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