crypto/openssh/sntrup761.c

   1 /*  $OpenBSD: sntrup761.c,v 1.5 2021/01/08 02:33:13 dtucker Exp $ */
   2
   3 /*
   4  * Public Domain, Authors:
   5  * - Daniel J. Bernstein
   6  * - Chitchanok Chuengsatiansup
   7  * - Tanja Lange
   8  * - Christine van Vredendaal
   9  */
  10
  11 #include "includes.h"
  12
  13 #ifdef USE_SNTRUP761X25519
  14
  15 #include <string.h>
  16 #include "crypto_api.h"
  17
  18 #define int8 crypto_int8
  19 #define uint8 crypto_uint8
  20 #define int16 crypto_int16
  21 #define uint16 crypto_uint16
  22 #define int32 crypto_int32
  23 #define uint32 crypto_uint32
  24 #define int64 crypto_int64
  25 #define uint64 crypto_uint64
  26
  27 /* from supercop-20201130/crypto_sort/int32/portable4/int32_minmax.inc */
  28 #define int32_MINMAX(a,b) \
  29 do { \
  30   int64_t ab = (int64_t)b ^ (int64_t)a; \
  31   int64_t c = (int64_t)b - (int64_t)a; \
  32   c ^= ab & (c ^ b); \
  33   c >>= 31; \
  34   c &= ab; \
  35   a ^= c; \
  36   b ^= c; \
  37 } while(0)
  38
  39 /* from supercop-20201130/crypto_sort/int32/portable4/sort.c */
  40
  41
  42 static void crypto_sort_int32(void *array,long long n)
  43 {
  44   long long top,p,q,r,i,j;
  45   int32 *x = array;
  46
  47   if (n < 2) return;
  48   top = 1;
  49   while (top < n - top) top += top;
  50
  51   for (p = top;p >= 1;p >>= 1) {
  52     i = 0;
  53     while (i + 2 * p <= n) {
  54       for (j = i;j < i + p;++j)
  55         int32_MINMAX(x[j],x[j+p]);
  56       i += 2 * p;
  57     }
  58     for (j = i;j < n - p;++j)
  59       int32_MINMAX(x[j],x[j+p]);
  60
  61     i = 0;
  62     j = 0;
  63     for (q = top;q > p;q >>= 1) {
  64       if (j != i) for (;;) {
  65         if (j == n - q) goto done;
  66         int32 a = x[j + p];
  67         for (r = q;r > p;r >>= 1)
  68           int32_MINMAX(a,x[j + r]);
  69         x[j + p] = a;
  70         ++j;
  71         if (j == i + p) {
  72           i += 2 * p;
  73           break;
  74         }
  75       }
  76       while (i + p <= n - q) {
  77         for (j = i;j < i + p;++j) {
  78           int32 a = x[j + p];
  79           for (r = q;r > p;r >>= 1)
  80             int32_MINMAX(a,x[j+r]);
  81           x[j + p] = a;
  82         }
  83         i += 2 * p;
  84       }
  85       /* now i + p > n - q */
  86       j = i;
  87       while (j < n - q) {
  88         int32 a = x[j + p];
  89         for (r = q;r > p;r >>= 1)
  90           int32_MINMAX(a,x[j+r]);
  91         x[j + p] = a;
  92         ++j;
  93       }
  94
  95       done: ;
  96     }
  97   }
  98 }
  99
 100 /* from supercop-20201130/crypto_sort/uint32/useint32/sort.c */
 101
 102 /* can save time by vectorizing xor loops */
 103 /* can save time by integrating xor loops with int32_sort */
 104
 105 static void crypto_sort_uint32(void *array,long long n)
 106 {
 107   crypto_uint32 *x = array;
 108   long long j;
 109   for (j = 0;j < n;++j) x[j] ^= 0x80000000;
 110   crypto_sort_int32(array,n);
 111   for (j = 0;j < n;++j) x[j] ^= 0x80000000;
 112 }
 113
 114 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/uint32.c */
 115
 116 /*
 117 CPU division instruction typically takes time depending on x.
 118 This software is designed to take time independent of x.
 119 Time still varies depending on m; user must ensure that m is constant.
 120 Time also varies on CPUs where multiplication is variable-time.
 121 There could be more CPU issues.
 122 There could also be compiler issues.
 123 */
 124
 125 static void uint32_divmod_uint14(uint32 *q,uint16 *r,uint32 x,uint16 m)
 126 {
 127   uint32 v = 0x80000000;
 128   uint32 qpart;
 129   uint32 mask;
 130
 131   v /= m;
 132
 133   /* caller guarantees m > 0 */
 134   /* caller guarantees m < 16384 */
 135   /* vm <= 2^31 <= vm+m-1 */
 136   /* xvm <= 2^31 x <= xvm+x(m-1) */
 137
 138   *q = 0;
 139
 140   qpart = (x*(uint64)v)>>31;
 141   /* 2^31 qpart <= xv <= 2^31 qpart + 2^31-1 */
 142   /* 2^31 qpart m <= xvm <= 2^31 qpart m + (2^31-1)m */
 143   /* 2^31 qpart m <= 2^31 x <= 2^31 qpart m + (2^31-1)m + x(m-1) */
 144   /* 0 <= 2^31 newx <= (2^31-1)m + x(m-1) */
 145   /* 0 <= newx <= (1-1/2^31)m + x(m-1)/2^31 */
 146   /* 0 <= newx <= (1-1/2^31)(2^14-1) + (2^32-1)((2^14-1)-1)/2^31 */
 147
 148   x -= qpart*m; *q += qpart;
 149   /* x <= 49146 */
 150
 151   qpart = (x*(uint64)v)>>31;
 152   /* 0 <= newx <= (1-1/2^31)m + x(m-1)/2^31 */
 153   /* 0 <= newx <= m + 49146(2^14-1)/2^31 */
 154   /* 0 <= newx <= m + 0.4 */
 155   /* 0 <= newx <= m */
 156
 157   x -= qpart*m; *q += qpart;
 158   /* x <= m */
 159
 160   x -= m; *q += 1;
 161   mask = -(x>>31);
 162   x += mask&(uint32)m; *q += mask;
 163   /* x < m */
 164
 165   *r = x;
 166 }
 167
 168
 169 static uint16 uint32_mod_uint14(uint32 x,uint16 m)
 170 {
 171   uint32 q;
 172   uint16 r;
 173   uint32_divmod_uint14(&q,&r,x,m);
 174   return r;
 175 }
 176
 177 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/int32.c */
 178
 179 static void int32_divmod_uint14(int32 *q,uint16 *r,int32 x,uint16 m)
 180 {
 181   uint32 uq,uq2;
 182   uint16 ur,ur2;
 183   uint32 mask;
 184
 185   uint32_divmod_uint14(&uq,&ur,0x80000000+(uint32)x,m);
 186   uint32_divmod_uint14(&uq2,&ur2,0x80000000,m);
 187   ur -= ur2; uq -= uq2;
 188   mask = -(uint32)(ur>>15);
 189   ur += mask&m; uq += mask;
 190   *r = ur; *q = uq;
 191 }
 192
 193
 194 static uint16 int32_mod_uint14(int32 x,uint16 m)
 195 {
 196   int32 q;
 197   uint16 r;
 198   int32_divmod_uint14(&q,&r,x,m);
 199   return r;
 200 }
 201
 202 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/paramsmenu.h */
 203 /* pick one of these three: */
 204 #define SIZE761
 205 #undef SIZE653
 206 #undef SIZE857
 207
 208 /* pick one of these two: */
 209 #define SNTRUP /* Streamlined NTRU Prime */
 210 #undef LPR /* NTRU LPRime */
 211
 212 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/params.h */
 213 #ifndef params_H
 214 #define params_H
 215
 216 /* menu of parameter choices: */
 217
 218
 219 /* what the menu means: */
 220
 221 #if defined(SIZE761)
 222 #define p 761
 223 #define q 4591
 224 #define Rounded_bytes 1007
 225 #ifndef LPR
 226 #define Rq_bytes 1158
 227 #define w 286
 228 #else
 229 #define w 250
 230 #define tau0 2156
 231 #define tau1 114
 232 #define tau2 2007
 233 #define tau3 287
 234 #endif
 235
 236 #elif defined(SIZE653)
 237 #define p 653
 238 #define q 4621
 239 #define Rounded_bytes 865
 240 #ifndef LPR
 241 #define Rq_bytes 994
 242 #define w 288
 243 #else
 244 #define w 252
 245 #define tau0 2175
 246 #define tau1 113
 247 #define tau2 2031
 248 #define tau3 290
 249 #endif
 250
 251 #elif defined(SIZE857)
 252 #define p 857
 253 #define q 5167
 254 #define Rounded_bytes 1152
 255 #ifndef LPR
 256 #define Rq_bytes 1322
 257 #define w 322
 258 #else
 259 #define w 281
 260 #define tau0 2433
 261 #define tau1 101
 262 #define tau2 2265
 263 #define tau3 324
 264 #endif
 265
 266 #else
 267 #error "no parameter set defined"
 268 #endif
 269
 270 #ifdef LPR
 271 #define I 256
 272 #endif
 273
 274 #endif
 275
 276 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/Decode.h */
 277 #ifndef Decode_H
 278 #define Decode_H
 279
 280
 281 /* Decode(R,s,M,len) */
 282 /* assumes 0 < M[i] < 16384 */
 283 /* produces 0 <= R[i] < M[i] */
 284
 285 #endif
 286
 287 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/Decode.c */
 288
 289 static void Decode(uint16 *out,const unsigned char *S,const uint16 *M,long long len)
 290 {
 291   if (len == 1) {
 292     if (M[0] == 1)
 293       *out = 0;
 294     else if (M[0] <= 256)
 295       *out = uint32_mod_uint14(S[0],M[0]);
 296     else
 297       *out = uint32_mod_uint14(S[0]+(((uint16)S[1])<<8),M[0]);
 298   }
 299   if (len > 1) {
 300     uint16 R2[(len+1)/2];
 301     uint16 M2[(len+1)/2];
 302     uint16 bottomr[len/2];
 303     uint32 bottomt[len/2];
 304     long long i;
 305     for (i = 0;i < len-1;i += 2) {
 306       uint32 m = M[i]*(uint32) M[i+1];
 307       if (m > 256*16383) {
 308         bottomt[i/2] = 256*256;
 309         bottomr[i/2] = S[0]+256*S[1];
 310         S += 2;
 311         M2[i/2] = (((m+255)>>8)+255)>>8;
 312       } else if (m >= 16384) {
 313         bottomt[i/2] = 256;
 314         bottomr[i/2] = S[0];
 315         S += 1;
 316         M2[i/2] = (m+255)>>8;
 317       } else {
 318         bottomt[i/2] = 1;
 319         bottomr[i/2] = 0;
 320         M2[i/2] = m;
 321       }
 322     }
 323     if (i < len)
 324       M2[i/2] = M[i];
 325     Decode(R2,S,M2,(len+1)/2);
 326     for (i = 0;i < len-1;i += 2) {
 327       uint32 r = bottomr[i/2];
 328       uint32 r1;
 329       uint16 r0;
 330       r += bottomt[i/2]*R2[i/2];
 331       uint32_divmod_uint14(&r1,&r0,r,M[i]);
 332       r1 = uint32_mod_uint14(r1,M[i+1]); /* only needed for invalid inputs */
 333       *out++ = r0;
 334       *out++ = r1;
 335     }
 336     if (i < len)
 337       *out++ = R2[i/2];
 338   }
 339 }
 340
 341 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/Encode.h */
 342 #ifndef Encode_H
 343 #define Encode_H
 344
 345
 346 /* Encode(s,R,M,len) */
 347 /* assumes 0 <= R[i] < M[i] < 16384 */
 348
 349 #endif
 350
 351 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/Encode.c */
 352
 353 /* 0 <= R[i] < M[i] < 16384 */
 354 static void Encode(unsigned char *out,const uint16 *R,const uint16 *M,long long len)
 355 {
 356   if (len == 1) {
 357     uint16 r = R[0];
 358     uint16 m = M[0];
 359     while (m > 1) {
 360       *out++ = r;
 361       r >>= 8;
 362       m = (m+255)>>8;
 363     }
 364   }
 365   if (len > 1) {
 366     uint16 R2[(len+1)/2];
 367     uint16 M2[(len+1)/2];
 368     long long i;
 369     for (i = 0;i < len-1;i += 2) {
 370       uint32 m0 = M[i];
 371       uint32 r = R[i]+R[i+1]*m0;
 372       uint32 m = M[i+1]*m0;
 373       while (m >= 16384) {
 374         *out++ = r;
 375         r >>= 8;
 376         m = (m+255)>>8;
 377       }
 378       R2[i/2] = r;
 379       M2[i/2] = m;
 380     }
 381     if (i < len) {
 382       R2[i/2] = R[i];
 383       M2[i/2] = M[i];
 384     }
 385     Encode(out,R2,M2,(len+1)/2);
 386   }
 387 }
 388
 389 /* from supercop-20201130/crypto_kem/sntrup761/ref/kem.c */
 390
 391 #ifdef LPR
 392 #endif
 393
 394
 395 /* ----- masks */
 396
 397 #ifndef LPR
 398
 399 /* return -1 if x!=0; else return 0 */
 400 static int int16_nonzero_mask(int16 x)
 401 {
 402   uint16 u = x; /* 0, else 1...65535 */
 403   uint32 v = u; /* 0, else 1...65535 */
 404   v = -v; /* 0, else 2^32-65535...2^32-1 */
 405   v >>= 31; /* 0, else 1 */
 406   return -v; /* 0, else -1 */
 407 }
 408
 409 #endif
 410
 411 /* return -1 if x<0; otherwise return 0 */
 412 static int int16_negative_mask(int16 x)
 413 {
 414   uint16 u = x;
 415   u >>= 15;
 416   return -(int) u;
 417   /* alternative with gcc -fwrapv: */
 418   /* x>>15 compiles to CPU's arithmetic right shift */
 419 }
 420
 421 /* ----- arithmetic mod 3 */
 422
 423 typedef int8 small;
 424
 425 /* F3 is always represented as -1,0,1 */
 426 /* so ZZ_fromF3 is a no-op */
 427
 428 /* x must not be close to top int16 */
 429 static small F3_freeze(int16 x)
 430 {
 431   return int32_mod_uint14(x+1,3)-1;
 432 }
 433
 434 /* ----- arithmetic mod q */
 435
 436 #define q12 ((q-1)/2)
 437 typedef int16 Fq;
 438 /* always represented as -q12...q12 */
 439 /* so ZZ_fromFq is a no-op */
 440
 441 /* x must not be close to top int32 */
 442 static Fq Fq_freeze(int32 x)
 443 {
 444   return int32_mod_uint14(x+q12,q)-q12;
 445 }
 446
 447 #ifndef LPR
 448
 449 static Fq Fq_recip(Fq a1)
 450 {
 451   int i = 1;
 452   Fq ai = a1;
 453
 454   while (i < q-2) {
 455     ai = Fq_freeze(a1*(int32)ai);
 456     i += 1;
 457   }
 458   return ai;
 459 }
 460
 461 #endif
 462
 463 /* ----- Top and Right */
 464
 465 #ifdef LPR
 466 #define tau 16
 467
 468 static int8 Top(Fq C)
 469 {
 470   return (tau1*(int32)(C+tau0)+16384)>>15;
 471 }
 472
 473 static Fq Right(int8 T)
 474 {
 475   return Fq_freeze(tau3*(int32)T-tau2);
 476 }
 477 #endif
 478
 479 /* ----- small polynomials */
 480
 481 #ifndef LPR
 482
 483 /* 0 if Weightw_is(r), else -1 */
 484 static int Weightw_mask(small *r)
 485 {
 486   int weight = 0;
 487   int i;
 488
 489   for (i = 0;i < p;++i) weight += r[i]&1;
 490   return int16_nonzero_mask(weight-w);
 491 }
 492
 493 /* R3_fromR(R_fromRq(r)) */
 494 static void R3_fromRq(small *out,const Fq *r)
 495 {
 496   int i;
 497   for (i = 0;i < p;++i) out[i] = F3_freeze(r[i]);
 498 }
 499
 500 /* h = f*g in the ring R3 */
 501 static void R3_mult(small *h,const small *f,const small *g)
 502 {
 503   small fg[p+p-1];
 504   small result;
 505   int i,j;
 506
 507   for (i = 0;i < p;++i) {
 508     result = 0;
 509     for (j = 0;j <= i;++j) result = F3_freeze(result+f[j]*g[i-j]);
 510     fg[i] = result;
 511   }
 512   for (i = p;i < p+p-1;++i) {
 513     result = 0;
 514     for (j = i-p+1;j < p;++j) result = F3_freeze(result+f[j]*g[i-j]);
 515     fg[i] = result;
 516   }
 517
 518   for (i = p+p-2;i >= p;--i) {
 519     fg[i-p] = F3_freeze(fg[i-p]+fg[i]);
 520     fg[i-p+1] = F3_freeze(fg[i-p+1]+fg[i]);
 521   }
 522
 523   for (i = 0;i < p;++i) h[i] = fg[i];
 524 }
 525
 526 /* returns 0 if recip succeeded; else -1 */
 527 static int R3_recip(small *out,const small *in)
 528 {
 529   small f[p+1],g[p+1],v[p+1],r[p+1];
 530   int i,loop,delta;
 531   int sign,swap,t;
 532
 533   for (i = 0;i < p+1;++i) v[i] = 0;
 534   for (i = 0;i < p+1;++i) r[i] = 0;
 535   r[0] = 1;
 536   for (i = 0;i < p;++i) f[i] = 0;
 537   f[0] = 1; f[p-1] = f[p] = -1;
 538   for (i = 0;i < p;++i) g[p-1-i] = in[i];
 539   g[p] = 0;
 540
 541   delta = 1;
 542
 543   for (loop = 0;loop < 2*p-1;++loop) {
 544     for (i = p;i > 0;--i) v[i] = v[i-1];
 545     v[0] = 0;
 546
 547     sign = -g[0]*f[0];
 548     swap = int16_negative_mask(-delta) & int16_nonzero_mask(g[0]);
 549     delta ^= swap&(delta^-delta);
 550     delta += 1;
 551
 552     for (i = 0;i < p+1;++i) {
 553       t = swap&(f[i]^g[i]); f[i] ^= t; g[i] ^= t;
 554       t = swap&(v[i]^r[i]); v[i] ^= t; r[i] ^= t;
 555     }
 556
 557     for (i = 0;i < p+1;++i) g[i] = F3_freeze(g[i]+sign*f[i]);
 558     for (i = 0;i < p+1;++i) r[i] = F3_freeze(r[i]+sign*v[i]);
 559
 560     for (i = 0;i < p;++i) g[i] = g[i+1];
 561     g[p] = 0;
 562   }
 563
 564   sign = f[0];
 565   for (i = 0;i < p;++i) out[i] = sign*v[p-1-i];
 566
 567   return int16_nonzero_mask(delta);
 568 }
 569
 570 #endif
 571
 572 /* ----- polynomials mod q */
 573
 574 /* h = f*g in the ring Rq */
 575 static void Rq_mult_small(Fq *h,const Fq *f,const small *g)
 576 {
 577   Fq fg[p+p-1];
 578   Fq result;
 579   int i,j;
 580
 581   for (i = 0;i < p;++i) {
 582     result = 0;
 583     for (j = 0;j <= i;++j) result = Fq_freeze(result+f[j]*(int32)g[i-j]);
 584     fg[i] = result;
 585   }
 586   for (i = p;i < p+p-1;++i) {
 587     result = 0;
 588     for (j = i-p+1;j < p;++j) result = Fq_freeze(result+f[j]*(int32)g[i-j]);
 589     fg[i] = result;
 590   }
 591
 592   for (i = p+p-2;i >= p;--i) {
 593     fg[i-p] = Fq_freeze(fg[i-p]+fg[i]);
 594     fg[i-p+1] = Fq_freeze(fg[i-p+1]+fg[i]);
 595   }
 596
 597   for (i = 0;i < p;++i) h[i] = fg[i];
 598 }
 599
 600 #ifndef LPR
 601
 602 /* h = 3f in Rq */
 603 static void Rq_mult3(Fq *h,const Fq *f)
 604 {
 605   int i;
 606
 607   for (i = 0;i < p;++i) h[i] = Fq_freeze(3*f[i]);
 608 }
 609
 610 /* out = 1/(3*in) in Rq */
 611 /* returns 0 if recip succeeded; else -1 */
 612 static int Rq_recip3(Fq *out,const small *in)
 613 {
 614   Fq f[p+1],g[p+1],v[p+1],r[p+1];
 615   int i,loop,delta;
 616   int swap,t;
 617   int32 f0,g0;
 618   Fq scale;
 619
 620   for (i = 0;i < p+1;++i) v[i] = 0;
 621   for (i = 0;i < p+1;++i) r[i] = 0;
 622   r[0] = Fq_recip(3);
 623   for (i = 0;i < p;++i) f[i] = 0;
 624   f[0] = 1; f[p-1] = f[p] = -1;
 625   for (i = 0;i < p;++i) g[p-1-i] = in[i];
 626   g[p] = 0;
 627
 628   delta = 1;
 629
 630   for (loop = 0;loop < 2*p-1;++loop) {
 631     for (i = p;i > 0;--i) v[i] = v[i-1];
 632     v[0] = 0;
 633
 634     swap = int16_negative_mask(-delta) & int16_nonzero_mask(g[0]);
 635     delta ^= swap&(delta^-delta);
 636     delta += 1;
 637
 638     for (i = 0;i < p+1;++i) {
 639       t = swap&(f[i]^g[i]); f[i] ^= t; g[i] ^= t;
 640       t = swap&(v[i]^r[i]); v[i] ^= t; r[i] ^= t;
 641     }
 642
 643     f0 = f[0];
 644     g0 = g[0];
 645     for (i = 0;i < p+1;++i) g[i] = Fq_freeze(f0*g[i]-g0*f[i]);
 646     for (i = 0;i < p+1;++i) r[i] = Fq_freeze(f0*r[i]-g0*v[i]);
 647
 648     for (i = 0;i < p;++i) g[i] = g[i+1];
 649     g[p] = 0;
 650   }
 651
 652   scale = Fq_recip(f[0]);
 653   for (i = 0;i < p;++i) out[i] = Fq_freeze(scale*(int32)v[p-1-i]);
 654
 655   return int16_nonzero_mask(delta);
 656 }
 657
 658 #endif
 659
 660 /* ----- rounded polynomials mod q */
 661
 662 static void Round(Fq *out,const Fq *a)
 663 {
 664   int i;
 665   for (i = 0;i < p;++i) out[i] = a[i]-F3_freeze(a[i]);
 666 }
 667
 668 /* ----- sorting to generate short polynomial */
 669
 670 static void Short_fromlist(small *out,const uint32 *in)
 671 {
 672   uint32 L[p];
 673   int i;
 674
 675   for (i = 0;i < w;++i) L[i] = in[i]&(uint32)-2;
 676   for (i = w;i < p;++i) L[i] = (in[i]&(uint32)-3)|1;
 677   crypto_sort_uint32(L,p);
 678   for (i = 0;i < p;++i) out[i] = (L[i]&3)-1;
 679 }
 680
 681 /* ----- underlying hash function */
 682
 683 #define Hash_bytes 32
 684
 685 /* e.g., b = 0 means out = Hash0(in) */
 686 static void Hash_prefix(unsigned char *out,int b,const unsigned char *in,int inlen)
 687 {
 688   unsigned char x[inlen+1];
 689   unsigned char h[64];
 690   int i;
 691
 692   x[0] = b;
 693   for (i = 0;i < inlen;++i) x[i+1] = in[i];
 694   crypto_hash_sha512(h,x,inlen+1);
 695   for (i = 0;i < 32;++i) out[i] = h[i];
 696 }
 697
 698 /* ----- higher-level randomness */
 699
 700 static uint32 urandom32(void)
 701 {
 702   unsigned char c[4];
 703   uint32 out[4];
 704
 705   randombytes(c,4);
 706   out[0] = (uint32)c[0];
 707   out[1] = ((uint32)c[1])<<8;
 708   out[2] = ((uint32)c[2])<<16;
 709   out[3] = ((uint32)c[3])<<24;
 710   return out[0]+out[1]+out[2]+out[3];
 711 }
 712
 713 static void Short_random(small *out)
 714 {
 715   uint32 L[p];
 716   int i;
 717
 718   for (i = 0;i < p;++i) L[i] = urandom32();
 719   Short_fromlist(out,L);
 720 }
 721
 722 #ifndef LPR
 723
 724 static void Small_random(small *out)
 725 {
 726   int i;
 727
 728   for (i = 0;i < p;++i) out[i] = (((urandom32()&0x3fffffff)*3)>>30)-1;
 729 }
 730
 731 #endif
 732
 733 /* ----- Streamlined NTRU Prime Core */
 734
 735 #ifndef LPR
 736
 737 /* h,(f,ginv) = KeyGen() */
 738 static void KeyGen(Fq *h,small *f,small *ginv)
 739 {
 740   small g[p];
 741   Fq finv[p];
 742
 743   for (;;) {
 744     Small_random(g);
 745     if (R3_recip(ginv,g) == 0) break;
 746   }
 747   Short_random(f);
 748   Rq_recip3(finv,f); /* always works */
 749   Rq_mult_small(h,finv,g);
 750 }
 751
 752 /* c = Encrypt(r,h) */
 753 static void Encrypt(Fq *c,const small *r,const Fq *h)
 754 {
 755   Fq hr[p];
 756
 757   Rq_mult_small(hr,h,r);
 758   Round(c,hr);
 759 }
 760
 761 /* r = Decrypt(c,(f,ginv)) */
 762 static void Decrypt(small *r,const Fq *c,const small *f,const small *ginv)
 763 {
 764   Fq cf[p];
 765   Fq cf3[p];
 766   small e[p];
 767   small ev[p];
 768   int mask;
 769   int i;
 770
 771   Rq_mult_small(cf,c,f);
 772   Rq_mult3(cf3,cf);
 773   R3_fromRq(e,cf3);
 774   R3_mult(ev,e,ginv);
 775
 776   mask = Weightw_mask(ev); /* 0 if weight w, else -1 */
 777   for (i = 0;i < w;++i) r[i] = ((ev[i]^1)&~mask)^1;
 778   for (i = w;i < p;++i) r[i] = ev[i]&~mask;
 779 }
 780
 781 #endif
 782
 783 /* ----- NTRU LPRime Core */
 784
 785 #ifdef LPR
 786
 787 /* (G,A),a = KeyGen(G); leaves G unchanged */
 788 static void KeyGen(Fq *A,small *a,const Fq *G)
 789 {
 790   Fq aG[p];
 791
 792   Short_random(a);
 793   Rq_mult_small(aG,G,a);
 794   Round(A,aG);
 795 }
 796
 797 /* B,T = Encrypt(r,(G,A),b) */
 798 static void Encrypt(Fq *B,int8 *T,const int8 *r,const Fq *G,const Fq *A,const small *b)
 799 {
 800   Fq bG[p];
 801   Fq bA[p];
 802   int i;
 803
 804   Rq_mult_small(bG,G,b);
 805   Round(B,bG);
 806   Rq_mult_small(bA,A,b);
 807   for (i = 0;i < I;++i) T[i] = Top(Fq_freeze(bA[i]+r[i]*q12));
 808 }
 809
 810 /* r = Decrypt((B,T),a) */
 811 static void Decrypt(int8 *r,const Fq *B,const int8 *T,const small *a)
 812 {
 813   Fq aB[p];
 814   int i;
 815
 816   Rq_mult_small(aB,B,a);
 817   for (i = 0;i < I;++i)
 818     r[i] = -int16_negative_mask(Fq_freeze(Right(T[i])-aB[i]+4*w+1));
 819 }
 820
 821 #endif
 822
 823 /* ----- encoding I-bit inputs */
 824
 825 #ifdef LPR
 826
 827 #define Inputs_bytes (I/8)
 828 typedef int8 Inputs[I]; /* passed by reference */
 829
 830 static void Inputs_encode(unsigned char *s,const Inputs r)
 831 {
 832   int i;
 833   for (i = 0;i < Inputs_bytes;++i) s[i] = 0;
 834   for (i = 0;i < I;++i) s[i>>3] |= r[i]<<(i&7);
 835 }
 836
 837 #endif
 838
 839 /* ----- Expand */
 840
 841 #ifdef LPR
 842
 843 static const unsigned char aes_nonce[16] = {0};
 844
 845 static void Expand(uint32 *L,const unsigned char *k)
 846 {
 847   int i;
 848   crypto_stream_aes256ctr((unsigned char *) L,4*p,aes_nonce,k);
 849   for (i = 0;i < p;++i) {
 850     uint32 L0 = ((unsigned char *) L)[4*i];
 851     uint32 L1 = ((unsigned char *) L)[4*i+1];
 852     uint32 L2 = ((unsigned char *) L)[4*i+2];
 853     uint32 L3 = ((unsigned char *) L)[4*i+3];
 854     L[i] = L0+(L1<<8)+(L2<<16)+(L3<<24);
 855   }
 856 }
 857
 858 #endif
 859
 860 /* ----- Seeds */
 861
 862 #ifdef LPR
 863
 864 #define Seeds_bytes 32
 865
 866 static void Seeds_random(unsigned char *s)
 867 {
 868   randombytes(s,Seeds_bytes);
 869 }
 870
 871 #endif
 872
 873 /* ----- Generator, HashShort */
 874
 875 #ifdef LPR
 876
 877 /* G = Generator(k) */
 878 static void Generator(Fq *G,const unsigned char *k)
 879 {
 880   uint32 L[p];
 881   int i;
 882
 883   Expand(L,k);
 884   for (i = 0;i < p;++i) G[i] = uint32_mod_uint14(L[i],q)-q12;
 885 }
 886
 887 /* out = HashShort(r) */
 888 static void HashShort(small *out,const Inputs r)
 889 {
 890   unsigned char s[Inputs_bytes];
 891   unsigned char h[Hash_bytes];
 892   uint32 L[p];
 893
 894   Inputs_encode(s,r);
 895   Hash_prefix(h,5,s,sizeof s);
 896   Expand(L,h);
 897   Short_fromlist(out,L);
 898 }
 899
 900 #endif
 901
 902 /* ----- NTRU LPRime Expand */
 903
 904 #ifdef LPR
 905
 906 /* (S,A),a = XKeyGen() */
 907 static void XKeyGen(unsigned char *S,Fq *A,small *a)
 908 {
 909   Fq G[p];
 910
 911   Seeds_random(S);
 912   Generator(G,S);
 913   KeyGen(A,a,G);
 914 }
 915
 916 /* B,T = XEncrypt(r,(S,A)) */
 917 static void XEncrypt(Fq *B,int8 *T,const int8 *r,const unsigned char *S,const Fq *A)
 918 {
 919   Fq G[p];
 920   small b[p];
 921
 922   Generator(G,S);
 923   HashShort(b,r);
 924   Encrypt(B,T,r,G,A,b);
 925 }
 926
 927 #define XDecrypt Decrypt
 928
 929 #endif
 930
 931 /* ----- encoding small polynomials (including short polynomials) */
 932
 933 #define Small_bytes ((p+3)/4)
 934
 935 /* these are the only functions that rely on p mod 4 = 1 */
 936
 937 static void Small_encode(unsigned char *s,const small *f)
 938 {
 939   small x;
 940   int i;
 941
 942   for (i = 0;i < p/4;++i) {
 943     x = *f++ + 1;
 944     x += (*f++ + 1)<<2;
 945     x += (*f++ + 1)<<4;
 946     x += (*f++ + 1)<<6;
 947     *s++ = x;
 948   }
 949   x = *f++ + 1;
 950   *s++ = x;
 951 }
 952
 953 static void Small_decode(small *f,const unsigned char *s)
 954 {
 955   unsigned char x;
 956   int i;
 957
 958   for (i = 0;i < p/4;++i) {
 959     x = *s++;
 960     *f++ = ((small)(x&3))-1; x >>= 2;
 961     *f++ = ((small)(x&3))-1; x >>= 2;
 962     *f++ = ((small)(x&3))-1; x >>= 2;
 963     *f++ = ((small)(x&3))-1;
 964   }
 965   x = *s++;
 966   *f++ = ((small)(x&3))-1;
 967 }
 968
 969 /* ----- encoding general polynomials */
 970
 971 #ifndef LPR
 972
 973 static void Rq_encode(unsigned char *s,const Fq *r)
 974 {
 975   uint16 R[p],M[p];
 976   int i;
 977
 978   for (i = 0;i < p;++i) R[i] = r[i]+q12;
 979   for (i = 0;i < p;++i) M[i] = q;
 980   Encode(s,R,M,p);
 981 }
 982
 983 static void Rq_decode(Fq *r,const unsigned char *s)
 984 {
 985   uint16 R[p],M[p];
 986   int i;
 987
 988   for (i = 0;i < p;++i) M[i] = q;
 989   Decode(R,s,M,p);
 990   for (i = 0;i < p;++i) r[i] = ((Fq)R[i])-q12;
 991 }
 992
 993 #endif
 994
 995 /* ----- encoding rounded polynomials */
 996
 997 static void Rounded_encode(unsigned char *s,const Fq *r)
 998 {
 999   uint16 R[p],M[p];
1000   int i;
1001
1002   for (i = 0;i < p;++i) R[i] = ((r[i]+q12)*10923)>>15;
1003   for (i = 0;i < p;++i) M[i] = (q+2)/3;
1004   Encode(s,R,M,p);
1005 }
1006
1007 static void Rounded_decode(Fq *r,const unsigned char *s)
1008 {
1009   uint16 R[p],M[p];
1010   int i;
1011
1012   for (i = 0;i < p;++i) M[i] = (q+2)/3;
1013   Decode(R,s,M,p);
1014   for (i = 0;i < p;++i) r[i] = R[i]*3-q12;
1015 }
1016
1017 /* ----- encoding top polynomials */
1018
1019 #ifdef LPR
1020
1021 #define Top_bytes (I/2)
1022
1023 static void Top_encode(unsigned char *s,const int8 *T)
1024 {
1025   int i;
1026   for (i = 0;i < Top_bytes;++i)
1027     s[i] = T[2*i]+(T[2*i+1]<<4);
1028 }
1029
1030 static void Top_decode(int8 *T,const unsigned char *s)
1031 {
1032   int i;
1033   for (i = 0;i < Top_bytes;++i) {
1034     T[2*i] = s[i]&15;
1035     T[2*i+1] = s[i]>>4;
1036   }
1037 }
1038
1039 #endif
1040
1041 /* ----- Streamlined NTRU Prime Core plus encoding */
1042
1043 #ifndef LPR
1044
1045 typedef small Inputs[p]; /* passed by reference */
1046 #define Inputs_random Short_random
1047 #define Inputs_encode Small_encode
1048 #define Inputs_bytes Small_bytes
1049
1050 #define Ciphertexts_bytes Rounded_bytes
1051 #define SecretKeys_bytes (2*Small_bytes)
1052 #define PublicKeys_bytes Rq_bytes
1053
1054 /* pk,sk = ZKeyGen() */
1055 static void ZKeyGen(unsigned char *pk,unsigned char *sk)
1056 {
1057   Fq h[p];
1058   small f[p],v[p];
1059
1060   KeyGen(h,f,v);
1061   Rq_encode(pk,h);
1062   Small_encode(sk,f); sk += Small_bytes;
1063   Small_encode(sk,v);
1064 }
1065
1066 /* C = ZEncrypt(r,pk) */
1067 static void ZEncrypt(unsigned char *C,const Inputs r,const unsigned char *pk)
1068 {
1069   Fq h[p];
1070   Fq c[p];
1071   Rq_decode(h,pk);
1072   Encrypt(c,r,h);
1073   Rounded_encode(C,c);
1074 }
1075
1076 /* r = ZDecrypt(C,sk) */
1077 static void ZDecrypt(Inputs r,const unsigned char *C,const unsigned char *sk)
1078 {
1079   small f[p],v[p];
1080   Fq c[p];
1081
1082   Small_decode(f,sk); sk += Small_bytes;
1083   Small_decode(v,sk);
1084   Rounded_decode(c,C);
1085   Decrypt(r,c,f,v);
1086 }
1087
1088 #endif
1089
1090 /* ----- NTRU LPRime Expand plus encoding */
1091
1092 #ifdef LPR
1093
1094 #define Ciphertexts_bytes (Rounded_bytes+Top_bytes)
1095 #define SecretKeys_bytes Small_bytes
1096 #define PublicKeys_bytes (Seeds_bytes+Rounded_bytes)
1097
1098 static void Inputs_random(Inputs r)
1099 {
1100   unsigned char s[Inputs_bytes];
1101   int i;
1102
1103   randombytes(s,sizeof s);
1104   for (i = 0;i < I;++i) r[i] = 1&(s[i>>3]>>(i&7));
1105 }
1106
1107 /* pk,sk = ZKeyGen() */
1108 static void ZKeyGen(unsigned char *pk,unsigned char *sk)
1109 {
1110   Fq A[p];
1111   small a[p];
1112
1113   XKeyGen(pk,A,a); pk += Seeds_bytes;
1114   Rounded_encode(pk,A);
1115   Small_encode(sk,a);
1116 }
1117
1118 /* c = ZEncrypt(r,pk) */
1119 static void ZEncrypt(unsigned char *c,const Inputs r,const unsigned char *pk)
1120 {
1121   Fq A[p];
1122   Fq B[p];
1123   int8 T[I];
1124
1125   Rounded_decode(A,pk+Seeds_bytes);
1126   XEncrypt(B,T,r,pk,A);
1127   Rounded_encode(c,B); c += Rounded_bytes;
1128   Top_encode(c,T);
1129 }
1130
1131 /* r = ZDecrypt(C,sk) */
1132 static void ZDecrypt(Inputs r,const unsigned char *c,const unsigned char *sk)
1133 {
1134   small a[p];
1135   Fq B[p];
1136   int8 T[I];
1137
1138   Small_decode(a,sk);
1139   Rounded_decode(B,c);
1140   Top_decode(T,c+Rounded_bytes);
1141   XDecrypt(r,B,T,a);
1142 }
1143
1144 #endif
1145
1146 /* ----- confirmation hash */
1147
1148 #define Confirm_bytes 32
1149
1150 /* h = HashConfirm(r,pk,cache); cache is Hash4(pk) */
1151 static void HashConfirm(unsigned char *h,const unsigned char *r,const unsigned char *pk,const unsigned char *cache)
1152 {
1153 #ifndef LPR
1154   unsigned char x[Hash_bytes*2];
1155   int i;
1156
1157   Hash_prefix(x,3,r,Inputs_bytes);
1158   for (i = 0;i < Hash_bytes;++i) x[Hash_bytes+i] = cache[i];
1159 #else
1160   unsigned char x[Inputs_bytes+Hash_bytes];
1161   int i;
1162
1163   for (i = 0;i < Inputs_bytes;++i) x[i] = r[i];
1164   for (i = 0;i < Hash_bytes;++i) x[Inputs_bytes+i] = cache[i];
1165 #endif
1166   Hash_prefix(h,2,x,sizeof x);
1167 }
1168
1169 /* ----- session-key hash */
1170
1171 /* k = HashSession(b,y,z) */
1172 static void HashSession(unsigned char *k,int b,const unsigned char *y,const unsigned char *z)
1173 {
1174 #ifndef LPR
1175   unsigned char x[Hash_bytes+Ciphertexts_bytes+Confirm_bytes];
1176   int i;
1177
1178   Hash_prefix(x,3,y,Inputs_bytes);
1179   for (i = 0;i < Ciphertexts_bytes+Confirm_bytes;++i) x[Hash_bytes+i] = z[i];
1180 #else
1181   unsigned char x[Inputs_bytes+Ciphertexts_bytes+Confirm_bytes];
1182   int i;
1183
1184   for (i = 0;i < Inputs_bytes;++i) x[i] = y[i];
1185   for (i = 0;i < Ciphertexts_bytes+Confirm_bytes;++i) x[Inputs_bytes+i] = z[i];
1186 #endif
1187   Hash_prefix(k,b,x,sizeof x);
1188 }
1189
1190 /* ----- Streamlined NTRU Prime and NTRU LPRime */
1191
1192 /* pk,sk = KEM_KeyGen() */
1193 static void KEM_KeyGen(unsigned char *pk,unsigned char *sk)
1194 {
1195   int i;
1196
1197   ZKeyGen(pk,sk); sk += SecretKeys_bytes;
1198   for (i = 0;i < PublicKeys_bytes;++i) *sk++ = pk[i];
1199   randombytes(sk,Inputs_bytes); sk += Inputs_bytes;
1200   Hash_prefix(sk,4,pk,PublicKeys_bytes);
1201 }
1202
1203 /* c,r_enc = Hide(r,pk,cache); cache is Hash4(pk) */
1204 static void Hide(unsigned char *c,unsigned char *r_enc,const Inputs r,const unsigned char *pk,const unsigned char *cache)
1205 {
1206   Inputs_encode(r_enc,r);
1207   ZEncrypt(c,r,pk); c += Ciphertexts_bytes;
1208   HashConfirm(c,r_enc,pk,cache);
1209 }
1210
1211 /* c,k = Encap(pk) */
1212 static void Encap(unsigned char *c,unsigned char *k,const unsigned char *pk)
1213 {
1214   Inputs r;
1215   unsigned char r_enc[Inputs_bytes];
1216   unsigned char cache[Hash_bytes];
1217
1218   Hash_prefix(cache,4,pk,PublicKeys_bytes);
1219   Inputs_random(r);
1220   Hide(c,r_enc,r,pk,cache);
1221   HashSession(k,1,r_enc,c);
1222 }
1223
1224 /* 0 if matching ciphertext+confirm, else -1 */
1225 static int Ciphertexts_diff_mask(const unsigned char *c,const unsigned char *c2)
1226 {
1227   uint16 differentbits = 0;
1228   int len = Ciphertexts_bytes+Confirm_bytes;
1229
1230   while (len-- > 0) differentbits |= (*c++)^(*c2++);
1231   return (1&((differentbits-1)>>8))-1;
1232 }
1233
1234 /* k = Decap(c,sk) */
1235 static void Decap(unsigned char *k,const unsigned char *c,const unsigned char *sk)
1236 {
1237   const unsigned char *pk = sk + SecretKeys_bytes;
1238   const unsigned char *rho = pk + PublicKeys_bytes;
1239   const unsigned char *cache = rho + Inputs_bytes;
1240   Inputs r;
1241   unsigned char r_enc[Inputs_bytes];
1242   unsigned char cnew[Ciphertexts_bytes+Confirm_bytes];
1243   int mask;
1244   int i;
1245
1246   ZDecrypt(r,c,sk);
1247   Hide(cnew,r_enc,r,pk,cache);
1248   mask = Ciphertexts_diff_mask(c,cnew);
1249   for (i = 0;i < Inputs_bytes;++i) r_enc[i] ^= mask&(r_enc[i]^rho[i]);
1250   HashSession(k,1+mask,r_enc,c);
1251 }
1252
1253 /* ----- crypto_kem API */
1254
1255
1256 int crypto_kem_sntrup761_keypair(unsigned char *pk,unsigned char *sk)
1257 {
1258   KEM_KeyGen(pk,sk);
1259   return 0;
1260 }
1261
1262 int crypto_kem_sntrup761_enc(unsigned char *c,unsigned char *k,const unsigned char *pk)
1263 {
1264   Encap(c,k,pk);
1265   return 0;
1266 }
1267
1268 int crypto_kem_sntrup761_dec(unsigned char *k,const unsigned char *c,const unsigned char *sk)
1269 {
1270   Decap(k,c,sk);
1271   return 0;
1272 }
1273 #endif /* USE_SNTRUP761X25519 */