[4] << 12));
281 40020           }
282              
283             /* Input: Q, Q', Q-Q'
284             * Output: 2Q, Q+Q'
285             *
286             * x2 z3: long form
287             * x3 z3: long form
288             * x z: short form, destroyed
289             * xprime zprime: short form, destroyed
290             * qmqp: short form, preserved
291             */
292             static void
293 10245120           fmonty(limb *x2, limb *z2, /* output 2Q */
294             limb *x3, limb *z3, /* output Q + Q' */
295             limb *x, limb *z, /* input Q */
296             limb *xprime, limb *zprime, /* input Q' */
297             const limb *qmqp /* input Q - Q' */) {
298             limb origx[5], origxprime[5], zzz[5], xx[5], zz[5], xxprime[5],
299             zzprime[5], zzzprime[5];
300              
301 10245120           memcpy(origx, x, 5 * sizeof(limb));
302             fsum(x, z);
303             fdifference_backwards(z, origx); // does x - z
304              
305 10245120           memcpy(origxprime, xprime, sizeof(limb) * 5);
306             fsum(xprime, zprime);
307             fdifference_backwards(zprime, origxprime);
308             fmulren(xxprime, xprime, z);
309             fmulren(zzprime, x, zprime);
310 10245120           memcpy(origxprime, xxprime, sizeof(limb) * 5);
311             fsum(xxprime, zzprime);
312             fdifference_backwards(zzprime, origxprime);
313             fsquare_times(x3, xxprime, 1);
314             fsquare_times(zzzprime, zzprime, 1);
315             fmulren(z3, zzzprime, qmqp);
316              
317             fsquare_times(xx, x, 1);
318             fsquare_times(zz, z, 1);
319             fmulren(x2, xx, zz);
320             fdifference_backwards(zz, xx); // does zz = xx - zz
321             fscalar_product(zzz, zz, 121665);
322             fsum(zzz, xx);
323             fmulren(z2, zz, zzz);
324 10245120           }
325              
326             // -----------------------------------------------------------------------------
327             // Maybe swap the contents of two limb arrays (@a and @b), each @len elements
328             // long. Perform the swap iff @swap is non-zero.
329             //
330             // This function performs the swap without leaking any side-channel
331             // information.
332             // -----------------------------------------------------------------------------
333             static void
334 40980480           swap_conditional(limb a[5], limb b[5], limb iswap) {
335             unsigned i;
336 40980480           const limb swap = -iswap;
337              
338 245882880 100         for (i = 0; i < 5; ++i) {
339 204902400           const limb x = swap & (a[i] ^ b[i]);
340 204902400           a[i] ^= x;
341 204902400           b[i] ^= x;
342             }
343 40980480           }
344              
345             /* Calculates nQ where Q is the x-coordinate of a point on the curve
346             *
347             * resultx/resultz: the x coordinate of the resulting curve point (short form)
348             * n: a little endian, 32-byte number
349             * q: a point of the curve (short form)
350             */
351             static void
352 40020           cmult(limb *resultx, limb *resultz, const u8 *n, const limb *q) {
353 40020           limb a[5] = {0}, b[5] = {1}, c[5] = {1}, d[5] = {0};
354 40020           limb *nqpqx = a, *nqpqz = b, *nqx = c, *nqz = d, *t;
355 40020           limb e[5] = {0}, f[5] = {1}, g[5] = {0}, h[5] = {1};
356 40020           limb *nqpqx2 = e, *nqpqz2 = f, *nqx2 = g, *nqz2 = h;
357              
358             unsigned i, j;
359              
360 40020           memcpy(nqpqx, q, sizeof(limb) * 5);
361              
362 1320660 100         for (i = 0; i < 32; ++i) {
363 1280640           u8 byte = n[31 - i];
364 11525760 100         for (j = 0; j < 8; ++j) {
365 10245120           const limb bit = byte >> 7;
366              
367 10245120           swap_conditional(nqx, nqpqx, bit);
368 10245120           swap_conditional(nqz, nqpqz, bit);
369 10245120           fmonty(nqx2, nqz2,
370             nqpqx2, nqpqz2,
371             nqx, nqz,
372             nqpqx, nqpqz,
373             q);
374 10245120           swap_conditional(nqx2, nqpqx2, bit);
375 10245120           swap_conditional(nqz2, nqpqz2, bit);
376              
377 10245120           t = nqx;
378 10245120           nqx = nqx2;
379 10245120           nqx2 = t;
380 10245120           t = nqz;
381 10245120           nqz = nqz2;
382 10245120           nqz2 = t;
383 10245120           t = nqpqx;
384 10245120           nqpqx = nqpqx2;
385 10245120           nqpqx2 = t;
386 10245120           t = nqpqz;
387 10245120           nqpqz = nqpqz2;
388 10245120           nqpqz2 = t;
389              
390 10245120           byte <<= 1;
391             }
392             }
393              
394 40020           memcpy(resultx, nqx, sizeof(limb) * 5);
395 40020           memcpy(resultz, nqz, sizeof(limb) * 5);
396 40020           }
397              
398              
399             // -----------------------------------------------------------------------------
400             // Shamelessly copied from djb's code, tightened a little
401             // -----------------------------------------------------------------------------
402             static void
403 40020           crecip(felem out, const felem z) {
404             felem a,t0,b,c;
405              
406             /* 2 */ fsquare_times(a, z, 1); // a = 2
407             /* 8 */ fsquare_times(t0, a, 2);
408             /* 9 */ fmulren(b, t0, z); // b = 9
409             /* 11 */ fmulren(a, b, a); // a = 11
410             /* 22 */ fsquare_times(t0, a, 1);
411             /* 2^5 - 2^0 = 31 */ fmulren(b, t0, b);
412             /* 2^10 - 2^5 */ fsquare_times(t0, b, 5);
413             /* 2^10 - 2^0 */ fmulren(b, t0, b);
414             /* 2^20 - 2^10 */ fsquare_times(t0, b, 10);
415             /* 2^20 - 2^0 */ fmulren(c, t0, b);
416             /* 2^40 - 2^20 */ fsquare_times(t0, c, 20);
417             /* 2^40 - 2^0 */ fmulren(t0, t0, c);
418             /* 2^50 - 2^10 */ fsquare_times(t0, t0, 10);
419             /* 2^50 - 2^0 */ fmulren(b, t0, b);
420             /* 2^100 - 2^50 */ fsquare_times(t0, b, 50);
421             /* 2^100 - 2^0 */ fmulren(c, t0, b);
422             /* 2^200 - 2^100 */ fsquare_times(t0, c, 100);
423             /* 2^200 - 2^0 */ fmulren(t0, t0, c);
424             /* 2^250 - 2^50 */ fsquare_times(t0, t0, 50);
425             /* 2^250 - 2^0 */ fmulren(t0, t0, b);
426             /* 2^255 - 2^5 */ fsquare_times(t0, t0, 5);
427             /* 2^255 - 21 */ fmulren(out, t0, a);
428 40020           }
429              
430             int curve25519_donna(u8 *, const u8 *, const u8 *);
431              
432             int
433 40020           curve25519_donna(u8 *mypublic, const u8 *secret, const u8 *basepoint) {
434             limb bp[5], x[5], z[5], zmone[5];
435             uint8_t e[32];
436             int i;
437              
438 1320660 100         for (i = 0;i < 32;++i) e[i] = secret[i];
439 40020           e[0] &= 248;
440 40020           e[31] &= 127;
441 40020           e[31] |= 64;
442              
443 40020           fexpand(bp, basepoint);
444 40020           cmult(x, z, e, bp);
445 40020           crecip(zmone, z);
446             fmulren(z, x, zmone);
447 40020           fcontract(mypublic, z);
448 40020           return 0;
449             }