]> asedeno.scripts.mit.edu Git - PuTTY_svn.git/blob - sshbn.c
Add some more precautionary assertions, just in case anything wildly
[PuTTY_svn.git] / sshbn.c
1 /*
2  * Bignum routines for RSA and DH and stuff.
3  */
4
5 #include <stdio.h>
6 #include <assert.h>
7 #include <stdlib.h>
8 #include <string.h>
9 #include <limits.h>
10
11 #include "misc.h"
12
13 /*
14  * Usage notes:
15  *  * Do not call the DIVMOD_WORD macro with expressions such as array
16  *    subscripts, as some implementations object to this (see below).
17  *  * Note that none of the division methods below will cope if the
18  *    quotient won't fit into BIGNUM_INT_BITS. Callers should be careful
19  *    to avoid this case.
20  *    If this condition occurs, in the case of the x86 DIV instruction,
21  *    an overflow exception will occur, which (according to a correspondent)
22  *    will manifest on Windows as something like
23  *      0xC0000095: Integer overflow
24  *    The C variant won't give the right answer, either.
25  */
26
27 #if defined __GNUC__ && defined __i386__
28 typedef unsigned long BignumInt;
29 typedef unsigned long long BignumDblInt;
30 #define BIGNUM_INT_MASK  0xFFFFFFFFUL
31 #define BIGNUM_TOP_BIT   0x80000000UL
32 #define BIGNUM_INT_BITS  32
33 #define MUL_WORD(w1, w2) ((BignumDblInt)w1 * w2)
34 #define DIVMOD_WORD(q, r, hi, lo, w) \
35     __asm__("div %2" : \
36             "=d" (r), "=a" (q) : \
37             "r" (w), "d" (hi), "a" (lo))
38 #elif defined _MSC_VER && defined _M_IX86
39 typedef unsigned __int32 BignumInt;
40 typedef unsigned __int64 BignumDblInt;
41 #define BIGNUM_INT_MASK  0xFFFFFFFFUL
42 #define BIGNUM_TOP_BIT   0x80000000UL
43 #define BIGNUM_INT_BITS  32
44 #define MUL_WORD(w1, w2) ((BignumDblInt)w1 * w2)
45 /* Note: MASM interprets array subscripts in the macro arguments as
46  * assembler syntax, which gives the wrong answer. Don't supply them.
47  * <http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/bf1dw62z.aspx> */
48 #define DIVMOD_WORD(q, r, hi, lo, w) do { \
49     __asm mov edx, hi \
50     __asm mov eax, lo \
51     __asm div w \
52     __asm mov r, edx \
53     __asm mov q, eax \
54 } while(0)
55 #elif defined _LP64
56 /* 64-bit architectures can do 32x32->64 chunks at a time */
57 typedef unsigned int BignumInt;
58 typedef unsigned long BignumDblInt;
59 #define BIGNUM_INT_MASK  0xFFFFFFFFU
60 #define BIGNUM_TOP_BIT   0x80000000U
61 #define BIGNUM_INT_BITS  32
62 #define MUL_WORD(w1, w2) ((BignumDblInt)w1 * w2)
63 #define DIVMOD_WORD(q, r, hi, lo, w) do { \
64     BignumDblInt n = (((BignumDblInt)hi) << BIGNUM_INT_BITS) | lo; \
65     q = n / w; \
66     r = n % w; \
67 } while (0)
68 #elif defined _LLP64
69 /* 64-bit architectures in which unsigned long is 32 bits, not 64 */
70 typedef unsigned long BignumInt;
71 typedef unsigned long long BignumDblInt;
72 #define BIGNUM_INT_MASK  0xFFFFFFFFUL
73 #define BIGNUM_TOP_BIT   0x80000000UL
74 #define BIGNUM_INT_BITS  32
75 #define MUL_WORD(w1, w2) ((BignumDblInt)w1 * w2)
76 #define DIVMOD_WORD(q, r, hi, lo, w) do { \
77     BignumDblInt n = (((BignumDblInt)hi) << BIGNUM_INT_BITS) | lo; \
78     q = n / w; \
79     r = n % w; \
80 } while (0)
81 #else
82 /* Fallback for all other cases */
83 typedef unsigned short BignumInt;
84 typedef unsigned long BignumDblInt;
85 #define BIGNUM_INT_MASK  0xFFFFU
86 #define BIGNUM_TOP_BIT   0x8000U
87 #define BIGNUM_INT_BITS  16
88 #define MUL_WORD(w1, w2) ((BignumDblInt)w1 * w2)
89 #define DIVMOD_WORD(q, r, hi, lo, w) do { \
90     BignumDblInt n = (((BignumDblInt)hi) << BIGNUM_INT_BITS) | lo; \
91     q = n / w; \
92     r = n % w; \
93 } while (0)
94 #endif
95
96 #define BIGNUM_INT_BYTES (BIGNUM_INT_BITS / 8)
97
98 #define BIGNUM_INTERNAL
99 typedef BignumInt *Bignum;
100
101 #include "ssh.h"
102
103 BignumInt bnZero[1] = { 0 };
104 BignumInt bnOne[2] = { 1, 1 };
105
106 /*
107  * The Bignum format is an array of `BignumInt'. The first
108  * element of the array counts the remaining elements. The
109  * remaining elements express the actual number, base 2^BIGNUM_INT_BITS, _least_
110  * significant digit first. (So it's trivial to extract the bit
111  * with value 2^n for any n.)
112  *
113  * All Bignums in this module are positive. Negative numbers must
114  * be dealt with outside it.
115  *
116  * INVARIANT: the most significant word of any Bignum must be
117  * nonzero.
118  */
119
120 Bignum Zero = bnZero, One = bnOne;
121
122 static Bignum newbn(int length)
123 {
124     Bignum b;
125
126     assert(length >= 0 && length < INT_MAX / BIGNUM_INT_BITS);
127
128     b = snewn(length + 1, BignumInt);
129     if (!b)
130         abort();                       /* FIXME */
131     memset(b, 0, (length + 1) * sizeof(*b));
132     b[0] = length;
133     return b;
134 }
135
136 void bn_restore_invariant(Bignum b)
137 {
138     while (b[0] > 1 && b[b[0]] == 0)
139         b[0]--;
140 }
141
142 Bignum copybn(Bignum orig)
143 {
144     Bignum b = snewn(orig[0] + 1, BignumInt);
145     if (!b)
146         abort();                       /* FIXME */
147     memcpy(b, orig, (orig[0] + 1) * sizeof(*b));
148     return b;
149 }
150
151 void freebn(Bignum b)
152 {
153     /*
154      * Burn the evidence, just in case.
155      */
156     smemclr(b, sizeof(b[0]) * (b[0] + 1));
157     sfree(b);
158 }
159
160 Bignum bn_power_2(int n)
161 {
162     Bignum ret;
163
164     assert(n >= 0);
165
166     ret = newbn(n / BIGNUM_INT_BITS + 1);
167     bignum_set_bit(ret, n, 1);
168     return ret;
169 }
170
171 /*
172  * Internal addition. Sets c = a - b, where 'a', 'b' and 'c' are all
173  * big-endian arrays of 'len' BignumInts. Returns a BignumInt carried
174  * off the top.
175  */
176 static BignumInt internal_add(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
177                               BignumInt *c, int len)
178 {
179     int i;
180     BignumDblInt carry = 0;
181
182     for (i = len-1; i >= 0; i--) {
183         carry += (BignumDblInt)a[i] + b[i];
184         c[i] = (BignumInt)carry;
185         carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
186     }
187
188     return (BignumInt)carry;
189 }
190
191 /*
192  * Internal subtraction. Sets c = a - b, where 'a', 'b' and 'c' are
193  * all big-endian arrays of 'len' BignumInts. Any borrow from the top
194  * is ignored.
195  */
196 static void internal_sub(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
197                          BignumInt *c, int len)
198 {
199     int i;
200     BignumDblInt carry = 1;
201
202     for (i = len-1; i >= 0; i--) {
203         carry += (BignumDblInt)a[i] + (b[i] ^ BIGNUM_INT_MASK);
204         c[i] = (BignumInt)carry;
205         carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
206     }
207 }
208
209 /*
210  * Compute c = a * b.
211  * Input is in the first len words of a and b.
212  * Result is returned in the first 2*len words of c.
213  *
214  * 'scratch' must point to an array of BignumInt of size at least
215  * mul_compute_scratch(len). (This covers the needs of internal_mul
216  * and all its recursive calls to itself.)
217  */
218 #define KARATSUBA_THRESHOLD 50
219 static int mul_compute_scratch(int len)
220 {
221     int ret = 0;
222     while (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
223         int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
224         int midlen = botlen + 1;
225         ret += 4*midlen;
226         len = midlen;
227     }
228     return ret;
229 }
230 static void internal_mul(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
231                          BignumInt *c, int len, BignumInt *scratch)
232 {
233     if (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
234         int i;
235
236         /*
237          * Karatsuba divide-and-conquer algorithm. Cut each input in
238          * half, so that it's expressed as two big 'digits' in a giant
239          * base D:
240          *
241          *   a = a_1 D + a_0
242          *   b = b_1 D + b_0
243          *
244          * Then the product is of course
245          *
246          *  ab = a_1 b_1 D^2 + (a_1 b_0 + a_0 b_1) D + a_0 b_0
247          *
248          * and we compute the three coefficients by recursively
249          * calling ourself to do half-length multiplications.
250          *
251          * The clever bit that makes this worth doing is that we only
252          * need _one_ half-length multiplication for the central
253          * coefficient rather than the two that it obviouly looks
254          * like, because we can use a single multiplication to compute
255          *
256          *   (a_1 + a_0) (b_1 + b_0) = a_1 b_1 + a_1 b_0 + a_0 b_1 + a_0 b_0
257          *
258          * and then we subtract the other two coefficients (a_1 b_1
259          * and a_0 b_0) which we were computing anyway.
260          *
261          * Hence we get to multiply two numbers of length N in about
262          * three times as much work as it takes to multiply numbers of
263          * length N/2, which is obviously better than the four times
264          * as much work it would take if we just did a long
265          * conventional multiply.
266          */
267
268         int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
269         int midlen = botlen + 1;
270         BignumDblInt carry;
271 #ifdef KARA_DEBUG
272         int i;
273 #endif
274
275         /*
276          * The coefficients a_1 b_1 and a_0 b_0 just avoid overlapping
277          * in the output array, so we can compute them immediately in
278          * place.
279          */
280
281 #ifdef KARA_DEBUG
282         printf("a1,a0 = 0x");
283         for (i = 0; i < len; i++) {
284             if (i == toplen) printf(", 0x");
285             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, a[i]);
286         }
287         printf("\n");
288         printf("b1,b0 = 0x");
289         for (i = 0; i < len; i++) {
290             if (i == toplen) printf(", 0x");
291             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, b[i]);
292         }
293         printf("\n");
294 #endif
295
296         /* a_1 b_1 */
297         internal_mul(a, b, c, toplen, scratch);
298 #ifdef KARA_DEBUG
299         printf("a1b1 = 0x");
300         for (i = 0; i < 2*toplen; i++) {
301             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[i]);
302         }
303         printf("\n");
304 #endif
305
306         /* a_0 b_0 */
307         internal_mul(a + toplen, b + toplen, c + 2*toplen, botlen, scratch);
308 #ifdef KARA_DEBUG
309         printf("a0b0 = 0x");
310         for (i = 0; i < 2*botlen; i++) {
311             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[2*toplen+i]);
312         }
313         printf("\n");
314 #endif
315
316         /* Zero padding. midlen exceeds toplen by at most 2, so just
317          * zero the first two words of each input and the rest will be
318          * copied over. */
319         scratch[0] = scratch[1] = scratch[midlen] = scratch[midlen+1] = 0;
320
321         for (i = 0; i < toplen; i++) {
322             scratch[midlen - toplen + i] = a[i]; /* a_1 */
323             scratch[2*midlen - toplen + i] = b[i]; /* b_1 */
324         }
325
326         /* compute a_1 + a_0 */
327         scratch[0] = internal_add(scratch+1, a+toplen, scratch+1, botlen);
328 #ifdef KARA_DEBUG
329         printf("a1plusa0 = 0x");
330         for (i = 0; i < midlen; i++) {
331             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[i]);
332         }
333         printf("\n");
334 #endif
335         /* compute b_1 + b_0 */
336         scratch[midlen] = internal_add(scratch+midlen+1, b+toplen,
337                                        scratch+midlen+1, botlen);
338 #ifdef KARA_DEBUG
339         printf("b1plusb0 = 0x");
340         for (i = 0; i < midlen; i++) {
341             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[midlen+i]);
342         }
343         printf("\n");
344 #endif
345
346         /*
347          * Now we can do the third multiplication.
348          */
349         internal_mul(scratch, scratch + midlen, scratch + 2*midlen, midlen,
350                      scratch + 4*midlen);
351 #ifdef KARA_DEBUG
352         printf("a1plusa0timesb1plusb0 = 0x");
353         for (i = 0; i < 2*midlen; i++) {
354             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[2*midlen+i]);
355         }
356         printf("\n");
357 #endif
358
359         /*
360          * Now we can reuse the first half of 'scratch' to compute the
361          * sum of the outer two coefficients, to subtract from that
362          * product to obtain the middle one.
363          */
364         scratch[0] = scratch[1] = scratch[2] = scratch[3] = 0;
365         for (i = 0; i < 2*toplen; i++)
366             scratch[2*midlen - 2*toplen + i] = c[i];
367         scratch[1] = internal_add(scratch+2, c + 2*toplen,
368                                   scratch+2, 2*botlen);
369 #ifdef KARA_DEBUG
370         printf("a1b1plusa0b0 = 0x");
371         for (i = 0; i < 2*midlen; i++) {
372             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[i]);
373         }
374         printf("\n");
375 #endif
376
377         internal_sub(scratch + 2*midlen, scratch,
378                      scratch + 2*midlen, 2*midlen);
379 #ifdef KARA_DEBUG
380         printf("a1b0plusa0b1 = 0x");
381         for (i = 0; i < 2*midlen; i++) {
382             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, scratch[2*midlen+i]);
383         }
384         printf("\n");
385 #endif
386
387         /*
388          * And now all we need to do is to add that middle coefficient
389          * back into the output. We may have to propagate a carry
390          * further up the output, but we can be sure it won't
391          * propagate right the way off the top.
392          */
393         carry = internal_add(c + 2*len - botlen - 2*midlen,
394                              scratch + 2*midlen,
395                              c + 2*len - botlen - 2*midlen, 2*midlen);
396         i = 2*len - botlen - 2*midlen - 1;
397         while (carry) {
398             assert(i >= 0);
399             carry += c[i];
400             c[i] = (BignumInt)carry;
401             carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
402             i--;
403         }
404 #ifdef KARA_DEBUG
405         printf("ab = 0x");
406         for (i = 0; i < 2*len; i++) {
407             printf("%0*x", BIGNUM_INT_BITS/4, c[i]);
408         }
409         printf("\n");
410 #endif
411
412     } else {
413         int i;
414         BignumInt carry;
415         BignumDblInt t;
416         const BignumInt *ap, *bp;
417         BignumInt *cp, *cps;
418
419         /*
420          * Multiply in the ordinary O(N^2) way.
421          */
422
423         for (i = 0; i < 2 * len; i++)
424             c[i] = 0;
425
426         for (cps = c + 2*len, ap = a + len; ap-- > a; cps--) {
427             carry = 0;
428             for (cp = cps, bp = b + len; cp--, bp-- > b ;) {
429                 t = (MUL_WORD(*ap, *bp) + carry) + *cp;
430                 *cp = (BignumInt) t;
431                 carry = (BignumInt)(t >> BIGNUM_INT_BITS);
432             }
433             *cp = carry;
434         }
435     }
436 }
437
438 /*
439  * Variant form of internal_mul used for the initial step of
440  * Montgomery reduction. Only bothers outputting 'len' words
441  * (everything above that is thrown away).
442  */
443 static void internal_mul_low(const BignumInt *a, const BignumInt *b,
444                              BignumInt *c, int len, BignumInt *scratch)
445 {
446     if (len > KARATSUBA_THRESHOLD) {
447         int i;
448
449         /*
450          * Karatsuba-aware version of internal_mul_low. As before, we
451          * express each input value as a shifted combination of two
452          * halves:
453          *
454          *   a = a_1 D + a_0
455          *   b = b_1 D + b_0
456          *
457          * Then the full product is, as before,
458          *
459          *  ab = a_1 b_1 D^2 + (a_1 b_0 + a_0 b_1) D + a_0 b_0
460          *
461          * Provided we choose D on the large side (so that a_0 and b_0
462          * are _at least_ as long as a_1 and b_1), we don't need the
463          * topmost term at all, and we only need half of the middle
464          * term. So there's no point in doing the proper Karatsuba
465          * optimisation which computes the middle term using the top
466          * one, because we'd take as long computing the top one as
467          * just computing the middle one directly.
468          *
469          * So instead, we do a much more obvious thing: we call the
470          * fully optimised internal_mul to compute a_0 b_0, and we
471          * recursively call ourself to compute the _bottom halves_ of
472          * a_1 b_0 and a_0 b_1, each of which we add into the result
473          * in the obvious way.
474          *
475          * In other words, there's no actual Karatsuba _optimisation_
476          * in this function; the only benefit in doing it this way is
477          * that we call internal_mul proper for a large part of the
478          * work, and _that_ can optimise its operation.
479          */
480
481         int toplen = len/2, botlen = len - toplen; /* botlen is the bigger */
482
483         /*
484          * Scratch space for the various bits and pieces we're going
485          * to be adding together: we need botlen*2 words for a_0 b_0
486          * (though we may end up throwing away its topmost word), and
487          * toplen words for each of a_1 b_0 and a_0 b_1. That adds up
488          * to exactly 2*len.
489          */
490
491         /* a_0 b_0 */
492         internal_mul(a + toplen, b + toplen, scratch + 2*toplen, botlen,
493                      scratch + 2*len);
494
495         /* a_1 b_0 */
496         internal_mul_low(a, b + len - toplen, scratch + toplen, toplen,
497                          scratch + 2*len);
498
499         /* a_0 b_1 */
500         internal_mul_low(a + len - toplen, b, scratch, toplen,
501                          scratch + 2*len);
502
503         /* Copy the bottom half of the big coefficient into place */
504         for (i = 0; i < botlen; i++)
505             c[toplen + i] = scratch[2*toplen + botlen + i];
506
507         /* Add the two small coefficients, throwing away the returned carry */
508         internal_add(scratch, scratch + toplen, scratch, toplen);
509
510         /* And add that to the large coefficient, leaving the result in c. */
511         internal_add(scratch, scratch + 2*toplen + botlen - toplen,
512                      c, toplen);
513
514     } else {
515         int i;
516         BignumInt carry;
517         BignumDblInt t;
518         const BignumInt *ap, *bp;
519         BignumInt *cp, *cps;
520
521         /*
522          * Multiply in the ordinary O(N^2) way.
523          */
524
525         for (i = 0; i < len; i++)
526             c[i] = 0;
527
528         for (cps = c + len, ap = a + len; ap-- > a; cps--) {
529             carry = 0;
530             for (cp = cps, bp = b + len; bp--, cp-- > c ;) {
531                 t = (MUL_WORD(*ap, *bp) + carry) + *cp;
532                 *cp = (BignumInt) t;
533                 carry = (BignumInt)(t >> BIGNUM_INT_BITS);
534             }
535         }
536     }
537 }
538
539 /*
540  * Montgomery reduction. Expects x to be a big-endian array of 2*len
541  * BignumInts whose value satisfies 0 <= x < rn (where r = 2^(len *
542  * BIGNUM_INT_BITS) is the Montgomery base). Returns in the same array
543  * a value x' which is congruent to xr^{-1} mod n, and satisfies 0 <=
544  * x' < n.
545  *
546  * 'n' and 'mninv' should be big-endian arrays of 'len' BignumInts
547  * each, containing respectively n and the multiplicative inverse of
548  * -n mod r.
549  *
550  * 'tmp' is an array of BignumInt used as scratch space, of length at
551  * least 3*len + mul_compute_scratch(len).
552  */
553 static void monty_reduce(BignumInt *x, const BignumInt *n,
554                          const BignumInt *mninv, BignumInt *tmp, int len)
555 {
556     int i;
557     BignumInt carry;
558
559     /*
560      * Multiply x by (-n)^{-1} mod r. This gives us a value m such
561      * that mn is congruent to -x mod r. Hence, mn+x is an exact
562      * multiple of r, and is also (obviously) congruent to x mod n.
563      */
564     internal_mul_low(x + len, mninv, tmp, len, tmp + 3*len);
565
566     /*
567      * Compute t = (mn+x)/r in ordinary, non-modular, integer
568      * arithmetic. By construction this is exact, and is congruent mod
569      * n to x * r^{-1}, i.e. the answer we want.
570      *
571      * The following multiply leaves that answer in the _most_
572      * significant half of the 'x' array, so then we must shift it
573      * down.
574      */
575     internal_mul(tmp, n, tmp+len, len, tmp + 3*len);
576     carry = internal_add(x, tmp+len, x, 2*len);
577     for (i = 0; i < len; i++)
578         x[len + i] = x[i], x[i] = 0;
579
580     /*
581      * Reduce t mod n. This doesn't require a full-on division by n,
582      * but merely a test and single optional subtraction, since we can
583      * show that 0 <= t < 2n.
584      *
585      * Proof:
586      *  + we computed m mod r, so 0 <= m < r.
587      *  + so 0 <= mn < rn, obviously
588      *  + hence we only need 0 <= x < rn to guarantee that 0 <= mn+x < 2rn
589      *  + yielding 0 <= (mn+x)/r < 2n as required.
590      */
591     if (!carry) {
592         for (i = 0; i < len; i++)
593             if (x[len + i] != n[i])
594                 break;
595     }
596     if (carry || i >= len || x[len + i] > n[i])
597         internal_sub(x+len, n, x+len, len);
598 }
599
600 static void internal_add_shifted(BignumInt *number,
601                                  unsigned n, int shift)
602 {
603     int word = 1 + (shift / BIGNUM_INT_BITS);
604     int bshift = shift % BIGNUM_INT_BITS;
605     BignumDblInt addend;
606
607     addend = (BignumDblInt)n << bshift;
608
609     while (addend) {
610         addend += number[word];
611         number[word] = (BignumInt) addend & BIGNUM_INT_MASK;
612         addend >>= BIGNUM_INT_BITS;
613         word++;
614     }
615 }
616
617 /*
618  * Compute a = a % m.
619  * Input in first alen words of a and first mlen words of m.
620  * Output in first alen words of a
621  * (of which first alen-mlen words will be zero).
622  * The MSW of m MUST have its high bit set.
623  * Quotient is accumulated in the `quotient' array, which is a Bignum
624  * rather than the internal bigendian format. Quotient parts are shifted
625  * left by `qshift' before adding into quot.
626  */
627 static void internal_mod(BignumInt *a, int alen,
628                          BignumInt *m, int mlen,
629                          BignumInt *quot, int qshift)
630 {
631     BignumInt m0, m1;
632     unsigned int h;
633     int i, k;
634
635     m0 = m[0];
636     assert(m0 >> (BIGNUM_INT_BITS-1) == 1);
637     if (mlen > 1)
638         m1 = m[1];
639     else
640         m1 = 0;
641
642     for (i = 0; i <= alen - mlen; i++) {
643         BignumDblInt t;
644         unsigned int q, r, c, ai1;
645
646         if (i == 0) {
647             h = 0;
648         } else {
649             h = a[i - 1];
650             a[i - 1] = 0;
651         }
652
653         if (i == alen - 1)
654             ai1 = 0;
655         else
656             ai1 = a[i + 1];
657
658         /* Find q = h:a[i] / m0 */
659         if (h >= m0) {
660             /*
661              * Special case.
662              * 
663              * To illustrate it, suppose a BignumInt is 8 bits, and
664              * we are dividing (say) A1:23:45:67 by A1:B2:C3. Then
665              * our initial division will be 0xA123 / 0xA1, which
666              * will give a quotient of 0x100 and a divide overflow.
667              * However, the invariants in this division algorithm
668              * are not violated, since the full number A1:23:... is
669              * _less_ than the quotient prefix A1:B2:... and so the
670              * following correction loop would have sorted it out.
671              * 
672              * In this situation we set q to be the largest
673              * quotient we _can_ stomach (0xFF, of course).
674              */
675             q = BIGNUM_INT_MASK;
676         } else {
677             /* Macro doesn't want an array subscript expression passed
678              * into it (see definition), so use a temporary. */
679             BignumInt tmplo = a[i];
680             DIVMOD_WORD(q, r, h, tmplo, m0);
681
682             /* Refine our estimate of q by looking at
683              h:a[i]:a[i+1] / m0:m1 */
684             t = MUL_WORD(m1, q);
685             if (t > ((BignumDblInt) r << BIGNUM_INT_BITS) + ai1) {
686                 q--;
687                 t -= m1;
688                 r = (r + m0) & BIGNUM_INT_MASK;     /* overflow? */
689                 if (r >= (BignumDblInt) m0 &&
690                     t > ((BignumDblInt) r << BIGNUM_INT_BITS) + ai1) q--;
691             }
692         }
693
694         /* Subtract q * m from a[i...] */
695         c = 0;
696         for (k = mlen - 1; k >= 0; k--) {
697             t = MUL_WORD(q, m[k]);
698             t += c;
699             c = (unsigned)(t >> BIGNUM_INT_BITS);
700             if ((BignumInt) t > a[i + k])
701                 c++;
702             a[i + k] -= (BignumInt) t;
703         }
704
705         /* Add back m in case of borrow */
706         if (c != h) {
707             t = 0;
708             for (k = mlen - 1; k >= 0; k--) {
709                 t += m[k];
710                 t += a[i + k];
711                 a[i + k] = (BignumInt) t;
712                 t = t >> BIGNUM_INT_BITS;
713             }
714             q--;
715         }
716         if (quot)
717             internal_add_shifted(quot, q, qshift + BIGNUM_INT_BITS * (alen - mlen - i));
718     }
719 }
720
721 /*
722  * Compute (base ^ exp) % mod, the pedestrian way.
723  */
724 Bignum modpow_simple(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
725 {
726     BignumInt *a, *b, *n, *m, *scratch;
727     int mshift;
728     int mlen, scratchlen, i, j;
729     Bignum base, result;
730
731     /*
732      * The most significant word of mod needs to be non-zero. It
733      * should already be, but let's make sure.
734      */
735     assert(mod[mod[0]] != 0);
736
737     /*
738      * Make sure the base is smaller than the modulus, by reducing
739      * it modulo the modulus if not.
740      */
741     base = bigmod(base_in, mod);
742
743     /* Allocate m of size mlen, copy mod to m */
744     /* We use big endian internally */
745     mlen = mod[0];
746     m = snewn(mlen, BignumInt);
747     for (j = 0; j < mlen; j++)
748         m[j] = mod[mod[0] - j];
749
750     /* Shift m left to make msb bit set */
751     for (mshift = 0; mshift < BIGNUM_INT_BITS-1; mshift++)
752         if ((m[0] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
753             break;
754     if (mshift) {
755         for (i = 0; i < mlen - 1; i++)
756             m[i] = (m[i] << mshift) | (m[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
757         m[mlen - 1] = m[mlen - 1] << mshift;
758     }
759
760     /* Allocate n of size mlen, copy base to n */
761     n = snewn(mlen, BignumInt);
762     i = mlen - base[0];
763     for (j = 0; j < i; j++)
764         n[j] = 0;
765     for (j = 0; j < (int)base[0]; j++)
766         n[i + j] = base[base[0] - j];
767
768     /* Allocate a and b of size 2*mlen. Set a = 1 */
769     a = snewn(2 * mlen, BignumInt);
770     b = snewn(2 * mlen, BignumInt);
771     for (i = 0; i < 2 * mlen; i++)
772         a[i] = 0;
773     a[2 * mlen - 1] = 1;
774
775     /* Scratch space for multiplies */
776     scratchlen = mul_compute_scratch(mlen);
777     scratch = snewn(scratchlen, BignumInt);
778
779     /* Skip leading zero bits of exp. */
780     i = 0;
781     j = BIGNUM_INT_BITS-1;
782     while (i < (int)exp[0] && (exp[exp[0] - i] & (1 << j)) == 0) {
783         j--;
784         if (j < 0) {
785             i++;
786             j = BIGNUM_INT_BITS-1;
787         }
788     }
789
790     /* Main computation */
791     while (i < (int)exp[0]) {
792         while (j >= 0) {
793             internal_mul(a + mlen, a + mlen, b, mlen, scratch);
794             internal_mod(b, mlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
795             if ((exp[exp[0] - i] & (1 << j)) != 0) {
796                 internal_mul(b + mlen, n, a, mlen, scratch);
797                 internal_mod(a, mlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
798             } else {
799                 BignumInt *t;
800                 t = a;
801                 a = b;
802                 b = t;
803             }
804             j--;
805         }
806         i++;
807         j = BIGNUM_INT_BITS-1;
808     }
809
810     /* Fixup result in case the modulus was shifted */
811     if (mshift) {
812         for (i = mlen - 1; i < 2 * mlen - 1; i++)
813             a[i] = (a[i] << mshift) | (a[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
814         a[2 * mlen - 1] = a[2 * mlen - 1] << mshift;
815         internal_mod(a, mlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
816         for (i = 2 * mlen - 1; i >= mlen; i--)
817             a[i] = (a[i] >> mshift) | (a[i - 1] << (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
818     }
819
820     /* Copy result to buffer */
821     result = newbn(mod[0]);
822     for (i = 0; i < mlen; i++)
823         result[result[0] - i] = a[i + mlen];
824     while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
825         result[0]--;
826
827     /* Free temporary arrays */
828     smemclr(a, 2 * mlen * sizeof(*a));
829     sfree(a);
830     smemclr(scratch, scratchlen * sizeof(*scratch));
831     sfree(scratch);
832     smemclr(b, 2 * mlen * sizeof(*b));
833     sfree(b);
834     smemclr(m, mlen * sizeof(*m));
835     sfree(m);
836     smemclr(n, mlen * sizeof(*n));
837     sfree(n);
838
839     freebn(base);
840
841     return result;
842 }
843
844 /*
845  * Compute (base ^ exp) % mod. Uses the Montgomery multiplication
846  * technique where possible, falling back to modpow_simple otherwise.
847  */
848 Bignum modpow(Bignum base_in, Bignum exp, Bignum mod)
849 {
850     BignumInt *a, *b, *x, *n, *mninv, *scratch;
851     int len, scratchlen, i, j;
852     Bignum base, base2, r, rn, inv, result;
853
854     /*
855      * The most significant word of mod needs to be non-zero. It
856      * should already be, but let's make sure.
857      */
858     assert(mod[mod[0]] != 0);
859
860     /*
861      * mod had better be odd, or we can't do Montgomery multiplication
862      * using a power of two at all.
863      */
864     if (!(mod[1] & 1))
865         return modpow_simple(base_in, exp, mod);
866
867     /*
868      * Make sure the base is smaller than the modulus, by reducing
869      * it modulo the modulus if not.
870      */
871     base = bigmod(base_in, mod);
872
873     /*
874      * Compute the inverse of n mod r, for monty_reduce. (In fact we
875      * want the inverse of _minus_ n mod r, but we'll sort that out
876      * below.)
877      */
878     len = mod[0];
879     r = bn_power_2(BIGNUM_INT_BITS * len);
880     inv = modinv(mod, r);
881     assert(inv); /* cannot fail, since mod is odd and r is a power of 2 */
882
883     /*
884      * Multiply the base by r mod n, to get it into Montgomery
885      * representation.
886      */
887     base2 = modmul(base, r, mod);
888     freebn(base);
889     base = base2;
890
891     rn = bigmod(r, mod);               /* r mod n, i.e. Montgomerified 1 */
892
893     freebn(r);                         /* won't need this any more */
894
895     /*
896      * Set up internal arrays of the right lengths, in big-endian
897      * format, containing the base, the modulus, and the modulus's
898      * inverse.
899      */
900     n = snewn(len, BignumInt);
901     for (j = 0; j < len; j++)
902         n[len - 1 - j] = mod[j + 1];
903
904     mninv = snewn(len, BignumInt);
905     for (j = 0; j < len; j++)
906         mninv[len - 1 - j] = (j < (int)inv[0] ? inv[j + 1] : 0);
907     freebn(inv);         /* we don't need this copy of it any more */
908     /* Now negate mninv mod r, so it's the inverse of -n rather than +n. */
909     x = snewn(len, BignumInt);
910     for (j = 0; j < len; j++)
911         x[j] = 0;
912     internal_sub(x, mninv, mninv, len);
913
914     /* x = snewn(len, BignumInt); */ /* already done above */
915     for (j = 0; j < len; j++)
916         x[len - 1 - j] = (j < (int)base[0] ? base[j + 1] : 0);
917     freebn(base);        /* we don't need this copy of it any more */
918
919     a = snewn(2*len, BignumInt);
920     b = snewn(2*len, BignumInt);
921     for (j = 0; j < len; j++)
922         a[2*len - 1 - j] = (j < (int)rn[0] ? rn[j + 1] : 0);
923     freebn(rn);
924
925     /* Scratch space for multiplies */
926     scratchlen = 3*len + mul_compute_scratch(len);
927     scratch = snewn(scratchlen, BignumInt);
928
929     /* Skip leading zero bits of exp. */
930     i = 0;
931     j = BIGNUM_INT_BITS-1;
932     while (i < (int)exp[0] && (exp[exp[0] - i] & (1 << j)) == 0) {
933         j--;
934         if (j < 0) {
935             i++;
936             j = BIGNUM_INT_BITS-1;
937         }
938     }
939
940     /* Main computation */
941     while (i < (int)exp[0]) {
942         while (j >= 0) {
943             internal_mul(a + len, a + len, b, len, scratch);
944             monty_reduce(b, n, mninv, scratch, len);
945             if ((exp[exp[0] - i] & (1 << j)) != 0) {
946                 internal_mul(b + len, x, a, len,  scratch);
947                 monty_reduce(a, n, mninv, scratch, len);
948             } else {
949                 BignumInt *t;
950                 t = a;
951                 a = b;
952                 b = t;
953             }
954             j--;
955         }
956         i++;
957         j = BIGNUM_INT_BITS-1;
958     }
959
960     /*
961      * Final monty_reduce to get back from the adjusted Montgomery
962      * representation.
963      */
964     monty_reduce(a, n, mninv, scratch, len);
965
966     /* Copy result to buffer */
967     result = newbn(mod[0]);
968     for (i = 0; i < len; i++)
969         result[result[0] - i] = a[i + len];
970     while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
971         result[0]--;
972
973     /* Free temporary arrays */
974     smemclr(scratch, scratchlen * sizeof(*scratch));
975     sfree(scratch);
976     smemclr(a, 2 * len * sizeof(*a));
977     sfree(a);
978     smemclr(b, 2 * len * sizeof(*b));
979     sfree(b);
980     smemclr(mninv, len * sizeof(*mninv));
981     sfree(mninv);
982     smemclr(n, len * sizeof(*n));
983     sfree(n);
984     smemclr(x, len * sizeof(*x));
985     sfree(x);
986
987     return result;
988 }
989
990 /*
991  * Compute (p * q) % mod.
992  * The most significant word of mod MUST be non-zero.
993  * We assume that the result array is the same size as the mod array.
994  */
995 Bignum modmul(Bignum p, Bignum q, Bignum mod)
996 {
997     BignumInt *a, *n, *m, *o, *scratch;
998     int mshift, scratchlen;
999     int pqlen, mlen, rlen, i, j;
1000     Bignum result;
1001
1002     /*
1003      * The most significant word of mod needs to be non-zero. It
1004      * should already be, but let's make sure.
1005      */
1006     assert(mod[mod[0]] != 0);
1007
1008     /* Allocate m of size mlen, copy mod to m */
1009     /* We use big endian internally */
1010     mlen = mod[0];
1011     m = snewn(mlen, BignumInt);
1012     for (j = 0; j < mlen; j++)
1013         m[j] = mod[mod[0] - j];
1014
1015     /* Shift m left to make msb bit set */
1016     for (mshift = 0; mshift < BIGNUM_INT_BITS-1; mshift++)
1017         if ((m[0] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
1018             break;
1019     if (mshift) {
1020         for (i = 0; i < mlen - 1; i++)
1021             m[i] = (m[i] << mshift) | (m[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
1022         m[mlen - 1] = m[mlen - 1] << mshift;
1023     }
1024
1025     pqlen = (p[0] > q[0] ? p[0] : q[0]);
1026
1027     /*
1028      * Make sure that we're allowing enough space. The shifting below
1029      * will underflow the vectors we allocate if pqlen is too small.
1030      */
1031     if (2*pqlen <= mlen)
1032         pqlen = mlen/2 + 1;
1033
1034     /* Allocate n of size pqlen, copy p to n */
1035     n = snewn(pqlen, BignumInt);
1036     i = pqlen - p[0];
1037     for (j = 0; j < i; j++)
1038         n[j] = 0;
1039     for (j = 0; j < (int)p[0]; j++)
1040         n[i + j] = p[p[0] - j];
1041
1042     /* Allocate o of size pqlen, copy q to o */
1043     o = snewn(pqlen, BignumInt);
1044     i = pqlen - q[0];
1045     for (j = 0; j < i; j++)
1046         o[j] = 0;
1047     for (j = 0; j < (int)q[0]; j++)
1048         o[i + j] = q[q[0] - j];
1049
1050     /* Allocate a of size 2*pqlen for result */
1051     a = snewn(2 * pqlen, BignumInt);
1052
1053     /* Scratch space for multiplies */
1054     scratchlen = mul_compute_scratch(pqlen);
1055     scratch = snewn(scratchlen, BignumInt);
1056
1057     /* Main computation */
1058     internal_mul(n, o, a, pqlen, scratch);
1059     internal_mod(a, pqlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
1060
1061     /* Fixup result in case the modulus was shifted */
1062     if (mshift) {
1063         for (i = 2 * pqlen - mlen - 1; i < 2 * pqlen - 1; i++)
1064             a[i] = (a[i] << mshift) | (a[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
1065         a[2 * pqlen - 1] = a[2 * pqlen - 1] << mshift;
1066         internal_mod(a, pqlen * 2, m, mlen, NULL, 0);
1067         for (i = 2 * pqlen - 1; i >= 2 * pqlen - mlen; i--)
1068             a[i] = (a[i] >> mshift) | (a[i - 1] << (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
1069     }
1070
1071     /* Copy result to buffer */
1072     rlen = (mlen < pqlen * 2 ? mlen : pqlen * 2);
1073     result = newbn(rlen);
1074     for (i = 0; i < rlen; i++)
1075         result[result[0] - i] = a[i + 2 * pqlen - rlen];
1076     while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
1077         result[0]--;
1078
1079     /* Free temporary arrays */
1080     smemclr(scratch, scratchlen * sizeof(*scratch));
1081     sfree(scratch);
1082     smemclr(a, 2 * pqlen * sizeof(*a));
1083     sfree(a);
1084     smemclr(m, mlen * sizeof(*m));
1085     sfree(m);
1086     smemclr(n, pqlen * sizeof(*n));
1087     sfree(n);
1088     smemclr(o, pqlen * sizeof(*o));
1089     sfree(o);
1090
1091     return result;
1092 }
1093
1094 /*
1095  * Compute p % mod.
1096  * The most significant word of mod MUST be non-zero.
1097  * We assume that the result array is the same size as the mod array.
1098  * We optionally write out a quotient if `quotient' is non-NULL.
1099  * We can avoid writing out the result if `result' is NULL.
1100  */
1101 static void bigdivmod(Bignum p, Bignum mod, Bignum result, Bignum quotient)
1102 {
1103     BignumInt *n, *m;
1104     int mshift;
1105     int plen, mlen, i, j;
1106
1107     /*
1108      * The most significant word of mod needs to be non-zero. It
1109      * should already be, but let's make sure.
1110      */
1111     assert(mod[mod[0]] != 0);
1112
1113     /* Allocate m of size mlen, copy mod to m */
1114     /* We use big endian internally */
1115     mlen = mod[0];
1116     m = snewn(mlen, BignumInt);
1117     for (j = 0; j < mlen; j++)
1118         m[j] = mod[mod[0] - j];
1119
1120     /* Shift m left to make msb bit set */
1121     for (mshift = 0; mshift < BIGNUM_INT_BITS-1; mshift++)
1122         if ((m[0] << mshift) & BIGNUM_TOP_BIT)
1123             break;
1124     if (mshift) {
1125         for (i = 0; i < mlen - 1; i++)
1126             m[i] = (m[i] << mshift) | (m[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
1127         m[mlen - 1] = m[mlen - 1] << mshift;
1128     }
1129
1130     plen = p[0];
1131     /* Ensure plen > mlen */
1132     if (plen <= mlen)
1133         plen = mlen + 1;
1134
1135     /* Allocate n of size plen, copy p to n */
1136     n = snewn(plen, BignumInt);
1137     for (j = 0; j < plen; j++)
1138         n[j] = 0;
1139     for (j = 1; j <= (int)p[0]; j++)
1140         n[plen - j] = p[j];
1141
1142     /* Main computation */
1143     internal_mod(n, plen, m, mlen, quotient, mshift);
1144
1145     /* Fixup result in case the modulus was shifted */
1146     if (mshift) {
1147         for (i = plen - mlen - 1; i < plen - 1; i++)
1148             n[i] = (n[i] << mshift) | (n[i + 1] >> (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
1149         n[plen - 1] = n[plen - 1] << mshift;
1150         internal_mod(n, plen, m, mlen, quotient, 0);
1151         for (i = plen - 1; i >= plen - mlen; i--)
1152             n[i] = (n[i] >> mshift) | (n[i - 1] << (BIGNUM_INT_BITS - mshift));
1153     }
1154
1155     /* Copy result to buffer */
1156     if (result) {
1157         for (i = 1; i <= (int)result[0]; i++) {
1158             int j = plen - i;
1159             result[i] = j >= 0 ? n[j] : 0;
1160         }
1161     }
1162
1163     /* Free temporary arrays */
1164     smemclr(m, mlen * sizeof(*m));
1165     sfree(m);
1166     smemclr(n, plen * sizeof(*n));
1167     sfree(n);
1168 }
1169
1170 /*
1171  * Decrement a number.
1172  */
1173 void decbn(Bignum bn)
1174 {
1175     int i = 1;
1176     while (i < (int)bn[0] && bn[i] == 0)
1177         bn[i++] = BIGNUM_INT_MASK;
1178     bn[i]--;
1179 }
1180
1181 Bignum bignum_from_bytes(const unsigned char *data, int nbytes)
1182 {
1183     Bignum result;
1184     int w, i;
1185
1186     assert(nbytes >= 0 && nbytes < INT_MAX/8);
1187
1188     w = (nbytes + BIGNUM_INT_BYTES - 1) / BIGNUM_INT_BYTES; /* bytes->words */
1189
1190     result = newbn(w);
1191     for (i = 1; i <= w; i++)
1192         result[i] = 0;
1193     for (i = nbytes; i--;) {
1194         unsigned char byte = *data++;
1195         result[1 + i / BIGNUM_INT_BYTES] |= byte << (8*i % BIGNUM_INT_BITS);
1196     }
1197
1198     while (result[0] > 1 && result[result[0]] == 0)
1199         result[0]--;
1200     return result;
1201 }
1202
1203 /*
1204  * Read an SSH-1-format bignum from a data buffer. Return the number
1205  * of bytes consumed, or -1 if there wasn't enough data.
1206  */
1207 int ssh1_read_bignum(const unsigned char *data, int len, Bignum * result)
1208 {
1209     const unsigned char *p = data;
1210     int i;
1211     int w, b;
1212
1213     if (len < 2)
1214         return -1;
1215
1216     w = 0;
1217     for (i = 0; i < 2; i++)
1218         w = (w << 8) + *p++;
1219     b = (w + 7) / 8;                   /* bits -> bytes */
1220
1221     if (len < b+2)
1222         return -1;
1223
1224     if (!result)                       /* just return length */
1225         return b + 2;
1226
1227     *result = bignum_from_bytes(p, b);
1228
1229     return p + b - data;
1230 }
1231
1232 /*
1233  * Return the bit count of a bignum, for SSH-1 encoding.
1234  */
1235 int bignum_bitcount(Bignum bn)
1236 {
1237     int bitcount = bn[0] * BIGNUM_INT_BITS - 1;
1238     while (bitcount >= 0
1239            && (bn[bitcount / BIGNUM_INT_BITS + 1] >> (bitcount % BIGNUM_INT_BITS)) == 0) bitcount--;
1240     return bitcount + 1;
1241 }
1242
1243 /*
1244  * Return the byte length of a bignum when SSH-1 encoded.
1245  */
1246 int ssh1_bignum_length(Bignum bn)
1247 {
1248     return 2 + (bignum_bitcount(bn) + 7) / 8;
1249 }
1250
1251 /*
1252  * Return the byte length of a bignum when SSH-2 encoded.
1253  */
1254 int ssh2_bignum_length(Bignum bn)
1255 {
1256     return 4 + (bignum_bitcount(bn) + 8) / 8;
1257 }
1258
1259 /*
1260  * Return a byte from a bignum; 0 is least significant, etc.
1261  */
1262 int bignum_byte(Bignum bn, int i)
1263 {
1264     if (i < 0 || i >= (int)(BIGNUM_INT_BYTES * bn[0]))
1265         return 0;                      /* beyond the end */
1266     else
1267         return (bn[i / BIGNUM_INT_BYTES + 1] >>
1268                 ((i % BIGNUM_INT_BYTES)*8)) & 0xFF;
1269 }
1270
1271 /*
1272  * Return a bit from a bignum; 0 is least significant, etc.
1273  */
1274 int bignum_bit(Bignum bn, int i)
1275 {
1276     if (i < 0 || i >= (int)(BIGNUM_INT_BITS * bn[0]))
1277         return 0;                      /* beyond the end */
1278     else
1279         return (bn[i / BIGNUM_INT_BITS + 1] >> (i % BIGNUM_INT_BITS)) & 1;
1280 }
1281
1282 /*
1283  * Set a bit in a bignum; 0 is least significant, etc.
1284  */
1285 void bignum_set_bit(Bignum bn, int bitnum, int value)
1286 {
1287     if (bitnum < 0 || bitnum >= (int)(BIGNUM_INT_BITS * bn[0]))
1288         abort();                       /* beyond the end */
1289     else {
1290         int v = bitnum / BIGNUM_INT_BITS + 1;
1291         int mask = 1 << (bitnum % BIGNUM_INT_BITS);
1292         if (value)
1293             bn[v] |= mask;
1294         else
1295             bn[v] &= ~mask;
1296     }
1297 }
1298
1299 /*
1300  * Write a SSH-1-format bignum into a buffer. It is assumed the
1301  * buffer is big enough. Returns the number of bytes used.
1302  */
1303 int ssh1_write_bignum(void *data, Bignum bn)
1304 {
1305     unsigned char *p = data;
1306     int len = ssh1_bignum_length(bn);
1307     int i;
1308     int bitc = bignum_bitcount(bn);
1309
1310     *p++ = (bitc >> 8) & 0xFF;
1311     *p++ = (bitc) & 0xFF;
1312     for (i = len - 2; i--;)
1313         *p++ = bignum_byte(bn, i);
1314     return len;
1315 }
1316
1317 /*
1318  * Compare two bignums. Returns like strcmp.
1319  */
1320 int bignum_cmp(Bignum a, Bignum b)
1321 {
1322     int amax = a[0], bmax = b[0];
1323     int i;
1324
1325     assert(amax == 0 || a[amax] != 0);
1326     assert(bmax == 0 || b[bmax] != 0);
1327
1328     i = (amax > bmax ? amax : bmax);
1329     while (i) {
1330         BignumInt aval = (i > amax ? 0 : a[i]);
1331         BignumInt bval = (i > bmax ? 0 : b[i]);
1332         if (aval < bval)
1333             return -1;
1334         if (aval > bval)
1335             return +1;
1336         i--;
1337     }
1338     return 0;
1339 }
1340
1341 /*
1342  * Right-shift one bignum to form another.
1343  */
1344 Bignum bignum_rshift(Bignum a, int shift)
1345 {
1346     Bignum ret;
1347     int i, shiftw, shiftb, shiftbb, bits;
1348     BignumInt ai, ai1;
1349
1350     assert(shift >= 0);
1351
1352     bits = bignum_bitcount(a) - shift;
1353     ret = newbn((bits + BIGNUM_INT_BITS - 1) / BIGNUM_INT_BITS);
1354
1355     if (ret) {
1356         shiftw = shift / BIGNUM_INT_BITS;
1357         shiftb = shift % BIGNUM_INT_BITS;
1358         shiftbb = BIGNUM_INT_BITS - shiftb;
1359
1360         ai1 = a[shiftw + 1];
1361         for (i = 1; i <= (int)ret[0]; i++) {
1362             ai = ai1;
1363             ai1 = (i + shiftw + 1 <= (int)a[0] ? a[i + shiftw + 1] : 0);
1364             ret[i] = ((ai >> shiftb) | (ai1 << shiftbb)) & BIGNUM_INT_MASK;
1365         }
1366     }
1367
1368     return ret;
1369 }
1370
1371 /*
1372  * Non-modular multiplication and addition.
1373  */
1374 Bignum bigmuladd(Bignum a, Bignum b, Bignum addend)
1375 {
1376     int alen = a[0], blen = b[0];
1377     int mlen = (alen > blen ? alen : blen);
1378     int rlen, i, maxspot;
1379     int wslen;
1380     BignumInt *workspace;
1381     Bignum ret;
1382
1383     /* mlen space for a, mlen space for b, 2*mlen for result,
1384      * plus scratch space for multiplication */
1385     wslen = mlen * 4 + mul_compute_scratch(mlen);
1386     workspace = snewn(wslen, BignumInt);
1387     for (i = 0; i < mlen; i++) {
1388         workspace[0 * mlen + i] = (mlen - i <= (int)a[0] ? a[mlen - i] : 0);
1389         workspace[1 * mlen + i] = (mlen - i <= (int)b[0] ? b[mlen - i] : 0);
1390     }
1391
1392     internal_mul(workspace + 0 * mlen, workspace + 1 * mlen,
1393                  workspace + 2 * mlen, mlen, workspace + 4 * mlen);
1394
1395     /* now just copy the result back */
1396     rlen = alen + blen + 1;
1397     if (addend && rlen <= (int)addend[0])
1398         rlen = addend[0] + 1;
1399     ret = newbn(rlen);
1400     maxspot = 0;
1401     for (i = 1; i <= (int)ret[0]; i++) {
1402         ret[i] = (i <= 2 * mlen ? workspace[4 * mlen - i] : 0);
1403         if (ret[i] != 0)
1404             maxspot = i;
1405     }
1406     ret[0] = maxspot;
1407
1408     /* now add in the addend, if any */
1409     if (addend) {
1410         BignumDblInt carry = 0;
1411         for (i = 1; i <= rlen; i++) {
1412             carry += (i <= (int)ret[0] ? ret[i] : 0);
1413             carry += (i <= (int)addend[0] ? addend[i] : 0);
1414             ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
1415             carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
1416             if (ret[i] != 0 && i > maxspot)
1417                 maxspot = i;
1418         }
1419     }
1420     ret[0] = maxspot;
1421
1422     smemclr(workspace, wslen * sizeof(*workspace));
1423     sfree(workspace);
1424     return ret;
1425 }
1426
1427 /*
1428  * Non-modular multiplication.
1429  */
1430 Bignum bigmul(Bignum a, Bignum b)
1431 {
1432     return bigmuladd(a, b, NULL);
1433 }
1434
1435 /*
1436  * Simple addition.
1437  */
1438 Bignum bigadd(Bignum a, Bignum b)
1439 {
1440     int alen = a[0], blen = b[0];
1441     int rlen = (alen > blen ? alen : blen) + 1;
1442     int i, maxspot;
1443     Bignum ret;
1444     BignumDblInt carry;
1445
1446     ret = newbn(rlen);
1447
1448     carry = 0;
1449     maxspot = 0;
1450     for (i = 1; i <= rlen; i++) {
1451         carry += (i <= (int)a[0] ? a[i] : 0);
1452         carry += (i <= (int)b[0] ? b[i] : 0);
1453         ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
1454         carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
1455         if (ret[i] != 0 && i > maxspot)
1456             maxspot = i;
1457     }
1458     ret[0] = maxspot;
1459
1460     return ret;
1461 }
1462
1463 /*
1464  * Subtraction. Returns a-b, or NULL if the result would come out
1465  * negative (recall that this entire bignum module only handles
1466  * positive numbers).
1467  */
1468 Bignum bigsub(Bignum a, Bignum b)
1469 {
1470     int alen = a[0], blen = b[0];
1471     int rlen = (alen > blen ? alen : blen);
1472     int i, maxspot;
1473     Bignum ret;
1474     BignumDblInt carry;
1475
1476     ret = newbn(rlen);
1477
1478     carry = 1;
1479     maxspot = 0;
1480     for (i = 1; i <= rlen; i++) {
1481         carry += (i <= (int)a[0] ? a[i] : 0);
1482         carry += (i <= (int)b[0] ? b[i] ^ BIGNUM_INT_MASK : BIGNUM_INT_MASK);
1483         ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
1484         carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
1485         if (ret[i] != 0 && i > maxspot)
1486             maxspot = i;
1487     }
1488     ret[0] = maxspot;
1489
1490     if (!carry) {
1491         freebn(ret);
1492         return NULL;
1493     }
1494
1495     return ret;
1496 }
1497
1498 /*
1499  * Create a bignum which is the bitmask covering another one. That
1500  * is, the smallest integer which is >= N and is also one less than
1501  * a power of two.
1502  */
1503 Bignum bignum_bitmask(Bignum n)
1504 {
1505     Bignum ret = copybn(n);
1506     int i;
1507     BignumInt j;
1508
1509     i = ret[0];
1510     while (n[i] == 0 && i > 0)
1511         i--;
1512     if (i <= 0)
1513         return ret;                    /* input was zero */
1514     j = 1;
1515     while (j < n[i])
1516         j = 2 * j + 1;
1517     ret[i] = j;
1518     while (--i > 0)
1519         ret[i] = BIGNUM_INT_MASK;
1520     return ret;
1521 }
1522
1523 /*
1524  * Convert a (max 32-bit) long into a bignum.
1525  */
1526 Bignum bignum_from_long(unsigned long nn)
1527 {
1528     Bignum ret;
1529     BignumDblInt n = nn;
1530
1531     ret = newbn(3);
1532     ret[1] = (BignumInt)(n & BIGNUM_INT_MASK);
1533     ret[2] = (BignumInt)((n >> BIGNUM_INT_BITS) & BIGNUM_INT_MASK);
1534     ret[3] = 0;
1535     ret[0] = (ret[2]  ? 2 : 1);
1536     return ret;
1537 }
1538
1539 /*
1540  * Add a long to a bignum.
1541  */
1542 Bignum bignum_add_long(Bignum number, unsigned long addendx)
1543 {
1544     Bignum ret = newbn(number[0] + 1);
1545     int i, maxspot = 0;
1546     BignumDblInt carry = 0, addend = addendx;
1547
1548     for (i = 1; i <= (int)ret[0]; i++) {
1549         carry += addend & BIGNUM_INT_MASK;
1550         carry += (i <= (int)number[0] ? number[i] : 0);
1551         addend >>= BIGNUM_INT_BITS;
1552         ret[i] = (BignumInt) carry & BIGNUM_INT_MASK;
1553         carry >>= BIGNUM_INT_BITS;
1554         if (ret[i] != 0)
1555             maxspot = i;
1556     }
1557     ret[0] = maxspot;
1558     return ret;
1559 }
1560
1561 /*
1562  * Compute the residue of a bignum, modulo a (max 16-bit) short.
1563  */
1564 unsigned short bignum_mod_short(Bignum number, unsigned short modulus)
1565 {
1566     BignumDblInt mod, r;
1567     int i;
1568
1569     r = 0;
1570     mod = modulus;
1571     for (i = number[0]; i > 0; i--)
1572         r = (r * (BIGNUM_TOP_BIT % mod) * 2 + number[i] % mod) % mod;
1573     return (unsigned short) r;
1574 }
1575
1576 #ifdef DEBUG
1577 void diagbn(char *prefix, Bignum md)
1578 {
1579     int i, nibbles, morenibbles;
1580     static const char hex[] = "0123456789ABCDEF";
1581
1582     debug(("%s0x", prefix ? prefix : ""));
1583
1584     nibbles = (3 + bignum_bitcount(md)) / 4;
1585     if (nibbles < 1)
1586         nibbles = 1;
1587     morenibbles = 4 * md[0] - nibbles;
1588     for (i = 0; i < morenibbles; i++)
1589         debug(("-"));
1590     for (i = nibbles; i--;)
1591         debug(("%c",
1592                hex[(bignum_byte(md, i / 2) >> (4 * (i % 2))) & 0xF]));
1593
1594     if (prefix)
1595         debug(("\n"));
1596 }
1597 #endif
1598
1599 /*
1600  * Simple division.
1601  */
1602 Bignum bigdiv(Bignum a, Bignum b)
1603 {
1604     Bignum q = newbn(a[0]);
1605     bigdivmod(a, b, NULL, q);
1606     return q;
1607 }
1608
1609 /*
1610  * Simple remainder.
1611  */
1612 Bignum bigmod(Bignum a, Bignum b)
1613 {
1614     Bignum r = newbn(b[0]);
1615     bigdivmod(a, b, r, NULL);
1616     return r;
1617 }
1618
1619 /*
1620  * Greatest common divisor.
1621  */
1622 Bignum biggcd(Bignum av, Bignum bv)
1623 {
1624     Bignum a = copybn(av);
1625     Bignum b = copybn(bv);
1626
1627     while (bignum_cmp(b, Zero) != 0) {
1628         Bignum t = newbn(b[0]);
1629         bigdivmod(a, b, t, NULL);
1630         while (t[0] > 1 && t[t[0]] == 0)
1631             t[0]--;
1632         freebn(a);
1633         a = b;
1634         b = t;
1635     }
1636
1637     freebn(b);
1638     return a;
1639 }
1640
1641 /*
1642  * Modular inverse, using Euclid's extended algorithm.
1643  */
1644 Bignum modinv(Bignum number, Bignum modulus)
1645 {
1646     Bignum a = copybn(modulus);
1647     Bignum b = copybn(number);
1648     Bignum xp = copybn(Zero);
1649     Bignum x = copybn(One);
1650     int sign = +1;
1651
1652     assert(number[number[0]] != 0);
1653     assert(modulus[modulus[0]] != 0);
1654
1655     while (bignum_cmp(b, One) != 0) {
1656         Bignum t, q;
1657
1658         if (bignum_cmp(b, Zero) == 0) {
1659             /*
1660              * Found a common factor between the inputs, so we cannot
1661              * return a modular inverse at all.
1662              */
1663             freebn(b);
1664             freebn(a);
1665             freebn(xp);
1666             freebn(x);
1667             return NULL;
1668         }
1669
1670         t = newbn(b[0]);
1671         q = newbn(a[0]);
1672         bigdivmod(a, b, t, q);
1673         while (t[0] > 1 && t[t[0]] == 0)
1674             t[0]--;
1675         freebn(a);
1676         a = b;
1677         b = t;
1678         t = xp;
1679         xp = x;
1680         x = bigmuladd(q, xp, t);
1681         sign = -sign;
1682         freebn(t);
1683         freebn(q);
1684     }
1685
1686     freebn(b);
1687     freebn(a);
1688     freebn(xp);
1689
1690     /* now we know that sign * x == 1, and that x < modulus */
1691     if (sign < 0) {
1692         /* set a new x to be modulus - x */
1693         Bignum newx = newbn(modulus[0]);
1694         BignumInt carry = 0;
1695         int maxspot = 1;
1696         int i;
1697
1698         for (i = 1; i <= (int)newx[0]; i++) {
1699             BignumInt aword = (i <= (int)modulus[0] ? modulus[i] : 0);
1700             BignumInt bword = (i <= (int)x[0] ? x[i] : 0);
1701             newx[i] = aword - bword - carry;
1702             bword = ~bword;
1703             carry = carry ? (newx[i] >= bword) : (newx[i] > bword);
1704             if (newx[i] != 0)
1705                 maxspot = i;
1706         }
1707         newx[0] = maxspot;
1708         freebn(x);
1709         x = newx;
1710     }
1711
1712     /* and return. */
1713     return x;
1714 }
1715
1716 /*
1717  * Render a bignum into decimal. Return a malloced string holding
1718  * the decimal representation.
1719  */
1720 char *bignum_decimal(Bignum x)
1721 {
1722     int ndigits, ndigit;
1723     int i, iszero;
1724     BignumDblInt carry;
1725     char *ret;
1726     BignumInt *workspace;
1727
1728     /*
1729      * First, estimate the number of digits. Since log(10)/log(2)
1730      * is just greater than 93/28 (the joys of continued fraction
1731      * approximations...) we know that for every 93 bits, we need
1732      * at most 28 digits. This will tell us how much to malloc.
1733      *
1734      * Formally: if x has i bits, that means x is strictly less
1735      * than 2^i. Since 2 is less than 10^(28/93), this is less than
1736      * 10^(28i/93). We need an integer power of ten, so we must
1737      * round up (rounding down might make it less than x again).
1738      * Therefore if we multiply the bit count by 28/93, rounding
1739      * up, we will have enough digits.
1740      *
1741      * i=0 (i.e., x=0) is an irritating special case.
1742      */
1743     i = bignum_bitcount(x);
1744     if (!i)
1745         ndigits = 1;                   /* x = 0 */
1746     else
1747         ndigits = (28 * i + 92) / 93;  /* multiply by 28/93 and round up */
1748     ndigits++;                         /* allow for trailing \0 */
1749     ret = snewn(ndigits, char);
1750
1751     /*
1752      * Now allocate some workspace to hold the binary form as we
1753      * repeatedly divide it by ten. Initialise this to the
1754      * big-endian form of the number.
1755      */
1756     workspace = snewn(x[0], BignumInt);
1757     for (i = 0; i < (int)x[0]; i++)
1758         workspace[i] = x[x[0] - i];
1759
1760     /*
1761      * Next, write the decimal number starting with the last digit.
1762      * We use ordinary short division, dividing 10 into the
1763      * workspace.
1764      */
1765     ndigit = ndigits - 1;
1766     ret[ndigit] = '\0';
1767     do {
1768         iszero = 1;
1769         carry = 0;
1770         for (i = 0; i < (int)x[0]; i++) {
1771             carry = (carry << BIGNUM_INT_BITS) + workspace[i];
1772             workspace[i] = (BignumInt) (carry / 10);
1773             if (workspace[i])
1774                 iszero = 0;
1775             carry %= 10;
1776         }
1777         ret[--ndigit] = (char) (carry + '0');
1778     } while (!iszero);
1779
1780     /*
1781      * There's a chance we've fallen short of the start of the
1782      * string. Correct if so.
1783      */
1784     if (ndigit > 0)
1785         memmove(ret, ret + ndigit, ndigits - ndigit);
1786
1787     /*
1788      * Done.
1789      */
1790     smemclr(workspace, x[0] * sizeof(*workspace));
1791     sfree(workspace);
1792     return ret;
1793 }
1794
1795 #ifdef TESTBN
1796
1797 #include <stdio.h>
1798 #include <stdlib.h>
1799 #include <ctype.h>
1800
1801 /*
1802  * gcc -Wall -g -O0 -DTESTBN -o testbn sshbn.c misc.c conf.c tree234.c unix/uxmisc.c -I. -I unix -I charset
1803  *
1804  * Then feed to this program's standard input the output of
1805  * testdata/bignum.py .
1806  */
1807
1808 void modalfatalbox(char *p, ...)
1809 {
1810     va_list ap;
1811     fprintf(stderr, "FATAL ERROR: ");
1812     va_start(ap, p);
1813     vfprintf(stderr, p, ap);
1814     va_end(ap);
1815     fputc('\n', stderr);
1816     exit(1);
1817 }
1818
1819 #define fromxdigit(c) ( (c)>'9' ? ((c)&0xDF) - 'A' + 10 : (c) - '0' )
1820
1821 int main(int argc, char **argv)
1822 {
1823     char *buf;
1824     int line = 0;
1825     int passes = 0, fails = 0;
1826
1827     while ((buf = fgetline(stdin)) != NULL) {
1828         int maxlen = strlen(buf);
1829         unsigned char *data = snewn(maxlen, unsigned char);
1830         unsigned char *ptrs[5], *q;
1831         int ptrnum;
1832         char *bufp = buf;
1833
1834         line++;
1835
1836         q = data;
1837         ptrnum = 0;
1838
1839         while (*bufp && !isspace((unsigned char)*bufp))
1840             bufp++;
1841         if (bufp)
1842             *bufp++ = '\0';
1843
1844         while (*bufp) {
1845             char *start, *end;
1846             int i;
1847
1848             while (*bufp && !isxdigit((unsigned char)*bufp))
1849                 bufp++;
1850             start = bufp;
1851
1852             if (!*bufp)
1853                 break;
1854
1855             while (*bufp && isxdigit((unsigned char)*bufp))
1856                 bufp++;
1857             end = bufp;
1858
1859             if (ptrnum >= lenof(ptrs))
1860                 break;
1861             ptrs[ptrnum++] = q;
1862             
1863             for (i = -((end - start) & 1); i < end-start; i += 2) {
1864                 unsigned char val = (i < 0 ? 0 : fromxdigit(start[i]));
1865                 val = val * 16 + fromxdigit(start[i+1]);
1866                 *q++ = val;
1867             }
1868
1869             ptrs[ptrnum] = q;
1870         }
1871
1872         if (!strcmp(buf, "mul")) {
1873             Bignum a, b, c, p;
1874
1875             if (ptrnum != 3) {
1876                 printf("%d: mul with %d parameters, expected 3\n", line, ptrnum);
1877                 exit(1);
1878             }
1879             a = bignum_from_bytes(ptrs[0], ptrs[1]-ptrs[0]);
1880             b = bignum_from_bytes(ptrs[1], ptrs[2]-ptrs[1]);
1881             c = bignum_from_bytes(ptrs[2], ptrs[3]-ptrs[2]);
1882             p = bigmul(a, b);
1883
1884             if (bignum_cmp(c, p) == 0) {
1885                 passes++;
1886             } else {
1887                 char *as = bignum_decimal(a);
1888                 char *bs = bignum_decimal(b);
1889                 char *cs = bignum_decimal(c);
1890                 char *ps = bignum_decimal(p);
1891                 
1892                 printf("%d: fail: %s * %s gave %s expected %s\n",
1893                        line, as, bs, ps, cs);
1894                 fails++;
1895
1896                 sfree(as);
1897                 sfree(bs);
1898                 sfree(cs);
1899                 sfree(ps);
1900             }
1901             freebn(a);
1902             freebn(b);
1903             freebn(c);
1904             freebn(p);
1905         } else if (!strcmp(buf, "modmul")) {
1906             Bignum a, b, m, c, p;
1907
1908             if (ptrnum != 4) {
1909                 printf("%d: modmul with %d parameters, expected 4\n",
1910                        line, ptrnum);
1911                 exit(1);
1912             }
1913             a = bignum_from_bytes(ptrs[0], ptrs[1]-ptrs[0]);
1914             b = bignum_from_bytes(ptrs[1], ptrs[2]-ptrs[1]);
1915             m = bignum_from_bytes(ptrs[2], ptrs[3]-ptrs[2]);
1916             c = bignum_from_bytes(ptrs[3], ptrs[4]-ptrs[3]);
1917             p = modmul(a, b, m);
1918
1919             if (bignum_cmp(c, p) == 0) {
1920                 passes++;
1921             } else {
1922                 char *as = bignum_decimal(a);
1923                 char *bs = bignum_decimal(b);
1924                 char *ms = bignum_decimal(m);
1925                 char *cs = bignum_decimal(c);
1926                 char *ps = bignum_decimal(p);
1927                 
1928                 printf("%d: fail: %s * %s mod %s gave %s expected %s\n",
1929                        line, as, bs, ms, ps, cs);
1930                 fails++;
1931
1932                 sfree(as);
1933                 sfree(bs);
1934                 sfree(ms);
1935                 sfree(cs);
1936                 sfree(ps);
1937             }
1938             freebn(a);
1939             freebn(b);
1940             freebn(m);
1941             freebn(c);
1942             freebn(p);
1943         } else if (!strcmp(buf, "pow")) {
1944             Bignum base, expt, modulus, expected, answer;
1945
1946             if (ptrnum != 4) {
1947                 printf("%d: mul with %d parameters, expected 4\n", line, ptrnum);
1948                 exit(1);
1949             }
1950
1951             base = bignum_from_bytes(ptrs[0], ptrs[1]-ptrs[0]);
1952             expt = bignum_from_bytes(ptrs[1], ptrs[2]-ptrs[1]);
1953             modulus = bignum_from_bytes(ptrs[2], ptrs[3]-ptrs[2]);
1954             expected = bignum_from_bytes(ptrs[3], ptrs[4]-ptrs[3]);
1955             answer = modpow(base, expt, modulus);
1956
1957             if (bignum_cmp(expected, answer) == 0) {
1958                 passes++;
1959             } else {
1960                 char *as = bignum_decimal(base);
1961                 char *bs = bignum_decimal(expt);
1962                 char *cs = bignum_decimal(modulus);
1963                 char *ds = bignum_decimal(answer);
1964                 char *ps = bignum_decimal(expected);
1965                 
1966                 printf("%d: fail: %s ^ %s mod %s gave %s expected %s\n",
1967                        line, as, bs, cs, ds, ps);
1968                 fails++;
1969
1970                 sfree(as);
1971                 sfree(bs);
1972                 sfree(cs);
1973                 sfree(ds);
1974                 sfree(ps);
1975             }
1976             freebn(base);
1977             freebn(expt);
1978             freebn(modulus);
1979             freebn(expected);
1980             freebn(answer);
1981         } else {
1982             printf("%d: unrecognised test keyword: '%s'\n", line, buf);
1983             exit(1);
1984         }
1985
1986         sfree(buf);
1987         sfree(data);
1988     }
1989
1990     printf("passed %d failed %d total %d\n", passes, fails, passes+fails);
1991     return fails != 0;
1992 }
1993
1994 #endif