]> andersk Git - openssh.git/blob - moduli.c
- djm@cvs.openbsd.org 2004/05/09 00:06:47
[openssh.git] / moduli.c
1 /* $OpenBSD: moduli.c,v 1.7 2004/05/09 00:06:47 djm Exp $ */
2 /*
3  * Copyright 1994 Phil Karn <karn@qualcomm.com>
4  * Copyright 1996-1998, 2003 William Allen Simpson <wsimpson@greendragon.com>
5  * Copyright 2000 Niels Provos <provos@citi.umich.edu>
6  * All rights reserved.
7  *
8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
9  * modification, are permitted provided that the following conditions
10  * are met:
11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
16  *
17  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR
18  * IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES
19  * OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.
20  * IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
21  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT
22  * NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
23  * DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
24  * THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
25  * (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF
26  * THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
27  */
28
29 /*
30  * Two-step process to generate safe primes for DHGEX
31  *
32  *  Sieve candidates for "safe" primes,
33  *  suitable for use as Diffie-Hellman moduli;
34  *  that is, where q = (p-1)/2 is also prime.
35  *
36  * First step: generate candidate primes (memory intensive)
37  * Second step: test primes' safety (processor intensive)
38  */
39
40 #include "includes.h"
41 #include "xmalloc.h"
42 #include "log.h"
43
44 #include <openssl/bn.h>
45
46 /*
47  * File output defines
48  */
49
50 /* need line long enough for largest moduli plus headers */
51 #define QLINESIZE               (100+8192)
52
53 /* Type: decimal.
54  * Specifies the internal structure of the prime modulus.
55  */
56 #define QTYPE_UNKNOWN           (0)
57 #define QTYPE_UNSTRUCTURED      (1)
58 #define QTYPE_SAFE              (2)
59 #define QTYPE_SCHNOOR           (3)
60 #define QTYPE_SOPHIE_GERMAIN    (4)
61 #define QTYPE_STRONG            (5)
62
63 /* Tests: decimal (bit field).
64  * Specifies the methods used in checking for primality.
65  * Usually, more than one test is used.
66  */
67 #define QTEST_UNTESTED          (0x00)
68 #define QTEST_COMPOSITE         (0x01)
69 #define QTEST_SIEVE             (0x02)
70 #define QTEST_MILLER_RABIN      (0x04)
71 #define QTEST_JACOBI            (0x08)
72 #define QTEST_ELLIPTIC          (0x10)
73
74 /*
75  * Size: decimal.
76  * Specifies the number of the most significant bit (0 to M).
77  * WARNING: internally, usually 1 to N.
78  */
79 #define QSIZE_MINIMUM           (511)
80
81 /*
82  * Prime sieving defines
83  */
84
85 /* Constant: assuming 8 bit bytes and 32 bit words */
86 #define SHIFT_BIT       (3)
87 #define SHIFT_BYTE      (2)
88 #define SHIFT_WORD      (SHIFT_BIT+SHIFT_BYTE)
89 #define SHIFT_MEGABYTE  (20)
90 #define SHIFT_MEGAWORD  (SHIFT_MEGABYTE-SHIFT_BYTE)
91
92 /*
93  * Using virtual memory can cause thrashing.  This should be the largest
94  * number that is supported without a large amount of disk activity --
95  * that would increase the run time from hours to days or weeks!
96  */
97 #define LARGE_MINIMUM   (8UL)   /* megabytes */
98
99 /*
100  * Do not increase this number beyond the unsigned integer bit size.
101  * Due to a multiple of 4, it must be LESS than 128 (yielding 2**30 bits).
102  */
103 #define LARGE_MAXIMUM   (127UL) /* megabytes */
104
105 /*
106  * Constant: when used with 32-bit integers, the largest sieve prime
107  * has to be less than 2**32.
108  */
109 #define SMALL_MAXIMUM   (0xffffffffUL)
110
111 /* Constant: can sieve all primes less than 2**32, as 65537**2 > 2**32-1. */
112 #define TINY_NUMBER     (1UL<<16)
113
114 /* Ensure enough bit space for testing 2*q. */
115 #define TEST_MAXIMUM    (1UL<<16)
116 #define TEST_MINIMUM    (QSIZE_MINIMUM + 1)
117 /* real TEST_MINIMUM    (1UL << (SHIFT_WORD - TEST_POWER)) */
118 #define TEST_POWER      (3)     /* 2**n, n < SHIFT_WORD */
119
120 /* bit operations on 32-bit words */
121 #define BIT_CLEAR(a,n)  ((a)[(n)>>SHIFT_WORD] &= ~(1L << ((n) & 31)))
122 #define BIT_SET(a,n)    ((a)[(n)>>SHIFT_WORD] |= (1L << ((n) & 31)))
123 #define BIT_TEST(a,n)   ((a)[(n)>>SHIFT_WORD] & (1L << ((n) & 31)))
124
125 /*
126  * Prime testing defines
127  */
128
129 /* Minimum number of primality tests to perform */
130 #define TRIAL_MINIMUM           (4)
131
132 /*
133  * Sieving data (XXX - move to struct)
134  */
135
136 /* sieve 2**16 */
137 static u_int32_t *TinySieve, tinybits;
138
139 /* sieve 2**30 in 2**16 parts */
140 static u_int32_t *SmallSieve, smallbits, smallbase;
141
142 /* sieve relative to the initial value */
143 static u_int32_t *LargeSieve, largewords, largetries, largenumbers;
144 static u_int32_t largebits, largememory;        /* megabytes */
145 static BIGNUM *largebase;
146
147
148 /*
149  * print moduli out in consistent form,
150  */
151 static int
152 qfileout(FILE * ofile, u_int32_t otype, u_int32_t otests, u_int32_t otries,
153     u_int32_t osize, u_int32_t ogenerator, BIGNUM * omodulus)
154 {
155         struct tm *gtm;
156         time_t time_now;
157         int res;
158
159         time(&time_now);
160         gtm = gmtime(&time_now);
161
162         res = fprintf(ofile, "%04d%02d%02d%02d%02d%02d %u %u %u %u %x ",
163             gtm->tm_year + 1900, gtm->tm_mon + 1, gtm->tm_mday,
164             gtm->tm_hour, gtm->tm_min, gtm->tm_sec,
165             otype, otests, otries, osize, ogenerator);
166
167         if (res < 0)
168                 return (-1);
169
170         if (BN_print_fp(ofile, omodulus) < 1)
171                 return (-1);
172
173         res = fprintf(ofile, "\n");
174         fflush(ofile);
175
176         return (res > 0 ? 0 : -1);
177 }
178
179
180 /*
181  ** Sieve p's and q's with small factors
182  */
183 static void
184 sieve_large(u_int32_t s)
185 {
186         u_int32_t r, u;
187
188         debug3("sieve_large %u", s);
189         largetries++;
190         /* r = largebase mod s */
191         r = BN_mod_word(largebase, s);
192         if (r == 0)
193                 u = 0; /* s divides into largebase exactly */
194         else
195                 u = s - r; /* largebase+u is first entry divisible by s */
196
197         if (u < largebits * 2) {
198                 /*
199                  * The sieve omits p's and q's divisible by 2, so ensure that
200                  * largebase+u is odd. Then, step through the sieve in
201                  * increments of 2*s
202                  */
203                 if (u & 0x1)
204                         u += s; /* Make largebase+u odd, and u even */
205
206                 /* Mark all multiples of 2*s */
207                 for (u /= 2; u < largebits; u += s)
208                         BIT_SET(LargeSieve, u);
209         }
210
211         /* r = p mod s */
212         r = (2 * r + 1) % s;
213         if (r == 0)
214                 u = 0; /* s divides p exactly */
215         else
216                 u = s - r; /* p+u is first entry divisible by s */
217
218         if (u < largebits * 4) {
219                 /*
220                  * The sieve omits p's divisible by 4, so ensure that
221                  * largebase+u is not. Then, step through the sieve in
222                  * increments of 4*s
223                  */
224                 while (u & 0x3) {
225                         if (SMALL_MAXIMUM - u < s)
226                                 return;
227                         u += s;
228                 }
229
230                 /* Mark all multiples of 4*s */
231                 for (u /= 4; u < largebits; u += s)
232                         BIT_SET(LargeSieve, u);
233         }
234 }
235
236 /*
237  * list candidates for Sophie-Germain primes (where q = (p-1)/2)
238  * to standard output.
239  * The list is checked against small known primes (less than 2**30).
240  */
241 int
242 gen_candidates(FILE *out, int memory, int power, BIGNUM *start)
243 {
244         BIGNUM *q;
245         u_int32_t j, r, s, t;
246         u_int32_t smallwords = TINY_NUMBER >> 6;
247         u_int32_t tinywords = TINY_NUMBER >> 6;
248         time_t time_start, time_stop;
249         int i, ret = 0;
250
251         largememory = memory;
252
253         if (memory != 0 &&
254            (memory < LARGE_MINIMUM || memory > LARGE_MAXIMUM)) {
255                 error("Invalid memory amount (min %ld, max %ld)",
256                     LARGE_MINIMUM, LARGE_MAXIMUM);
257                 return (-1);
258         }
259
260         /*
261          * Set power to the length in bits of the prime to be generated.
262          * This is changed to 1 less than the desired safe prime moduli p.
263          */
264         if (power > TEST_MAXIMUM) {
265                 error("Too many bits: %u > %lu", power, TEST_MAXIMUM);
266                 return (-1);
267         } else if (power < TEST_MINIMUM) {
268                 error("Too few bits: %u < %u", power, TEST_MINIMUM);
269                 return (-1);
270         }
271         power--; /* decrement before squaring */
272
273         /*
274          * The density of ordinary primes is on the order of 1/bits, so the
275          * density of safe primes should be about (1/bits)**2. Set test range
276          * to something well above bits**2 to be reasonably sure (but not
277          * guaranteed) of catching at least one safe prime.
278          */
279         largewords = ((power * power) >> (SHIFT_WORD - TEST_POWER));
280
281         /*
282          * Need idea of how much memory is available. We don't have to use all
283          * of it.
284          */
285         if (largememory > LARGE_MAXIMUM) {
286                 logit("Limited memory: %u MB; limit %lu MB",
287                     largememory, LARGE_MAXIMUM);
288                 largememory = LARGE_MAXIMUM;
289         }
290
291         if (largewords <= (largememory << SHIFT_MEGAWORD)) {
292                 logit("Increased memory: %u MB; need %u bytes",
293                     largememory, (largewords << SHIFT_BYTE));
294                 largewords = (largememory << SHIFT_MEGAWORD);
295         } else if (largememory > 0) {
296                 logit("Decreased memory: %u MB; want %u bytes",
297                     largememory, (largewords << SHIFT_BYTE));
298                 largewords = (largememory << SHIFT_MEGAWORD);
299         }
300
301         TinySieve = calloc(tinywords, sizeof(u_int32_t));
302         if (TinySieve == NULL) {
303                 error("Insufficient memory for tiny sieve: need %u bytes",
304                     tinywords << SHIFT_BYTE);
305                 exit(1);
306         }
307         tinybits = tinywords << SHIFT_WORD;
308
309         SmallSieve = calloc(smallwords, sizeof(u_int32_t));
310         if (SmallSieve == NULL) {
311                 error("Insufficient memory for small sieve: need %u bytes",
312                     smallwords << SHIFT_BYTE);
313                 xfree(TinySieve);
314                 exit(1);
315         }
316         smallbits = smallwords << SHIFT_WORD;
317
318         /*
319          * dynamically determine available memory
320          */
321         while ((LargeSieve = calloc(largewords, sizeof(u_int32_t))) == NULL)
322                 largewords -= (1L << (SHIFT_MEGAWORD - 2)); /* 1/4 MB chunks */
323
324         largebits = largewords << SHIFT_WORD;
325         largenumbers = largebits * 2;   /* even numbers excluded */
326
327         /* validation check: count the number of primes tried */
328         largetries = 0;
329         q = BN_new();
330
331         /*
332          * Generate random starting point for subprime search, or use
333          * specified parameter.
334          */
335         largebase = BN_new();
336         if (start == NULL)
337                 BN_rand(largebase, power, 1, 1);
338         else
339                 BN_copy(largebase, start);
340
341         /* ensure odd */
342         BN_set_bit(largebase, 0);
343
344         time(&time_start);
345
346         logit("%.24s Sieve next %u plus %u-bit", ctime(&time_start),
347             largenumbers, power);
348         debug2("start point: 0x%s", BN_bn2hex(largebase));
349
350         /*
351          * TinySieve
352          */
353         for (i = 0; i < tinybits; i++) {
354                 if (BIT_TEST(TinySieve, i))
355                         continue; /* 2*i+3 is composite */
356
357                 /* The next tiny prime */
358                 t = 2 * i + 3;
359
360                 /* Mark all multiples of t */
361                 for (j = i + t; j < tinybits; j += t)
362                         BIT_SET(TinySieve, j);
363
364                 sieve_large(t);
365         }
366
367         /*
368          * Start the small block search at the next possible prime. To avoid
369          * fencepost errors, the last pass is skipped.
370          */
371         for (smallbase = TINY_NUMBER + 3;
372              smallbase < (SMALL_MAXIMUM - TINY_NUMBER);
373              smallbase += TINY_NUMBER) {
374                 for (i = 0; i < tinybits; i++) {
375                         if (BIT_TEST(TinySieve, i))
376                                 continue; /* 2*i+3 is composite */
377
378                         /* The next tiny prime */
379                         t = 2 * i + 3;
380                         r = smallbase % t;
381
382                         if (r == 0) {
383                                 s = 0; /* t divides into smallbase exactly */
384                         } else {
385                                 /* smallbase+s is first entry divisible by t */
386                                 s = t - r;
387                         }
388
389                         /*
390                          * The sieve omits even numbers, so ensure that
391                          * smallbase+s is odd. Then, step through the sieve
392                          * in increments of 2*t
393                          */
394                         if (s & 1)
395                                 s += t; /* Make smallbase+s odd, and s even */
396
397                         /* Mark all multiples of 2*t */
398                         for (s /= 2; s < smallbits; s += t)
399                                 BIT_SET(SmallSieve, s);
400                 }
401
402                 /*
403                  * SmallSieve
404                  */
405                 for (i = 0; i < smallbits; i++) {
406                         if (BIT_TEST(SmallSieve, i))
407                                 continue; /* 2*i+smallbase is composite */
408
409                         /* The next small prime */
410                         sieve_large((2 * i) + smallbase);
411                 }
412
413                 memset(SmallSieve, 0, smallwords << SHIFT_BYTE);
414         }
415
416         time(&time_stop);
417
418         logit("%.24s Sieved with %u small primes in %ld seconds",
419             ctime(&time_stop), largetries, (long) (time_stop - time_start));
420
421         for (j = r = 0; j < largebits; j++) {
422                 if (BIT_TEST(LargeSieve, j))
423                         continue; /* Definitely composite, skip */
424
425                 debug2("test q = largebase+%u", 2 * j);
426                 BN_set_word(q, 2 * j);
427                 BN_add(q, q, largebase);
428                 if (qfileout(out, QTYPE_SOPHIE_GERMAIN, QTEST_SIEVE,
429                     largetries, (power - 1) /* MSB */, (0), q) == -1) {
430                         ret = -1;
431                         break;
432                 }
433
434                 r++; /* count q */
435         }
436
437         time(&time_stop);
438
439         xfree(LargeSieve);
440         xfree(SmallSieve);
441         xfree(TinySieve);
442
443         logit("%.24s Found %u candidates", ctime(&time_stop), r);
444
445         return (ret);
446 }
447
448 /*
449  * perform a Miller-Rabin primality test
450  * on the list of candidates
451  * (checking both q and p)
452  * The result is a list of so-call "safe" primes
453  */
454 int
455 prime_test(FILE *in, FILE *out, u_int32_t trials, u_int32_t generator_wanted)
456 {
457         BIGNUM *q, *p, *a;
458         BN_CTX *ctx;
459         char *cp, *lp;
460         u_int32_t count_in = 0, count_out = 0, count_possible = 0;
461         u_int32_t generator_known, in_tests, in_tries, in_type, in_size;
462         time_t time_start, time_stop;
463         int res;
464
465         if (trials < TRIAL_MINIMUM) {
466                 error("Minimum primality trials is %d", TRIAL_MINIMUM);
467                 return (-1);
468         }
469
470         time(&time_start);
471
472         p = BN_new();
473         q = BN_new();
474         ctx = BN_CTX_new();
475
476         debug2("%.24s Final %u Miller-Rabin trials (%x generator)",
477             ctime(&time_start), trials, generator_wanted);
478
479         res = 0;
480         lp = xmalloc(QLINESIZE + 1);
481         while (fgets(lp, QLINESIZE, in) != NULL) {
482                 int ll = strlen(lp);
483
484                 count_in++;
485                 if (ll < 14 || *lp == '!' || *lp == '#') {
486                         debug2("%10u: comment or short line", count_in);
487                         continue;
488                 }
489
490                 /* XXX - fragile parser */
491                 /* time */
492                 cp = &lp[14];   /* (skip) */
493
494                 /* type */
495                 in_type = strtoul(cp, &cp, 10);
496
497                 /* tests */
498                 in_tests = strtoul(cp, &cp, 10);
499
500                 if (in_tests & QTEST_COMPOSITE) {
501                         debug2("%10u: known composite", count_in);
502                         continue;
503                 }
504
505                 /* tries */
506                 in_tries = strtoul(cp, &cp, 10);
507
508                 /* size (most significant bit) */
509                 in_size = strtoul(cp, &cp, 10);
510
511                 /* generator (hex) */
512                 generator_known = strtoul(cp, &cp, 16);
513
514                 /* Skip white space */
515                 cp += strspn(cp, " ");
516
517                 /* modulus (hex) */
518                 switch (in_type) {
519                 case QTYPE_SOPHIE_GERMAIN:
520                         debug2("%10u: (%u) Sophie-Germain", count_in, in_type);
521                         a = q;
522                         BN_hex2bn(&a, cp);
523                         /* p = 2*q + 1 */
524                         BN_lshift(p, q, 1);
525                         BN_add_word(p, 1);
526                         in_size += 1;
527                         generator_known = 0;
528                         break;
529                 case QTYPE_UNSTRUCTURED:
530                 case QTYPE_SAFE:
531                 case QTYPE_SCHNOOR:
532                 case QTYPE_STRONG:
533                 case QTYPE_UNKNOWN:
534                         debug2("%10u: (%u)", count_in, in_type);
535                         a = p;
536                         BN_hex2bn(&a, cp);
537                         /* q = (p-1) / 2 */
538                         BN_rshift(q, p, 1);
539                         break;
540                 default:
541                         debug2("Unknown prime type");
542                         break;
543                 }
544
545                 /*
546                  * due to earlier inconsistencies in interpretation, check
547                  * the proposed bit size.
548                  */
549                 if (BN_num_bits(p) != (in_size + 1)) {
550                         debug2("%10u: bit size %u mismatch", count_in, in_size);
551                         continue;
552                 }
553                 if (in_size < QSIZE_MINIMUM) {
554                         debug2("%10u: bit size %u too short", count_in, in_size);
555                         continue;
556                 }
557
558                 if (in_tests & QTEST_MILLER_RABIN)
559                         in_tries += trials;
560                 else
561                         in_tries = trials;
562
563                 /*
564                  * guess unknown generator
565                  */
566                 if (generator_known == 0) {
567                         if (BN_mod_word(p, 24) == 11)
568                                 generator_known = 2;
569                         else if (BN_mod_word(p, 12) == 5)
570                                 generator_known = 3;
571                         else {
572                                 u_int32_t r = BN_mod_word(p, 10);
573
574                                 if (r == 3 || r == 7)
575                                         generator_known = 5;
576                         }
577                 }
578                 /*
579                  * skip tests when desired generator doesn't match
580                  */
581                 if (generator_wanted > 0 &&
582                     generator_wanted != generator_known) {
583                         debug2("%10u: generator %d != %d",
584                             count_in, generator_known, generator_wanted);
585                         continue;
586                 }
587
588                 /*
589                  * Primes with no known generator are useless for DH, so
590                  * skip those.
591                  */
592                 if (generator_known == 0) {
593                         debug2("%10u: no known generator", count_in);
594                         continue;
595                 }
596
597                 count_possible++;
598
599                 /*
600                  * The (1/4)^N performance bound on Miller-Rabin is
601                  * extremely pessimistic, so don't spend a lot of time
602                  * really verifying that q is prime until after we know
603                  * that p is also prime. A single pass will weed out the
604                  * vast majority of composite q's.
605                  */
606                 if (BN_is_prime(q, 1, NULL, ctx, NULL) <= 0) {
607                         debug("%10u: q failed first possible prime test",
608                             count_in);
609                         continue;
610                 }
611
612                 /*
613                  * q is possibly prime, so go ahead and really make sure
614                  * that p is prime. If it is, then we can go back and do
615                  * the same for q. If p is composite, chances are that
616                  * will show up on the first Rabin-Miller iteration so it
617                  * doesn't hurt to specify a high iteration count.
618                  */
619                 if (!BN_is_prime(p, trials, NULL, ctx, NULL)) {
620                         debug("%10u: p is not prime", count_in);
621                         continue;
622                 }
623                 debug("%10u: p is almost certainly prime", count_in);
624
625                 /* recheck q more rigorously */
626                 if (!BN_is_prime(q, trials - 1, NULL, ctx, NULL)) {
627                         debug("%10u: q is not prime", count_in);
628                         continue;
629                 }
630                 debug("%10u: q is almost certainly prime", count_in);
631
632                 if (qfileout(out, QTYPE_SAFE, (in_tests | QTEST_MILLER_RABIN),
633                     in_tries, in_size, generator_known, p)) {
634                         res = -1;
635                         break;
636                 }
637
638                 count_out++;
639         }
640
641         time(&time_stop);
642         xfree(lp);
643         BN_free(p);
644         BN_free(q);
645         BN_CTX_free(ctx);
646
647         logit("%.24s Found %u safe primes of %u candidates in %ld seconds",
648             ctime(&time_stop), count_out, count_possible,
649             (long) (time_stop - time_start));
650
651         return (res);
652 }
This page took 0.107732 seconds and 5 git commands to generate.