~ubuntu-branches/ubuntu/raring/heimdal/raring

« back to all changes in this revision

Viewing changes to lib/hcrypto/libtommath/tommath.tex

  • Committer: Package Import Robot
  • Author(s): Jelmer Vernooij
  • Date: 2011-10-03 23:50:05 UTC
  • mfrom: (1.1.15) (2.2.23 sid)
  • Revision ID: package-import@ubuntu.com-20111003235005-0voibbgdhyqmtp6w
Tags: 1.5.dfsg.1-3
Add conflicts with kcc to heimdal-clients. Closes: #644138

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
1
 
\documentclass[b5paper]{book}
2
 
\usepackage{hyperref}
3
 
\usepackage{makeidx}
4
 
\usepackage{amssymb}
5
 
\usepackage{color}
6
 
\usepackage{alltt}
7
 
\usepackage{graphicx}
8
 
\usepackage{layout}
9
 
\def\union{\cup}
10
 
\def\intersect{\cap}
11
 
\def\getsrandom{\stackrel{\rm R}{\gets}}
12
 
\def\cross{\times}
13
 
\def\cat{\hspace{0.5em} \| \hspace{0.5em}}
14
 
\def\catn{$\|$}
15
 
\def\divides{\hspace{0.3em} | \hspace{0.3em}}
16
 
\def\nequiv{\not\equiv}
17
 
\def\approx{\raisebox{0.2ex}{\mbox{\small $\sim$}}}
18
 
\def\lcm{{\rm lcm}}
19
 
\def\gcd{{\rm gcd}}
20
 
\def\log{{\rm log}}
21
 
\def\ord{{\rm ord}}
22
 
\def\abs{{\mathit abs}}
23
 
\def\rep{{\mathit rep}}
24
 
\def\mod{{\mathit\ mod\ }}
25
 
\renewcommand{\pmod}[1]{\ ({\rm mod\ }{#1})}
26
 
\newcommand{\floor}[1]{\left\lfloor{#1}\right\rfloor}
27
 
\newcommand{\ceil}[1]{\left\lceil{#1}\right\rceil}
28
 
\def\Or{{\rm\ or\ }}
29
 
\def\And{{\rm\ and\ }}
30
 
\def\iff{\hspace{1em}\Longleftrightarrow\hspace{1em}}
31
 
\def\implies{\Rightarrow}
32
 
\def\undefined{{\rm ``undefined"}}
33
 
\def\Proof{\vspace{1ex}\noindent {\bf Proof:}\hspace{1em}}
34
 
\let\oldphi\phi
35
 
\def\phi{\varphi}
36
 
\def\Pr{{\rm Pr}}
37
 
\newcommand{\str}[1]{{\mathbf{#1}}}
38
 
\def\F{{\mathbb F}}
39
 
\def\N{{\mathbb N}}
40
 
\def\Z{{\mathbb Z}}
41
 
\def\R{{\mathbb R}}
42
 
\def\C{{\mathbb C}}
43
 
\def\Q{{\mathbb Q}}
44
 
\definecolor{DGray}{gray}{0.5}
45
 
\newcommand{\emailaddr}[1]{\mbox{$<${#1}$>$}}
46
 
\def\twiddle{\raisebox{0.3ex}{\mbox{\tiny $\sim$}}}
47
 
\def\gap{\vspace{0.5ex}}
48
 
\makeindex
49
 
\begin{document}
50
 
\frontmatter
51
 
\pagestyle{empty}
52
 
\title{Multi--Precision Math}
53
 
\author{\mbox{
54
 
%\begin{small}
55
 
\begin{tabular}{c}
56
 
Tom St Denis \\
57
 
Algonquin College \\
58
 
\\
59
 
Mads Rasmussen \\
60
 
Open Communications Security \\
61
 
\\
62
 
Greg Rose \\
63
 
QUALCOMM Australia \\
64
 
\end{tabular}
65
 
%\end{small}
66
 
}
67
 
}
68
 
\maketitle
69
 
This text has been placed in the public domain.  This text corresponds to the v0.39 release of the 
70
 
LibTomMath project.
71
 
 
72
 
\begin{alltt}
73
 
Tom St Denis
74
 
111 Banning Rd
75
 
Ottawa, Ontario
76
 
K2L 1C3
77
 
Canada
78
 
 
79
 
Phone: 1-613-836-3160
80
 
Email: tomstdenis@gmail.com
81
 
\end{alltt}
82
 
 
83
 
This text is formatted to the international B5 paper size of 176mm wide by 250mm tall using the \LaTeX{} 
84
 
{\em book} macro package and the Perl {\em booker} package.
85
 
 
86
 
\tableofcontents
87
 
\listoffigures
88
 
\chapter*{Prefaces}
89
 
When I tell people about my LibTom projects and that I release them as public domain they are often puzzled.  
90
 
They ask why I did it and especially why I continue to work on them for free.  The best I can explain it is ``Because I can.''  
91
 
Which seems odd and perhaps too terse for adult conversation. I often qualify it with ``I am able, I am willing.'' which 
92
 
perhaps explains it better.  I am the first to admit there is not anything that special with what I have done.  Perhaps
93
 
others can see that too and then we would have a society to be proud of.  My LibTom projects are what I am doing to give 
94
 
back to society in the form of tools and knowledge that can help others in their endeavours.
95
 
 
96
 
I started writing this book because it was the most logical task to further my goal of open academia.  The LibTomMath source
97
 
code itself was written to be easy to follow and learn from.  There are times, however, where pure C source code does not
98
 
explain the algorithms properly.  Hence this book.  The book literally starts with the foundation of the library and works
99
 
itself outwards to the more complicated algorithms.  The use of both pseudo--code and verbatim source code provides a duality
100
 
of ``theory'' and ``practice'' that the computer science students of the world shall appreciate.  I never deviate too far
101
 
from relatively straightforward algebra and I hope that this book can be a valuable learning asset.
102
 
 
103
 
This book and indeed much of the LibTom projects would not exist in their current form if it was not for a plethora
104
 
of kind people donating their time, resources and kind words to help support my work.  Writing a text of significant
105
 
length (along with the source code) is a tiresome and lengthy process.  Currently the LibTom project is four years old,
106
 
comprises of literally thousands of users and over 100,000 lines of source code, TeX and other material.  People like Mads and Greg 
107
 
were there at the beginning to encourage me to work well.  It is amazing how timely validation from others can boost morale to 
108
 
continue the project. Definitely my parents were there for me by providing room and board during the many months of work in 2003.  
109
 
 
110
 
To my many friends whom I have met through the years I thank you for the good times and the words of encouragement.  I hope I
111
 
honour your kind gestures with this project.
112
 
 
113
 
Open Source.  Open Academia.  Open Minds.
114
 
 
115
 
\begin{flushright} Tom St Denis \end{flushright}
116
 
 
117
 
\newpage
118
 
I found the opportunity to work with Tom appealing for several reasons, not only could I broaden my own horizons, but also 
119
 
contribute to educate others facing the problem of having to handle big number mathematical calculations.
120
 
 
121
 
This book is Tom's child and he has been caring and fostering the project ever since the beginning with a clear mind of 
122
 
how he wanted the project to turn out. I have helped by proofreading the text and we have had several discussions about 
123
 
the layout and language used.
124
 
 
125
 
I hold a masters degree in cryptography from the University of Southern Denmark and have always been interested in the 
126
 
practical aspects of cryptography. 
127
 
 
128
 
Having worked in the security consultancy business for several years in S\~{a}o Paulo, Brazil, I have been in touch with a 
129
 
great deal of work in which multiple precision mathematics was needed. Understanding the possibilities for speeding up 
130
 
multiple precision calculations is often very important since we deal with outdated machine architecture where modular 
131
 
reductions, for example, become painfully slow.
132
 
 
133
 
This text is for people who stop and wonder when first examining algorithms such as RSA for the first time and asks 
134
 
themselves, ``You tell me this is only secure for large numbers, fine; but how do you implement these numbers?''
135
 
 
136
 
\begin{flushright}
137
 
Mads Rasmussen
138
 
 
139
 
S\~{a}o Paulo - SP
140
 
 
141
 
Brazil
142
 
\end{flushright}
143
 
 
144
 
\newpage
145
 
It's all because I broke my leg. That just happened to be at about the same time that Tom asked for someone to review the section of the book about 
146
 
Karatsuba multiplication. I was laid up, alone and immobile, and thought ``Why not?'' I vaguely knew what Karatsuba multiplication was, but not 
147
 
really, so I thought I could help, learn, and stop myself from watching daytime cable TV, all at once.
148
 
 
149
 
At the time of writing this, I've still not met Tom or Mads in meatspace. I've been following Tom's progress since his first splash on the 
150
 
sci.crypt Usenet news group. I watched him go from a clueless newbie, to the cryptographic equivalent of a reformed smoker, to a real
151
 
contributor to the field, over a period of about two years. I've been impressed with his obvious intelligence, and astounded by his productivity. 
152
 
Of course, he's young enough to be my own child, so he doesn't have my problems with staying awake.
153
 
 
154
 
When I reviewed that single section of the book, in its very earliest form, I was very pleasantly surprised. So I decided to collaborate more fully, 
155
 
and at least review all of it, and perhaps write some bits too. There's still a long way to go with it, and I have watched a number of close 
156
 
friends go through the mill of publication, so I think that the way to go is longer than Tom thinks it is. Nevertheless, it's a good effort, 
157
 
and I'm pleased to be involved with it.
158
 
 
159
 
\begin{flushright}
160
 
Greg Rose, Sydney, Australia, June 2003. 
161
 
\end{flushright}
162
 
 
163
 
\mainmatter
164
 
\pagestyle{headings}
165
 
\chapter{Introduction}
166
 
\section{Multiple Precision Arithmetic}
167
 
 
168
 
\subsection{What is Multiple Precision Arithmetic?}
169
 
When we think of long-hand arithmetic such as addition or multiplication we rarely consider the fact that we instinctively
170
 
raise or lower the precision of the numbers we are dealing with.  For example, in decimal we almost immediate can 
171
 
reason that $7$ times $6$ is $42$.  However, $42$ has two digits of precision as opposed to one digit we started with.  
172
 
Further multiplications of say $3$ result in a larger precision result $126$.  In these few examples we have multiple 
173
 
precisions for the numbers we are working with.  Despite the various levels of precision a single subset\footnote{With the occasional optimization.}
174
 
 of algorithms can be designed to accomodate them.  
175
 
 
176
 
By way of comparison a fixed or single precision operation would lose precision on various operations.  For example, in
177
 
the decimal system with fixed precision $6 \cdot 7 = 2$.
178
 
 
179
 
Essentially at the heart of computer based multiple precision arithmetic are the same long-hand algorithms taught in
180
 
schools to manually add, subtract, multiply and divide.  
181
 
 
182
 
\subsection{The Need for Multiple Precision Arithmetic}
183
 
The most prevalent need for multiple precision arithmetic, often referred to as ``bignum'' math, is within the implementation
184
 
of public-key cryptography algorithms.   Algorithms such as RSA \cite{RSAREF} and Diffie-Hellman \cite{DHREF} require 
185
 
integers of significant magnitude to resist known cryptanalytic attacks.  For example, at the time of this writing a 
186
 
typical RSA modulus would be at least greater than $10^{309}$.  However, modern programming languages such as ISO C \cite{ISOC} and 
187
 
Java \cite{JAVA} only provide instrinsic support for integers which are relatively small and single precision.
188
 
 
189
 
\begin{figure}[!here]
190
 
\begin{center}
191
 
\begin{tabular}{|r|c|}
192
 
\hline \textbf{Data Type} & \textbf{Range} \\
193
 
\hline char  & $-128 \ldots 127$ \\
194
 
\hline short & $-32768 \ldots 32767$ \\
195
 
\hline long  & $-2147483648 \ldots 2147483647$ \\
196
 
\hline long long & $-9223372036854775808 \ldots 9223372036854775807$ \\
197
 
\hline
198
 
\end{tabular}
199
 
\end{center}
200
 
\caption{Typical Data Types for the C Programming Language}
201
 
\label{fig:ISOC}
202
 
\end{figure}
203
 
 
204
 
The largest data type guaranteed to be provided by the ISO C programming 
205
 
language\footnote{As per the ISO C standard.  However, each compiler vendor is allowed to augment the precision as they 
206
 
see fit.}  can only represent values up to $10^{19}$ as shown in figure \ref{fig:ISOC}. On its own the C language is 
207
 
insufficient to accomodate the magnitude required for the problem at hand.  An RSA modulus of magnitude $10^{19}$ could be 
208
 
trivially factored\footnote{A Pollard-Rho factoring would take only $2^{16}$ time.} on the average desktop computer, 
209
 
rendering any protocol based on the algorithm insecure.  Multiple precision algorithms solve this very problem by 
210
 
extending the range of representable integers while using single precision data types.
211
 
 
212
 
Most advancements in fast multiple precision arithmetic stem from the need for faster and more efficient cryptographic 
213
 
primitives.  Faster modular reduction and exponentiation algorithms such as Barrett's algorithm, which have appeared in 
214
 
various cryptographic journals, can render algorithms such as RSA and Diffie-Hellman more efficient.  In fact, several 
215
 
major companies such as RSA Security, Certicom and Entrust have built entire product lines on the implementation and 
216
 
deployment of efficient algorithms.
217
 
 
218
 
However, cryptography is not the only field of study that can benefit from fast multiple precision integer routines.  
219
 
Another auxiliary use of multiple precision integers is high precision floating point data types.  
220
 
The basic IEEE \cite{IEEE} standard floating point type is made up of an integer mantissa $q$, an exponent $e$ and a sign bit $s$.  
221
 
Numbers are given in the form $n = q \cdot b^e \cdot -1^s$ where $b = 2$ is the most common base for IEEE.  Since IEEE 
222
 
floating point is meant to be implemented in hardware the precision of the mantissa is often fairly small 
223
 
(\textit{23, 48 and 64 bits}).  The mantissa is merely an integer and a multiple precision integer could be used to create
224
 
a mantissa of much larger precision than hardware alone can efficiently support.  This approach could be useful where 
225
 
scientific applications must minimize the total output error over long calculations.
226
 
 
227
 
Yet another use for large integers is within arithmetic on polynomials of large characteristic (i.e. $GF(p)[x]$ for large $p$).
228
 
In fact the library discussed within this text has already been used to form a polynomial basis library\footnote{See \url{http://poly.libtomcrypt.org} for more details.}.
229
 
 
230
 
\subsection{Benefits of Multiple Precision Arithmetic}
231
 
\index{precision}
232
 
The benefit of multiple precision representations over single or fixed precision representations is that 
233
 
no precision is lost while representing the result of an operation which requires excess precision.  For example, 
234
 
the product of two $n$-bit integers requires at least $2n$ bits of precision to be represented faithfully.  A multiple 
235
 
precision algorithm would augment the precision of the destination to accomodate the result while a single precision system 
236
 
would truncate excess bits to maintain a fixed level of precision.
237
 
 
238
 
It is possible to implement algorithms which require large integers with fixed precision algorithms.  For example, elliptic
239
 
curve cryptography (\textit{ECC}) is often implemented on smartcards by fixing the precision of the integers to the maximum 
240
 
size the system will ever need.  Such an approach can lead to vastly simpler algorithms which can accomodate the 
241
 
integers required even if the host platform cannot natively accomodate them\footnote{For example, the average smartcard 
242
 
processor has an 8 bit accumulator.}.  However, as efficient as such an approach may be, the resulting source code is not
243
 
normally very flexible.  It cannot, at runtime, accomodate inputs of higher magnitude than the designer anticipated.
244
 
 
245
 
Multiple precision algorithms have the most overhead of any style of arithmetic.  For the the most part the 
246
 
overhead can be kept to a minimum with careful planning, but overall, it is not well suited for most memory starved
247
 
platforms.  However, multiple precision algorithms do offer the most flexibility in terms of the magnitude of the 
248
 
inputs.  That is, the same algorithms based on multiple precision integers can accomodate any reasonable size input 
249
 
without the designer's explicit forethought.  This leads to lower cost of ownership for the code as it only has to 
250
 
be written and tested once.
251
 
 
252
 
\section{Purpose of This Text}
253
 
The purpose of this text is to instruct the reader regarding how to implement efficient multiple precision algorithms.  
254
 
That is to not only explain a limited subset of the core theory behind the algorithms but also the various ``house keeping'' 
255
 
elements that are neglected by authors of other texts on the subject.  Several well reknowned texts \cite{TAOCPV2,HAC} 
256
 
give considerably detailed explanations of the theoretical aspects of algorithms and often very little information 
257
 
regarding the practical implementation aspects.  
258
 
 
259
 
In most cases how an algorithm is explained and how it is actually implemented are two very different concepts.  For 
260
 
example, the Handbook of Applied Cryptography (\textit{HAC}), algorithm 14.7 on page 594, gives a relatively simple 
261
 
algorithm for performing multiple precision integer addition.  However, the description lacks any discussion concerning 
262
 
the fact that the two integer inputs may be of differing magnitudes.  As a result the implementation is not as simple
263
 
as the text would lead people to believe.  Similarly the division routine (\textit{algorithm 14.20, pp. 598}) does not 
264
 
discuss how to handle sign or handle the dividend's decreasing magnitude in the main loop (\textit{step \#3}).
265
 
 
266
 
Both texts also do not discuss several key optimal algorithms required such as ``Comba'' and Karatsuba multipliers 
267
 
and fast modular inversion, which we consider practical oversights.  These optimal algorithms are vital to achieve 
268
 
any form of useful performance in non-trivial applications.  
269
 
 
270
 
To solve this problem the focus of this text is on the practical aspects of implementing a multiple precision integer
271
 
package.  As a case study the ``LibTomMath''\footnote{Available at \url{http://math.libtomcrypt.com}} package is used 
272
 
to demonstrate algorithms with real implementations\footnote{In the ISO C programming language.} that have been field 
273
 
tested and work very well.  The LibTomMath library is freely available on the Internet for all uses and this text 
274
 
discusses a very large portion of the inner workings of the library.
275
 
 
276
 
The algorithms that are presented will always include at least one ``pseudo-code'' description followed 
277
 
by the actual C source code that implements the algorithm.  The pseudo-code can be used to implement the same 
278
 
algorithm in other programming languages as the reader sees fit.  
279
 
 
280
 
This text shall also serve as a walkthrough of the creation of multiple precision algorithms from scratch.  Showing
281
 
the reader how the algorithms fit together as well as where to start on various taskings.  
282
 
 
283
 
\section{Discussion and Notation}
284
 
\subsection{Notation}
285
 
A multiple precision integer of $n$-digits shall be denoted as $x = (x_{n-1}, \ldots, x_1, x_0)_{ \beta }$ and represent
286
 
the integer $x \equiv \sum_{i=0}^{n-1} x_i\beta^i$.  The elements of the array $x$ are said to be the radix $\beta$ digits 
287
 
of the integer.  For example, $x = (1,2,3)_{10}$ would represent the integer 
288
 
$1\cdot 10^2 + 2\cdot10^1 + 3\cdot10^0 = 123$.  
289
 
 
290
 
\index{mp\_int}
291
 
The term ``mp\_int'' shall refer to a composite structure which contains the digits of the integer it represents, as well 
292
 
as auxilary data required to manipulate the data.  These additional members are discussed further in section 
293
 
\ref{sec:MPINT}.  For the purposes of this text a ``multiple precision integer'' and an ``mp\_int'' are assumed to be 
294
 
synonymous.  When an algorithm is specified to accept an mp\_int variable it is assumed the various auxliary data members 
295
 
are present as well.  An expression of the type \textit{variablename.item} implies that it should evaluate to the 
296
 
member named ``item'' of the variable.  For example, a string of characters may have a member ``length'' which would 
297
 
evaluate to the number of characters in the string.  If the string $a$ equals ``hello'' then it follows that 
298
 
$a.length = 5$.  
299
 
 
300
 
For certain discussions more generic algorithms are presented to help the reader understand the final algorithm used
301
 
to solve a given problem.  When an algorithm is described as accepting an integer input it is assumed the input is 
302
 
a plain integer with no additional multiple-precision members.  That is, algorithms that use integers as opposed to 
303
 
mp\_ints as inputs do not concern themselves with the housekeeping operations required such as memory management.  These 
304
 
algorithms will be used to establish the relevant theory which will subsequently be used to describe a multiple
305
 
precision algorithm to solve the same problem.  
306
 
 
307
 
\subsection{Precision Notation}
308
 
The variable $\beta$ represents the radix of a single digit of a multiple precision integer and 
309
 
must be of the form $q^p$ for $q, p \in \Z^+$.  A single precision variable must be able to represent integers in 
310
 
the range $0 \le x < q \beta$ while a double precision variable must be able to represent integers in the range 
311
 
$0 \le x < q \beta^2$.  The extra radix-$q$ factor allows additions and subtractions to proceed without truncation of the 
312
 
carry.  Since all modern computers are binary, it is assumed that $q$ is two.
313
 
 
314
 
\index{mp\_digit} \index{mp\_word}
315
 
Within the source code that will be presented for each algorithm, the data type \textbf{mp\_digit} will represent 
316
 
a single precision integer type, while, the data type \textbf{mp\_word} will represent a double precision integer type.  In 
317
 
several algorithms (notably the Comba routines) temporary results will be stored in arrays of double precision mp\_words.  
318
 
For the purposes of this text $x_j$ will refer to the $j$'th digit of a single precision array and $\hat x_j$ will refer to 
319
 
the $j$'th digit of a double precision array.  Whenever an expression is to be assigned to a double precision
320
 
variable it is assumed that all single precision variables are promoted to double precision during the evaluation.  
321
 
Expressions that are assigned to a single precision variable are truncated to fit within the precision of a single
322
 
precision data type.
323
 
 
324
 
For example, if $\beta = 10^2$ a single precision data type may represent a value in the 
325
 
range $0 \le x < 10^3$, while a double precision data type may represent a value in the range $0 \le x < 10^5$.  Let
326
 
$a = 23$ and $b = 49$ represent two single precision variables.  The single precision product shall be written
327
 
as $c \leftarrow a \cdot b$ while the double precision product shall be written as $\hat c \leftarrow a \cdot b$.
328
 
In this particular case, $\hat c = 1127$ and $c = 127$.  The most significant digit of the product would not fit 
329
 
in a single precision data type and as a result $c \ne \hat c$.  
330
 
 
331
 
\subsection{Algorithm Inputs and Outputs}
332
 
Within the algorithm descriptions all variables are assumed to be scalars of either single or double precision
333
 
as indicated.  The only exception to this rule is when variables have been indicated to be of type mp\_int.  This 
334
 
distinction is important as scalars are often used as array indicies and various other counters.  
335
 
 
336
 
\subsection{Mathematical Expressions}
337
 
The $\lfloor \mbox{ } \rfloor$ brackets imply an expression truncated to an integer not greater than the expression 
338
 
itself.  For example, $\lfloor 5.7 \rfloor = 5$.  Similarly the $\lceil \mbox{ } \rceil$ brackets imply an expression
339
 
rounded to an integer not less than the expression itself.  For example, $\lceil 5.1 \rceil = 6$.  Typically when 
340
 
the $/$ division symbol is used the intention is to perform an integer division with truncation.  For example, 
341
 
$5/2 = 2$ which will often be written as $\lfloor 5/2 \rfloor = 2$ for clarity.  When an expression is written as a 
342
 
fraction a real value division is implied, for example ${5 \over 2} = 2.5$.  
343
 
 
344
 
The norm of a multiple precision integer, for example $\vert \vert x \vert \vert$, will be used to represent the number of digits in the representation
345
 
of the integer.  For example, $\vert \vert 123 \vert \vert = 3$ and $\vert \vert 79452 \vert \vert = 5$.  
346
 
 
347
 
\subsection{Work Effort}
348
 
\index{big-Oh}
349
 
To measure the efficiency of the specified algorithms, a modified big-Oh notation is used.  In this system all 
350
 
single precision operations are considered to have the same cost\footnote{Except where explicitly noted.}.  
351
 
That is a single precision addition, multiplication and division are assumed to take the same time to 
352
 
complete.  While this is generally not true in practice, it will simplify the discussions considerably.
353
 
 
354
 
Some algorithms have slight advantages over others which is why some constants will not be removed in 
355
 
the notation.  For example, a normal baseline multiplication (section \ref{sec:basemult}) requires $O(n^2)$ work while a 
356
 
baseline squaring (section \ref{sec:basesquare}) requires $O({{n^2 + n}\over 2})$ work.  In standard big-Oh notation these 
357
 
would both be said to be equivalent to $O(n^2)$.  However, 
358
 
in the context of the this text this is not the case as the magnitude of the inputs will typically be rather small.  As a 
359
 
result small constant factors in the work effort will make an observable difference in algorithm efficiency.
360
 
 
361
 
All of the algorithms presented in this text have a polynomial time work level.  That is, of the form 
362
 
$O(n^k)$ for $n, k \in \Z^{+}$.  This will help make useful comparisons in terms of the speed of the algorithms and how 
363
 
various optimizations will help pay off in the long run.
364
 
 
365
 
\section{Exercises}
366
 
Within the more advanced chapters a section will be set aside to give the reader some challenging exercises related to
367
 
the discussion at hand.  These exercises are not designed to be prize winning problems, but instead to be thought 
368
 
provoking.  Wherever possible the problems are forward minded, stating problems that will be answered in subsequent 
369
 
chapters.  The reader is encouraged to finish the exercises as they appear to get a better understanding of the 
370
 
subject material.  
371
 
 
372
 
That being said, the problems are designed to affirm knowledge of a particular subject matter.  Students in particular
373
 
are encouraged to verify they can answer the problems correctly before moving on.
374
 
 
375
 
Similar to the exercises of \cite[pp. ix]{TAOCPV2} these exercises are given a scoring system based on the difficulty of
376
 
the problem.  However, unlike \cite{TAOCPV2} the problems do not get nearly as hard.  The scoring of these 
377
 
exercises ranges from one (the easiest) to five (the hardest).  The following table sumarizes the 
378
 
scoring system used.
379
 
 
380
 
\begin{figure}[here]
381
 
\begin{center}
382
 
\begin{small}
383
 
\begin{tabular}{|c|l|}
384
 
\hline $\left [ 1 \right ]$ & An easy problem that should only take the reader a manner of \\
385
 
                            & minutes to solve.  Usually does not involve much computer time \\
386
 
                            & to solve. \\
387
 
\hline $\left [ 2 \right ]$ & An easy problem that involves a marginal amount of computer \\
388
 
                     & time usage.  Usually requires a program to be written to \\
389
 
                     & solve the problem. \\
390
 
\hline $\left [ 3 \right ]$ & A moderately hard problem that requires a non-trivial amount \\
391
 
                     & of work.  Usually involves trivial research and development of \\
392
 
                     & new theory from the perspective of a student. \\
393
 
\hline $\left [ 4 \right ]$ & A moderately hard problem that involves a non-trivial amount \\
394
 
                     & of work and research, the solution to which will demonstrate \\
395
 
                     & a higher mastery of the subject matter. \\
396
 
\hline $\left [ 5 \right ]$ & A hard problem that involves concepts that are difficult for a \\
397
 
                     & novice to solve.  Solutions to these problems will demonstrate a \\
398
 
                     & complete mastery of the given subject. \\
399
 
\hline
400
 
\end{tabular}
401
 
\end{small}
402
 
\end{center}
403
 
\caption{Exercise Scoring System}
404
 
\end{figure}
405
 
 
406
 
Problems at the first level are meant to be simple questions that the reader can answer quickly without programming a solution or
407
 
devising new theory.  These problems are quick tests to see if the material is understood.  Problems at the second level 
408
 
are also designed to be easy but will require a program or algorithm to be implemented to arrive at the answer.  These
409
 
two levels are essentially entry level questions.  
410
 
 
411
 
Problems at the third level are meant to be a bit more difficult than the first two levels.  The answer is often 
412
 
fairly obvious but arriving at an exacting solution requires some thought and skill.  These problems will almost always 
413
 
involve devising a new algorithm or implementing a variation of another algorithm previously presented.  Readers who can
414
 
answer these questions will feel comfortable with the concepts behind the topic at hand.
415
 
 
416
 
Problems at the fourth level are meant to be similar to those of the level three questions except they will require 
417
 
additional research to be completed.  The reader will most likely not know the answer right away, nor will the text provide 
418
 
the exact details of the answer until a subsequent chapter.  
419
 
 
420
 
Problems at the fifth level are meant to be the hardest 
421
 
problems relative to all the other problems in the chapter.  People who can correctly answer fifth level problems have a 
422
 
mastery of the subject matter at hand.
423
 
 
424
 
Often problems will be tied together.  The purpose of this is to start a chain of thought that will be discussed in future chapters.  The reader
425
 
is encouraged to answer the follow-up problems and try to draw the relevance of problems.
426
 
 
427
 
\section{Introduction to LibTomMath}
428
 
 
429
 
\subsection{What is LibTomMath?}
430
 
LibTomMath is a free and open source multiple precision integer library written entirely in portable ISO C.  By portable it 
431
 
is meant that the library does not contain any code that is computer platform dependent or otherwise problematic to use on 
432
 
any given platform.  
433
 
 
434
 
The library has been successfully tested under numerous operating systems including Unix\footnote{All of these
435
 
trademarks belong to their respective rightful owners.}, MacOS, Windows, Linux, PalmOS and on standalone hardware such 
436
 
as the Gameboy Advance.  The library is designed to contain enough functionality to be able to develop applications such 
437
 
as public key cryptosystems and still maintain a relatively small footprint.
438
 
 
439
 
\subsection{Goals of LibTomMath}
440
 
 
441
 
Libraries which obtain the most efficiency are rarely written in a high level programming language such as C.  However, 
442
 
even though this library is written entirely in ISO C, considerable care has been taken to optimize the algorithm implementations within the 
443
 
library.  Specifically the code has been written to work well with the GNU C Compiler (\textit{GCC}) on both x86 and ARM 
444
 
processors.  Wherever possible, highly efficient algorithms, such as Karatsuba multiplication, sliding window 
445
 
exponentiation and Montgomery reduction have been provided to make the library more efficient.  
446
 
 
447
 
Even with the nearly optimal and specialized algorithms that have been included the Application Programing Interface 
448
 
(\textit{API}) has been kept as simple as possible.  Often generic place holder routines will make use of specialized 
449
 
algorithms automatically without the developer's specific attention.  One such example is the generic multiplication 
450
 
algorithm \textbf{mp\_mul()} which will automatically use Toom--Cook, Karatsuba, Comba or baseline multiplication 
451
 
based on the magnitude of the inputs and the configuration of the library.  
452
 
 
453
 
Making LibTomMath as efficient as possible is not the only goal of the LibTomMath project.  Ideally the library should 
454
 
be source compatible with another popular library which makes it more attractive for developers to use.  In this case the
455
 
MPI library was used as a API template for all the basic functions.  MPI was chosen because it is another library that fits 
456
 
in the same niche as LibTomMath.  Even though LibTomMath uses MPI as the template for the function names and argument 
457
 
passing conventions, it has been written from scratch by Tom St Denis.
458
 
 
459
 
The project is also meant to act as a learning tool for students, the logic being that no easy-to-follow ``bignum'' 
460
 
library exists which can be used to teach computer science students how to perform fast and reliable multiple precision 
461
 
integer arithmetic.  To this end the source code has been given quite a few comments and algorithm discussion points.  
462
 
 
463
 
\section{Choice of LibTomMath}
464
 
LibTomMath was chosen as the case study of this text not only because the author of both projects is one and the same but
465
 
for more worthy reasons.  Other libraries such as GMP \cite{GMP}, MPI \cite{MPI}, LIP \cite{LIP} and OpenSSL 
466
 
\cite{OPENSSL} have multiple precision integer arithmetic routines but would not be ideal for this text for 
467
 
reasons that will be explained in the following sub-sections.
468
 
 
469
 
\subsection{Code Base}
470
 
The LibTomMath code base is all portable ISO C source code.  This means that there are no platform dependent conditional
471
 
segments of code littered throughout the source.  This clean and uncluttered approach to the library means that a
472
 
developer can more readily discern the true intent of a given section of source code without trying to keep track of
473
 
what conditional code will be used.
474
 
 
475
 
The code base of LibTomMath is well organized.  Each function is in its own separate source code file 
476
 
which allows the reader to find a given function very quickly.  On average there are $76$ lines of code per source
477
 
file which makes the source very easily to follow.  By comparison MPI and LIP are single file projects making code tracing
478
 
very hard.  GMP has many conditional code segments which also hinder tracing.  
479
 
 
480
 
When compiled with GCC for the x86 processor and optimized for speed the entire library is approximately $100$KiB\footnote{The notation ``KiB'' means $2^{10}$ octets, similarly ``MiB'' means $2^{20}$ octets.}
481
 
 which is fairly small compared to GMP (over $250$KiB).  LibTomMath is slightly larger than MPI (which compiles to about 
482
 
$50$KiB) but LibTomMath is also much faster and more complete than MPI.
483
 
 
484
 
\subsection{API Simplicity}
485
 
LibTomMath is designed after the MPI library and shares the API design.  Quite often programs that use MPI will build 
486
 
with LibTomMath without change. The function names correlate directly to the action they perform.  Almost all of the 
487
 
functions share the same parameter passing convention.  The learning curve is fairly shallow with the API provided 
488
 
which is an extremely valuable benefit for the student and developer alike.  
489
 
 
490
 
The LIP library is an example of a library with an API that is awkward to work with.  LIP uses function names that are often ``compressed'' to 
491
 
illegible short hand.  LibTomMath does not share this characteristic.  
492
 
 
493
 
The GMP library also does not return error codes.  Instead it uses a POSIX.1 \cite{POSIX1} signal system where errors
494
 
are signaled to the host application.  This happens to be the fastest approach but definitely not the most versatile.  In
495
 
effect a math error (i.e. invalid input, heap error, etc) can cause a program to stop functioning which is definitely 
496
 
undersireable in many situations.
497
 
 
498
 
\subsection{Optimizations}
499
 
While LibTomMath is certainly not the fastest library (GMP often beats LibTomMath by a factor of two) it does
500
 
feature a set of optimal algorithms for tasks such as modular reduction, exponentiation, multiplication and squaring.  GMP 
501
 
and LIP also feature such optimizations while MPI only uses baseline algorithms with no optimizations.  GMP lacks a few
502
 
of the additional modular reduction optimizations that LibTomMath features\footnote{At the time of this writing GMP
503
 
only had Barrett and Montgomery modular reduction algorithms.}.  
504
 
 
505
 
LibTomMath is almost always an order of magnitude faster than the MPI library at computationally expensive tasks such as modular
506
 
exponentiation.  In the grand scheme of ``bignum'' libraries LibTomMath is faster than the average library and usually  
507
 
slower than the best libraries such as GMP and OpenSSL by only a small factor.
508
 
 
509
 
\subsection{Portability and Stability}
510
 
LibTomMath will build ``out of the box'' on any platform equipped with a modern version of the GNU C Compiler 
511
 
(\textit{GCC}).  This means that without changes the library will build without configuration or setting up any 
512
 
variables.  LIP and MPI will build ``out of the box'' as well but have numerous known bugs.  Most notably the author of 
513
 
MPI has recently stopped working on his library and LIP has long since been discontinued.  
514
 
 
515
 
GMP requires a configuration script to run and will not build out of the box.   GMP and LibTomMath are still in active
516
 
development and are very stable across a variety of platforms.
517
 
 
518
 
\subsection{Choice}
519
 
LibTomMath is a relatively compact, well documented, highly optimized and portable library which seems only natural for
520
 
the case study of this text.  Various source files from the LibTomMath project will be included within the text.  However, 
521
 
the reader is encouraged to download their own copy of the library to actually be able to work with the library.  
522
 
 
523
 
\chapter{Getting Started}
524
 
\section{Library Basics}
525
 
The trick to writing any useful library of source code is to build a solid foundation and work outwards from it.  First, 
526
 
a problem along with allowable solution parameters should be identified and analyzed.  In this particular case the 
527
 
inability to accomodate multiple precision integers is the problem.  Futhermore, the solution must be written
528
 
as portable source code that is reasonably efficient across several different computer platforms.
529
 
 
530
 
After a foundation is formed the remainder of the library can be designed and implemented in a hierarchical fashion.  
531
 
That is, to implement the lowest level dependencies first and work towards the most abstract functions last.  For example, 
532
 
before implementing a modular exponentiation algorithm one would implement a modular reduction algorithm.
533
 
By building outwards from a base foundation instead of using a parallel design methodology the resulting project is 
534
 
highly modular.  Being highly modular is a desirable property of any project as it often means the resulting product
535
 
has a small footprint and updates are easy to perform.  
536
 
 
537
 
Usually when I start a project I will begin with the header files.  I define the data types I think I will need and 
538
 
prototype the initial functions that are not dependent on other functions (within the library).  After I 
539
 
implement these base functions I prototype more dependent functions and implement them.   The process repeats until
540
 
I implement all of the functions I require.  For example, in the case of LibTomMath I implemented functions such as 
541
 
mp\_init() well before I implemented mp\_mul() and even further before I implemented mp\_exptmod().  As an example as to 
542
 
why this design works note that the Karatsuba and Toom-Cook multipliers were written \textit{after} the 
543
 
dependent function mp\_exptmod() was written.  Adding the new multiplication algorithms did not require changes to the 
544
 
mp\_exptmod() function itself and lowered the total cost of ownership (\textit{so to speak}) and of development 
545
 
for new algorithms.  This methodology allows new algorithms to be tested in a complete framework with relative ease.
546
 
 
547
 
\begin{center}
548
 
\begin{figure}[here]
549
 
\includegraphics{pics/design_process.ps}
550
 
\caption{Design Flow of the First Few Original LibTomMath Functions.}
551
 
\label{pic:design_process}
552
 
\end{figure}
553
 
\end{center}
554
 
 
555
 
Only after the majority of the functions were in place did I pursue a less hierarchical approach to auditing and optimizing
556
 
the source code.  For example, one day I may audit the multipliers and the next day the polynomial basis functions.  
557
 
 
558
 
It only makes sense to begin the text with the preliminary data types and support algorithms required as well.  
559
 
This chapter discusses the core algorithms of the library which are the dependents for every other algorithm.
560
 
 
561
 
\section{What is a Multiple Precision Integer?}
562
 
Recall that most programming languages, in particular ISO C \cite{ISOC}, only have fixed precision data types that on their own cannot 
563
 
be used to represent values larger than their precision will allow. The purpose of multiple precision algorithms is 
564
 
to use fixed precision data types to create and manipulate multiple precision integers which may represent values 
565
 
that are very large.  
566
 
 
567
 
As a well known analogy, school children are taught how to form numbers larger than nine by prepending more radix ten digits.  In the decimal system
568
 
the largest single digit value is $9$.  However, by concatenating digits together larger numbers may be represented.  Newly prepended digits 
569
 
(\textit{to the left}) are said to be in a different power of ten column.  That is, the number $123$ can be described as having a $1$ in the hundreds 
570
 
column, $2$ in the tens column and $3$ in the ones column.  Or more formally $123 = 1 \cdot 10^2 + 2 \cdot 10^1 + 3 \cdot 10^0$.  Computer based 
571
 
multiple precision arithmetic is essentially the same concept.  Larger integers are represented by adjoining fixed 
572
 
precision computer words with the exception that a different radix is used.
573
 
 
574
 
What most people probably do not think about explicitly are the various other attributes that describe a multiple precision 
575
 
integer.  For example, the integer $154_{10}$ has two immediately obvious properties.  First, the integer is positive, 
576
 
that is the sign of this particular integer is positive as opposed to negative.  Second, the integer has three digits in 
577
 
its representation.  There is an additional property that the integer posesses that does not concern pencil-and-paper 
578
 
arithmetic.  The third property is how many digits placeholders are available to hold the integer.  
579
 
 
580
 
The human analogy of this third property is ensuring there is enough space on the paper to write the integer.  For example,
581
 
if one starts writing a large number too far to the right on a piece of paper they will have to erase it and move left.  
582
 
Similarly, computer algorithms must maintain strict control over memory usage to ensure that the digits of an integer
583
 
will not exceed the allowed boundaries.  These three properties make up what is known as a multiple precision 
584
 
integer or mp\_int for short.  
585
 
 
586
 
\subsection{The mp\_int Structure}
587
 
\label{sec:MPINT}
588
 
The mp\_int structure is the ISO C based manifestation of what represents a multiple precision integer.  The ISO C standard does not provide for 
589
 
any such data type but it does provide for making composite data types known as structures.  The following is the structure definition 
590
 
used within LibTomMath.
591
 
 
592
 
\index{mp\_int}
593
 
\begin{figure}[here]
594
 
\begin{center}
595
 
\begin{small}
596
 
%\begin{verbatim}
597
 
\begin{tabular}{|l|}
598
 
\hline
599
 
typedef struct \{ \\
600
 
\hspace{3mm}int used, alloc, sign;\\
601
 
\hspace{3mm}mp\_digit *dp;\\
602
 
\} \textbf{mp\_int}; \\
603
 
\hline
604
 
\end{tabular}
605
 
%\end{verbatim}
606
 
\end{small}
607
 
\caption{The mp\_int Structure}
608
 
\label{fig:mpint}
609
 
\end{center}
610
 
\end{figure}
611
 
 
612
 
The mp\_int structure (fig. \ref{fig:mpint}) can be broken down as follows.
613
 
 
614
 
\begin{enumerate}
615
 
\item The \textbf{used} parameter denotes how many digits of the array \textbf{dp} contain the digits used to represent
616
 
a given integer.  The \textbf{used} count must be positive (or zero) and may not exceed the \textbf{alloc} count.  
617
 
 
618
 
\item The \textbf{alloc} parameter denotes how 
619
 
many digits are available in the array to use by functions before it has to increase in size.  When the \textbf{used} count 
620
 
of a result would exceed the \textbf{alloc} count all of the algorithms will automatically increase the size of the 
621
 
array to accommodate the precision of the result.  
622
 
 
623
 
\item The pointer \textbf{dp} points to a dynamically allocated array of digits that represent the given multiple 
624
 
precision integer.  It is padded with $(\textbf{alloc} - \textbf{used})$ zero digits.  The array is maintained in a least 
625
 
significant digit order.  As a pencil and paper analogy the array is organized such that the right most digits are stored
626
 
first starting at the location indexed by zero\footnote{In C all arrays begin at zero.} in the array.  For example, 
627
 
if \textbf{dp} contains $\lbrace a, b, c, \ldots \rbrace$ where \textbf{dp}$_0 = a$, \textbf{dp}$_1 = b$, \textbf{dp}$_2 = c$, $\ldots$ then 
628
 
it would represent the integer $a + b\beta + c\beta^2 + \ldots$  
629
 
 
630
 
\index{MP\_ZPOS} \index{MP\_NEG}
631
 
\item The \textbf{sign} parameter denotes the sign as either zero/positive (\textbf{MP\_ZPOS}) or negative (\textbf{MP\_NEG}).  
632
 
\end{enumerate}
633
 
 
634
 
\subsubsection{Valid mp\_int Structures}
635
 
Several rules are placed on the state of an mp\_int structure and are assumed to be followed for reasons of efficiency.  
636
 
The only exceptions are when the structure is passed to initialization functions such as mp\_init() and mp\_init\_copy().
637
 
 
638
 
\begin{enumerate}
639
 
\item The value of \textbf{alloc} may not be less than one.  That is \textbf{dp} always points to a previously allocated
640
 
array of digits.
641
 
\item The value of \textbf{used} may not exceed \textbf{alloc} and must be greater than or equal to zero.
642
 
\item The value of \textbf{used} implies the digit at index $(used - 1)$ of the \textbf{dp} array is non-zero.  That is, 
643
 
leading zero digits in the most significant positions must be trimmed.
644
 
   \begin{enumerate}
645
 
   \item Digits in the \textbf{dp} array at and above the \textbf{used} location must be zero.
646
 
   \end{enumerate}
647
 
\item The value of \textbf{sign} must be \textbf{MP\_ZPOS} if \textbf{used} is zero; 
648
 
this represents the mp\_int value of zero.
649
 
\end{enumerate}
650
 
 
651
 
\section{Argument Passing}
652
 
A convention of argument passing must be adopted early on in the development of any library.  Making the function 
653
 
prototypes consistent will help eliminate many headaches in the future as the library grows to significant complexity.  
654
 
In LibTomMath the multiple precision integer functions accept parameters from left to right as pointers to mp\_int 
655
 
structures.  That means that the source (input) operands are placed on the left and the destination (output) on the right.   
656
 
Consider the following examples.
657
 
 
658
 
\begin{verbatim}
659
 
   mp_mul(&a, &b, &c);   /* c = a * b */
660
 
   mp_add(&a, &b, &a);   /* a = a + b */
661
 
   mp_sqr(&a, &b);       /* b = a * a */
662
 
\end{verbatim}
663
 
 
664
 
The left to right order is a fairly natural way to implement the functions since it lets the developer read aloud the
665
 
functions and make sense of them.  For example, the first function would read ``multiply a and b and store in c''.
666
 
 
667
 
Certain libraries (\textit{LIP by Lenstra for instance}) accept parameters the other way around, to mimic the order
668
 
of assignment expressions.  That is, the destination (output) is on the left and arguments (inputs) are on the right.  In 
669
 
truth, it is entirely a matter of preference.  In the case of LibTomMath the convention from the MPI library has been 
670
 
adopted.  
671
 
 
672
 
Another very useful design consideration, provided for in LibTomMath, is whether to allow argument sources to also be a 
673
 
destination.  For example, the second example (\textit{mp\_add}) adds $a$ to $b$ and stores in $a$.  This is an important 
674
 
feature to implement since it allows the calling functions to cut down on the number of variables it must maintain.  
675
 
However, to implement this feature specific care has to be given to ensure the destination is not modified before the 
676
 
source is fully read.
677
 
 
678
 
\section{Return Values}
679
 
A well implemented application, no matter what its purpose, should trap as many runtime errors as possible and return them 
680
 
to the caller.  By catching runtime errors a library can be guaranteed to prevent undefined behaviour.  However, the end 
681
 
developer can still manage to cause a library to crash.  For example, by passing an invalid pointer an application may
682
 
fault by dereferencing memory not owned by the application.
683
 
 
684
 
In the case of LibTomMath the only errors that are checked for are related to inappropriate inputs (division by zero for 
685
 
instance) and memory allocation errors.  It will not check that the mp\_int passed to any function is valid nor 
686
 
will it check pointers for validity.  Any function that can cause a runtime error will return an error code as an 
687
 
\textbf{int} data type with one of the following values (fig \ref{fig:errcodes}).
688
 
 
689
 
\index{MP\_OKAY} \index{MP\_VAL} \index{MP\_MEM}
690
 
\begin{figure}[here]
691
 
\begin{center}
692
 
\begin{tabular}{|l|l|}
693
 
\hline \textbf{Value} & \textbf{Meaning} \\
694
 
\hline \textbf{MP\_OKAY} & The function was successful \\
695
 
\hline \textbf{MP\_VAL}  & One of the input value(s) was invalid \\
696
 
\hline \textbf{MP\_MEM}  & The function ran out of heap memory \\
697
 
\hline
698
 
\end{tabular}
699
 
\end{center}
700
 
\caption{LibTomMath Error Codes}
701
 
\label{fig:errcodes}
702
 
\end{figure}
703
 
 
704
 
When an error is detected within a function it should free any memory it allocated, often during the initialization of
705
 
temporary mp\_ints, and return as soon as possible.  The goal is to leave the system in the same state it was when the 
706
 
function was called.  Error checking with this style of API is fairly simple.
707
 
 
708
 
\begin{verbatim}
709
 
   int err;
710
 
   if ((err = mp_add(&a, &b, &c)) != MP_OKAY) {
711
 
      printf("Error: %s\n", mp_error_to_string(err));
712
 
      exit(EXIT_FAILURE);
713
 
   }
714
 
\end{verbatim}
715
 
 
716
 
The GMP \cite{GMP} library uses C style \textit{signals} to flag errors which is of questionable use.  Not all errors are fatal 
717
 
and it was not deemed ideal by the author of LibTomMath to force developers to have signal handlers for such cases.
718
 
 
719
 
\section{Initialization and Clearing}
720
 
The logical starting point when actually writing multiple precision integer functions is the initialization and 
721
 
clearing of the mp\_int structures.  These two algorithms will be used by the majority of the higher level algorithms.
722
 
 
723
 
Given the basic mp\_int structure an initialization routine must first allocate memory to hold the digits of
724
 
the integer.  Often it is optimal to allocate a sufficiently large pre-set number of digits even though
725
 
the initial integer will represent zero.  If only a single digit were allocated quite a few subsequent re-allocations
726
 
would occur when operations are performed on the integers.  There is a tradeoff between how many default digits to allocate
727
 
and how many re-allocations are tolerable.  Obviously allocating an excessive amount of digits initially will waste 
728
 
memory and become unmanageable.  
729
 
 
730
 
If the memory for the digits has been successfully allocated then the rest of the members of the structure must
731
 
be initialized.  Since the initial state of an mp\_int is to represent the zero integer, the allocated digits must be set
732
 
to zero.  The \textbf{used} count set to zero and \textbf{sign} set to \textbf{MP\_ZPOS}.
733
 
 
734
 
\subsection{Initializing an mp\_int}
735
 
An mp\_int is said to be initialized if it is set to a valid, preferably default, state such that all of the members of the
736
 
structure are set to valid values.  The mp\_init algorithm will perform such an action.
737
 
 
738
 
\index{mp\_init}
739
 
\begin{figure}[here]
740
 
\begin{center}
741
 
\begin{tabular}{l}
742
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_init}. \\
743
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ \\
744
 
\textbf{Output}.  Allocate memory and initialize $a$ to a known valid mp\_int state.  \\
745
 
\hline \\
746
 
1.  Allocate memory for \textbf{MP\_PREC} digits. \\
747
 
2.  If the allocation failed return(\textit{MP\_MEM}) \\
748
 
3.  for $n$ from $0$ to $MP\_PREC - 1$ do  \\
749
 
\hspace{3mm}3.1  $a_n \leftarrow 0$\\
750
 
4.  $a.sign \leftarrow MP\_ZPOS$\\
751
 
5.  $a.used \leftarrow 0$\\
752
 
6.  $a.alloc \leftarrow MP\_PREC$\\
753
 
7.  Return(\textit{MP\_OKAY})\\
754
 
\hline
755
 
\end{tabular}
756
 
\end{center}
757
 
\caption{Algorithm mp\_init}
758
 
\end{figure}
759
 
 
760
 
\textbf{Algorithm mp\_init.}
761
 
The purpose of this function is to initialize an mp\_int structure so that the rest of the library can properly
762
 
manipulte it.  It is assumed that the input may not have had any of its members previously initialized which is certainly
763
 
a valid assumption if the input resides on the stack.  
764
 
 
765
 
Before any of the members such as \textbf{sign}, \textbf{used} or \textbf{alloc} are initialized the memory for
766
 
the digits is allocated.  If this fails the function returns before setting any of the other members.  The \textbf{MP\_PREC} 
767
 
name represents a constant\footnote{Defined in the ``tommath.h'' header file within LibTomMath.} 
768
 
used to dictate the minimum precision of newly initialized mp\_int integers.  Ideally, it is at least equal to the smallest
769
 
precision number you'll be working with.
770
 
 
771
 
Allocating a block of digits at first instead of a single digit has the benefit of lowering the number of usually slow
772
 
heap operations later functions will have to perform in the future.  If \textbf{MP\_PREC} is set correctly the slack 
773
 
memory and the number of heap operations will be trivial.
774
 
 
775
 
Once the allocation has been made the digits have to be set to zero as well as the \textbf{used}, \textbf{sign} and
776
 
\textbf{alloc} members initialized.  This ensures that the mp\_int will always represent the default state of zero regardless
777
 
of the original condition of the input.
778
 
 
779
 
\textbf{Remark.}
780
 
This function introduces the idiosyncrasy that all iterative loops, commonly initiated with the ``for'' keyword, iterate incrementally
781
 
when the ``to'' keyword is placed between two expressions.  For example, ``for $a$ from $b$ to $c$ do'' means that
782
 
a subsequent expression (or body of expressions) are to be evaluated upto $c - b$ times so long as $b \le c$.  In each
783
 
iteration the variable $a$ is substituted for a new integer that lies inclusively between $b$ and $c$.  If $b > c$ occured
784
 
the loop would not iterate.  By contrast if the ``downto'' keyword were used in place of ``to'' the loop would iterate 
785
 
decrementally.
786
 
 
787
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
788
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_init.c
789
 
\vspace{-3mm}
790
 
\begin{alltt}
791
 
\end{alltt}
792
 
\end{small}
793
 
 
794
 
One immediate observation of this initializtion function is that it does not return a pointer to a mp\_int structure.  It 
795
 
is assumed that the caller has already allocated memory for the mp\_int structure, typically on the application stack.  The 
796
 
call to mp\_init() is used only to initialize the members of the structure to a known default state.  
797
 
 
798
 
Here we see (line 24) the memory allocation is performed first.  This allows us to exit cleanly and quickly
799
 
if there is an error.  If the allocation fails the routine will return \textbf{MP\_MEM} to the caller to indicate there
800
 
was a memory error.  The function XMALLOC is what actually allocates the memory.  Technically XMALLOC is not a function
801
 
but a macro defined in ``tommath.h``.  By default, XMALLOC will evaluate to malloc() which is the C library's built--in
802
 
memory allocation routine.
803
 
 
804
 
In order to assure the mp\_int is in a known state the digits must be set to zero.  On most platforms this could have been
805
 
accomplished by using calloc() instead of malloc().  However,  to correctly initialize a integer type to a given value in a 
806
 
portable fashion you have to actually assign the value.  The for loop (line 30) performs this required
807
 
operation.
808
 
 
809
 
After the memory has been successfully initialized the remainder of the members are initialized 
810
 
(lines 34 through 35) to their respective default states.  At this point the algorithm has succeeded and
811
 
a success code is returned to the calling function.  If this function returns \textbf{MP\_OKAY} it is safe to assume the 
812
 
mp\_int structure has been properly initialized and is safe to use with other functions within the library.  
813
 
 
814
 
\subsection{Clearing an mp\_int}
815
 
When an mp\_int is no longer required by the application, the memory that has been allocated for its digits must be 
816
 
returned to the application's memory pool with the mp\_clear algorithm.
817
 
 
818
 
\begin{figure}[here]
819
 
\begin{center}
820
 
\begin{tabular}{l}
821
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_clear}. \\
822
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ \\
823
 
\textbf{Output}.  The memory for $a$ shall be deallocated.  \\
824
 
\hline \\
825
 
1.  If $a$ has been previously freed then return(\textit{MP\_OKAY}). \\
826
 
2.  for $n$ from 0 to $a.used - 1$ do \\
827
 
\hspace{3mm}2.1  $a_n \leftarrow 0$ \\
828
 
3.  Free the memory allocated for the digits of $a$. \\
829
 
4.  $a.used \leftarrow 0$ \\
830
 
5.  $a.alloc \leftarrow 0$ \\
831
 
6.  $a.sign \leftarrow MP\_ZPOS$ \\
832
 
7.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
833
 
\hline
834
 
\end{tabular}
835
 
\end{center}
836
 
\caption{Algorithm mp\_clear}
837
 
\end{figure}
838
 
 
839
 
\textbf{Algorithm mp\_clear.}
840
 
This algorithm accomplishes two goals.  First, it clears the digits and the other mp\_int members.  This ensures that 
841
 
if a developer accidentally re-uses a cleared structure it is less likely to cause problems.  The second goal
842
 
is to free the allocated memory.
843
 
 
844
 
The logic behind the algorithm is extended by marking cleared mp\_int structures so that subsequent calls to this
845
 
algorithm will not try to free the memory multiple times.  Cleared mp\_ints are detectable by having a pre-defined invalid 
846
 
digit pointer \textbf{dp} setting.
847
 
 
848
 
Once an mp\_int has been cleared the mp\_int structure is no longer in a valid state for any other algorithm
849
 
with the exception of algorithms mp\_init, mp\_init\_copy, mp\_init\_size and mp\_clear.
850
 
 
851
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
852
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_clear.c
853
 
\vspace{-3mm}
854
 
\begin{alltt}
855
 
\end{alltt}
856
 
\end{small}
857
 
 
858
 
The algorithm only operates on the mp\_int if it hasn't been previously cleared.  The if statement (line 25)
859
 
checks to see if the \textbf{dp} member is not \textbf{NULL}.  If the mp\_int is a valid mp\_int then \textbf{dp} cannot be
860
 
\textbf{NULL} in which case the if statement will evaluate to true.
861
 
 
862
 
The digits of the mp\_int are cleared by the for loop (line 27) which assigns a zero to every digit.  Similar to mp\_init()
863
 
the digits are assigned zero instead of using block memory operations (such as memset()) since this is more portable.  
864
 
 
865
 
The digits are deallocated off the heap via the XFREE macro.  Similar to XMALLOC the XFREE macro actually evaluates to
866
 
a standard C library function.  In this case the free() function.  Since free() only deallocates the memory the pointer
867
 
still has to be reset to \textbf{NULL} manually (line 35).  
868
 
 
869
 
Now that the digits have been cleared and deallocated the other members are set to their final values (lines 36 and 37).
870
 
 
871
 
\section{Maintenance Algorithms}
872
 
 
873
 
The previous sections describes how to initialize and clear an mp\_int structure.  To further support operations
874
 
that are to be performed on mp\_int structures (such as addition and multiplication) the dependent algorithms must be
875
 
able to augment the precision of an mp\_int and 
876
 
initialize mp\_ints with differing initial conditions.  
877
 
 
878
 
These algorithms complete the set of low level algorithms required to work with mp\_int structures in the higher level
879
 
algorithms such as addition, multiplication and modular exponentiation.
880
 
 
881
 
\subsection{Augmenting an mp\_int's Precision}
882
 
When storing a value in an mp\_int structure, a sufficient number of digits must be available to accomodate the entire 
883
 
result of an operation without loss of precision.  Quite often the size of the array given by the \textbf{alloc} member 
884
 
is large enough to simply increase the \textbf{used} digit count.  However, when the size of the array is too small it 
885
 
must be re-sized appropriately to accomodate the result.  The mp\_grow algorithm will provide this functionality.
886
 
 
887
 
\newpage\begin{figure}[here]
888
 
\begin{center}
889
 
\begin{tabular}{l}
890
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_grow}. \\
891
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ and an integer $b$. \\
892
 
\textbf{Output}.  $a$ is expanded to accomodate $b$ digits. \\
893
 
\hline \\
894
 
1.  if $a.alloc \ge b$ then return(\textit{MP\_OKAY}) \\
895
 
2.  $u \leftarrow b\mbox{ (mod }MP\_PREC\mbox{)}$ \\
896
 
3.  $v \leftarrow b + 2 \cdot MP\_PREC - u$ \\
897
 
4.  Re-allocate the array of digits $a$ to size $v$ \\
898
 
5.  If the allocation failed then return(\textit{MP\_MEM}). \\
899
 
6.  for n from a.alloc to $v - 1$ do  \\
900
 
\hspace{+3mm}6.1  $a_n \leftarrow 0$ \\
901
 
7.  $a.alloc \leftarrow v$ \\
902
 
8.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
903
 
\hline
904
 
\end{tabular}
905
 
\end{center}
906
 
\caption{Algorithm mp\_grow}
907
 
\end{figure}
908
 
 
909
 
\textbf{Algorithm mp\_grow.}
910
 
It is ideal to prevent re-allocations from being performed if they are not required (step one).  This is useful to 
911
 
prevent mp\_ints from growing excessively in code that erroneously calls mp\_grow.  
912
 
 
913
 
The requested digit count is padded up to next multiple of \textbf{MP\_PREC} plus an additional \textbf{MP\_PREC} (steps two and three).  
914
 
This helps prevent many trivial reallocations that would grow an mp\_int by trivially small values.  
915
 
 
916
 
It is assumed that the reallocation (step four) leaves the lower $a.alloc$ digits of the mp\_int intact.  This is much 
917
 
akin to how the \textit{realloc} function from the standard C library works.  Since the newly allocated digits are 
918
 
assumed to contain undefined values they are initially set to zero.
919
 
 
920
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
921
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_grow.c
922
 
\vspace{-3mm}
923
 
\begin{alltt}
924
 
\end{alltt}
925
 
\end{small}
926
 
 
927
 
A quick optimization is to first determine if a memory re-allocation is required at all.  The if statement (line 24) checks
928
 
if the \textbf{alloc} member of the mp\_int is smaller than the requested digit count.  If the count is not larger than \textbf{alloc}
929
 
the function skips the re-allocation part thus saving time.
930
 
 
931
 
When a re-allocation is performed it is turned into an optimal request to save time in the future.  The requested digit count is
932
 
padded upwards to 2nd multiple of \textbf{MP\_PREC} larger than \textbf{alloc} (line 25).  The XREALLOC function is used
933
 
to re-allocate the memory.  As per the other functions XREALLOC is actually a macro which evaluates to realloc by default.  The realloc
934
 
function leaves the base of the allocation intact which means the first \textbf{alloc} digits of the mp\_int are the same as before
935
 
the re-allocation.  All that is left is to clear the newly allocated digits and return.
936
 
 
937
 
Note that the re-allocation result is actually stored in a temporary pointer $tmp$.  This is to allow this function to return
938
 
an error with a valid pointer.  Earlier releases of the library stored the result of XREALLOC into the mp\_int $a$.  That would
939
 
result in a memory leak if XREALLOC ever failed.  
940
 
 
941
 
\subsection{Initializing Variable Precision mp\_ints}
942
 
Occasionally the number of digits required will be known in advance of an initialization, based on, for example, the size 
943
 
of input mp\_ints to a given algorithm.  The purpose of algorithm mp\_init\_size is similar to mp\_init except that it 
944
 
will allocate \textit{at least} a specified number of digits.  
945
 
 
946
 
\begin{figure}[here]
947
 
\begin{small}
948
 
\begin{center}
949
 
\begin{tabular}{l}
950
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_init\_size}. \\
951
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ and the requested number of digits $b$. \\
952
 
\textbf{Output}.  $a$ is initialized to hold at least $b$ digits. \\
953
 
\hline \\
954
 
1.  $u \leftarrow b \mbox{ (mod }MP\_PREC\mbox{)}$ \\
955
 
2.  $v \leftarrow b + 2 \cdot MP\_PREC - u$ \\
956
 
3.  Allocate $v$ digits. \\
957
 
4.  for $n$ from $0$ to $v - 1$ do \\
958
 
\hspace{3mm}4.1  $a_n \leftarrow 0$ \\
959
 
5.  $a.sign \leftarrow MP\_ZPOS$\\
960
 
6.  $a.used \leftarrow 0$\\
961
 
7.  $a.alloc \leftarrow v$\\
962
 
8.  Return(\textit{MP\_OKAY})\\
963
 
\hline
964
 
\end{tabular}
965
 
\end{center}
966
 
\end{small}
967
 
\caption{Algorithm mp\_init\_size}
968
 
\end{figure}
969
 
 
970
 
\textbf{Algorithm mp\_init\_size.}
971
 
This algorithm will initialize an mp\_int structure $a$ like algorithm mp\_init with the exception that the number of 
972
 
digits allocated can be controlled by the second input argument $b$.  The input size is padded upwards so it is a 
973
 
multiple of \textbf{MP\_PREC} plus an additional \textbf{MP\_PREC} digits.  This padding is used to prevent trivial 
974
 
allocations from becoming a bottleneck in the rest of the algorithms.
975
 
 
976
 
Like algorithm mp\_init, the mp\_int structure is initialized to a default state representing the integer zero.  This 
977
 
particular algorithm is useful if it is known ahead of time the approximate size of the input.  If the approximation is
978
 
correct no further memory re-allocations are required to work with the mp\_int.
979
 
 
980
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
981
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_init\_size.c
982
 
\vspace{-3mm}
983
 
\begin{alltt}
984
 
\end{alltt}
985
 
\end{small}
986
 
 
987
 
The number of digits $b$ requested is padded (line 24) by first augmenting it to the next multiple of 
988
 
\textbf{MP\_PREC} and then adding \textbf{MP\_PREC} to the result.  If the memory can be successfully allocated the 
989
 
mp\_int is placed in a default state representing the integer zero.  Otherwise, the error code \textbf{MP\_MEM} will be 
990
 
returned (line 29).  
991
 
 
992
 
The digits are allocated and set to zero at the same time with the calloc() function (line @25,XCALLOC@).  The 
993
 
\textbf{used} count is set to zero, the \textbf{alloc} count set to the padded digit count and the \textbf{sign} flag set 
994
 
to \textbf{MP\_ZPOS} to achieve a default valid mp\_int state (lines 33, 34 and 35).  If the function 
995
 
returns succesfully then it is correct to assume that the mp\_int structure is in a valid state for the remainder of the 
996
 
functions to work with.
997
 
 
998
 
\subsection{Multiple Integer Initializations and Clearings}
999
 
Occasionally a function will require a series of mp\_int data types to be made available simultaneously.  
1000
 
The purpose of algorithm mp\_init\_multi is to initialize a variable length array of mp\_int structures in a single
1001
 
statement.  It is essentially a shortcut to multiple initializations.
1002
 
 
1003
 
\newpage\begin{figure}[here]
1004
 
\begin{center}
1005
 
\begin{tabular}{l}
1006
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_init\_multi}. \\
1007
 
\textbf{Input}.   Variable length array $V_k$ of mp\_int variables of length $k$. \\
1008
 
\textbf{Output}.  The array is initialized such that each mp\_int of $V_k$ is ready to use. \\
1009
 
\hline \\
1010
 
1.  for $n$ from 0 to $k - 1$ do \\
1011
 
\hspace{+3mm}1.1.  Initialize the mp\_int $V_n$ (\textit{mp\_init}) \\
1012
 
\hspace{+3mm}1.2.  If initialization failed then do \\
1013
 
\hspace{+6mm}1.2.1.  for $j$ from $0$ to $n$ do \\
1014
 
\hspace{+9mm}1.2.1.1.  Free the mp\_int $V_j$ (\textit{mp\_clear}) \\
1015
 
\hspace{+6mm}1.2.2.   Return(\textit{MP\_MEM}) \\
1016
 
2.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
1017
 
\hline
1018
 
\end{tabular}
1019
 
\end{center}
1020
 
\caption{Algorithm mp\_init\_multi}
1021
 
\end{figure}
1022
 
 
1023
 
\textbf{Algorithm mp\_init\_multi.}
1024
 
The algorithm will initialize the array of mp\_int variables one at a time.  If a runtime error has been detected 
1025
 
(\textit{step 1.2}) all of the previously initialized variables are cleared.  The goal is an ``all or nothing'' 
1026
 
initialization which allows for quick recovery from runtime errors.
1027
 
 
1028
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1029
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_init\_multi.c
1030
 
\vspace{-3mm}
1031
 
\begin{alltt}
1032
 
\end{alltt}
1033
 
\end{small}
1034
 
 
1035
 
This function intializes a variable length list of mp\_int structure pointers.  However, instead of having the mp\_int
1036
 
structures in an actual C array they are simply passed as arguments to the function.  This function makes use of the 
1037
 
``...'' argument syntax of the C programming language.  The list is terminated with a final \textbf{NULL} argument 
1038
 
appended on the right.  
1039
 
 
1040
 
The function uses the ``stdarg.h'' \textit{va} functions to step portably through the arguments to the function.  A count
1041
 
$n$ of succesfully initialized mp\_int structures is maintained (line 48) such that if a failure does occur,
1042
 
the algorithm can backtrack and free the previously initialized structures (lines 28 to 47).  
1043
 
 
1044
 
 
1045
 
\subsection{Clamping Excess Digits}
1046
 
When a function anticipates a result will be $n$ digits it is simpler to assume this is true within the body of 
1047
 
the function instead of checking during the computation.  For example, a multiplication of a $i$ digit number by a 
1048
 
$j$ digit produces a result of at most $i + j$ digits.  It is entirely possible that the result is $i + j - 1$ 
1049
 
though, with no final carry into the last position.  However, suppose the destination had to be first expanded 
1050
 
(\textit{via mp\_grow}) to accomodate $i + j - 1$ digits than further expanded to accomodate the final carry.  
1051
 
That would be a considerable waste of time since heap operations are relatively slow.
1052
 
 
1053
 
The ideal solution is to always assume the result is $i + j$ and fix up the \textbf{used} count after the function
1054
 
terminates.  This way a single heap operation (\textit{at most}) is required.  However, if the result was not checked
1055
 
there would be an excess high order zero digit.  
1056
 
 
1057
 
For example, suppose the product of two integers was $x_n = (0x_{n-1}x_{n-2}...x_0)_{\beta}$.  The leading zero digit 
1058
 
will not contribute to the precision of the result.  In fact, through subsequent operations more leading zero digits would
1059
 
accumulate to the point the size of the integer would be prohibitive.  As a result even though the precision is very 
1060
 
low the representation is excessively large.  
1061
 
 
1062
 
The mp\_clamp algorithm is designed to solve this very problem.  It will trim high-order zeros by decrementing the 
1063
 
\textbf{used} count until a non-zero most significant digit is found.  Also in this system, zero is considered to be a 
1064
 
positive number which means that if the \textbf{used} count is decremented to zero, the sign must be set to 
1065
 
\textbf{MP\_ZPOS}.
1066
 
 
1067
 
\begin{figure}[here]
1068
 
\begin{center}
1069
 
\begin{tabular}{l}
1070
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_clamp}. \\
1071
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ \\
1072
 
\textbf{Output}.  Any excess leading zero digits of $a$ are removed \\
1073
 
\hline \\
1074
 
1.  while $a.used > 0$ and $a_{a.used - 1} = 0$ do \\
1075
 
\hspace{+3mm}1.1  $a.used \leftarrow a.used - 1$ \\
1076
 
2.  if $a.used = 0$ then do \\
1077
 
\hspace{+3mm}2.1  $a.sign \leftarrow MP\_ZPOS$ \\
1078
 
\hline \\
1079
 
\end{tabular}
1080
 
\end{center}
1081
 
\caption{Algorithm mp\_clamp}
1082
 
\end{figure}
1083
 
 
1084
 
\textbf{Algorithm mp\_clamp.}
1085
 
As can be expected this algorithm is very simple.  The loop on step one is expected to iterate only once or twice at
1086
 
the most.  For example, this will happen in cases where there is not a carry to fill the last position.  Step two fixes the sign for 
1087
 
when all of the digits are zero to ensure that the mp\_int is valid at all times.
1088
 
 
1089
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1090
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_clamp.c
1091
 
\vspace{-3mm}
1092
 
\begin{alltt}
1093
 
\end{alltt}
1094
 
\end{small}
1095
 
 
1096
 
Note on line 28 how to test for the \textbf{used} count is made on the left of the \&\& operator.  In the C programming
1097
 
language the terms to \&\& are evaluated left to right with a boolean short-circuit if any condition fails.  This is 
1098
 
important since if the \textbf{used} is zero the test on the right would fetch below the array.  That is obviously 
1099
 
undesirable.  The parenthesis on line 31 is used to make sure the \textbf{used} count is decremented and not
1100
 
the pointer ``a''.  
1101
 
 
1102
 
\section*{Exercises}
1103
 
\begin{tabular}{cl}
1104
 
$\left [ 1 \right ]$ & Discuss the relevance of the \textbf{used} member of the mp\_int structure. \\
1105
 
                     & \\
1106
 
$\left [ 1 \right ]$ & Discuss the consequences of not using padding when performing allocations.  \\
1107
 
                     & \\
1108
 
$\left [ 2 \right ]$ & Estimate an ideal value for \textbf{MP\_PREC} when performing 1024-bit RSA \\
1109
 
                     & encryption when $\beta = 2^{28}$.  \\
1110
 
                     & \\
1111
 
$\left [ 1 \right ]$ & Discuss the relevance of the algorithm mp\_clamp.  What does it prevent? \\
1112
 
                     & \\
1113
 
$\left [ 1 \right ]$ & Give an example of when the algorithm  mp\_init\_copy might be useful. \\
1114
 
                     & \\
1115
 
\end{tabular}
1116
 
 
1117
 
 
1118
 
%%%
1119
 
% CHAPTER FOUR
1120
 
%%%
1121
 
 
1122
 
\chapter{Basic Operations}
1123
 
 
1124
 
\section{Introduction}
1125
 
In the previous chapter a series of low level algorithms were established that dealt with initializing and maintaining
1126
 
mp\_int structures.  This chapter will discuss another set of seemingly non-algebraic algorithms which will form the low 
1127
 
level basis of the entire library.  While these algorithm are relatively trivial it is important to understand how they
1128
 
work before proceeding since these algorithms will be used almost intrinsically in the following chapters.
1129
 
 
1130
 
The algorithms in this chapter deal primarily with more ``programmer'' related tasks such as creating copies of
1131
 
mp\_int structures, assigning small values to mp\_int structures and comparisons of the values mp\_int structures
1132
 
represent.   
1133
 
 
1134
 
\section{Assigning Values to mp\_int Structures}
1135
 
\subsection{Copying an mp\_int}
1136
 
Assigning the value that a given mp\_int structure represents to another mp\_int structure shall be known as making
1137
 
a copy for the purposes of this text.  The copy of the mp\_int will be a separate entity that represents the same
1138
 
value as the mp\_int it was copied from.  The mp\_copy algorithm provides this functionality. 
1139
 
 
1140
 
\newpage\begin{figure}[here]
1141
 
\begin{center}
1142
 
\begin{tabular}{l}
1143
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_copy}. \\
1144
 
\textbf{Input}.  An mp\_int $a$ and $b$. \\
1145
 
\textbf{Output}.  Store a copy of $a$ in $b$. \\
1146
 
\hline \\
1147
 
1.  If $b.alloc < a.used$ then grow $b$ to $a.used$ digits.  (\textit{mp\_grow}) \\
1148
 
2.  for $n$ from 0 to $a.used - 1$ do \\
1149
 
\hspace{3mm}2.1  $b_{n} \leftarrow a_{n}$ \\
1150
 
3.  for $n$ from $a.used$ to $b.used - 1$ do \\
1151
 
\hspace{3mm}3.1  $b_{n} \leftarrow 0$ \\
1152
 
4.  $b.used \leftarrow a.used$ \\
1153
 
5.  $b.sign \leftarrow a.sign$ \\
1154
 
6.  return(\textit{MP\_OKAY}) \\
1155
 
\hline
1156
 
\end{tabular}
1157
 
\end{center}
1158
 
\caption{Algorithm mp\_copy}
1159
 
\end{figure}
1160
 
 
1161
 
\textbf{Algorithm mp\_copy.}
1162
 
This algorithm copies the mp\_int $a$ such that upon succesful termination of the algorithm the mp\_int $b$ will
1163
 
represent the same integer as the mp\_int $a$.  The mp\_int $b$ shall be a complete and distinct copy of the 
1164
 
mp\_int $a$ meaing that the mp\_int $a$ can be modified and it shall not affect the value of the mp\_int $b$.
1165
 
 
1166
 
If $b$ does not have enough room for the digits of $a$ it must first have its precision augmented via the mp\_grow 
1167
 
algorithm.  The digits of $a$ are copied over the digits of $b$ and any excess digits of $b$ are set to zero (step two
1168
 
and three).  The \textbf{used} and \textbf{sign} members of $a$ are finally copied over the respective members of
1169
 
$b$.
1170
 
 
1171
 
\textbf{Remark.}  This algorithm also introduces a new idiosyncrasy that will be used throughout the rest of the
1172
 
text.  The error return codes of other algorithms are not explicitly checked in the pseudo-code presented.  For example, in 
1173
 
step one of the mp\_copy algorithm the return of mp\_grow is not explicitly checked to ensure it succeeded.  Text space is 
1174
 
limited so it is assumed that if a algorithm fails it will clear all temporarily allocated mp\_ints and return
1175
 
the error code itself.  However, the C code presented will demonstrate all of the error handling logic required to 
1176
 
implement the pseudo-code.
1177
 
 
1178
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1179
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_copy.c
1180
 
\vspace{-3mm}
1181
 
\begin{alltt}
1182
 
\end{alltt}
1183
 
\end{small}
1184
 
 
1185
 
Occasionally a dependent algorithm may copy an mp\_int effectively into itself such as when the input and output
1186
 
mp\_int structures passed to a function are one and the same.  For this case it is optimal to return immediately without 
1187
 
copying digits (line 25).  
1188
 
 
1189
 
The mp\_int $b$ must have enough digits to accomodate the used digits of the mp\_int $a$.  If $b.alloc$ is less than
1190
 
$a.used$ the algorithm mp\_grow is used to augment the precision of $b$ (lines 30 to 33).  In order to
1191
 
simplify the inner loop that copies the digits from $a$ to $b$, two aliases $tmpa$ and $tmpb$ point directly at the digits
1192
 
of the mp\_ints $a$ and $b$ respectively.  These aliases (lines 43 and 46) allow the compiler to access the digits without first dereferencing the
1193
 
mp\_int pointers and then subsequently the pointer to the digits.  
1194
 
 
1195
 
After the aliases are established the digits from $a$ are copied into $b$ (lines 49 to 51) and then the excess 
1196
 
digits of $b$ are set to zero (lines 54 to 56).  Both ``for'' loops make use of the pointer aliases and in 
1197
 
fact the alias for $b$ is carried through into the second ``for'' loop to clear the excess digits.  This optimization 
1198
 
allows the alias to stay in a machine register fairly easy between the two loops.
1199
 
 
1200
 
\textbf{Remarks.}  The use of pointer aliases is an implementation methodology first introduced in this function that will
1201
 
be used considerably in other functions.  Technically, a pointer alias is simply a short hand alias used to lower the 
1202
 
number of pointer dereferencing operations required to access data.  For example, a for loop may resemble
1203
 
 
1204
 
\begin{alltt}
1205
 
for (x = 0; x < 100; x++) \{
1206
 
    a->num[4]->dp[x] = 0;
1207
 
\}
1208
 
\end{alltt}
1209
 
 
1210
 
This could be re-written using aliases as 
1211
 
 
1212
 
\begin{alltt}
1213
 
mp_digit *tmpa;
1214
 
a = a->num[4]->dp;
1215
 
for (x = 0; x < 100; x++) \{
1216
 
    *a++ = 0;
1217
 
\}
1218
 
\end{alltt}
1219
 
 
1220
 
In this case an alias is used to access the 
1221
 
array of digits within an mp\_int structure directly.  It may seem that a pointer alias is strictly not required 
1222
 
as a compiler may optimize out the redundant pointer operations.  However, there are two dominant reasons to use aliases.
1223
 
 
1224
 
The first reason is that most compilers will not effectively optimize pointer arithmetic.  For example, some optimizations 
1225
 
may work for the Microsoft Visual C++ compiler (MSVC) and not for the GNU C Compiler (GCC).  Also some optimizations may 
1226
 
work for GCC and not MSVC.  As such it is ideal to find a common ground for as many compilers as possible.  Pointer 
1227
 
aliases optimize the code considerably before the compiler even reads the source code which means the end compiled code 
1228
 
stands a better chance of being faster.
1229
 
 
1230
 
The second reason is that pointer aliases often can make an algorithm simpler to read.  Consider the first ``for'' 
1231
 
loop of the function mp\_copy() re-written to not use pointer aliases.
1232
 
 
1233
 
\begin{alltt}
1234
 
    /* copy all the digits */
1235
 
    for (n = 0; n < a->used; n++) \{
1236
 
      b->dp[n] = a->dp[n];
1237
 
    \}
1238
 
\end{alltt}
1239
 
 
1240
 
Whether this code is harder to read depends strongly on the individual.  However, it is quantifiably slightly more 
1241
 
complicated as there are four variables within the statement instead of just two.
1242
 
 
1243
 
\subsubsection{Nested Statements}
1244
 
Another commonly used technique in the source routines is that certain sections of code are nested.  This is used in
1245
 
particular with the pointer aliases to highlight code phases.  For example, a Comba multiplier (discussed in chapter six)
1246
 
will typically have three different phases.  First the temporaries are initialized, then the columns calculated and 
1247
 
finally the carries are propagated.  In this example the middle column production phase will typically be nested as it
1248
 
uses temporary variables and aliases the most.
1249
 
 
1250
 
The nesting also simplies the source code as variables that are nested are only valid for their scope.  As a result
1251
 
the various temporary variables required do not propagate into other sections of code.
1252
 
 
1253
 
 
1254
 
\subsection{Creating a Clone}
1255
 
Another common operation is to make a local temporary copy of an mp\_int argument.  To initialize an mp\_int 
1256
 
and then copy another existing mp\_int into the newly intialized mp\_int will be known as creating a clone.  This is 
1257
 
useful within functions that need to modify an argument but do not wish to actually modify the original copy.  The 
1258
 
mp\_init\_copy algorithm has been designed to help perform this task.
1259
 
 
1260
 
\begin{figure}[here]
1261
 
\begin{center}
1262
 
\begin{tabular}{l}
1263
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_init\_copy}. \\
1264
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ and $b$\\
1265
 
\textbf{Output}.  $a$ is initialized to be a copy of $b$. \\
1266
 
\hline \\
1267
 
1.  Init $a$.  (\textit{mp\_init}) \\
1268
 
2.  Copy $b$ to $a$.  (\textit{mp\_copy}) \\
1269
 
3.  Return the status of the copy operation. \\
1270
 
\hline
1271
 
\end{tabular}
1272
 
\end{center}
1273
 
\caption{Algorithm mp\_init\_copy}
1274
 
\end{figure}
1275
 
 
1276
 
\textbf{Algorithm mp\_init\_copy.}
1277
 
This algorithm will initialize an mp\_int variable and copy another previously initialized mp\_int variable into it.  As 
1278
 
such this algorithm will perform two operations in one step.  
1279
 
 
1280
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1281
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_init\_copy.c
1282
 
\vspace{-3mm}
1283
 
\begin{alltt}
1284
 
\end{alltt}
1285
 
\end{small}
1286
 
 
1287
 
This will initialize \textbf{a} and make it a verbatim copy of the contents of \textbf{b}.  Note that 
1288
 
\textbf{a} will have its own memory allocated which means that \textbf{b} may be cleared after the call
1289
 
and \textbf{a} will be left intact.  
1290
 
 
1291
 
\section{Zeroing an Integer}
1292
 
Reseting an mp\_int to the default state is a common step in many algorithms.  The mp\_zero algorithm will be the algorithm used to
1293
 
perform this task.
1294
 
 
1295
 
\begin{figure}[here]
1296
 
\begin{center}
1297
 
\begin{tabular}{l}
1298
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_zero}. \\
1299
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ \\
1300
 
\textbf{Output}.  Zero the contents of $a$ \\
1301
 
\hline \\
1302
 
1.  $a.used \leftarrow 0$ \\
1303
 
2.  $a.sign \leftarrow$ MP\_ZPOS \\
1304
 
3.  for $n$ from 0 to $a.alloc - 1$ do \\
1305
 
\hspace{3mm}3.1  $a_n \leftarrow 0$ \\
1306
 
\hline
1307
 
\end{tabular}
1308
 
\end{center}
1309
 
\caption{Algorithm mp\_zero}
1310
 
\end{figure}
1311
 
 
1312
 
\textbf{Algorithm mp\_zero.}
1313
 
This algorithm simply resets a mp\_int to the default state.  
1314
 
 
1315
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1316
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_zero.c
1317
 
\vspace{-3mm}
1318
 
\begin{alltt}
1319
 
\end{alltt}
1320
 
\end{small}
1321
 
 
1322
 
After the function is completed, all of the digits are zeroed, the \textbf{used} count is zeroed and the 
1323
 
\textbf{sign} variable is set to \textbf{MP\_ZPOS}.
1324
 
 
1325
 
\section{Sign Manipulation}
1326
 
\subsection{Absolute Value}
1327
 
With the mp\_int representation of an integer, calculating the absolute value is trivial.  The mp\_abs algorithm will compute
1328
 
the absolute value of an mp\_int.
1329
 
 
1330
 
\begin{figure}[here]
1331
 
\begin{center}
1332
 
\begin{tabular}{l}
1333
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_abs}. \\
1334
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ \\
1335
 
\textbf{Output}.  Computes $b = \vert a \vert$ \\
1336
 
\hline \\
1337
 
1.  Copy $a$ to $b$.  (\textit{mp\_copy}) \\
1338
 
2.  If the copy failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
1339
 
3.  $b.sign \leftarrow MP\_ZPOS$ \\
1340
 
4.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
1341
 
\hline
1342
 
\end{tabular}
1343
 
\end{center}
1344
 
\caption{Algorithm mp\_abs}
1345
 
\end{figure}
1346
 
 
1347
 
\textbf{Algorithm mp\_abs.}
1348
 
This algorithm computes the absolute of an mp\_int input.  First it copies $a$ over $b$.  This is an example of an
1349
 
algorithm where the check in mp\_copy that determines if the source and destination are equal proves useful.  This allows,
1350
 
for instance, the developer to pass the same mp\_int as the source and destination to this function without addition 
1351
 
logic to handle it.
1352
 
 
1353
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1354
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_abs.c
1355
 
\vspace{-3mm}
1356
 
\begin{alltt}
1357
 
\end{alltt}
1358
 
\end{small}
1359
 
 
1360
 
This fairly trivial algorithm first eliminates non--required duplications (line 28) and then sets the
1361
 
\textbf{sign} flag to \textbf{MP\_ZPOS}.
1362
 
 
1363
 
\subsection{Integer Negation}
1364
 
With the mp\_int representation of an integer, calculating the negation is also trivial.  The mp\_neg algorithm will compute
1365
 
the negative of an mp\_int input.
1366
 
 
1367
 
\begin{figure}[here]
1368
 
\begin{center}
1369
 
\begin{tabular}{l}
1370
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_neg}. \\
1371
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ \\
1372
 
\textbf{Output}.  Computes $b = -a$ \\
1373
 
\hline \\
1374
 
1.  Copy $a$ to $b$.  (\textit{mp\_copy}) \\
1375
 
2.  If the copy failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
1376
 
3.  If $a.used = 0$ then return(\textit{MP\_OKAY}). \\
1377
 
4.  If $a.sign = MP\_ZPOS$ then do \\
1378
 
\hspace{3mm}4.1  $b.sign = MP\_NEG$. \\
1379
 
5.  else do \\
1380
 
\hspace{3mm}5.1  $b.sign = MP\_ZPOS$. \\
1381
 
6.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
1382
 
\hline
1383
 
\end{tabular}
1384
 
\end{center}
1385
 
\caption{Algorithm mp\_neg}
1386
 
\end{figure}
1387
 
 
1388
 
\textbf{Algorithm mp\_neg.}
1389
 
This algorithm computes the negation of an input.  First it copies $a$ over $b$.  If $a$ has no used digits then
1390
 
the algorithm returns immediately.  Otherwise it flips the sign flag and stores the result in $b$.  Note that if 
1391
 
$a$ had no digits then it must be positive by definition.  Had step three been omitted then the algorithm would return
1392
 
zero as negative.
1393
 
 
1394
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1395
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_neg.c
1396
 
\vspace{-3mm}
1397
 
\begin{alltt}
1398
 
\end{alltt}
1399
 
\end{small}
1400
 
 
1401
 
Like mp\_abs() this function avoids non--required duplications (line 22) and then sets the sign.  We
1402
 
have to make sure that only non--zero values get a \textbf{sign} of \textbf{MP\_NEG}.  If the mp\_int is zero
1403
 
than the \textbf{sign} is hard--coded to \textbf{MP\_ZPOS}.
1404
 
 
1405
 
\section{Small Constants}
1406
 
\subsection{Setting Small Constants}
1407
 
Often a mp\_int must be set to a relatively small value such as $1$ or $2$.  For these cases the mp\_set algorithm is useful.
1408
 
 
1409
 
\newpage\begin{figure}[here]
1410
 
\begin{center}
1411
 
\begin{tabular}{l}
1412
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_set}. \\
1413
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ and a digit $b$ \\
1414
 
\textbf{Output}.  Make $a$ equivalent to $b$ \\
1415
 
\hline \\
1416
 
1.  Zero $a$ (\textit{mp\_zero}). \\
1417
 
2.  $a_0 \leftarrow b \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
1418
 
3.  $a.used \leftarrow  \left \lbrace \begin{array}{ll}
1419
 
                              1 &  \mbox{if }a_0 > 0 \\
1420
 
                              0 &  \mbox{if }a_0 = 0 
1421
 
                              \end{array} \right .$ \\
1422
 
\hline                              
1423
 
\end{tabular}
1424
 
\end{center}
1425
 
\caption{Algorithm mp\_set}
1426
 
\end{figure}
1427
 
 
1428
 
\textbf{Algorithm mp\_set.}
1429
 
This algorithm sets a mp\_int to a small single digit value.  Step number 1 ensures that the integer is reset to the default state.  The
1430
 
single digit is set (\textit{modulo $\beta$}) and the \textbf{used} count is adjusted accordingly.
1431
 
 
1432
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1433
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_set.c
1434
 
\vspace{-3mm}
1435
 
\begin{alltt}
1436
 
\end{alltt}
1437
 
\end{small}
1438
 
 
1439
 
First we zero (line 21) the mp\_int to make sure that the other members are initialized for a 
1440
 
small positive constant.  mp\_zero() ensures that the \textbf{sign} is positive and the \textbf{used} count
1441
 
is zero.  Next we set the digit and reduce it modulo $\beta$ (line 22).  After this step we have to 
1442
 
check if the resulting digit is zero or not.  If it is not then we set the \textbf{used} count to one, otherwise
1443
 
to zero.
1444
 
 
1445
 
We can quickly reduce modulo $\beta$ since it is of the form $2^k$ and a quick binary AND operation with 
1446
 
$2^k - 1$ will perform the same operation.
1447
 
 
1448
 
One important limitation of this function is that it will only set one digit.  The size of a digit is not fixed, meaning source that uses 
1449
 
this function should take that into account.  Only trivially small constants can be set using this function.
1450
 
 
1451
 
\subsection{Setting Large Constants}
1452
 
To overcome the limitations of the mp\_set algorithm the mp\_set\_int algorithm is ideal.  It accepts a ``long''
1453
 
data type as input and will always treat it as a 32-bit integer.
1454
 
 
1455
 
\begin{figure}[here]
1456
 
\begin{center}
1457
 
\begin{tabular}{l}
1458
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_set\_int}. \\
1459
 
\textbf{Input}.   An mp\_int $a$ and a ``long'' integer $b$ \\
1460
 
\textbf{Output}.  Make $a$ equivalent to $b$ \\
1461
 
\hline \\
1462
 
1.  Zero $a$ (\textit{mp\_zero}) \\
1463
 
2.  for $n$ from 0 to 7 do \\
1464
 
\hspace{3mm}2.1  $a \leftarrow a \cdot 16$ (\textit{mp\_mul2d}) \\
1465
 
\hspace{3mm}2.2  $u \leftarrow \lfloor b / 2^{4(7 - n)} \rfloor \mbox{ (mod }16\mbox{)}$\\
1466
 
\hspace{3mm}2.3  $a_0 \leftarrow a_0 + u$ \\
1467
 
\hspace{3mm}2.4  $a.used \leftarrow a.used + 1$ \\
1468
 
3.  Clamp excess used digits (\textit{mp\_clamp}) \\
1469
 
\hline
1470
 
\end{tabular}
1471
 
\end{center}
1472
 
\caption{Algorithm mp\_set\_int}
1473
 
\end{figure}
1474
 
 
1475
 
\textbf{Algorithm mp\_set\_int.}
1476
 
The algorithm performs eight iterations of a simple loop where in each iteration four bits from the source are added to the 
1477
 
mp\_int.  Step 2.1 will multiply the current result by sixteen making room for four more bits in the less significant positions.  In step 2.2 the
1478
 
next four bits from the source are extracted and are added to the mp\_int. The \textbf{used} digit count is 
1479
 
incremented to reflect the addition.  The \textbf{used} digit counter is incremented since if any of the leading digits were zero the mp\_int would have
1480
 
zero digits used and the newly added four bits would be ignored.
1481
 
 
1482
 
Excess zero digits are trimmed in steps 2.1 and 3 by using higher level algorithms mp\_mul2d and mp\_clamp.
1483
 
 
1484
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1485
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_set\_int.c
1486
 
\vspace{-3mm}
1487
 
\begin{alltt}
1488
 
\end{alltt}
1489
 
\end{small}
1490
 
 
1491
 
This function sets four bits of the number at a time to handle all practical \textbf{DIGIT\_BIT} sizes.  The weird
1492
 
addition on line 39 ensures that the newly added in bits are added to the number of digits.  While it may not 
1493
 
seem obvious as to why the digit counter does not grow exceedingly large it is because of the shift on line 28 
1494
 
as well as the  call to mp\_clamp() on line 41.  Both functions will clamp excess leading digits which keeps 
1495
 
the number of used digits low.
1496
 
 
1497
 
\section{Comparisons}
1498
 
\subsection{Unsigned Comparisions}
1499
 
Comparing a multiple precision integer is performed with the exact same algorithm used to compare two decimal numbers.  For example,
1500
 
to compare $1,234$ to $1,264$ the digits are extracted by their positions.  That is we compare $1 \cdot 10^3 + 2 \cdot 10^2 + 3 \cdot 10^1 + 4 \cdot 10^0$
1501
 
to $1 \cdot 10^3 + 2 \cdot 10^2 + 6 \cdot 10^1 + 4 \cdot 10^0$ by comparing single digits at a time starting with the highest magnitude 
1502
 
positions.  If any leading digit of one integer is greater than a digit in the same position of another integer then obviously it must be greater.  
1503
 
 
1504
 
The first comparision routine that will be developed is the unsigned magnitude compare which will perform a comparison based on the digits of two
1505
 
mp\_int variables alone.  It will ignore the sign of the two inputs.  Such a function is useful when an absolute comparison is required or if the 
1506
 
signs are known to agree in advance.
1507
 
 
1508
 
To facilitate working with the results of the comparison functions three constants are required.  
1509
 
 
1510
 
\begin{figure}[here]
1511
 
\begin{center}
1512
 
\begin{tabular}{|r|l|}
1513
 
\hline \textbf{Constant} & \textbf{Meaning} \\
1514
 
\hline \textbf{MP\_GT} & Greater Than \\
1515
 
\hline \textbf{MP\_EQ} & Equal To \\
1516
 
\hline \textbf{MP\_LT} & Less Than \\
1517
 
\hline
1518
 
\end{tabular}
1519
 
\end{center}
1520
 
\caption{Comparison Return Codes}
1521
 
\end{figure}
1522
 
 
1523
 
\begin{figure}[here]
1524
 
\begin{center}
1525
 
\begin{tabular}{l}
1526
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_cmp\_mag}. \\
1527
 
\textbf{Input}.   Two mp\_ints $a$ and $b$.  \\
1528
 
\textbf{Output}.  Unsigned comparison results ($a$ to the left of $b$). \\
1529
 
\hline \\
1530
 
1.  If $a.used > b.used$ then return(\textit{MP\_GT}) \\
1531
 
2.  If $a.used < b.used$ then return(\textit{MP\_LT}) \\
1532
 
3.  for n from $a.used - 1$ to 0 do \\
1533
 
\hspace{+3mm}3.1  if $a_n > b_n$ then return(\textit{MP\_GT}) \\
1534
 
\hspace{+3mm}3.2  if $a_n < b_n$ then return(\textit{MP\_LT}) \\
1535
 
4.  Return(\textit{MP\_EQ}) \\
1536
 
\hline
1537
 
\end{tabular}
1538
 
\end{center}
1539
 
\caption{Algorithm mp\_cmp\_mag}
1540
 
\end{figure}
1541
 
 
1542
 
\textbf{Algorithm mp\_cmp\_mag.}
1543
 
By saying ``$a$ to the left of $b$'' it is meant that the comparison is with respect to $a$, that is if $a$ is greater than $b$ it will return
1544
 
\textbf{MP\_GT} and similar with respect to when $a = b$ and $a < b$.  The first two steps compare the number of digits used in both $a$ and $b$.  
1545
 
Obviously if the digit counts differ there would be an imaginary zero digit in the smaller number where the leading digit of the larger number is.  
1546
 
If both have the same number of digits than the actual digits themselves must be compared starting at the leading digit.  
1547
 
 
1548
 
By step three both inputs must have the same number of digits so its safe to start from either $a.used - 1$ or $b.used - 1$ and count down to
1549
 
the zero'th digit.  If after all of the digits have been compared, no difference is found, the algorithm returns \textbf{MP\_EQ}.
1550
 
 
1551
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1552
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_cmp\_mag.c
1553
 
\vspace{-3mm}
1554
 
\begin{alltt}
1555
 
\end{alltt}
1556
 
\end{small}
1557
 
 
1558
 
The two if statements (lines 25 and 29) compare the number of digits in the two inputs.  These two are 
1559
 
performed before all of the digits are compared since it is a very cheap test to perform and can potentially save 
1560
 
considerable time.  The implementation given is also not valid without those two statements.  $b.alloc$ may be 
1561
 
smaller than $a.used$, meaning that undefined values will be read from $b$ past the end of the array of digits.
1562
 
 
1563
 
 
1564
 
 
1565
 
\subsection{Signed Comparisons}
1566
 
Comparing with sign considerations is also fairly critical in several routines (\textit{division for example}).  Based on an unsigned magnitude 
1567
 
comparison a trivial signed comparison algorithm can be written.
1568
 
 
1569
 
\begin{figure}[here]
1570
 
\begin{center}
1571
 
\begin{tabular}{l}
1572
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_cmp}. \\
1573
 
\textbf{Input}.   Two mp\_ints $a$ and $b$ \\
1574
 
\textbf{Output}.  Signed Comparison Results ($a$ to the left of $b$) \\
1575
 
\hline \\
1576
 
1.  if $a.sign = MP\_NEG$ and $b.sign = MP\_ZPOS$ then return(\textit{MP\_LT}) \\
1577
 
2.  if $a.sign = MP\_ZPOS$ and $b.sign = MP\_NEG$ then return(\textit{MP\_GT}) \\
1578
 
3.  if $a.sign = MP\_NEG$ then \\
1579
 
\hspace{+3mm}3.1  Return the unsigned comparison of $b$ and $a$ (\textit{mp\_cmp\_mag}) \\
1580
 
4   Otherwise \\
1581
 
\hspace{+3mm}4.1  Return the unsigned comparison of $a$ and $b$ \\
1582
 
\hline
1583
 
\end{tabular}
1584
 
\end{center}
1585
 
\caption{Algorithm mp\_cmp}
1586
 
\end{figure}
1587
 
 
1588
 
\textbf{Algorithm mp\_cmp.}
1589
 
The first two steps compare the signs of the two inputs.  If the signs do not agree then it can return right away with the appropriate 
1590
 
comparison code.  When the signs are equal the digits of the inputs must be compared to determine the correct result.  In step 
1591
 
three the unsigned comparision flips the order of the arguments since they are both negative.  For instance, if $-a > -b$ then 
1592
 
$\vert a \vert < \vert b \vert$.  Step number four will compare the two when they are both positive.
1593
 
 
1594
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1595
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_cmp.c
1596
 
\vspace{-3mm}
1597
 
\begin{alltt}
1598
 
\end{alltt}
1599
 
\end{small}
1600
 
 
1601
 
The two if statements (lines 23 and 24) perform the initial sign comparison.  If the signs are not the equal then which ever
1602
 
has the positive sign is larger.   The inputs are compared (line 32) based on magnitudes.  If the signs were both 
1603
 
negative then the unsigned comparison is performed in the opposite direction (line 34).  Otherwise, the signs are assumed to 
1604
 
be both positive and a forward direction unsigned comparison is performed.
1605
 
 
1606
 
\section*{Exercises}
1607
 
\begin{tabular}{cl}
1608
 
$\left [ 2 \right ]$ & Modify algorithm mp\_set\_int to accept as input a variable length array of bits. \\
1609
 
                     & \\
1610
 
$\left [ 3 \right ]$ & Give the probability that algorithm mp\_cmp\_mag will have to compare $k$ digits  \\
1611
 
                     & of two random digits (of equal magnitude) before a difference is found. \\
1612
 
                     & \\
1613
 
$\left [ 1 \right ]$ & Suggest a simple method to speed up the implementation of mp\_cmp\_mag based  \\
1614
 
                     & on the observations made in the previous problem. \\
1615
 
                     &
1616
 
\end{tabular}
1617
 
 
1618
 
\chapter{Basic Arithmetic}
1619
 
\section{Introduction}
1620
 
At this point algorithms for initialization, clearing, zeroing, copying, comparing and setting small constants have been 
1621
 
established.  The next logical set of algorithms to develop are addition, subtraction and digit shifting algorithms.  These 
1622
 
algorithms make use of the lower level algorithms and are the cruicial building block for the multiplication algorithms.  It is very important 
1623
 
that these algorithms are highly optimized.  On their own they are simple $O(n)$ algorithms but they can be called from higher level algorithms 
1624
 
which easily places them at $O(n^2)$ or even $O(n^3)$ work levels.  
1625
 
 
1626
 
All of the algorithms within this chapter make use of the logical bit shift operations denoted by $<<$ and $>>$ for left and right 
1627
 
logical shifts respectively.  A logical shift is analogous to sliding the decimal point of radix-10 representations.  For example, the real 
1628
 
number $0.9345$ is equivalent to $93.45\%$ which is found by sliding the the decimal two places to the right (\textit{multiplying by $\beta^2 = 10^2$}).  
1629
 
Algebraically a binary logical shift is equivalent to a division or multiplication by a power of two.  
1630
 
For example, $a << k = a \cdot 2^k$ while $a >> k = \lfloor a/2^k \rfloor$.
1631
 
 
1632
 
One significant difference between a logical shift and the way decimals are shifted is that digits below the zero'th position are removed
1633
 
from the number.  For example, consider $1101_2 >> 1$ using decimal notation this would produce $110.1_2$.  However, with a logical shift the 
1634
 
result is $110_2$.  
1635
 
 
1636
 
\section{Addition and Subtraction}
1637
 
In common twos complement fixed precision arithmetic negative numbers are easily represented by subtraction from the modulus.  For example, with 32-bit integers
1638
 
$a - b\mbox{ (mod }2^{32}\mbox{)}$ is the same as $a + (2^{32} - b) \mbox{ (mod }2^{32}\mbox{)}$  since $2^{32} \equiv 0 \mbox{ (mod }2^{32}\mbox{)}$.  
1639
 
As a result subtraction can be performed with a trivial series of logical operations and an addition.
1640
 
 
1641
 
However, in multiple precision arithmetic negative numbers are not represented in the same way.  Instead a sign flag is used to keep track of the
1642
 
sign of the integer.  As a result signed addition and subtraction are actually implemented as conditional usage of lower level addition or 
1643
 
subtraction algorithms with the sign fixed up appropriately.
1644
 
 
1645
 
The lower level algorithms will add or subtract integers without regard to the sign flag.  That is they will add or subtract the magnitude of
1646
 
the integers respectively.
1647
 
 
1648
 
\subsection{Low Level Addition}
1649
 
An unsigned addition of multiple precision integers is performed with the same long-hand algorithm used to add decimal numbers.  That is to add the 
1650
 
trailing digits first and propagate the resulting carry upwards.  Since this is a lower level algorithm the name will have a ``s\_'' prefix.  
1651
 
Historically that convention stems from the MPI library where ``s\_'' stood for static functions that were hidden from the developer entirely.
1652
 
 
1653
 
\newpage
1654
 
\begin{figure}[!here]
1655
 
\begin{center}
1656
 
\begin{small}
1657
 
\begin{tabular}{l}
1658
 
\hline Algorithm \textbf{s\_mp\_add}. \\
1659
 
\textbf{Input}.   Two mp\_ints $a$ and $b$ \\
1660
 
\textbf{Output}.  The unsigned addition $c = \vert a \vert + \vert b \vert$. \\
1661
 
\hline \\
1662
 
1.  if $a.used > b.used$ then \\
1663
 
\hspace{+3mm}1.1  $min \leftarrow b.used$ \\
1664
 
\hspace{+3mm}1.2  $max \leftarrow a.used$ \\
1665
 
\hspace{+3mm}1.3  $x   \leftarrow a$ \\
1666
 
2.  else  \\
1667
 
\hspace{+3mm}2.1  $min \leftarrow a.used$ \\
1668
 
\hspace{+3mm}2.2  $max \leftarrow b.used$ \\
1669
 
\hspace{+3mm}2.3  $x   \leftarrow b$ \\
1670
 
3.  If $c.alloc < max + 1$ then grow $c$ to hold at least $max + 1$ digits (\textit{mp\_grow}) \\
1671
 
4.  $oldused \leftarrow c.used$ \\
1672
 
5.  $c.used \leftarrow max + 1$ \\
1673
 
6.  $u \leftarrow 0$ \\
1674
 
7.  for $n$ from $0$ to $min - 1$ do \\
1675
 
\hspace{+3mm}7.1  $c_n \leftarrow a_n + b_n + u$ \\
1676
 
\hspace{+3mm}7.2  $u \leftarrow c_n >> lg(\beta)$ \\
1677
 
\hspace{+3mm}7.3  $c_n \leftarrow c_n \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
1678
 
8.  if $min \ne max$ then do \\
1679
 
\hspace{+3mm}8.1  for $n$ from $min$ to $max - 1$ do \\
1680
 
\hspace{+6mm}8.1.1  $c_n \leftarrow x_n + u$ \\
1681
 
\hspace{+6mm}8.1.2  $u \leftarrow c_n >> lg(\beta)$ \\
1682
 
\hspace{+6mm}8.1.3  $c_n \leftarrow c_n \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
1683
 
9.  $c_{max} \leftarrow u$ \\
1684
 
10.  if $olduse > max$ then \\
1685
 
\hspace{+3mm}10.1  for $n$ from $max + 1$ to $oldused - 1$ do \\
1686
 
\hspace{+6mm}10.1.1  $c_n \leftarrow 0$ \\
1687
 
11.  Clamp excess digits in $c$.  (\textit{mp\_clamp}) \\
1688
 
12.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
1689
 
\hline
1690
 
\end{tabular}
1691
 
\end{small}
1692
 
\end{center}
1693
 
\caption{Algorithm s\_mp\_add}
1694
 
\end{figure}
1695
 
 
1696
 
\textbf{Algorithm s\_mp\_add.}
1697
 
This algorithm is loosely based on algorithm 14.7 of HAC \cite[pp. 594]{HAC} but has been extended to allow the inputs to have different magnitudes.  
1698
 
Coincidentally the description of algorithm A in Knuth \cite[pp. 266]{TAOCPV2} shares the same deficiency as the algorithm from \cite{HAC}.  Even the 
1699
 
MIX pseudo  machine code presented by Knuth \cite[pp. 266-267]{TAOCPV2} is incapable of handling inputs which are of different magnitudes.
1700
 
 
1701
 
The first thing that has to be accomplished is to sort out which of the two inputs is the largest.  The addition logic
1702
 
will simply add all of the smallest input to the largest input and store that first part of the result in the
1703
 
destination.  Then it will apply a simpler addition loop to excess digits of the larger input.
1704
 
 
1705
 
The first two steps will handle sorting the inputs such that $min$ and $max$ hold the digit counts of the two 
1706
 
inputs.  The variable $x$ will be an mp\_int alias for the largest input or the second input $b$ if they have the
1707
 
same number of digits.  After the inputs are sorted the destination $c$ is grown as required to accomodate the sum 
1708
 
of the two inputs.  The original \textbf{used} count of $c$ is copied and set to the new used count.  
1709
 
 
1710
 
At this point the first addition loop will go through as many digit positions that both inputs have.  The carry
1711
 
variable $\mu$ is set to zero outside the loop.  Inside the loop an ``addition'' step requires three statements to produce
1712
 
one digit of the summand.  First
1713
 
two digits from $a$ and $b$ are added together along with the carry $\mu$.  The carry of this step is extracted and stored
1714
 
in $\mu$ and finally the digit of the result $c_n$ is truncated within the range $0 \le c_n < \beta$.
1715
 
 
1716
 
Now all of the digit positions that both inputs have in common have been exhausted.  If $min \ne max$ then $x$ is an alias
1717
 
for one of the inputs that has more digits.  A simplified addition loop is then used to essentially copy the remaining digits
1718
 
and the carry to the destination.
1719
 
 
1720
 
The final carry is stored in $c_{max}$ and digits above $max$ upto $oldused$ are zeroed which completes the addition.
1721
 
 
1722
 
 
1723
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1724
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_s\_mp\_add.c
1725
 
\vspace{-3mm}
1726
 
\begin{alltt}
1727
 
\end{alltt}
1728
 
\end{small}
1729
 
 
1730
 
We first sort (lines 28 to 36) the inputs based on magnitude and determine the $min$ and $max$ variables.
1731
 
Note that $x$ is a pointer to an mp\_int assigned to the largest input, in effect it is a local alias.  Next we
1732
 
grow the destination (38 to 42) ensure that it can accomodate the result of the addition. 
1733
 
 
1734
 
Similar to the implementation of mp\_copy this function uses the braced code and local aliases coding style.  The three aliases that are on 
1735
 
lines 56, 59 and 62 represent the two inputs and destination variables respectively.  These aliases are used to ensure the
1736
 
compiler does not have to dereference $a$, $b$ or $c$ (respectively) to access the digits of the respective mp\_int.
1737
 
 
1738
 
The initial carry $u$ will be cleared (line 65), note that $u$ is of type mp\_digit which ensures type 
1739
 
compatibility within the implementation.  The initial addition (line 66 to 75) adds digits from
1740
 
both inputs until the smallest input runs out of digits.  Similarly the conditional addition loop
1741
 
(line 81 to 90) adds the remaining digits from the larger of the two inputs.  The addition is finished 
1742
 
with the final carry being stored in $tmpc$ (line 94).  Note the ``++'' operator within the same expression.
1743
 
After line 94, $tmpc$ will point to the $c.used$'th digit of the mp\_int $c$.  This is useful
1744
 
for the next loop (line 97 to 99) which set any old upper digits to zero.
1745
 
 
1746
 
\subsection{Low Level Subtraction}
1747
 
The low level unsigned subtraction algorithm is very similar to the low level unsigned addition algorithm.  The principle difference is that the
1748
 
unsigned subtraction algorithm requires the result to be positive.  That is when computing $a - b$ the condition $\vert a \vert \ge \vert b\vert$ must 
1749
 
be met for this algorithm to function properly.  Keep in mind this low level algorithm is not meant to be used in higher level algorithms directly.  
1750
 
This algorithm as will be shown can be used to create functional signed addition and subtraction algorithms.
1751
 
 
1752
 
 
1753
 
For this algorithm a new variable is required to make the description simpler.  Recall from section 1.3.1 that a mp\_digit must be able to represent
1754
 
the range $0 \le x < 2\beta$ for the algorithms to work correctly.  However, it is allowable that a mp\_digit represent a larger range of values.  For 
1755
 
this algorithm we will assume that the variable $\gamma$ represents the number of bits available in a 
1756
 
mp\_digit (\textit{this implies $2^{\gamma} > \beta$}).  
1757
 
 
1758
 
For example, the default for LibTomMath is to use a ``unsigned long'' for the mp\_digit ``type'' while $\beta = 2^{28}$.  In ISO C an ``unsigned long''
1759
 
data type must be able to represent $0 \le x < 2^{32}$ meaning that in this case $\gamma \ge 32$.
1760
 
 
1761
 
\newpage\begin{figure}[!here]
1762
 
\begin{center}
1763
 
\begin{small}
1764
 
\begin{tabular}{l}
1765
 
\hline Algorithm \textbf{s\_mp\_sub}. \\
1766
 
\textbf{Input}.   Two mp\_ints $a$ and $b$ ($\vert a \vert \ge \vert b \vert$) \\
1767
 
\textbf{Output}.  The unsigned subtraction $c = \vert a \vert - \vert b \vert$. \\
1768
 
\hline \\
1769
 
1.  $min \leftarrow b.used$ \\
1770
 
2.  $max \leftarrow a.used$ \\
1771
 
3.  If $c.alloc < max$ then grow $c$ to hold at least $max$ digits.  (\textit{mp\_grow}) \\
1772
 
4.  $oldused \leftarrow c.used$ \\ 
1773
 
5.  $c.used \leftarrow max$ \\
1774
 
6.  $u \leftarrow 0$ \\
1775
 
7.  for $n$ from $0$ to $min - 1$ do \\
1776
 
\hspace{3mm}7.1  $c_n \leftarrow a_n - b_n - u$ \\
1777
 
\hspace{3mm}7.2  $u   \leftarrow c_n >> (\gamma - 1)$ \\
1778
 
\hspace{3mm}7.3  $c_n \leftarrow c_n \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
1779
 
8.  if $min < max$ then do \\
1780
 
\hspace{3mm}8.1  for $n$ from $min$ to $max - 1$ do \\
1781
 
\hspace{6mm}8.1.1  $c_n \leftarrow a_n - u$ \\
1782
 
\hspace{6mm}8.1.2  $u   \leftarrow c_n >> (\gamma - 1)$ \\
1783
 
\hspace{6mm}8.1.3  $c_n \leftarrow c_n \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
1784
 
9. if $oldused > max$ then do \\
1785
 
\hspace{3mm}9.1  for $n$ from $max$ to $oldused - 1$ do \\
1786
 
\hspace{6mm}9.1.1  $c_n \leftarrow 0$ \\
1787
 
10. Clamp excess digits of $c$.  (\textit{mp\_clamp}). \\
1788
 
11. Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
1789
 
\hline
1790
 
\end{tabular}
1791
 
\end{small}
1792
 
\end{center}
1793
 
\caption{Algorithm s\_mp\_sub}
1794
 
\end{figure}
1795
 
 
1796
 
\textbf{Algorithm s\_mp\_sub.}
1797
 
This algorithm performs the unsigned subtraction of two mp\_int variables under the restriction that the result must be positive.  That is when
1798
 
passing variables $a$ and $b$ the condition that $\vert a \vert \ge \vert b \vert$ must be met for the algorithm to function correctly.  This
1799
 
algorithm is loosely based on algorithm 14.9 \cite[pp. 595]{HAC} and is similar to algorithm S in \cite[pp. 267]{TAOCPV2} as well.  As was the case
1800
 
of the algorithm s\_mp\_add both other references lack discussion concerning various practical details such as when the inputs differ in magnitude.
1801
 
 
1802
 
The initial sorting of the inputs is trivial in this algorithm since $a$ is guaranteed to have at least the same magnitude of $b$.  Steps 1 and 2 
1803
 
set the $min$ and $max$ variables.  Unlike the addition routine there is guaranteed to be no carry which means that the final result can be at 
1804
 
most $max$ digits in length as opposed to $max + 1$.  Similar to the addition algorithm the \textbf{used} count of $c$ is copied locally and 
1805
 
set to the maximal count for the operation.
1806
 
 
1807
 
The subtraction loop that begins on step seven is essentially the same as the addition loop of algorithm s\_mp\_add except single precision 
1808
 
subtraction is used instead.  Note the use of the $\gamma$ variable to extract the carry (\textit{also known as the borrow}) within the subtraction 
1809
 
loops.  Under the assumption that two's complement single precision arithmetic is used this will successfully extract the desired carry.  
1810
 
 
1811
 
For example, consider subtracting $0101_2$ from $0100_2$ where $\gamma = 4$ and $\beta = 2$.  The least significant bit will force a carry upwards to 
1812
 
the third bit which will be set to zero after the borrow.  After the very first bit has been subtracted $4 - 1 \equiv 0011_2$ will remain,  When the 
1813
 
third bit of $0101_2$ is subtracted from the result it will cause another carry.  In this case though the carry will be forced to propagate all the 
1814
 
way to the most significant bit.  
1815
 
 
1816
 
Recall that $\beta < 2^{\gamma}$.  This means that if a carry does occur just before the $lg(\beta)$'th bit it will propagate all the way to the most 
1817
 
significant bit.  Thus, the high order bits of the mp\_digit that are not part of the actual digit will either be all zero, or all one. All that
1818
 
is needed is a single zero or one bit for the carry.  Therefore a single logical shift right by $\gamma - 1$ positions is sufficient to extract the 
1819
 
carry.  This method of carry extraction may seem awkward but the reason for it becomes apparent when the implementation is discussed.  
1820
 
 
1821
 
If $b$ has a smaller magnitude than $a$ then step 9 will force the carry and copy operation to propagate through the larger input $a$ into $c$.  Step
1822
 
10 will ensure that any leading digits of $c$ above the $max$'th position are zeroed.
1823
 
 
1824
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1825
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_s\_mp\_sub.c
1826
 
\vspace{-3mm}
1827
 
\begin{alltt}
1828
 
\end{alltt}
1829
 
\end{small}
1830
 
 
1831
 
Like low level addition we ``sort'' the inputs.  Except in this case the sorting is hardcoded 
1832
 
(lines 25 and 26).  In reality the $min$ and $max$ variables are only aliases and are only 
1833
 
used to make the source code easier to read.  Again the pointer alias optimization is used 
1834
 
within this algorithm.  The aliases $tmpa$, $tmpb$ and $tmpc$ are initialized
1835
 
(lines 42, 43 and 44) for $a$, $b$ and $c$ respectively.
1836
 
 
1837
 
The first subtraction loop (lines 47 through 61) subtract digits from both inputs until the smaller of
1838
 
the two inputs has been exhausted.  As remarked earlier there is an implementation reason for using the ``awkward'' 
1839
 
method of extracting the carry (line 57).  The traditional method for extracting the carry would be to shift 
1840
 
by $lg(\beta)$ positions and logically AND the least significant bit.  The AND operation is required because all of 
1841
 
the bits above the $\lg(\beta)$'th bit will be set to one after a carry occurs from subtraction.  This carry 
1842
 
extraction requires two relatively cheap operations to extract the carry.  The other method is to simply shift the 
1843
 
most significant bit to the least significant bit thus extracting the carry with a single cheap operation.  This 
1844
 
optimization only works on twos compliment machines which is a safe assumption to make.
1845
 
 
1846
 
If $a$ has a larger magnitude than $b$ an additional loop (lines 64 through 73) is required to propagate 
1847
 
the carry through $a$ and copy the result to $c$.  
1848
 
 
1849
 
\subsection{High Level Addition}
1850
 
Now that both lower level addition and subtraction algorithms have been established an effective high level signed addition algorithm can be
1851
 
established.  This high level addition algorithm will be what other algorithms and developers will use to perform addition of mp\_int data 
1852
 
types.  
1853
 
 
1854
 
Recall from section 5.2 that an mp\_int represents an integer with an unsigned mantissa (\textit{the array of digits}) and a \textbf{sign} 
1855
 
flag.  A high level addition is actually performed as a series of eight separate cases which can be optimized down to three unique cases.
1856
 
 
1857
 
\begin{figure}[!here]
1858
 
\begin{center}
1859
 
\begin{tabular}{l}
1860
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_add}. \\
1861
 
\textbf{Input}.   Two mp\_ints $a$ and $b$  \\
1862
 
\textbf{Output}.  The signed addition $c = a + b$. \\
1863
 
\hline \\
1864
 
1.  if $a.sign = b.sign$ then do \\
1865
 
\hspace{3mm}1.1  $c.sign \leftarrow a.sign$  \\
1866
 
\hspace{3mm}1.2  $c \leftarrow \vert a \vert + \vert b \vert$ (\textit{s\_mp\_add})\\
1867
 
2.  else do \\
1868
 
\hspace{3mm}2.1  if $\vert a \vert < \vert b \vert$ then do (\textit{mp\_cmp\_mag})  \\
1869
 
\hspace{6mm}2.1.1  $c.sign \leftarrow b.sign$ \\
1870
 
\hspace{6mm}2.1.2  $c \leftarrow \vert b \vert - \vert a \vert$ (\textit{s\_mp\_sub}) \\
1871
 
\hspace{3mm}2.2  else do \\
1872
 
\hspace{6mm}2.2.1  $c.sign \leftarrow a.sign$ \\
1873
 
\hspace{6mm}2.2.2  $c \leftarrow \vert a \vert - \vert b \vert$ \\
1874
 
3.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
1875
 
\hline
1876
 
\end{tabular}
1877
 
\end{center}
1878
 
\caption{Algorithm mp\_add}
1879
 
\end{figure}
1880
 
 
1881
 
\textbf{Algorithm mp\_add.}
1882
 
This algorithm performs the signed addition of two mp\_int variables.  There is no reference algorithm to draw upon from 
1883
 
either \cite{TAOCPV2} or \cite{HAC} since they both only provide unsigned operations.  The algorithm is fairly 
1884
 
straightforward but restricted since subtraction can only produce positive results.
1885
 
 
1886
 
\begin{figure}[here]
1887
 
\begin{small}
1888
 
\begin{center}
1889
 
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
1890
 
\hline \textbf{Sign of $a$} & \textbf{Sign of $b$} & \textbf{$\vert a \vert > \vert b \vert $} & \textbf{Unsigned Operation} & \textbf{Result Sign Flag} \\
1891
 
\hline $+$ & $+$ & Yes & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1892
 
\hline $+$ & $+$ & No  & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1893
 
\hline $-$ & $-$ & Yes & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1894
 
\hline $-$ & $-$ & No  & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1895
 
\hline &&&&\\
1896
 
 
1897
 
\hline $+$ & $-$ & No  & $c = b - a$ & $b.sign$ \\
1898
 
\hline $-$ & $+$ & No  & $c = b - a$ & $b.sign$ \\
1899
 
 
1900
 
\hline &&&&\\
1901
 
 
1902
 
\hline $+$ & $-$ & Yes & $c = a - b$ & $a.sign$ \\
1903
 
\hline $-$ & $+$ & Yes & $c = a - b$ & $a.sign$ \\
1904
 
 
1905
 
\hline
1906
 
\end{tabular}
1907
 
\end{center}
1908
 
\end{small}
1909
 
\caption{Addition Guide Chart}
1910
 
\label{fig:AddChart}
1911
 
\end{figure}
1912
 
 
1913
 
Figure~\ref{fig:AddChart} lists all of the eight possible input combinations and is sorted to show that only three 
1914
 
specific cases need to be handled.  The return code of the unsigned operations at step 1.2, 2.1.2 and 2.2.2 are 
1915
 
forwarded to step three to check for errors.  This simplifies the description of the algorithm considerably and best 
1916
 
follows how the implementation actually was achieved.
1917
 
 
1918
 
Also note how the \textbf{sign} is set before the unsigned addition or subtraction is performed.  Recall from the descriptions of algorithms
1919
 
s\_mp\_add and s\_mp\_sub that the mp\_clamp function is used at the end to trim excess digits.  The mp\_clamp algorithm will set the \textbf{sign}
1920
 
to \textbf{MP\_ZPOS} when the \textbf{used} digit count reaches zero.
1921
 
 
1922
 
For example, consider performing $-a + a$ with algorithm mp\_add.  By the description of the algorithm the sign is set to \textbf{MP\_NEG} which would
1923
 
produce a result of $-0$.  However, since the sign is set first then the unsigned addition is performed the subsequent usage of algorithm mp\_clamp 
1924
 
within algorithm s\_mp\_add will force $-0$ to become $0$.  
1925
 
 
1926
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
1927
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_add.c
1928
 
\vspace{-3mm}
1929
 
\begin{alltt}
1930
 
\end{alltt}
1931
 
\end{small}
1932
 
 
1933
 
The source code follows the algorithm fairly closely.  The most notable new source code addition is the usage of the $res$ integer variable which
1934
 
is used to pass result of the unsigned operations forward.  Unlike in the algorithm, the variable $res$ is merely returned as is without
1935
 
explicitly checking it and returning the constant \textbf{MP\_OKAY}.  The observation is this algorithm will succeed or fail only if the lower
1936
 
level functions do so.  Returning their return code is sufficient.
1937
 
 
1938
 
\subsection{High Level Subtraction}
1939
 
The high level signed subtraction algorithm is essentially the same as the high level signed addition algorithm.  
1940
 
 
1941
 
\newpage\begin{figure}[!here]
1942
 
\begin{center}
1943
 
\begin{tabular}{l}
1944
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_sub}. \\
1945
 
\textbf{Input}.   Two mp\_ints $a$ and $b$  \\
1946
 
\textbf{Output}.  The signed subtraction $c = a - b$. \\
1947
 
\hline \\
1948
 
1.  if $a.sign \ne b.sign$ then do \\
1949
 
\hspace{3mm}1.1  $c.sign \leftarrow a.sign$ \\
1950
 
\hspace{3mm}1.2  $c \leftarrow \vert a \vert + \vert b \vert$ (\textit{s\_mp\_add}) \\
1951
 
2.  else do \\
1952
 
\hspace{3mm}2.1  if $\vert a \vert \ge \vert b \vert$ then do (\textit{mp\_cmp\_mag}) \\
1953
 
\hspace{6mm}2.1.1  $c.sign \leftarrow a.sign$ \\
1954
 
\hspace{6mm}2.1.2  $c \leftarrow \vert a \vert  - \vert b \vert$ (\textit{s\_mp\_sub}) \\
1955
 
\hspace{3mm}2.2  else do \\
1956
 
\hspace{6mm}2.2.1  $c.sign \leftarrow  \left \lbrace \begin{array}{ll}
1957
 
                              MP\_ZPOS &  \mbox{if }a.sign = MP\_NEG \\
1958
 
                              MP\_NEG  &  \mbox{otherwise} \\
1959
 
                              \end{array} \right .$ \\
1960
 
\hspace{6mm}2.2.2  $c \leftarrow \vert b \vert  - \vert a \vert$ \\
1961
 
3.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
1962
 
\hline
1963
 
\end{tabular}
1964
 
\end{center}
1965
 
\caption{Algorithm mp\_sub}
1966
 
\end{figure}
1967
 
 
1968
 
\textbf{Algorithm mp\_sub.}
1969
 
This algorithm performs the signed subtraction of two inputs.  Similar to algorithm mp\_add there is no reference in either \cite{TAOCPV2} or 
1970
 
\cite{HAC}.  Also this algorithm is restricted by algorithm s\_mp\_sub.  Chart \ref{fig:SubChart} lists the eight possible inputs and
1971
 
the operations required.
1972
 
 
1973
 
\begin{figure}[!here]
1974
 
\begin{small}
1975
 
\begin{center}
1976
 
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
1977
 
\hline \textbf{Sign of $a$} & \textbf{Sign of $b$} & \textbf{$\vert a \vert \ge \vert b \vert $} & \textbf{Unsigned Operation} & \textbf{Result Sign Flag} \\
1978
 
\hline $+$ & $-$ & Yes & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1979
 
\hline $+$ & $-$ & No  & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1980
 
\hline $-$ & $+$ & Yes & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1981
 
\hline $-$ & $+$ & No  & $c = a + b$ & $a.sign$ \\
1982
 
\hline &&&& \\
1983
 
\hline $+$ & $+$ & Yes & $c = a - b$ & $a.sign$ \\
1984
 
\hline $-$ & $-$ & Yes & $c = a - b$ & $a.sign$ \\
1985
 
\hline &&&& \\
1986
 
\hline $+$ & $+$ & No  & $c = b - a$ & $\mbox{opposite of }a.sign$ \\
1987
 
\hline $-$ & $-$ & No  & $c = b - a$ & $\mbox{opposite of }a.sign$ \\
1988
 
\hline
1989
 
\end{tabular}
1990
 
\end{center}
1991
 
\end{small}
1992
 
\caption{Subtraction Guide Chart}
1993
 
\label{fig:SubChart}
1994
 
\end{figure}
1995
 
 
1996
 
Similar to the case of algorithm mp\_add the \textbf{sign} is set first before the unsigned addition or subtraction.  That is to prevent the 
1997
 
algorithm from producing $-a - -a = -0$ as a result.  
1998
 
 
1999
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2000
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_sub.c
2001
 
\vspace{-3mm}
2002
 
\begin{alltt}
2003
 
\end{alltt}
2004
 
\end{small}
2005
 
 
2006
 
Much like the implementation of algorithm mp\_add the variable $res$ is used to catch the return code of the unsigned addition or subtraction operations
2007
 
and forward it to the end of the function.  On line 39 the ``not equal to'' \textbf{MP\_LT} expression is used to emulate a 
2008
 
``greater than or equal to'' comparison.  
2009
 
 
2010
 
\section{Bit and Digit Shifting}
2011
 
It is quite common to think of a multiple precision integer as a polynomial in $x$, that is $y = f(\beta)$ where $f(x) = \sum_{i=0}^{n-1} a_i x^i$.  
2012
 
This notation arises within discussion of Montgomery and Diminished Radix Reduction as well as Karatsuba multiplication and squaring.  
2013
 
 
2014
 
In order to facilitate operations on polynomials in $x$ as above a series of simple ``digit'' algorithms have to be established.  That is to shift
2015
 
the digits left or right as well to shift individual bits of the digits left and right.  It is important to note that not all ``shift'' operations
2016
 
are on radix-$\beta$ digits.  
2017
 
 
2018
 
\subsection{Multiplication by Two}
2019
 
 
2020
 
In a binary system where the radix is a power of two multiplication by two not only arises often in other algorithms it is a fairly efficient 
2021
 
operation to perform.  A single precision logical shift left is sufficient to multiply a single digit by two.  
2022
 
 
2023
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2024
 
\begin{small}
2025
 
\begin{center}
2026
 
\begin{tabular}{l}
2027
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_mul\_2}. \\
2028
 
\textbf{Input}.   One mp\_int $a$ \\
2029
 
\textbf{Output}.  $b = 2a$. \\
2030
 
\hline \\
2031
 
1.  If $b.alloc < a.used + 1$ then grow $b$ to hold $a.used + 1$ digits.  (\textit{mp\_grow}) \\
2032
 
2.  $oldused \leftarrow b.used$ \\
2033
 
3.  $b.used \leftarrow a.used$ \\
2034
 
4.  $r \leftarrow 0$ \\
2035
 
5.  for $n$ from 0 to $a.used - 1$ do \\
2036
 
\hspace{3mm}5.1  $rr \leftarrow a_n >> (lg(\beta) - 1)$ \\
2037
 
\hspace{3mm}5.2  $b_n \leftarrow (a_n << 1) + r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
2038
 
\hspace{3mm}5.3  $r \leftarrow rr$ \\
2039
 
6.  If $r \ne 0$ then do \\
2040
 
\hspace{3mm}6.1  $b_{n + 1} \leftarrow r$ \\
2041
 
\hspace{3mm}6.2  $b.used \leftarrow b.used + 1$ \\
2042
 
7.  If $b.used < oldused - 1$ then do \\
2043
 
\hspace{3mm}7.1  for $n$ from $b.used$ to $oldused - 1$ do \\
2044
 
\hspace{6mm}7.1.1  $b_n \leftarrow 0$ \\
2045
 
8.  $b.sign \leftarrow a.sign$ \\
2046
 
9.  Return(\textit{MP\_OKAY}).\\
2047
 
\hline
2048
 
\end{tabular}
2049
 
\end{center}
2050
 
\end{small}
2051
 
\caption{Algorithm mp\_mul\_2}
2052
 
\end{figure}
2053
 
 
2054
 
\textbf{Algorithm mp\_mul\_2.}
2055
 
This algorithm will quickly multiply a mp\_int by two provided $\beta$ is a power of two.  Neither \cite{TAOCPV2} nor \cite{HAC} describe such 
2056
 
an algorithm despite the fact it arises often in other algorithms.  The algorithm is setup much like the lower level algorithm s\_mp\_add since 
2057
 
it is for all intents and purposes equivalent to the operation $b = \vert a \vert + \vert a \vert$.  
2058
 
 
2059
 
Step 1 and 2 grow the input as required to accomodate the maximum number of \textbf{used} digits in the result.  The initial \textbf{used} count
2060
 
is set to $a.used$ at step 4.  Only if there is a final carry will the \textbf{used} count require adjustment.
2061
 
 
2062
 
Step 6 is an optimization implementation of the addition loop for this specific case.  That is since the two values being added together 
2063
 
are the same there is no need to perform two reads from the digits of $a$.  Step 6.1 performs a single precision shift on the current digit $a_n$ to
2064
 
obtain what will be the carry for the next iteration.  Step 6.2 calculates the $n$'th digit of the result as single precision shift of $a_n$ plus
2065
 
the previous carry.  Recall from section 4.1 that $a_n << 1$ is equivalent to $a_n \cdot 2$.  An iteration of the addition loop is finished with 
2066
 
forwarding the carry to the next iteration.
2067
 
 
2068
 
Step 7 takes care of any final carry by setting the $a.used$'th digit of the result to the carry and augmenting the \textbf{used} count of $b$.  
2069
 
Step 8 clears any leading digits of $b$ in case it originally had a larger magnitude than $a$.
2070
 
 
2071
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2072
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_mul\_2.c
2073
 
\vspace{-3mm}
2074
 
\begin{alltt}
2075
 
\end{alltt}
2076
 
\end{small}
2077
 
 
2078
 
This implementation is essentially an optimized implementation of s\_mp\_add for the case of doubling an input.  The only noteworthy difference
2079
 
is the use of the logical shift operator on line 52 to perform a single precision doubling.  
2080
 
 
2081
 
\subsection{Division by Two}
2082
 
A division by two can just as easily be accomplished with a logical shift right as multiplication by two can be with a logical shift left.
2083
 
 
2084
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2085
 
\begin{small}
2086
 
\begin{center}
2087
 
\begin{tabular}{l}
2088
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_div\_2}. \\
2089
 
\textbf{Input}.   One mp\_int $a$ \\
2090
 
\textbf{Output}.  $b = a/2$. \\
2091
 
\hline \\
2092
 
1.  If $b.alloc < a.used$ then grow $b$ to hold $a.used$ digits.  (\textit{mp\_grow}) \\
2093
 
2.  If the reallocation failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
2094
 
3.  $oldused \leftarrow b.used$ \\
2095
 
4.  $b.used \leftarrow a.used$ \\
2096
 
5.  $r \leftarrow 0$ \\
2097
 
6.  for $n$ from $b.used - 1$ to $0$ do \\
2098
 
\hspace{3mm}6.1  $rr \leftarrow a_n \mbox{ (mod }2\mbox{)}$\\
2099
 
\hspace{3mm}6.2  $b_n \leftarrow (a_n >> 1) + (r << (lg(\beta) - 1)) \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
2100
 
\hspace{3mm}6.3  $r \leftarrow rr$ \\
2101
 
7.  If $b.used < oldused - 1$ then do \\
2102
 
\hspace{3mm}7.1  for $n$ from $b.used$ to $oldused - 1$ do \\
2103
 
\hspace{6mm}7.1.1  $b_n \leftarrow 0$ \\
2104
 
8.  $b.sign \leftarrow a.sign$ \\
2105
 
9.  Clamp excess digits of $b$.  (\textit{mp\_clamp}) \\
2106
 
10.  Return(\textit{MP\_OKAY}).\\
2107
 
\hline
2108
 
\end{tabular}
2109
 
\end{center}
2110
 
\end{small}
2111
 
\caption{Algorithm mp\_div\_2}
2112
 
\end{figure}
2113
 
 
2114
 
\textbf{Algorithm mp\_div\_2.}
2115
 
This algorithm will divide an mp\_int by two using logical shifts to the right.  Like mp\_mul\_2 it uses a modified low level addition
2116
 
core as the basis of the algorithm.  Unlike mp\_mul\_2 the shift operations work from the leading digit to the trailing digit.  The algorithm
2117
 
could be written to work from the trailing digit to the leading digit however, it would have to stop one short of $a.used - 1$ digits to prevent
2118
 
reading past the end of the array of digits.
2119
 
 
2120
 
Essentially the loop at step 6 is similar to that of mp\_mul\_2 except the logical shifts go in the opposite direction and the carry is at the 
2121
 
least significant bit not the most significant bit.  
2122
 
 
2123
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2124
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_div\_2.c
2125
 
\vspace{-3mm}
2126
 
\begin{alltt}
2127
 
\end{alltt}
2128
 
\end{small}
2129
 
 
2130
 
\section{Polynomial Basis Operations}
2131
 
Recall from section 4.3 that any integer can be represented as a polynomial in $x$ as $y = f(\beta)$.  Such a representation is also known as
2132
 
the polynomial basis \cite[pp. 48]{ROSE}. Given such a notation a multiplication or division by $x$ amounts to shifting whole digits a single 
2133
 
place.  The need for such operations arises in several other higher level algorithms such as Barrett and Montgomery reduction, integer
2134
 
division and Karatsuba multiplication.  
2135
 
 
2136
 
Converting from an array of digits to polynomial basis is very simple.  Consider the integer $y \equiv (a_2, a_1, a_0)_{\beta}$ and recall that
2137
 
$y = \sum_{i=0}^{2} a_i \beta^i$.  Simply replace $\beta$ with $x$ and the expression is in polynomial basis.  For example, $f(x) = 8x + 9$ is the
2138
 
polynomial basis representation for $89$ using radix ten.  That is, $f(10) = 8(10) + 9 = 89$.  
2139
 
 
2140
 
\subsection{Multiplication by $x$}
2141
 
 
2142
 
Given a polynomial in $x$ such as $f(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + ... + a_0$ multiplying by $x$ amounts to shifting the coefficients up one 
2143
 
degree.  In this case $f(x) \cdot x = a_n x^{n+1} + a_{n-1} x^n + ... + a_0 x$.  From a scalar basis point of view multiplying by $x$ is equivalent to
2144
 
multiplying by the integer $\beta$.  
2145
 
 
2146
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2147
 
\begin{small}
2148
 
\begin{center}
2149
 
\begin{tabular}{l}
2150
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_lshd}. \\
2151
 
\textbf{Input}.   One mp\_int $a$ and an integer $b$ \\
2152
 
\textbf{Output}.  $a \leftarrow a \cdot \beta^b$ (equivalent to multiplication by $x^b$). \\
2153
 
\hline \\
2154
 
1.  If $b \le 0$ then return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2155
 
2.  If $a.alloc < a.used + b$ then grow $a$ to at least $a.used + b$ digits.  (\textit{mp\_grow}). \\
2156
 
3.  If the reallocation failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
2157
 
4.  $a.used \leftarrow a.used + b$ \\
2158
 
5.  $i \leftarrow a.used - 1$ \\
2159
 
6.  $j \leftarrow a.used - 1 - b$ \\
2160
 
7.  for $n$ from $a.used - 1$ to $b$ do \\
2161
 
\hspace{3mm}7.1  $a_{i} \leftarrow a_{j}$ \\
2162
 
\hspace{3mm}7.2  $i \leftarrow i - 1$ \\
2163
 
\hspace{3mm}7.3  $j \leftarrow j - 1$ \\
2164
 
8.  for $n$ from 0 to $b - 1$ do \\
2165
 
\hspace{3mm}8.1  $a_n \leftarrow 0$ \\
2166
 
9.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2167
 
\hline
2168
 
\end{tabular}
2169
 
\end{center}
2170
 
\end{small}
2171
 
\caption{Algorithm mp\_lshd}
2172
 
\end{figure}
2173
 
 
2174
 
\textbf{Algorithm mp\_lshd.}
2175
 
This algorithm multiplies an mp\_int by the $b$'th power of $x$.  This is equivalent to multiplying by $\beta^b$.  The algorithm differs 
2176
 
from the other algorithms presented so far as it performs the operation in place instead storing the result in a separate location.  The
2177
 
motivation behind this change is due to the way this function is typically used.  Algorithms such as mp\_add store the result in an optionally
2178
 
different third mp\_int because the original inputs are often still required.  Algorithm mp\_lshd (\textit{and similarly algorithm mp\_rshd}) is
2179
 
typically used on values where the original value is no longer required.  The algorithm will return success immediately if 
2180
 
$b \le 0$ since the rest of algorithm is only valid when $b > 0$.  
2181
 
 
2182
 
First the destination $a$ is grown as required to accomodate the result.  The counters $i$ and $j$ are used to form a \textit{sliding window} over
2183
 
the digits of $a$ of length $b$.  The head of the sliding window is at $i$ (\textit{the leading digit}) and the tail at $j$ (\textit{the trailing digit}).  
2184
 
The loop on step 7 copies the digit from the tail to the head.  In each iteration the window is moved down one digit.   The last loop on 
2185
 
step 8 sets the lower $b$ digits to zero.
2186
 
 
2187
 
\newpage
2188
 
\begin{center}
2189
 
\begin{figure}[here]
2190
 
\includegraphics{pics/sliding_window.ps}
2191
 
\caption{Sliding Window Movement}
2192
 
\label{pic:sliding_window}
2193
 
\end{figure}
2194
 
\end{center}
2195
 
 
2196
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2197
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_lshd.c
2198
 
\vspace{-3mm}
2199
 
\begin{alltt}
2200
 
\end{alltt}
2201
 
\end{small}
2202
 
 
2203
 
The if statement (line 24) ensures that the $b$ variable is greater than zero since we do not interpret negative
2204
 
shift counts properly.  The \textbf{used} count is incremented by $b$ before the copy loop begins.  This elminates 
2205
 
the need for an additional variable in the for loop.  The variable $top$ (line 42) is an alias
2206
 
for the leading digit while $bottom$ (line 45) is an alias for the trailing edge.  The aliases form a 
2207
 
window of exactly $b$ digits over the input.  
2208
 
 
2209
 
\subsection{Division by $x$}
2210
 
 
2211
 
Division by powers of $x$ is easily achieved by shifting the digits right and removing any that will end up to the right of the zero'th digit.  
2212
 
 
2213
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2214
 
\begin{small}
2215
 
\begin{center}
2216
 
\begin{tabular}{l}
2217
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_rshd}. \\
2218
 
\textbf{Input}.   One mp\_int $a$ and an integer $b$ \\
2219
 
\textbf{Output}.  $a \leftarrow a / \beta^b$ (Divide by $x^b$). \\
2220
 
\hline \\
2221
 
1.  If $b \le 0$ then return. \\
2222
 
2.  If $a.used \le b$ then do \\
2223
 
\hspace{3mm}2.1  Zero $a$.  (\textit{mp\_zero}). \\
2224
 
\hspace{3mm}2.2  Return. \\
2225
 
3.  $i \leftarrow 0$ \\
2226
 
4.  $j \leftarrow b$ \\
2227
 
5.  for $n$ from 0 to $a.used - b - 1$ do \\
2228
 
\hspace{3mm}5.1  $a_i \leftarrow a_j$ \\
2229
 
\hspace{3mm}5.2  $i \leftarrow i + 1$ \\
2230
 
\hspace{3mm}5.3  $j \leftarrow j + 1$ \\
2231
 
6.  for $n$ from $a.used - b$ to $a.used - 1$ do \\
2232
 
\hspace{3mm}6.1  $a_n \leftarrow 0$ \\
2233
 
7.  $a.used \leftarrow a.used - b$ \\
2234
 
8.  Return. \\
2235
 
\hline
2236
 
\end{tabular}
2237
 
\end{center}
2238
 
\end{small}
2239
 
\caption{Algorithm mp\_rshd}
2240
 
\end{figure}
2241
 
 
2242
 
\textbf{Algorithm mp\_rshd.}
2243
 
This algorithm divides the input in place by the $b$'th power of $x$.  It is analogous to dividing by a $\beta^b$ but much quicker since
2244
 
it does not require single precision division.  This algorithm does not actually return an error code as it cannot fail.  
2245
 
 
2246
 
If the input $b$ is less than one the algorithm quickly returns without performing any work.  If the \textbf{used} count is less than or equal
2247
 
to the shift count $b$ then it will simply zero the input and return.
2248
 
 
2249
 
After the trivial cases of inputs have been handled the sliding window is setup.  Much like the case of algorithm mp\_lshd a sliding window that
2250
 
is $b$ digits wide is used to copy the digits.  Unlike mp\_lshd the window slides in the opposite direction from the trailing to the leading digit.  
2251
 
Also the digits are copied from the leading to the trailing edge.
2252
 
 
2253
 
Once the window copy is complete the upper digits must be zeroed and the \textbf{used} count decremented.
2254
 
 
2255
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2256
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_rshd.c
2257
 
\vspace{-3mm}
2258
 
\begin{alltt}
2259
 
\end{alltt}
2260
 
\end{small}
2261
 
 
2262
 
The only noteworthy element of this routine is the lack of a return type since it cannot fail.  Like mp\_lshd() we
2263
 
form a sliding window except we copy in the other direction.  After the window (line 60) we then zero
2264
 
the upper digits of the input to make sure the result is correct.
2265
 
 
2266
 
\section{Powers of Two}
2267
 
 
2268
 
Now that algorithms for moving single bits as well as whole digits exist algorithms for moving the ``in between'' distances are required.  For 
2269
 
example, to quickly multiply by $2^k$ for any $k$ without using a full multiplier algorithm would prove useful.  Instead of performing single
2270
 
shifts $k$ times to achieve a multiplication by $2^{\pm k}$ a mixture of whole digit shifting and partial digit shifting is employed.  
2271
 
 
2272
 
\subsection{Multiplication by Power of Two}
2273
 
 
2274
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2275
 
\begin{small}
2276
 
\begin{center}
2277
 
\begin{tabular}{l}
2278
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_mul\_2d}. \\
2279
 
\textbf{Input}.   One mp\_int $a$ and an integer $b$ \\
2280
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow a \cdot 2^b$. \\
2281
 
\hline \\
2282
 
1.  $c \leftarrow a$.  (\textit{mp\_copy}) \\
2283
 
2.  If $c.alloc < c.used + \lfloor b / lg(\beta) \rfloor + 2$ then grow $c$ accordingly. \\
2284
 
3.  If the reallocation failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
2285
 
4.  If $b \ge lg(\beta)$ then \\
2286
 
\hspace{3mm}4.1  $c \leftarrow c \cdot \beta^{\lfloor b / lg(\beta) \rfloor}$ (\textit{mp\_lshd}). \\
2287
 
\hspace{3mm}4.2  If step 4.1 failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
2288
 
5.  $d \leftarrow b \mbox{ (mod }lg(\beta)\mbox{)}$ \\
2289
 
6.  If $d \ne 0$ then do \\
2290
 
\hspace{3mm}6.1  $mask \leftarrow 2^d$ \\
2291
 
\hspace{3mm}6.2  $r \leftarrow 0$ \\
2292
 
\hspace{3mm}6.3  for $n$ from $0$ to $c.used - 1$ do \\
2293
 
\hspace{6mm}6.3.1  $rr \leftarrow c_n >> (lg(\beta) - d) \mbox{ (mod }mask\mbox{)}$ \\
2294
 
\hspace{6mm}6.3.2  $c_n \leftarrow (c_n << d) + r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
2295
 
\hspace{6mm}6.3.3  $r \leftarrow rr$ \\
2296
 
\hspace{3mm}6.4  If $r > 0$ then do \\
2297
 
\hspace{6mm}6.4.1  $c_{c.used} \leftarrow r$ \\
2298
 
\hspace{6mm}6.4.2  $c.used \leftarrow c.used + 1$ \\
2299
 
7.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2300
 
\hline
2301
 
\end{tabular}
2302
 
\end{center}
2303
 
\end{small}
2304
 
\caption{Algorithm mp\_mul\_2d}
2305
 
\end{figure}
2306
 
 
2307
 
\textbf{Algorithm mp\_mul\_2d.}
2308
 
This algorithm multiplies $a$ by $2^b$ and stores the result in $c$.  The algorithm uses algorithm mp\_lshd and a derivative of algorithm mp\_mul\_2 to
2309
 
quickly compute the product.
2310
 
 
2311
 
First the algorithm will multiply $a$ by $x^{\lfloor b / lg(\beta) \rfloor}$ which will ensure that the remainder multiplicand is less than 
2312
 
$\beta$.  For example, if $b = 37$ and $\beta = 2^{28}$ then this step will multiply by $x$ leaving a multiplication by $2^{37 - 28} = 2^{9}$ 
2313
 
left.
2314
 
 
2315
 
After the digits have been shifted appropriately at most $lg(\beta) - 1$ shifts are left to perform.  Step 5 calculates the number of remaining shifts 
2316
 
required.  If it is non-zero a modified shift loop is used to calculate the remaining product.  
2317
 
Essentially the loop is a generic version of algorithm mp\_mul\_2 designed to handle any shift count in the range $1 \le x < lg(\beta)$.  The $mask$
2318
 
variable is used to extract the upper $d$ bits to form the carry for the next iteration.  
2319
 
 
2320
 
This algorithm is loosely measured as a $O(2n)$ algorithm which means that if the input is $n$-digits that it takes $2n$ ``time'' to 
2321
 
complete.  It is possible to optimize this algorithm down to a $O(n)$ algorithm at a cost of making the algorithm slightly harder to follow.
2322
 
 
2323
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2324
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_mul\_2d.c
2325
 
\vspace{-3mm}
2326
 
\begin{alltt}
2327
 
\end{alltt}
2328
 
\end{small}
2329
 
 
2330
 
The shifting is performed in--place which means the first step (line 25) is to copy the input to the 
2331
 
destination.  We avoid calling mp\_copy() by making sure the mp\_ints are different.  The destination then
2332
 
has to be grown (line 32) to accomodate the result.
2333
 
 
2334
 
If the shift count $b$ is larger than $lg(\beta)$ then a call to mp\_lshd() is used to handle all of the multiples 
2335
 
of $lg(\beta)$.  Leaving only a remaining shift of $lg(\beta) - 1$ or fewer bits left.  Inside the actual shift 
2336
 
loop (lines 46 to 76) we make use of pre--computed values $shift$ and $mask$.   These are used to
2337
 
extract the carry bit(s) to pass into the next iteration of the loop.  The $r$ and $rr$ variables form a 
2338
 
chain between consecutive iterations to propagate the carry.  
2339
 
 
2340
 
\subsection{Division by Power of Two}
2341
 
 
2342
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2343
 
\begin{small}
2344
 
\begin{center}
2345
 
\begin{tabular}{l}
2346
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_div\_2d}. \\
2347
 
\textbf{Input}.   One mp\_int $a$ and an integer $b$ \\
2348
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow \lfloor a / 2^b \rfloor, d \leftarrow a \mbox{ (mod }2^b\mbox{)}$. \\
2349
 
\hline \\
2350
 
1.  If $b \le 0$ then do \\
2351
 
\hspace{3mm}1.1  $c \leftarrow a$ (\textit{mp\_copy}) \\
2352
 
\hspace{3mm}1.2  $d \leftarrow 0$ (\textit{mp\_zero}) \\
2353
 
\hspace{3mm}1.3  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2354
 
2.  $c \leftarrow a$ \\
2355
 
3.  $d \leftarrow a \mbox{ (mod }2^b\mbox{)}$ (\textit{mp\_mod\_2d}) \\
2356
 
4.  If $b \ge lg(\beta)$ then do \\
2357
 
\hspace{3mm}4.1  $c \leftarrow \lfloor c/\beta^{\lfloor b/lg(\beta) \rfloor} \rfloor$ (\textit{mp\_rshd}). \\
2358
 
5.  $k \leftarrow b \mbox{ (mod }lg(\beta)\mbox{)}$ \\
2359
 
6.  If $k \ne 0$ then do \\
2360
 
\hspace{3mm}6.1  $mask \leftarrow 2^k$ \\
2361
 
\hspace{3mm}6.2  $r \leftarrow 0$ \\
2362
 
\hspace{3mm}6.3  for $n$ from $c.used - 1$ to $0$ do \\
2363
 
\hspace{6mm}6.3.1  $rr \leftarrow c_n \mbox{ (mod }mask\mbox{)}$ \\
2364
 
\hspace{6mm}6.3.2  $c_n \leftarrow (c_n >> k) + (r << (lg(\beta) - k))$ \\
2365
 
\hspace{6mm}6.3.3  $r \leftarrow rr$ \\
2366
 
7.  Clamp excess digits of $c$.  (\textit{mp\_clamp}) \\
2367
 
8.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2368
 
\hline
2369
 
\end{tabular}
2370
 
\end{center}
2371
 
\end{small}
2372
 
\caption{Algorithm mp\_div\_2d}
2373
 
\end{figure}
2374
 
 
2375
 
\textbf{Algorithm mp\_div\_2d.}
2376
 
This algorithm will divide an input $a$ by $2^b$ and produce the quotient and remainder.  The algorithm is designed much like algorithm 
2377
 
mp\_mul\_2d by first using whole digit shifts then single precision shifts.  This algorithm will also produce the remainder of the division
2378
 
by using algorithm mp\_mod\_2d.
2379
 
 
2380
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2381
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_div\_2d.c
2382
 
\vspace{-3mm}
2383
 
\begin{alltt}
2384
 
\end{alltt}
2385
 
\end{small}
2386
 
 
2387
 
The implementation of algorithm mp\_div\_2d is slightly different than the algorithm specifies.  The remainder $d$ may be optionally 
2388
 
ignored by passing \textbf{NULL} as the pointer to the mp\_int variable.    The temporary mp\_int variable $t$ is used to hold the 
2389
 
result of the remainder operation until the end.  This allows $d$ and $a$ to represent the same mp\_int without modifying $a$ before
2390
 
the quotient is obtained.
2391
 
 
2392
 
The remainder of the source code is essentially the same as the source code for mp\_mul\_2d.  The only significant difference is
2393
 
the direction of the shifts.
2394
 
 
2395
 
\subsection{Remainder of Division by Power of Two}
2396
 
 
2397
 
The last algorithm in the series of polynomial basis power of two algorithms is calculating the remainder of division by $2^b$.  This
2398
 
algorithm benefits from the fact that in twos complement arithmetic $a \mbox{ (mod }2^b\mbox{)}$ is the same as $a$ AND $2^b - 1$.  
2399
 
 
2400
 
\begin{figure}[!here]
2401
 
\begin{small}
2402
 
\begin{center}
2403
 
\begin{tabular}{l}
2404
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_mod\_2d}. \\
2405
 
\textbf{Input}.   One mp\_int $a$ and an integer $b$ \\
2406
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow a \mbox{ (mod }2^b\mbox{)}$. \\
2407
 
\hline \\
2408
 
1.  If $b \le 0$ then do \\
2409
 
\hspace{3mm}1.1  $c \leftarrow 0$ (\textit{mp\_zero}) \\
2410
 
\hspace{3mm}1.2  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2411
 
2.  If $b > a.used \cdot lg(\beta)$ then do \\
2412
 
\hspace{3mm}2.1  $c \leftarrow a$ (\textit{mp\_copy}) \\
2413
 
\hspace{3mm}2.2  Return the result of step 2.1. \\
2414
 
3.  $c \leftarrow a$ \\
2415
 
4.  If step 3 failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
2416
 
5.  for $n$ from $\lceil b / lg(\beta) \rceil$ to $c.used$ do \\
2417
 
\hspace{3mm}5.1  $c_n \leftarrow 0$ \\
2418
 
6.  $k \leftarrow b \mbox{ (mod }lg(\beta)\mbox{)}$ \\
2419
 
7.  $c_{\lfloor b / lg(\beta) \rfloor} \leftarrow c_{\lfloor b / lg(\beta) \rfloor} \mbox{ (mod }2^{k}\mbox{)}$. \\
2420
 
8.  Clamp excess digits of $c$.  (\textit{mp\_clamp}) \\
2421
 
9.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2422
 
\hline
2423
 
\end{tabular}
2424
 
\end{center}
2425
 
\end{small}
2426
 
\caption{Algorithm mp\_mod\_2d}
2427
 
\end{figure}
2428
 
 
2429
 
\textbf{Algorithm mp\_mod\_2d.}
2430
 
This algorithm will quickly calculate the value of $a \mbox{ (mod }2^b\mbox{)}$.  First if $b$ is less than or equal to zero the 
2431
 
result is set to zero.  If $b$ is greater than the number of bits in $a$ then it simply copies $a$ to $c$ and returns.  Otherwise, $a$ 
2432
 
is copied to $b$, leading digits are removed and the remaining leading digit is trimed to the exact bit count.
2433
 
 
2434
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2435
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_mod\_2d.c
2436
 
\vspace{-3mm}
2437
 
\begin{alltt}
2438
 
\end{alltt}
2439
 
\end{small}
2440
 
 
2441
 
We first avoid cases of $b \le 0$ by simply mp\_zero()'ing the destination in such cases.  Next if $2^b$ is larger
2442
 
than the input we just mp\_copy() the input and return right away.  After this point we know we must actually
2443
 
perform some work to produce the remainder.
2444
 
 
2445
 
Recalling that reducing modulo $2^k$ and a binary ``and'' with $2^k - 1$ are numerically equivalent we can quickly reduce 
2446
 
the number.  First we zero any digits above the last digit in $2^b$ (line 42).  Next we reduce the 
2447
 
leading digit of both (line 46) and then mp\_clamp().
2448
 
 
2449
 
\section*{Exercises}
2450
 
\begin{tabular}{cl}
2451
 
$\left [ 3 \right ] $ & Devise an algorithm that performs $a \cdot 2^b$ for generic values of $b$ \\
2452
 
                      & in $O(n)$ time. \\
2453
 
                      &\\
2454
 
$\left [ 3 \right ] $ & Devise an efficient algorithm to multiply by small low hamming  \\
2455
 
                      & weight values such as $3$, $5$ and $9$.  Extend it to handle all values \\
2456
 
                      & upto $64$ with a hamming weight less than three. \\
2457
 
                      &\\
2458
 
$\left [ 2 \right ] $ & Modify the preceding algorithm to handle values of the form \\
2459
 
                      & $2^k - 1$ as well. \\
2460
 
                      &\\
2461
 
$\left [ 3 \right ] $ & Using only algorithms mp\_mul\_2, mp\_div\_2 and mp\_add create an \\
2462
 
                      & algorithm to multiply two integers in roughly $O(2n^2)$ time for \\
2463
 
                      & any $n$-bit input.  Note that the time of addition is ignored in the \\
2464
 
                      & calculation.  \\
2465
 
                      & \\
2466
 
$\left [ 5 \right ] $ & Improve the previous algorithm to have a working time of at most \\
2467
 
                      & $O \left (2^{(k-1)}n + \left ({2n^2 \over k} \right ) \right )$ for an appropriate choice of $k$.  Again ignore \\
2468
 
                      & the cost of addition. \\
2469
 
                      & \\
2470
 
$\left [ 2 \right ] $ & Devise a chart to find optimal values of $k$ for the previous problem \\
2471
 
                      & for $n = 64 \ldots 1024$ in steps of $64$. \\
2472
 
                      & \\
2473
 
$\left [ 2 \right ] $ & Using only algorithms mp\_abs and mp\_sub devise another method for \\
2474
 
                      & calculating the result of a signed comparison. \\
2475
 
                      &
2476
 
\end{tabular}
2477
 
 
2478
 
\chapter{Multiplication and Squaring}
2479
 
\section{The Multipliers}
2480
 
For most number theoretic problems including certain public key cryptographic algorithms, the ``multipliers'' form the most important subset of 
2481
 
algorithms of any multiple precision integer package.  The set of multiplier algorithms include integer multiplication, squaring and modular reduction 
2482
 
where in each of the algorithms single precision multiplication is the dominant operation performed.  This chapter will discuss integer multiplication 
2483
 
and squaring, leaving modular reductions for the subsequent chapter.  
2484
 
 
2485
 
The importance of the multiplier algorithms is for the most part driven by the fact that certain popular public key algorithms are based on modular 
2486
 
exponentiation, that is computing $d \equiv a^b \mbox{ (mod }c\mbox{)}$ for some arbitrary choice of $a$, $b$, $c$ and $d$.  During a modular
2487
 
exponentiation the majority\footnote{Roughly speaking a modular exponentiation will spend about 40\% of the time performing modular reductions, 
2488
 
35\% of the time performing squaring and 25\% of the time performing multiplications.} of the processor time is spent performing single precision 
2489
 
multiplications.
2490
 
 
2491
 
For centuries general purpose multiplication has required a lengthly $O(n^2)$ process, whereby each digit of one multiplicand has to be multiplied 
2492
 
against every digit of the other multiplicand.  Traditional long-hand multiplication is based on this process;  while the techniques can differ the 
2493
 
overall algorithm used is essentially the same.  Only ``recently'' have faster algorithms been studied.  First Karatsuba multiplication was discovered in 
2494
 
1962.  This algorithm can multiply two numbers with considerably fewer single precision multiplications when compared to the long-hand approach.  
2495
 
This technique led to the discovery of polynomial basis algorithms (\textit{good reference?}) and subquently Fourier Transform based solutions.  
2496
 
 
2497
 
\section{Multiplication}
2498
 
\subsection{The Baseline Multiplication}
2499
 
\label{sec:basemult}
2500
 
\index{baseline multiplication}
2501
 
Computing the product of two integers in software can be achieved using a trivial adaptation of the standard $O(n^2)$ long-hand multiplication
2502
 
algorithm that school children are taught.  The algorithm is considered an $O(n^2)$ algorithm since for two $n$-digit inputs $n^2$ single precision 
2503
 
multiplications are required.  More specifically for a $m$ and $n$ digit input $m \cdot n$ single precision multiplications are required.  To 
2504
 
simplify most discussions, it will be assumed that the inputs have comparable number of digits.  
2505
 
 
2506
 
The ``baseline multiplication'' algorithm is designed to act as the ``catch-all'' algorithm, only to be used when the faster algorithms cannot be 
2507
 
used.  This algorithm does not use any particularly interesting optimizations and should ideally be avoided if possible.    One important 
2508
 
facet of this algorithm, is that it has been modified to only produce a certain amount of output digits as resolution.  The importance of this 
2509
 
modification will become evident during the discussion of Barrett modular reduction.  Recall that for a $n$ and $m$ digit input the product 
2510
 
will be at most $n + m$ digits.  Therefore, this algorithm can be reduced to a full multiplier by having it produce $n + m$ digits of the product.  
2511
 
 
2512
 
Recall from sub-section 4.2.2 the definition of $\gamma$ as the number of bits in the type \textbf{mp\_digit}.  We shall now extend the variable set to 
2513
 
include $\alpha$ which shall represent the number of bits in the type \textbf{mp\_word}.  This implies that $2^{\alpha} > 2 \cdot \beta^2$.  The 
2514
 
constant $\delta = 2^{\alpha - 2lg(\beta)}$ will represent the maximal weight of any column in a product (\textit{see sub-section 5.2.2 for more information}).
2515
 
 
2516
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2517
 
\begin{small}
2518
 
\begin{center}
2519
 
\begin{tabular}{l}
2520
 
\hline Algorithm \textbf{s\_mp\_mul\_digs}. \\
2521
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$, mp\_int $b$ and an integer $digs$ \\
2522
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow \vert a \vert \cdot \vert b \vert \mbox{ (mod }\beta^{digs}\mbox{)}$. \\
2523
 
\hline \\
2524
 
1.  If min$(a.used, b.used) < \delta$ then do \\
2525
 
\hspace{3mm}1.1  Calculate $c = \vert a \vert \cdot \vert b \vert$ by the Comba method (\textit{see algorithm~\ref{fig:COMBAMULT}}).  \\
2526
 
\hspace{3mm}1.2  Return the result of step 1.1 \\
2527
 
\\
2528
 
Allocate and initialize a temporary mp\_int. \\
2529
 
2.  Init $t$ to be of size $digs$ \\
2530
 
3.  If step 2 failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
2531
 
4.  $t.used \leftarrow digs$ \\
2532
 
\\
2533
 
Compute the product. \\
2534
 
5.  for $ix$ from $0$ to $a.used - 1$ do \\
2535
 
\hspace{3mm}5.1  $u \leftarrow 0$ \\
2536
 
\hspace{3mm}5.2  $pb \leftarrow \mbox{min}(b.used, digs - ix)$ \\
2537
 
\hspace{3mm}5.3  If $pb < 1$ then goto step 6. \\
2538
 
\hspace{3mm}5.4  for $iy$ from $0$ to $pb - 1$ do \\
2539
 
\hspace{6mm}5.4.1  $\hat r \leftarrow t_{iy + ix} + a_{ix} \cdot b_{iy} + u$ \\
2540
 
\hspace{6mm}5.4.2  $t_{iy + ix} \leftarrow \hat r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
2541
 
\hspace{6mm}5.4.3  $u \leftarrow \lfloor \hat r / \beta \rfloor$ \\
2542
 
\hspace{3mm}5.5  if $ix + pb < digs$ then do \\
2543
 
\hspace{6mm}5.5.1  $t_{ix + pb} \leftarrow u$ \\
2544
 
6.  Clamp excess digits of $t$. \\
2545
 
7.  Swap $c$ with $t$ \\
2546
 
8.  Clear $t$ \\
2547
 
9.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
2548
 
\hline
2549
 
\end{tabular}
2550
 
\end{center}
2551
 
\end{small}
2552
 
\caption{Algorithm s\_mp\_mul\_digs}
2553
 
\end{figure}
2554
 
 
2555
 
\textbf{Algorithm s\_mp\_mul\_digs.}
2556
 
This algorithm computes the unsigned product of two inputs $a$ and $b$, limited to an output precision of $digs$ digits.  While it may seem
2557
 
a bit awkward to modify the function from its simple $O(n^2)$ description, the usefulness of partial multipliers will arise in a subsequent 
2558
 
algorithm.  The algorithm is loosely based on algorithm 14.12 from \cite[pp. 595]{HAC} and is similar to Algorithm M of Knuth \cite[pp. 268]{TAOCPV2}.  
2559
 
Algorithm s\_mp\_mul\_digs differs from these cited references since it can produce a variable output precision regardless of the precision of the 
2560
 
inputs.
2561
 
 
2562
 
The first thing this algorithm checks for is whether a Comba multiplier can be used instead.   If the minimum digit count of either
2563
 
input is less than $\delta$, then the Comba method may be used instead.    After the Comba method is ruled out, the baseline algorithm begins.  A 
2564
 
temporary mp\_int variable $t$ is used to hold the intermediate result of the product.  This allows the algorithm to be used to 
2565
 
compute products when either $a = c$ or $b = c$ without overwriting the inputs.  
2566
 
 
2567
 
All of step 5 is the infamous $O(n^2)$ multiplication loop slightly modified to only produce upto $digs$ digits of output.  The $pb$ variable
2568
 
is given the count of digits to read from $b$ inside the nested loop.  If $pb \le 1$ then no more output digits can be produced and the algorithm
2569
 
will exit the loop.  The best way to think of the loops are as a series of $pb \times 1$ multiplications.    That is, in each pass of the 
2570
 
innermost loop $a_{ix}$ is multiplied against $b$ and the result is added (\textit{with an appropriate shift}) to $t$.  
2571
 
 
2572
 
For example, consider multiplying $576$ by $241$.  That is equivalent to computing $10^0(1)(576) + 10^1(4)(576) + 10^2(2)(576)$ which is best
2573
 
visualized in the following table.
2574
 
 
2575
 
\begin{figure}[here]
2576
 
\begin{center}
2577
 
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|l|}
2578
 
\hline   &&          & 5 & 7 & 6 & \\
2579
 
\hline   $\times$&&  & 2 & 4 & 1 & \\
2580
 
\hline &&&&&&\\
2581
 
  &&          & 5 & 7 & 6 & $10^0(1)(576)$ \\
2582
 
  &2 &   3    & 6 & 1 & 6 & $10^1(4)(576) + 10^0(1)(576)$ \\
2583
 
  1 & 3 & 8 & 8 & 1 & 6 &   $10^2(2)(576) + 10^1(4)(576) + 10^0(1)(576)$ \\
2584
 
\hline  
2585
 
\end{tabular}
2586
 
\end{center}
2587
 
\caption{Long-Hand Multiplication Diagram}
2588
 
\end{figure}
2589
 
 
2590
 
Each row of the product is added to the result after being shifted to the left (\textit{multiplied by a power of the radix}) by the appropriate 
2591
 
count.  That is in pass $ix$ of the inner loop the product is added starting at the $ix$'th digit of the reult.
2592
 
 
2593
 
Step 5.4.1 introduces the hat symbol (\textit{e.g. $\hat r$}) which represents a double precision variable.  The multiplication on that step
2594
 
is assumed to be a double wide output single precision multiplication.  That is, two single precision variables are multiplied to produce a
2595
 
double precision result.  The step is somewhat optimized from a long-hand multiplication algorithm because the carry from the addition in step
2596
 
5.4.1 is propagated through the nested loop.  If the carry was not propagated immediately it would overflow the single precision digit 
2597
 
$t_{ix+iy}$ and the result would be lost.  
2598
 
 
2599
 
At step 5.5 the nested loop is finished and any carry that was left over should be forwarded.  The carry does not have to be added to the $ix+pb$'th
2600
 
digit since that digit is assumed to be zero at this point.  However, if $ix + pb \ge digs$ the carry is not set as it would make the result
2601
 
exceed the precision requested.
2602
 
 
2603
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2604
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_s\_mp\_mul\_digs.c
2605
 
\vspace{-3mm}
2606
 
\begin{alltt}
2607
 
\end{alltt}
2608
 
\end{small}
2609
 
 
2610
 
First we determine (line 31) if the Comba method can be used first since it's faster.  The conditions for 
2611
 
sing the Comba routine are that min$(a.used, b.used) < \delta$ and the number of digits of output is less than 
2612
 
\textbf{MP\_WARRAY}.  This new constant is used to control the stack usage in the Comba routines.  By default it is 
2613
 
set to $\delta$ but can be reduced when memory is at a premium.
2614
 
 
2615
 
If we cannot use the Comba method we proceed to setup the baseline routine.  We allocate the the destination mp\_int
2616
 
$t$ (line 37) to the exact size of the output to avoid further re--allocations.  At this point we now 
2617
 
begin the $O(n^2)$ loop.
2618
 
 
2619
 
This implementation of multiplication has the caveat that it can be trimmed to only produce a variable number of
2620
 
digits as output.  In each iteration of the outer loop the $pb$ variable is set (line 49) to the maximum 
2621
 
number of inner loop iterations.  
2622
 
 
2623
 
Inside the inner loop we calculate $\hat r$ as the mp\_word product of the two mp\_digits and the addition of the
2624
 
carry from the previous iteration.  A particularly important observation is that most modern optimizing 
2625
 
C compilers (GCC for instance) can recognize that a $N \times N \rightarrow 2N$ multiplication is all that 
2626
 
is required for the product.  In x86 terms for example, this means using the MUL instruction.
2627
 
 
2628
 
Each digit of the product is stored in turn (line 69) and the carry propagated (line 72) to the 
2629
 
next iteration.
2630
 
 
2631
 
\subsection{Faster Multiplication by the ``Comba'' Method}
2632
 
 
2633
 
One of the huge drawbacks of the ``baseline'' algorithms is that at the $O(n^2)$ level the carry must be 
2634
 
computed and propagated upwards.  This makes the nested loop very sequential and hard to unroll and implement 
2635
 
in parallel.  The ``Comba'' \cite{COMBA} method is named after little known (\textit{in cryptographic venues}) Paul G. 
2636
 
Comba who described a method of implementing fast multipliers that do not require nested carry fixup operations.  As an 
2637
 
interesting aside it seems that Paul Barrett describes a similar technique in his 1986 paper \cite{BARRETT} written 
2638
 
five years before.
2639
 
 
2640
 
At the heart of the Comba technique is once again the long-hand algorithm.  Except in this case a slight 
2641
 
twist is placed on how the columns of the result are produced.  In the standard long-hand algorithm rows of products 
2642
 
are produced then added together to form the final result.  In the baseline algorithm the columns are added together 
2643
 
after each iteration to get the result instantaneously.  
2644
 
 
2645
 
In the Comba algorithm the columns of the result are produced entirely independently of each other.  That is at 
2646
 
the $O(n^2)$ level a simple multiplication and addition step is performed.  The carries of the columns are propagated 
2647
 
after the nested loop to reduce the amount of work requiored. Succintly the first step of the algorithm is to compute 
2648
 
the product vector $\vec x$ as follows. 
2649
 
 
2650
 
\begin{equation}
2651
 
\vec x_n = \sum_{i+j = n} a_ib_j, \forall n \in \lbrace 0, 1, 2, \ldots, i + j \rbrace
2652
 
\end{equation}
2653
 
 
2654
 
Where $\vec x_n$ is the $n'th$ column of the output vector.  Consider the following example which computes the vector $\vec x$ for the multiplication
2655
 
of $576$ and $241$.  
2656
 
 
2657
 
\newpage\begin{figure}[here]
2658
 
\begin{small}
2659
 
\begin{center}
2660
 
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
2661
 
  \hline &          & 5 & 7 & 6 & First Input\\
2662
 
  \hline $\times$ & & 2 & 4 & 1 & Second Input\\
2663
 
\hline            &                        & $1 \cdot 5 = 5$   & $1 \cdot 7 = 7$   & $1 \cdot 6 = 6$ & First pass \\
2664
 
                  &  $4 \cdot 5 = 20$      & $4 \cdot 7+5=33$  & $4 \cdot 6+7=31$  & 6               & Second pass \\
2665
 
   $2 \cdot 5 = 10$ &  $2 \cdot 7 + 20 = 34$ & $2 \cdot 6+33=45$ & 31                & 6             & Third pass \\
2666
 
\hline 10 & 34 & 45 & 31 & 6 & Final Result \\   
2667
 
\hline   
2668
 
\end{tabular}
2669
 
\end{center}
2670
 
\end{small}
2671
 
\caption{Comba Multiplication Diagram}
2672
 
\end{figure}
2673
 
 
2674
 
At this point the vector $x = \left < 10, 34, 45, 31, 6 \right >$ is the result of the first step of the Comba multipler.  
2675
 
Now the columns must be fixed by propagating the carry upwards.  The resultant vector will have one extra dimension over the input vector which is
2676
 
congruent to adding a leading zero digit.
2677
 
 
2678
 
\begin{figure}[!here]
2679
 
\begin{small}
2680
 
\begin{center}
2681
 
\begin{tabular}{l}
2682
 
\hline Algorithm \textbf{Comba Fixup}. \\
2683
 
\textbf{Input}.   Vector $\vec x$ of dimension $k$ \\
2684
 
\textbf{Output}.  Vector $\vec x$ such that the carries have been propagated. \\
2685
 
\hline \\
2686
 
1.  for $n$ from $0$ to $k - 1$ do \\
2687
 
\hspace{3mm}1.1 $\vec x_{n+1} \leftarrow \vec x_{n+1} + \lfloor \vec x_{n}/\beta \rfloor$ \\
2688
 
\hspace{3mm}1.2 $\vec x_{n} \leftarrow \vec x_{n} \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
2689
 
2.  Return($\vec x$). \\
2690
 
\hline
2691
 
\end{tabular}
2692
 
\end{center}
2693
 
\end{small}
2694
 
\caption{Algorithm Comba Fixup}
2695
 
\end{figure}
2696
 
 
2697
 
With that algorithm and $k = 5$ and $\beta = 10$ the following vector is produced $\vec x= \left < 1, 3, 8, 8, 1, 6 \right >$.  In this case 
2698
 
$241 \cdot 576$ is in fact $138816$ and the procedure succeeded.  If the algorithm is correct and as will be demonstrated shortly more
2699
 
efficient than the baseline algorithm why not simply always use this algorithm?
2700
 
 
2701
 
\subsubsection{Column Weight.}
2702
 
At the nested $O(n^2)$ level the Comba method adds the product of two single precision variables to each column of the output 
2703
 
independently.  A serious obstacle is if the carry is lost, due to lack of precision before the algorithm has a chance to fix
2704
 
the carries.  For example, in the multiplication of two three-digit numbers the third column of output will be the sum of
2705
 
three single precision multiplications.  If the precision of the accumulator for the output digits is less then $3 \cdot (\beta - 1)^2$ then
2706
 
an overflow can occur and the carry information will be lost.  For any $m$ and $n$ digit inputs the maximum weight of any column is 
2707
 
min$(m, n)$ which is fairly obvious.
2708
 
 
2709
 
The maximum number of terms in any column of a product is known as the ``column weight'' and strictly governs when the algorithm can be used.  Recall
2710
 
from earlier that a double precision type has $\alpha$ bits of resolution and a single precision digit has $lg(\beta)$ bits of precision.  Given these
2711
 
two quantities we must not violate the following
2712
 
 
2713
 
\begin{equation}
2714
 
k \cdot \left (\beta - 1 \right )^2 < 2^{\alpha}
2715
 
\end{equation}
2716
 
 
2717
 
Which reduces to 
2718
 
 
2719
 
\begin{equation}
2720
 
k \cdot \left ( \beta^2 - 2\beta + 1 \right ) < 2^{\alpha}
2721
 
\end{equation}
2722
 
 
2723
 
Let $\rho = lg(\beta)$ represent the number of bits in a single precision digit.  By further re-arrangement of the equation the final solution is
2724
 
found.
2725
 
 
2726
 
\begin{equation}
2727
 
k  < {{2^{\alpha}} \over {\left (2^{2\rho} - 2^{\rho + 1} + 1 \right )}}
2728
 
\end{equation}
2729
 
 
2730
 
The defaults for LibTomMath are $\beta = 2^{28}$ and $\alpha = 2^{64}$ which means that $k$ is bounded by $k < 257$.  In this configuration 
2731
 
the smaller input may not have more than $256$ digits if the Comba method is to be used.  This is quite satisfactory for most applications since 
2732
 
$256$ digits would allow for numbers in the range of $0 \le x < 2^{7168}$ which, is much larger than most public key cryptographic algorithms require.  
2733
 
 
2734
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2735
 
\begin{small}
2736
 
\begin{center}
2737
 
\begin{tabular}{l}
2738
 
\hline Algorithm \textbf{fast\_s\_mp\_mul\_digs}. \\
2739
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$, mp\_int $b$ and an integer $digs$ \\
2740
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow \vert a \vert \cdot \vert b \vert \mbox{ (mod }\beta^{digs}\mbox{)}$. \\
2741
 
\hline \\
2742
 
Place an array of \textbf{MP\_WARRAY} single precision digits named $W$ on the stack. \\
2743
 
1.  If $c.alloc < digs$ then grow $c$ to $digs$ digits. (\textit{mp\_grow}) \\
2744
 
2.  If step 1 failed return(\textit{MP\_MEM}).\\
2745
 
\\
2746
 
3.  $pa \leftarrow \mbox{MIN}(digs, a.used + b.used)$ \\
2747
 
\\
2748
 
4.  $\_ \hat W \leftarrow 0$ \\
2749
 
5.  for $ix$ from 0 to $pa - 1$ do \\
2750
 
\hspace{3mm}5.1  $ty \leftarrow \mbox{MIN}(b.used - 1, ix)$ \\
2751
 
\hspace{3mm}5.2  $tx \leftarrow ix - ty$ \\
2752
 
\hspace{3mm}5.3  $iy \leftarrow \mbox{MIN}(a.used - tx, ty + 1)$ \\
2753
 
\hspace{3mm}5.4  for $iz$ from 0 to $iy - 1$ do \\
2754
 
\hspace{6mm}5.4.1  $\_ \hat W \leftarrow \_ \hat W + a_{tx+iy}b_{ty-iy}$ \\
2755
 
\hspace{3mm}5.5  $W_{ix} \leftarrow \_ \hat W (\mbox{mod }\beta)$\\
2756
 
\hspace{3mm}5.6  $\_ \hat W \leftarrow \lfloor \_ \hat W / \beta \rfloor$ \\
2757
 
\\
2758
 
6.  $oldused \leftarrow c.used$ \\
2759
 
7.  $c.used \leftarrow digs$ \\
2760
 
8.  for $ix$ from $0$ to $pa$ do \\
2761
 
\hspace{3mm}8.1  $c_{ix} \leftarrow W_{ix}$ \\
2762
 
9.  for $ix$ from $pa + 1$ to $oldused - 1$ do \\
2763
 
\hspace{3mm}9.1 $c_{ix} \leftarrow 0$ \\
2764
 
\\
2765
 
10.  Clamp $c$. \\
2766
 
11.  Return MP\_OKAY. \\
2767
 
\hline
2768
 
\end{tabular}
2769
 
\end{center}
2770
 
\end{small}
2771
 
\caption{Algorithm fast\_s\_mp\_mul\_digs}
2772
 
\label{fig:COMBAMULT}
2773
 
\end{figure}
2774
 
 
2775
 
\textbf{Algorithm fast\_s\_mp\_mul\_digs.}
2776
 
This algorithm performs the unsigned multiplication of $a$ and $b$ using the Comba method limited to $digs$ digits of precision.
2777
 
 
2778
 
The outer loop of this algorithm is more complicated than that of the baseline multiplier.  This is because on the inside of the 
2779
 
loop we want to produce one column per pass.  This allows the accumulator $\_ \hat W$ to be placed in CPU registers and
2780
 
reduce the memory bandwidth to two \textbf{mp\_digit} reads per iteration.
2781
 
 
2782
 
The $ty$ variable is set to the minimum count of $ix$ or the number of digits in $b$.  That way if $a$ has more digits than
2783
 
$b$ this will be limited to $b.used - 1$.  The $tx$ variable is set to the to the distance past $b.used$ the variable
2784
 
$ix$ is.  This is used for the immediately subsequent statement where we find $iy$.  
2785
 
 
2786
 
The variable $iy$ is the minimum digits we can read from either $a$ or $b$ before running out.  Computing one column at a time
2787
 
means we have to scan one integer upwards and the other downwards.  $a$ starts at $tx$ and $b$ starts at $ty$.  In each
2788
 
pass we are producing the $ix$'th output column and we note that $tx + ty = ix$.  As we move $tx$ upwards we have to 
2789
 
move $ty$ downards so the equality remains valid.  The $iy$ variable is the number of iterations until 
2790
 
$tx \ge a.used$ or $ty < 0$ occurs.
2791
 
 
2792
 
After every inner pass we store the lower half of the accumulator into $W_{ix}$ and then propagate the carry of the accumulator
2793
 
into the next round by dividing $\_ \hat W$ by $\beta$.
2794
 
 
2795
 
To measure the benefits of the Comba method over the baseline method consider the number of operations that are required.  If the 
2796
 
cost in terms of time of a multiply and addition is $p$ and the cost of a carry propagation is $q$ then a baseline multiplication would require 
2797
 
$O \left ((p + q)n^2 \right )$ time to multiply two $n$-digit numbers.  The Comba method requires only $O(pn^2 + qn)$ time, however in practice, 
2798
 
the speed increase is actually much more.  With $O(n)$ space the algorithm can be reduced to $O(pn + qn)$ time by implementing the $n$ multiply
2799
 
and addition operations in the nested loop in parallel.  
2800
 
 
2801
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
2802
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_fast\_s\_mp\_mul\_digs.c
2803
 
\vspace{-3mm}
2804
 
\begin{alltt}
2805
 
\end{alltt}
2806
 
\end{small}
2807
 
 
2808
 
As per the pseudo--code we first calculate $pa$ (line 48) as the number of digits to output.  Next we begin the outer loop
2809
 
to produce the individual columns of the product.  We use the two aliases $tmpx$ and $tmpy$ (lines 62, 63) to point
2810
 
inside the two multiplicands quickly.  
2811
 
 
2812
 
The inner loop (lines 71 to 74) of this implementation is where the tradeoff come into play.  Originally this comba 
2813
 
implementation was ``row--major'' which means it adds to each of the columns in each pass.  After the outer loop it would then fix 
2814
 
the carries.  This was very fast except it had an annoying drawback.  You had to read a mp\_word and two mp\_digits and write 
2815
 
one mp\_word per iteration.  On processors such as the Athlon XP and P4 this did not matter much since the cache bandwidth 
2816
 
is very high and it can keep the ALU fed with data.  It did, however, matter on older and embedded cpus where cache is often 
2817
 
slower and also often doesn't exist.  This new algorithm only performs two reads per iteration under the assumption that the 
2818
 
compiler has aliased $\_ \hat W$ to a CPU register.
2819
 
 
2820
 
After the inner loop we store the current accumulator in $W$ and shift $\_ \hat W$ (lines 77, 80) to forward it as 
2821
 
a carry for the next pass.  After the outer loop we use the final carry (line 77) as the last digit of the product.  
2822
 
 
2823
 
\subsection{Polynomial Basis Multiplication}
2824
 
To break the $O(n^2)$ barrier in multiplication requires a completely different look at integer multiplication.  In the following algorithms
2825
 
the use of polynomial basis representation for two integers $a$ and $b$ as $f(x) = \sum_{i=0}^{n} a_i x^i$ and  
2826
 
$g(x) = \sum_{i=0}^{n} b_i x^i$ respectively, is required.  In this system both $f(x)$ and $g(x)$ have $n + 1$ terms and are of the $n$'th degree.
2827
 
 
2828
 
The product $a \cdot b \equiv f(x)g(x)$ is the polynomial $W(x) = \sum_{i=0}^{2n} w_i x^i$.  The coefficients $w_i$ will
2829
 
directly yield the desired product when $\beta$ is substituted for $x$.  The direct solution to solve for the $2n + 1$ coefficients
2830
 
requires $O(n^2)$ time and would in practice be slower than the Comba technique.
2831
 
 
2832
 
However, numerical analysis theory indicates that only $2n + 1$ distinct points in $W(x)$ are required to determine the values of the $2n + 1$ unknown 
2833
 
coefficients.   This means by finding $\zeta_y = W(y)$ for $2n + 1$ small values of $y$ the coefficients of $W(x)$ can be found with 
2834
 
Gaussian elimination.  This technique is also occasionally refered to as the \textit{interpolation technique} (\textit{references please...}) since in 
2835
 
effect an interpolation based on $2n + 1$ points will yield a polynomial equivalent to $W(x)$.  
2836
 
 
2837
 
The coefficients of the polynomial $W(x)$ are unknown which makes finding $W(y)$ for any value of $y$ impossible.  However, since 
2838
 
$W(x) = f(x)g(x)$ the equivalent $\zeta_y = f(y) g(y)$ can be used in its place.  The benefit of this technique stems from the 
2839
 
fact that $f(y)$ and $g(y)$ are much smaller than either $a$ or $b$ respectively.  As a result finding the $2n + 1$ relations required 
2840
 
by multiplying $f(y)g(y)$ involves multiplying integers that are much smaller than either of the inputs.
2841
 
 
2842
 
When picking points to gather relations there are always three obvious points to choose, $y = 0, 1$ and $ \infty$.  The $\zeta_0$ term
2843
 
is simply the product $W(0) = w_0 = a_0 \cdot b_0$.  The $\zeta_1$ term is the product 
2844
 
$W(1) = \left (\sum_{i = 0}^{n} a_i \right ) \left (\sum_{i = 0}^{n} b_i \right )$.  The third point $\zeta_{\infty}$ is less obvious but rather
2845
 
simple to explain.  The $2n + 1$'th coefficient of $W(x)$ is numerically equivalent to the most significant column in an integer multiplication.  
2846
 
The point at $\infty$ is used symbolically to represent the most significant column, that is $W(\infty) = w_{2n} = a_nb_n$.  Note that the 
2847
 
points at $y = 0$ and $\infty$ yield the coefficients $w_0$ and $w_{2n}$ directly.
2848
 
 
2849
 
If more points are required they should be of small values and powers of two such as $2^q$ and the related \textit{mirror points} 
2850
 
$\left (2^q \right )^{2n}  \cdot \zeta_{2^{-q}}$ for small values of $q$.  The term ``mirror point'' stems from the fact that 
2851
 
$\left (2^q \right )^{2n}  \cdot \zeta_{2^{-q}}$ can be calculated in the exact opposite fashion as $\zeta_{2^q}$.  For
2852
 
example, when $n = 2$ and $q = 1$ then following two equations are equivalent to the point $\zeta_{2}$ and its mirror.
2853
 
 
2854
 
\begin{eqnarray}
2855
 
\zeta_{2}                  = f(2)g(2) = (4a_2 + 2a_1 + a_0)(4b_2 + 2b_1 + b_0) \nonumber \\
2856
 
16 \cdot \zeta_{1 \over 2} = 4f({1\over 2}) \cdot 4g({1 \over 2}) = (a_2 + 2a_1 + 4a_0)(b_2 + 2b_1 + 4b_0)
2857
 
\end{eqnarray}
2858
 
 
2859
 
Using such points will allow the values of $f(y)$ and $g(y)$ to be independently calculated using only left shifts.  For example, when $n = 2$ the
2860
 
polynomial $f(2^q)$ is equal to $2^q((2^qa_2) + a_1) + a_0$.  This technique of polynomial representation is known as Horner's method.  
2861
 
 
2862
 
As a general rule of the algorithm when the inputs are split into $n$ parts each there are $2n - 1$ multiplications.  Each multiplication is of 
2863
 
multiplicands that have $n$ times fewer digits than the inputs.  The asymptotic running time of this algorithm is 
2864
 
$O \left ( k^{lg_n(2n - 1)} \right )$ for $k$ digit inputs (\textit{assuming they have the same number of digits}).  Figure~\ref{fig:exponent}
2865
 
summarizes the exponents for various values of $n$.
2866
 
 
2867
 
\begin{figure}
2868
 
\begin{center}
2869
 
\begin{tabular}{|c|c|c|}
2870
 
\hline \textbf{Split into $n$ Parts} & \textbf{Exponent}  & \textbf{Notes}\\
2871
 
\hline $2$ & $1.584962501$ & This is Karatsuba Multiplication. \\
2872
 
\hline $3$ & $1.464973520$ & This is Toom-Cook Multiplication. \\
2873
 
\hline $4$ & $1.403677461$ &\\
2874
 
\hline $5$ & $1.365212389$ &\\
2875
 
\hline $10$ & $1.278753601$ &\\
2876
 
\hline $100$ & $1.149426538$ &\\
2877
 
\hline $1000$ & $1.100270931$ &\\
2878
 
\hline $10000$ & $1.075252070$ &\\
2879
 
\hline
2880
 
\end{tabular}
2881
 
\end{center}
2882
 
\caption{Asymptotic Running Time of Polynomial Basis Multiplication}
2883
 
\label{fig:exponent}
2884
 
\end{figure}
2885
 
 
2886
 
At first it may seem like a good idea to choose $n = 1000$ since the exponent is approximately $1.1$.  However, the overhead
2887
 
of solving for the 2001 terms of $W(x)$ will certainly consume any savings the algorithm could offer for all but exceedingly large
2888
 
numbers.  
2889
 
 
2890
 
\subsubsection{Cutoff Point}
2891
 
The polynomial basis multiplication algorithms all require fewer single precision multiplications than a straight Comba approach.  However, 
2892
 
the algorithms incur an overhead (\textit{at the $O(n)$ work level}) since they require a system of equations to be solved.  This makes the
2893
 
polynomial basis approach more costly to use with small inputs.
2894
 
 
2895
 
Let $m$ represent the number of digits in the multiplicands (\textit{assume both multiplicands have the same number of digits}).  There exists a 
2896
 
point $y$ such that when $m < y$ the polynomial basis algorithms are more costly than Comba, when $m = y$ they are roughly the same cost and 
2897
 
when $m > y$ the Comba methods are slower than the polynomial basis algorithms.  
2898
 
 
2899
 
The exact location of $y$ depends on several key architectural elements of the computer platform in question.
2900
 
 
2901
 
\begin{enumerate}
2902
 
\item  The ratio of clock cycles for single precision multiplication versus other simpler operations such as addition, shifting, etc.  For example
2903
 
on the AMD Athlon the ratio is roughly $17 : 1$ while on the Intel P4 it is $29 : 1$.  The higher the ratio in favour of multiplication the lower
2904
 
the cutoff point $y$ will be.  
2905
 
 
2906
 
\item  The complexity of the linear system of equations (\textit{for the coefficients of $W(x)$}) is.  Generally speaking as the number of splits
2907
 
grows the complexity grows substantially.  Ideally solving the system will only involve addition, subtraction and shifting of integers.  This
2908
 
directly reflects on the ratio previous mentioned.
2909
 
 
2910
 
\item  To a lesser extent memory bandwidth and function call overheads.  Provided the values are in the processor cache this is less of an
2911
 
influence over the cutoff point.
2912
 
 
2913
 
\end{enumerate}
2914
 
 
2915
 
A clean cutoff point separation occurs when a point $y$ is found such that all of the cutoff point conditions are met.  For example, if the point
2916
 
is too low then there will be values of $m$ such that $m > y$ and the Comba method is still faster.  Finding the cutoff points is fairly simple when
2917
 
a high resolution timer is available.  
2918
 
 
2919
 
\subsection{Karatsuba Multiplication}
2920
 
Karatsuba \cite{KARA} multiplication when originally proposed in 1962 was among the first set of algorithms to break the $O(n^2)$ barrier for
2921
 
general purpose multiplication.  Given two polynomial basis representations $f(x) = ax + b$ and $g(x) = cx + d$, Karatsuba proved with 
2922
 
light algebra \cite{KARAP} that the following polynomial is equivalent to multiplication of the two integers the polynomials represent.
2923
 
 
2924
 
\begin{equation}
2925
 
f(x) \cdot g(x) = acx^2 + ((a + b)(c + d) - (ac + bd))x + bd
2926
 
\end{equation}
2927
 
 
2928
 
Using the observation that $ac$ and $bd$ could be re-used only three half sized multiplications would be required to produce the product.  Applying
2929
 
this algorithm recursively, the work factor becomes $O(n^{lg(3)})$ which is substantially better than the work factor $O(n^2)$ of the Comba technique.  It turns 
2930
 
out what Karatsuba did not know or at least did not publish was that this is simply polynomial basis multiplication with the points 
2931
 
$\zeta_0$, $\zeta_{\infty}$ and $\zeta_{1}$.  Consider the resultant system of equations.
2932
 
 
2933
 
\begin{center}
2934
 
\begin{tabular}{rcrcrcrc}
2935
 
$\zeta_{0}$ &      $=$ &  &  &  & & $w_0$ \\
2936
 
$\zeta_{1}$ &      $=$ & $w_2$ & $+$ & $w_1$ & $+$ & $w_0$ \\
2937
 
$\zeta_{\infty}$ & $=$ & $w_2$ &  & &  & \\
2938
 
\end{tabular}
2939
 
\end{center}
2940
 
 
2941
 
By adding the first and last equation to the equation in the middle the term $w_1$ can be isolated and all three coefficients solved for.  The simplicity
2942
 
of this system of equations has made Karatsuba fairly popular.  In fact the cutoff point is often fairly low\footnote{With LibTomMath 0.18 it is 70 and 109 digits for the Intel P4 and AMD Athlon respectively.}
2943
 
making it an ideal algorithm to speed up certain public key cryptosystems such as RSA and Diffie-Hellman.  
2944
 
 
2945
 
\newpage\begin{figure}[!here]
2946
 
\begin{small}
2947
 
\begin{center}
2948
 
\begin{tabular}{l}
2949
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_karatsuba\_mul}. \\
2950
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and mp\_int $b$ \\
2951
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow \vert a \vert \cdot \vert b \vert$ \\
2952
 
\hline \\
2953
 
1.  Init the following mp\_int variables: $x0$, $x1$, $y0$, $y1$, $t1$, $x0y0$, $x1y1$.\\
2954
 
2.  If step 2 failed then return(\textit{MP\_MEM}). \\
2955
 
\\
2956
 
Split the input.  e.g. $a = x1 \cdot \beta^B + x0$ \\
2957
 
3.  $B \leftarrow \mbox{min}(a.used, b.used)/2$ \\
2958
 
4.  $x0 \leftarrow a \mbox{ (mod }\beta^B\mbox{)}$ (\textit{mp\_mod\_2d}) \\
2959
 
5.  $y0 \leftarrow b \mbox{ (mod }\beta^B\mbox{)}$ \\
2960
 
6.  $x1 \leftarrow \lfloor a / \beta^B \rfloor$ (\textit{mp\_rshd}) \\
2961
 
7.  $y1 \leftarrow \lfloor b / \beta^B \rfloor$ \\
2962
 
\\
2963
 
Calculate the three products. \\
2964
 
8.  $x0y0 \leftarrow x0 \cdot y0$ (\textit{mp\_mul}) \\
2965
 
9.  $x1y1 \leftarrow x1 \cdot y1$ \\
2966
 
10.  $t1 \leftarrow x1 + x0$ (\textit{mp\_add}) \\
2967
 
11.  $x0 \leftarrow y1 + y0$ \\
2968
 
12.  $t1 \leftarrow t1 \cdot x0$ \\
2969
 
\\
2970
 
Calculate the middle term. \\
2971
 
13.  $x0 \leftarrow x0y0 + x1y1$ \\
2972
 
14.  $t1 \leftarrow t1 - x0$ (\textit{s\_mp\_sub}) \\
2973
 
\\
2974
 
Calculate the final product. \\
2975
 
15.  $t1 \leftarrow t1 \cdot \beta^B$ (\textit{mp\_lshd}) \\
2976
 
16.  $x1y1 \leftarrow x1y1 \cdot \beta^{2B}$ \\
2977
 
17.  $t1 \leftarrow x0y0 + t1$ \\
2978
 
18.  $c \leftarrow t1 + x1y1$ \\
2979
 
19.  Clear all of the temporary variables. \\
2980
 
20.  Return(\textit{MP\_OKAY}).\\
2981
 
\hline 
2982
 
\end{tabular}
2983
 
\end{center}
2984
 
\end{small}
2985
 
\caption{Algorithm mp\_karatsuba\_mul}
2986
 
\end{figure}
2987
 
 
2988
 
\textbf{Algorithm mp\_karatsuba\_mul.}
2989
 
This algorithm computes the unsigned product of two inputs using the Karatsuba multiplication algorithm.  It is loosely based on the description
2990
 
from Knuth \cite[pp. 294-295]{TAOCPV2}.  
2991
 
 
2992
 
\index{radix point}
2993
 
In order to split the two inputs into their respective halves, a suitable \textit{radix point} must be chosen.  The radix point chosen must
2994
 
be used for both of the inputs meaning that it must be smaller than the smallest input.  Step 3 chooses the radix point $B$ as half of the 
2995
 
smallest input \textbf{used} count.  After the radix point is chosen the inputs are split into lower and upper halves.  Step 4 and 5 
2996
 
compute the lower halves.  Step 6 and 7 computer the upper halves.  
2997
 
 
2998
 
After the halves have been computed the three intermediate half-size products must be computed.  Step 8 and 9 compute the trivial products
2999
 
$x0 \cdot y0$ and $x1 \cdot y1$.  The mp\_int $x0$ is used as a temporary variable after $x1 + x0$ has been computed.  By using $x0$ instead
3000
 
of an additional temporary variable, the algorithm can avoid an addition memory allocation operation.
3001
 
 
3002
 
The remaining steps 13 through 18 compute the Karatsuba polynomial through a variety of digit shifting and addition operations.
3003
 
 
3004
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3005
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_karatsuba\_mul.c
3006
 
\vspace{-3mm}
3007
 
\begin{alltt}
3008
 
\end{alltt}
3009
 
\end{small}
3010
 
 
3011
 
The new coding element in this routine, not  seen in previous routines, is the usage of goto statements.  The conventional
3012
 
wisdom is that goto statements should be avoided.  This is generally true, however when every single function call can fail, it makes sense
3013
 
to handle error recovery with a single piece of code.  Lines 62 to 76 handle initializing all of the temporary variables 
3014
 
required.  Note how each of the if statements goes to a different label in case of failure.  This allows the routine to correctly free only
3015
 
the temporaries that have been successfully allocated so far.
3016
 
 
3017
 
The temporary variables are all initialized using the mp\_init\_size routine since they are expected to be large.  This saves the 
3018
 
additional reallocation that would have been necessary.  Also $x0$, $x1$, $y0$ and $y1$ have to be able to hold at least their respective
3019
 
number of digits for the next section of code.
3020
 
 
3021
 
The first algebraic portion of the algorithm is to split the two inputs into their halves.  However, instead of using mp\_mod\_2d and mp\_rshd
3022
 
to extract the halves, the respective code has been placed inline within the body of the function.  To initialize the halves, the \textbf{used} and 
3023
 
\textbf{sign} members are copied first.  The first for loop on line 96 copies the lower halves.  Since they are both the same magnitude it 
3024
 
is simpler to calculate both lower halves in a single loop.  The for loop on lines 102 and 107 calculate the upper halves $x1$ and 
3025
 
$y1$ respectively.
3026
 
 
3027
 
By inlining the calculation of the halves, the Karatsuba multiplier has a slightly lower overhead and can be used for smaller magnitude inputs.
3028
 
 
3029
 
When line 151 is reached, the algorithm has completed succesfully.  The ``error status'' variable $err$ is set to \textbf{MP\_OKAY} so that
3030
 
the same code that handles errors can be used to clear the temporary variables and return.  
3031
 
 
3032
 
\subsection{Toom-Cook $3$-Way Multiplication}
3033
 
Toom-Cook $3$-Way \cite{TOOM} multiplication is essentially the polynomial basis algorithm for $n = 2$ except that the points  are 
3034
 
chosen such that $\zeta$ is easy to compute and the resulting system of equations easy to reduce.  Here, the points $\zeta_{0}$, 
3035
 
$16 \cdot \zeta_{1 \over 2}$, $\zeta_1$, $\zeta_2$ and $\zeta_{\infty}$ make up the five required points to solve for the coefficients 
3036
 
of the $W(x)$.
3037
 
 
3038
 
With the five relations that Toom-Cook specifies, the following system of equations is formed.
3039
 
 
3040
 
\begin{center}
3041
 
\begin{tabular}{rcrcrcrcrcr}
3042
 
$\zeta_0$                    & $=$ & $0w_4$ & $+$ & $0w_3$ & $+$ & $0w_2$ & $+$ & $0w_1$ & $+$ & $1w_0$  \\
3043
 
$16 \cdot \zeta_{1 \over 2}$ & $=$ & $1w_4$ & $+$ & $2w_3$ & $+$ & $4w_2$ & $+$ & $8w_1$ & $+$ & $16w_0$  \\
3044
 
$\zeta_1$                    & $=$ & $1w_4$ & $+$ & $1w_3$ & $+$ & $1w_2$ & $+$ & $1w_1$ & $+$ & $1w_0$  \\
3045
 
$\zeta_2$                    & $=$ & $16w_4$ & $+$ & $8w_3$ & $+$ & $4w_2$ & $+$ & $2w_1$ & $+$ & $1w_0$  \\
3046
 
$\zeta_{\infty}$             & $=$ & $1w_4$ & $+$ & $0w_3$ & $+$ & $0w_2$ & $+$ & $0w_1$ & $+$ & $0w_0$  \\
3047
 
\end{tabular}
3048
 
\end{center}
3049
 
 
3050
 
A trivial solution to this matrix requires $12$ subtractions, two multiplications by a small power of two, two divisions by a small power
3051
 
of two, two divisions by three and one multiplication by three.  All of these $19$ sub-operations require less than quadratic time, meaning that
3052
 
the algorithm can be faster than a baseline multiplication.  However, the greater complexity of this algorithm places the cutoff point
3053
 
(\textbf{TOOM\_MUL\_CUTOFF}) where Toom-Cook becomes more efficient much higher than the Karatsuba cutoff point.  
3054
 
 
3055
 
\begin{figure}[!here]
3056
 
\begin{small}
3057
 
\begin{center}
3058
 
\begin{tabular}{l}
3059
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_toom\_mul}. \\
3060
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and mp\_int $b$ \\
3061
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow  a  \cdot  b $ \\
3062
 
\hline \\
3063
 
Split $a$ and $b$ into three pieces.  E.g. $a = a_2 \beta^{2k} + a_1 \beta^{k} + a_0$ \\
3064
 
1.  $k \leftarrow \lfloor \mbox{min}(a.used, b.used) / 3 \rfloor$ \\
3065
 
2.  $a_0 \leftarrow a \mbox{ (mod }\beta^{k}\mbox{)}$ \\
3066
 
3.  $a_1 \leftarrow \lfloor a / \beta^k \rfloor$, $a_1 \leftarrow a_1 \mbox{ (mod }\beta^{k}\mbox{)}$ \\
3067
 
4.  $a_2 \leftarrow \lfloor a / \beta^{2k} \rfloor$, $a_2 \leftarrow a_2 \mbox{ (mod }\beta^{k}\mbox{)}$ \\
3068
 
5.  $b_0 \leftarrow a \mbox{ (mod }\beta^{k}\mbox{)}$ \\
3069
 
6.  $b_1 \leftarrow \lfloor a / \beta^k \rfloor$, $b_1 \leftarrow b_1 \mbox{ (mod }\beta^{k}\mbox{)}$ \\
3070
 
7.  $b_2 \leftarrow \lfloor a / \beta^{2k} \rfloor$, $b_2 \leftarrow b_2 \mbox{ (mod }\beta^{k}\mbox{)}$ \\
3071
 
\\
3072
 
Find the five equations for $w_0, w_1, ..., w_4$. \\
3073
 
8.  $w_0 \leftarrow a_0 \cdot b_0$ \\
3074
 
9.  $w_4 \leftarrow a_2 \cdot b_2$ \\
3075
 
10. $tmp_1 \leftarrow 2 \cdot a_0$, $tmp_1 \leftarrow a_1 + tmp_1$, $tmp_1 \leftarrow 2 \cdot tmp_1$, $tmp_1 \leftarrow tmp_1 + a_2$ \\
3076
 
11. $tmp_2 \leftarrow 2 \cdot b_0$, $tmp_2 \leftarrow b_1 + tmp_2$, $tmp_2 \leftarrow 2 \cdot tmp_2$, $tmp_2 \leftarrow tmp_2 + b_2$ \\
3077
 
12. $w_1 \leftarrow tmp_1 \cdot tmp_2$ \\
3078
 
13. $tmp_1 \leftarrow 2 \cdot a_2$, $tmp_1 \leftarrow a_1 + tmp_1$, $tmp_1 \leftarrow 2 \cdot tmp_1$, $tmp_1 \leftarrow tmp_1 + a_0$ \\
3079
 
14. $tmp_2 \leftarrow 2 \cdot b_2$, $tmp_2 \leftarrow b_1 + tmp_2$, $tmp_2 \leftarrow 2 \cdot tmp_2$, $tmp_2 \leftarrow tmp_2 + b_0$ \\
3080
 
15. $w_3 \leftarrow tmp_1 \cdot tmp_2$ \\
3081
 
16. $tmp_1 \leftarrow a_0 + a_1$, $tmp_1 \leftarrow tmp_1 + a_2$, $tmp_2 \leftarrow b_0 + b_1$, $tmp_2 \leftarrow tmp_2 + b_2$ \\
3082
 
17. $w_2 \leftarrow tmp_1 \cdot tmp_2$ \\
3083
 
\\
3084
 
Continued on the next page.\\
3085
 
\hline
3086
 
\end{tabular}
3087
 
\end{center}
3088
 
\end{small}
3089
 
\caption{Algorithm mp\_toom\_mul}
3090
 
\end{figure}
3091
 
 
3092
 
\newpage\begin{figure}[!here]
3093
 
\begin{small}
3094
 
\begin{center}
3095
 
\begin{tabular}{l}
3096
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_toom\_mul} (continued). \\
3097
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and mp\_int $b$ \\
3098
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow a \cdot  b $ \\
3099
 
\hline \\
3100
 
Now solve the system of equations. \\
3101
 
18. $w_1 \leftarrow w_4 - w_1$, $w_3 \leftarrow w_3 - w_0$ \\
3102
 
19. $w_1 \leftarrow \lfloor w_1 / 2 \rfloor$, $w_3 \leftarrow \lfloor w_3 / 2 \rfloor$ \\
3103
 
20. $w_2 \leftarrow w_2 - w_0$, $w_2 \leftarrow w_2 - w_4$ \\
3104
 
21. $w_1 \leftarrow w_1 - w_2$, $w_3 \leftarrow w_3 - w_2$ \\
3105
 
22. $tmp_1 \leftarrow 8 \cdot w_0$, $w_1 \leftarrow w_1 - tmp_1$, $tmp_1 \leftarrow 8 \cdot w_4$, $w_3 \leftarrow w_3 - tmp_1$ \\
3106
 
23. $w_2 \leftarrow 3 \cdot w_2$, $w_2 \leftarrow w_2 - w_1$, $w_2 \leftarrow w_2 - w_3$ \\
3107
 
24. $w_1 \leftarrow w_1 - w_2$, $w_3 \leftarrow w_3 - w_2$ \\
3108
 
25. $w_1 \leftarrow \lfloor w_1 / 3 \rfloor, w_3 \leftarrow \lfloor w_3 / 3 \rfloor$ \\
3109
 
\\
3110
 
Now substitute $\beta^k$ for $x$ by shifting $w_0, w_1, ..., w_4$. \\
3111
 
26. for $n$ from $1$ to $4$ do \\
3112
 
\hspace{3mm}26.1  $w_n \leftarrow w_n \cdot \beta^{nk}$ \\
3113
 
27. $c \leftarrow w_0 + w_1$, $c \leftarrow c + w_2$, $c \leftarrow c + w_3$, $c \leftarrow c + w_4$ \\
3114
 
28. Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
3115
 
\hline
3116
 
\end{tabular}
3117
 
\end{center}
3118
 
\end{small}
3119
 
\caption{Algorithm mp\_toom\_mul (continued)}
3120
 
\end{figure}
3121
 
 
3122
 
\textbf{Algorithm mp\_toom\_mul.}
3123
 
This algorithm computes the product of two mp\_int variables $a$ and $b$ using the Toom-Cook approach.  Compared to the Karatsuba multiplication, this 
3124
 
algorithm has a lower asymptotic running time of approximately $O(n^{1.464})$ but at an obvious cost in overhead.  In this
3125
 
description, several statements have been compounded to save space.  The intention is that the statements are executed from left to right across
3126
 
any given step.
3127
 
 
3128
 
The two inputs $a$ and $b$ are first split into three $k$-digit integers $a_0, a_1, a_2$ and $b_0, b_1, b_2$ respectively.  From these smaller
3129
 
integers the coefficients of the polynomial basis representations $f(x)$ and $g(x)$ are known and can be used to find the relations required.
3130
 
 
3131
 
The first two relations $w_0$ and $w_4$ are the points $\zeta_{0}$ and $\zeta_{\infty}$ respectively.  The relation $w_1, w_2$ and $w_3$ correspond
3132
 
to the points $16 \cdot \zeta_{1 \over 2}, \zeta_{2}$ and $\zeta_{1}$ respectively.  These are found using logical shifts to independently find
3133
 
$f(y)$ and $g(y)$ which significantly speeds up the algorithm.
3134
 
 
3135
 
After the five relations $w_0, w_1, \ldots, w_4$ have been computed, the system they represent must be solved in order for the unknown coefficients 
3136
 
$w_1, w_2$ and $w_3$ to be isolated.  The steps 18 through 25 perform the system reduction required as previously described.  Each step of
3137
 
the reduction represents the comparable matrix operation that would be performed had this been performed by pencil.  For example, step 18 indicates
3138
 
that row $1$ must be subtracted from row $4$ and simultaneously row $0$ subtracted from row $3$.  
3139
 
 
3140
 
Once the coeffients have been isolated, the polynomial $W(x) = \sum_{i=0}^{2n} w_i x^i$ is known.  By substituting $\beta^{k}$ for $x$, the integer 
3141
 
result $a \cdot b$ is produced.
3142
 
 
3143
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3144
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_toom\_mul.c
3145
 
\vspace{-3mm}
3146
 
\begin{alltt}
3147
 
\end{alltt}
3148
 
\end{small}
3149
 
 
3150
 
The first obvious thing to note is that this algorithm is complicated.  The complexity is worth it if you are multiplying very 
3151
 
large numbers.  For example, a 10,000 digit multiplication takes approximaly 99,282,205 fewer single precision multiplications with
3152
 
Toom--Cook than a Comba or baseline approach (this is a savings of more than 99$\%$).  For most ``crypto'' sized numbers this
3153
 
algorithm is not practical as Karatsuba has a much lower cutoff point.
3154
 
 
3155
 
First we split $a$ and $b$ into three roughly equal portions.  This has been accomplished (lines 41 to 70) with 
3156
 
combinations of mp\_rshd() and mp\_mod\_2d() function calls.  At this point $a = a2 \cdot \beta^2 + a1 \cdot \beta + a0$ and similiarly
3157
 
for $b$.  
3158
 
 
3159
 
Next we compute the five points $w0, w1, w2, w3$ and $w4$.  Recall that $w0$ and $w4$ can be computed directly from the portions so
3160
 
we get those out of the way first (lines 73 and 78).  Next we compute $w1, w2$ and $w3$ using Horners method.
3161
 
 
3162
 
After this point we solve for the actual values of $w1, w2$ and $w3$ by reducing the $5 \times 5$ system which is relatively
3163
 
straight forward.  
3164
 
 
3165
 
\subsection{Signed Multiplication}
3166
 
Now that algorithms to handle multiplications of every useful dimensions have been developed, a rather simple finishing touch is required.  So far all
3167
 
of the multiplication algorithms have been unsigned multiplications which leaves only a signed multiplication algorithm to be established.  
3168
 
 
3169
 
\begin{figure}[!here]
3170
 
\begin{small}
3171
 
\begin{center}
3172
 
\begin{tabular}{l}
3173
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_mul}. \\
3174
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and mp\_int $b$ \\
3175
 
\textbf{Output}.  $c \leftarrow a \cdot b$ \\
3176
 
\hline \\
3177
 
1.  If $a.sign = b.sign$ then \\
3178
 
\hspace{3mm}1.1  $sign = MP\_ZPOS$ \\
3179
 
2.  else \\
3180
 
\hspace{3mm}2.1  $sign = MP\_ZNEG$ \\
3181
 
3.  If min$(a.used, b.used) \ge TOOM\_MUL\_CUTOFF$ then  \\
3182
 
\hspace{3mm}3.1  $c \leftarrow a \cdot b$ using algorithm mp\_toom\_mul \\
3183
 
4.  else if min$(a.used, b.used) \ge KARATSUBA\_MUL\_CUTOFF$ then \\
3184
 
\hspace{3mm}4.1  $c \leftarrow a \cdot b$ using algorithm mp\_karatsuba\_mul \\
3185
 
5.  else \\
3186
 
\hspace{3mm}5.1  $digs \leftarrow a.used + b.used + 1$ \\
3187
 
\hspace{3mm}5.2  If $digs < MP\_ARRAY$ and min$(a.used, b.used) \le \delta$ then \\
3188
 
\hspace{6mm}5.2.1  $c \leftarrow a \cdot b \mbox{ (mod }\beta^{digs}\mbox{)}$ using algorithm fast\_s\_mp\_mul\_digs.  \\
3189
 
\hspace{3mm}5.3  else \\
3190
 
\hspace{6mm}5.3.1  $c \leftarrow a \cdot b \mbox{ (mod }\beta^{digs}\mbox{)}$ using algorithm s\_mp\_mul\_digs.  \\
3191
 
6.  $c.sign \leftarrow sign$ \\
3192
 
7.  Return the result of the unsigned multiplication performed. \\
3193
 
\hline
3194
 
\end{tabular}
3195
 
\end{center}
3196
 
\end{small}
3197
 
\caption{Algorithm mp\_mul}
3198
 
\end{figure}
3199
 
 
3200
 
\textbf{Algorithm mp\_mul.}
3201
 
This algorithm performs the signed multiplication of two inputs.  It will make use of any of the three unsigned multiplication algorithms 
3202
 
available when the input is of appropriate size.  The \textbf{sign} of the result is not set until the end of the algorithm since algorithm
3203
 
s\_mp\_mul\_digs will clear it.  
3204
 
 
3205
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3206
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_mul.c
3207
 
\vspace{-3mm}
3208
 
\begin{alltt}
3209
 
\end{alltt}
3210
 
\end{small}
3211
 
 
3212
 
The implementation is rather simplistic and is not particularly noteworthy.  Line 22 computes the sign of the result using the ``?'' 
3213
 
operator from the C programming language.  Line 48 computes $\delta$ using the fact that $1 << k$ is equal to $2^k$.  
3214
 
 
3215
 
\section{Squaring}
3216
 
\label{sec:basesquare}
3217
 
 
3218
 
Squaring is a special case of multiplication where both multiplicands are equal.  At first it may seem like there is no significant optimization
3219
 
available but in fact there is.  Consider the multiplication of $576$ against $241$.  In total there will be nine single precision multiplications
3220
 
performed which are $1\cdot 6$, $1 \cdot 7$, $1 \cdot 5$, $4 \cdot 6$, $4 \cdot 7$, $4 \cdot 5$, $2 \cdot  6$, $2 \cdot 7$ and $2 \cdot 5$.  Now consider 
3221
 
the multiplication of $123$ against $123$.  The nine products are $3 \cdot 3$, $3 \cdot 2$, $3 \cdot 1$, $2 \cdot 3$, $2 \cdot 2$, $2 \cdot 1$, 
3222
 
$1 \cdot 3$, $1 \cdot 2$ and $1 \cdot 1$.  On closer inspection some of the products are equivalent.  For example, $3 \cdot 2 = 2 \cdot 3$ 
3223
 
and $3 \cdot 1 = 1 \cdot 3$. 
3224
 
 
3225
 
For any $n$-digit input, there are ${{\left (n^2 + n \right)}\over 2}$ possible unique single precision multiplications required compared to the $n^2$
3226
 
required for multiplication.  The following diagram gives an example of the operations required.
3227
 
 
3228
 
\begin{figure}[here]
3229
 
\begin{center}
3230
 
\begin{tabular}{ccccc|c}
3231
 
&&1&2&3&\\
3232
 
$\times$ &&1&2&3&\\
3233
 
\hline && $3 \cdot 1$ & $3 \cdot 2$ & $3 \cdot 3$ & Row 0\\
3234
 
       & $2 \cdot 1$  & $2 \cdot 2$ & $2 \cdot 3$ && Row 1 \\
3235
 
         $1 \cdot 1$  & $1 \cdot 2$ & $1 \cdot 3$ &&& Row 2 \\
3236
 
\end{tabular}
3237
 
\end{center}
3238
 
\caption{Squaring Optimization Diagram}
3239
 
\end{figure}
3240
 
 
3241
 
Starting from zero and numbering the columns from right to left a very simple pattern becomes obvious.  For the purposes of this discussion let $x$
3242
 
represent the number being squared.  The first observation is that in row $k$ the $2k$'th column of the product has a $\left (x_k \right)^2$ term in it.  
3243
 
 
3244
 
The second observation is that every column $j$ in row $k$ where $j \ne 2k$ is part of a double product.  Every non-square term of a column will
3245
 
appear twice hence the name ``double product''.  Every odd column is made up entirely of double products.  In fact every column is made up of double 
3246
 
products and at most one square (\textit{see the exercise section}).  
3247
 
 
3248
 
The third and final observation is that for row $k$ the first unique non-square term, that is, one that hasn't already appeared in an earlier row, 
3249
 
occurs at column $2k + 1$.  For example, on row $1$ of the previous squaring, column one is part of the double product with column one from row zero. 
3250
 
Column two of row one is a square and column three is the first unique column.
3251
 
 
3252
 
\subsection{The Baseline Squaring Algorithm}
3253
 
The baseline squaring algorithm is meant to be a catch-all squaring algorithm.  It will handle any of the input sizes that the faster routines
3254
 
will not handle.  
3255
 
 
3256
 
\begin{figure}[!here]
3257
 
\begin{small}
3258
 
\begin{center}
3259
 
\begin{tabular}{l}
3260
 
\hline Algorithm \textbf{s\_mp\_sqr}. \\
3261
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ \\
3262
 
\textbf{Output}.  $b \leftarrow a^2$ \\
3263
 
\hline \\
3264
 
1.  Init a temporary mp\_int of at least $2 \cdot a.used +1$ digits.  (\textit{mp\_init\_size}) \\
3265
 
2.  If step 1 failed return(\textit{MP\_MEM}) \\
3266
 
3.  $t.used \leftarrow 2 \cdot a.used + 1$ \\
3267
 
4.  For $ix$ from 0 to $a.used - 1$ do \\
3268
 
\hspace{3mm}Calculate the square. \\
3269
 
\hspace{3mm}4.1  $\hat r \leftarrow t_{2ix} + \left (a_{ix} \right )^2$ \\
3270
 
\hspace{3mm}4.2  $t_{2ix} \leftarrow \hat r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
3271
 
\hspace{3mm}Calculate the double products after the square. \\
3272
 
\hspace{3mm}4.3  $u \leftarrow \lfloor \hat r / \beta \rfloor$ \\
3273
 
\hspace{3mm}4.4  For $iy$ from $ix + 1$ to $a.used - 1$ do \\
3274
 
\hspace{6mm}4.4.1  $\hat r \leftarrow 2 \cdot a_{ix}a_{iy} + t_{ix + iy} + u$ \\
3275
 
\hspace{6mm}4.4.2  $t_{ix + iy} \leftarrow \hat r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
3276
 
\hspace{6mm}4.4.3  $u \leftarrow \lfloor \hat r / \beta \rfloor$ \\
3277
 
\hspace{3mm}Set the last carry. \\
3278
 
\hspace{3mm}4.5  While $u > 0$ do \\
3279
 
\hspace{6mm}4.5.1  $iy \leftarrow iy + 1$ \\
3280
 
\hspace{6mm}4.5.2  $\hat r \leftarrow t_{ix + iy} + u$ \\
3281
 
\hspace{6mm}4.5.3  $t_{ix + iy} \leftarrow \hat r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
3282
 
\hspace{6mm}4.5.4  $u \leftarrow \lfloor \hat r / \beta \rfloor$ \\
3283
 
5.  Clamp excess digits of $t$.  (\textit{mp\_clamp}) \\
3284
 
6.  Exchange $b$ and $t$. \\
3285
 
7.  Clear $t$ (\textit{mp\_clear}) \\
3286
 
8.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
3287
 
\hline
3288
 
\end{tabular}
3289
 
\end{center}
3290
 
\end{small}
3291
 
\caption{Algorithm s\_mp\_sqr}
3292
 
\end{figure}
3293
 
 
3294
 
\textbf{Algorithm s\_mp\_sqr.}
3295
 
This algorithm computes the square of an input using the three observations on squaring.  It is based fairly faithfully on  algorithm 14.16 of HAC
3296
 
\cite[pp.596-597]{HAC}.  Similar to algorithm s\_mp\_mul\_digs, a temporary mp\_int is allocated to hold the result of the squaring.  This allows the 
3297
 
destination mp\_int to be the same as the source mp\_int.
3298
 
 
3299
 
The outer loop of this algorithm begins on step 4. It is best to think of the outer loop as walking down the rows of the partial results, while
3300
 
the inner loop computes the columns of the partial result.  Step 4.1 and 4.2 compute the square term for each row, and step 4.3 and 4.4 propagate
3301
 
the carry and compute the double products.  
3302
 
 
3303
 
The requirement that a mp\_word be able to represent the range $0 \le x < 2 \beta^2$ arises from this
3304
 
very algorithm.  The product $a_{ix}a_{iy}$ will lie in the range $0 \le x \le \beta^2 - 2\beta + 1$ which is obviously less than $\beta^2$ meaning that
3305
 
when it is multiplied by two, it can be properly represented by a mp\_word.
3306
 
 
3307
 
Similar to algorithm s\_mp\_mul\_digs, after every pass of the inner loop, the destination is correctly set to the sum of all of the partial 
3308
 
results calculated so far.  This involves expensive carry propagation which will be eliminated in the next algorithm.  
3309
 
 
3310
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3311
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_s\_mp\_sqr.c
3312
 
\vspace{-3mm}
3313
 
\begin{alltt}
3314
 
\end{alltt}
3315
 
\end{small}
3316
 
 
3317
 
Inside the outer loop (line 34) the square term is calculated on line 37.  The carry (line 44) has been
3318
 
extracted from the mp\_word accumulator using a right shift.  Aliases for $a_{ix}$ and $t_{ix+iy}$ are initialized 
3319
 
(lines 47 and 50) to simplify the inner loop.  The doubling is performed using two
3320
 
additions (line 59) since it is usually faster than shifting, if not at least as fast.  
3321
 
 
3322
 
The important observation is that the inner loop does not begin at $iy = 0$ like for multiplication.  As such the inner loops
3323
 
get progressively shorter as the algorithm proceeds.  This is what leads to the savings compared to using a multiplication to
3324
 
square a number. 
3325
 
 
3326
 
\subsection{Faster Squaring by the ``Comba'' Method}
3327
 
A major drawback to the baseline method is the requirement for single precision shifting inside the $O(n^2)$ nested loop.  Squaring has an additional
3328
 
drawback that it must double the product inside the inner loop as well.  As for multiplication, the Comba technique can be used to eliminate these
3329
 
performance hazards.
3330
 
 
3331
 
The first obvious solution is to make an array of mp\_words which will hold all of the columns.  This will indeed eliminate all of the carry
3332
 
propagation operations from the inner loop.  However, the inner product must still be doubled $O(n^2)$ times.  The solution stems from the simple fact
3333
 
that $2a + 2b + 2c = 2(a + b + c)$.  That is the sum of all of the double products is equal to double the sum of all the products.  For example,
3334
 
$ab + ba + ac + ca = 2ab + 2ac = 2(ab + ac)$.  
3335
 
 
3336
 
However, we cannot simply double all of the columns, since the squares appear only once per row.  The most practical solution is to have two 
3337
 
mp\_word arrays.  One array will hold the squares and the other array will hold the double products.  With both arrays the doubling and 
3338
 
carry propagation can be moved to a $O(n)$ work level outside the $O(n^2)$ level.  In this case, we have an even simpler solution in mind.
3339
 
 
3340
 
\newpage\begin{figure}[!here]
3341
 
\begin{small}
3342
 
\begin{center}
3343
 
\begin{tabular}{l}
3344
 
\hline Algorithm \textbf{fast\_s\_mp\_sqr}. \\
3345
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ \\
3346
 
\textbf{Output}.  $b \leftarrow a^2$ \\
3347
 
\hline \\
3348
 
Place an array of \textbf{MP\_WARRAY} mp\_digits named $W$ on the stack. \\
3349
 
1.  If $b.alloc < 2a.used + 1$ then grow $b$ to $2a.used + 1$ digits.  (\textit{mp\_grow}). \\
3350
 
2.  If step 1 failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
3351
 
\\
3352
 
3.  $pa \leftarrow 2 \cdot a.used$ \\
3353
 
4.  $\hat W1 \leftarrow 0$ \\
3354
 
5.  for $ix$ from $0$ to $pa - 1$ do \\
3355
 
\hspace{3mm}5.1  $\_ \hat W \leftarrow 0$ \\
3356
 
\hspace{3mm}5.2  $ty \leftarrow \mbox{MIN}(a.used - 1, ix)$ \\
3357
 
\hspace{3mm}5.3  $tx \leftarrow ix - ty$ \\
3358
 
\hspace{3mm}5.4  $iy \leftarrow \mbox{MIN}(a.used - tx, ty + 1)$ \\
3359
 
\hspace{3mm}5.5  $iy \leftarrow \mbox{MIN}(iy, \lfloor \left (ty - tx + 1 \right )/2 \rfloor)$ \\
3360
 
\hspace{3mm}5.6  for $iz$ from $0$ to $iz - 1$ do \\
3361
 
\hspace{6mm}5.6.1  $\_ \hat W \leftarrow \_ \hat W + a_{tx + iz}a_{ty - iz}$ \\
3362
 
\hspace{3mm}5.7  $\_ \hat W \leftarrow 2 \cdot \_ \hat W  + \hat W1$ \\
3363
 
\hspace{3mm}5.8  if $ix$ is even then \\
3364
 
\hspace{6mm}5.8.1  $\_ \hat W \leftarrow \_ \hat W + \left ( a_{\lfloor ix/2 \rfloor}\right )^2$ \\
3365
 
\hspace{3mm}5.9  $W_{ix} \leftarrow \_ \hat W (\mbox{mod }\beta)$ \\
3366
 
\hspace{3mm}5.10  $\hat W1 \leftarrow \lfloor \_ \hat W / \beta \rfloor$ \\
3367
 
\\
3368
 
6.  $oldused \leftarrow b.used$ \\
3369
 
7.  $b.used \leftarrow 2 \cdot a.used$ \\
3370
 
8.  for $ix$ from $0$ to $pa - 1$ do \\
3371
 
\hspace{3mm}8.1  $b_{ix} \leftarrow W_{ix}$ \\
3372
 
9.  for $ix$ from $pa$ to $oldused - 1$ do \\
3373
 
\hspace{3mm}9.1  $b_{ix} \leftarrow 0$ \\
3374
 
10.  Clamp excess digits from $b$.  (\textit{mp\_clamp}) \\
3375
 
11.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\ 
3376
 
\hline
3377
 
\end{tabular}
3378
 
\end{center}
3379
 
\end{small}
3380
 
\caption{Algorithm fast\_s\_mp\_sqr}
3381
 
\end{figure}
3382
 
 
3383
 
\textbf{Algorithm fast\_s\_mp\_sqr.}
3384
 
This algorithm computes the square of an input using the Comba technique.  It is designed to be a replacement for algorithm 
3385
 
s\_mp\_sqr when the number of input digits is less than \textbf{MP\_WARRAY} and less than $\delta \over 2$.  
3386
 
This algorithm is very similar to the Comba multiplier except with a few key differences we shall make note of.
3387
 
 
3388
 
First, we have an accumulator and carry variables $\_ \hat W$ and $\hat W1$ respectively.  This is because the inner loop
3389
 
products are to be doubled.  If we had added the previous carry in we would be doubling too much.  Next we perform an
3390
 
addition MIN condition on $iy$ (step 5.5) to prevent overlapping digits.  For example, $a_3 \cdot a_5$ is equal
3391
 
$a_5 \cdot a_3$.  Whereas in the multiplication case we would have $5 < a.used$ and $3 \ge 0$ is maintained since we double the sum
3392
 
of the products just outside the inner loop we have to avoid doing this.  This is also a good thing since we perform
3393
 
fewer multiplications and the routine ends up being faster.
3394
 
 
3395
 
Finally the last difference is the addition of the ``square'' term outside the inner loop (step 5.8).  We add in the square
3396
 
only to even outputs and it is the square of the term at the $\lfloor ix / 2 \rfloor$ position.
3397
 
 
3398
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3399
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_fast\_s\_mp\_sqr.c
3400
 
\vspace{-3mm}
3401
 
\begin{alltt}
3402
 
\end{alltt}
3403
 
\end{small}
3404
 
 
3405
 
This implementation is essentially a copy of Comba multiplication with the appropriate changes added to make it faster for 
3406
 
the special case of squaring.  
3407
 
 
3408
 
\subsection{Polynomial Basis Squaring}
3409
 
The same algorithm that performs optimal polynomial basis multiplication can be used to perform polynomial basis squaring.  The minor exception
3410
 
is that $\zeta_y = f(y)g(y)$ is actually equivalent to $\zeta_y = f(y)^2$ since $f(y) = g(y)$.  Instead of performing $2n + 1$
3411
 
multiplications to find the $\zeta$ relations, squaring operations are performed instead.  
3412
 
 
3413
 
\subsection{Karatsuba Squaring}
3414
 
Let $f(x) = ax + b$ represent the polynomial basis representation of a number to square.  
3415
 
Let $h(x) = \left ( f(x) \right )^2$ represent the square of the polynomial.  The Karatsuba equation can be modified to square a 
3416
 
number with the following equation.
3417
 
 
3418
 
\begin{equation}
3419
 
h(x) = a^2x^2 + \left ((a + b)^2 - (a^2 + b^2) \right )x + b^2
3420
 
\end{equation}
3421
 
 
3422
 
Upon closer inspection this equation only requires the calculation of three half-sized squares: $a^2$, $b^2$ and $(a + b)^2$.  As in 
3423
 
Karatsuba multiplication, this algorithm can be applied recursively on the input and will achieve an asymptotic running time of 
3424
 
$O \left ( n^{lg(3)} \right )$.
3425
 
 
3426
 
If the asymptotic times of Karatsuba squaring and multiplication are the same, why not simply use the multiplication algorithm 
3427
 
instead?  The answer to this arises from the cutoff point for squaring.  As in multiplication there exists a cutoff point, at which the 
3428
 
time required for a Comba based squaring and a Karatsuba based squaring meet.  Due to the overhead inherent in the Karatsuba method, the cutoff 
3429
 
point is fairly high.  For example, on an AMD Athlon XP processor with $\beta = 2^{28}$, the cutoff point is around 127 digits.  
3430
 
 
3431
 
Consider squaring a 200 digit number with this technique.  It will be split into two 100 digit halves which are subsequently squared.  
3432
 
The 100 digit halves will not be squared using Karatsuba, but instead using the faster Comba based squaring algorithm.  If Karatsuba multiplication
3433
 
were used instead, the 100 digit numbers would be squared with a slower Comba based multiplication.  
3434
 
 
3435
 
\newpage\begin{figure}[!here]
3436
 
\begin{small}
3437
 
\begin{center}
3438
 
\begin{tabular}{l}
3439
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_karatsuba\_sqr}. \\
3440
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ \\
3441
 
\textbf{Output}.  $b \leftarrow a^2$ \\
3442
 
\hline \\
3443
 
1.  Initialize the following temporary mp\_ints:  $x0$, $x1$, $t1$, $t2$, $x0x0$ and $x1x1$. \\
3444
 
2.  If any of the initializations on step 1 failed return(\textit{MP\_MEM}). \\
3445
 
\\
3446
 
Split the input.  e.g. $a = x1\beta^B + x0$ \\
3447
 
3.  $B \leftarrow \lfloor a.used / 2 \rfloor$ \\
3448
 
4.  $x0 \leftarrow a \mbox{ (mod }\beta^B\mbox{)}$ (\textit{mp\_mod\_2d}) \\
3449
 
5.  $x1 \leftarrow \lfloor a / \beta^B \rfloor$ (\textit{mp\_lshd}) \\
3450
 
\\
3451
 
Calculate the three squares. \\
3452
 
6.  $x0x0 \leftarrow x0^2$ (\textit{mp\_sqr}) \\
3453
 
7.  $x1x1 \leftarrow x1^2$ \\
3454
 
8.  $t1 \leftarrow x1 + x0$ (\textit{s\_mp\_add}) \\
3455
 
9.  $t1 \leftarrow t1^2$ \\
3456
 
\\
3457
 
Compute the middle term. \\
3458
 
10.  $t2 \leftarrow x0x0 + x1x1$ (\textit{s\_mp\_add}) \\
3459
 
11.  $t1 \leftarrow t1 - t2$ \\
3460
 
\\
3461
 
Compute final product. \\
3462
 
12.  $t1 \leftarrow t1\beta^B$ (\textit{mp\_lshd}) \\
3463
 
13.  $x1x1 \leftarrow x1x1\beta^{2B}$ \\
3464
 
14.  $t1 \leftarrow t1 + x0x0$ \\
3465
 
15.  $b \leftarrow t1 + x1x1$ \\
3466
 
16.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
3467
 
\hline
3468
 
\end{tabular}
3469
 
\end{center}
3470
 
\end{small}
3471
 
\caption{Algorithm mp\_karatsuba\_sqr}
3472
 
\end{figure}
3473
 
 
3474
 
\textbf{Algorithm mp\_karatsuba\_sqr.}
3475
 
This algorithm computes the square of an input $a$ using the Karatsuba technique.  This algorithm is very similar to the Karatsuba based
3476
 
multiplication algorithm with the exception that the three half-size multiplications have been replaced with three half-size squarings.
3477
 
 
3478
 
The radix point for squaring is simply placed exactly in the middle of the digits when the input has an odd number of digits, otherwise it is
3479
 
placed just below the middle.  Step 3, 4 and 5 compute the two halves required using $B$
3480
 
as the radix point.  The first two squares in steps 6 and 7 are rather straightforward while the last square is of a more compact form.
3481
 
 
3482
 
By expanding $\left (x1 + x0 \right )^2$, the $x1^2$ and $x0^2$ terms in the middle disappear, that is $(x0 - x1)^2 - (x1^2 + x0^2)  = 2 \cdot x0 \cdot x1$.
3483
 
Now if $5n$ single precision additions and a squaring of $n$-digits is faster than multiplying two $n$-digit numbers and doubling then
3484
 
this method is faster.  Assuming no further recursions occur, the difference can be estimated with the following inequality.
3485
 
 
3486
 
Let $p$ represent the cost of a single precision addition and $q$ the cost of a single precision multiplication both in terms of time\footnote{Or
3487
 
machine clock cycles.}. 
3488
 
 
3489
 
\begin{equation}
3490
 
5pn +{{q(n^2 + n)} \over 2} \le pn + qn^2
3491
 
\end{equation}
3492
 
 
3493
 
For example, on an AMD Athlon XP processor $p = {1 \over 3}$ and $q = 6$.  This implies that the following inequality should hold.
3494
 
\begin{center}
3495
 
\begin{tabular}{rcl}
3496
 
${5n \over 3} + 3n^2 + 3n$     & $<$ & ${n \over 3} + 6n^2$ \\
3497
 
${5 \over 3} + 3n + 3$     & $<$ & ${1 \over 3} + 6n$ \\
3498
 
${13 \over 9}$     & $<$ & $n$ \\
3499
 
\end{tabular}
3500
 
\end{center}
3501
 
 
3502
 
This results in a cutoff point around $n = 2$.  As a consequence it is actually faster to compute the middle term the ``long way'' on processors
3503
 
where multiplication is substantially slower\footnote{On the Athlon there is a 1:17 ratio between clock cycles for addition and multiplication.  On
3504
 
the Intel P4 processor this ratio is 1:29 making this method even more beneficial.  The only common exception is the ARMv4 processor which has a
3505
 
ratio of 1:7.  } than simpler operations such as addition.  
3506
 
 
3507
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3508
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_karatsuba\_sqr.c
3509
 
\vspace{-3mm}
3510
 
\begin{alltt}
3511
 
\end{alltt}
3512
 
\end{small}
3513
 
 
3514
 
This implementation is largely based on the implementation of algorithm mp\_karatsuba\_mul.  It uses the same inline style to copy and 
3515
 
shift the input into the two halves.  The loop from line 54 to line 70 has been modified since only one input exists.  The \textbf{used}
3516
 
count of both $x0$ and $x1$ is fixed up and $x0$ is clamped before the calculations begin.  At this point $x1$ and $x0$ are valid equivalents
3517
 
to the respective halves as if mp\_rshd and mp\_mod\_2d had been used.  
3518
 
 
3519
 
By inlining the copy and shift operations the cutoff point for Karatsuba multiplication can be lowered.  On the Athlon the cutoff point
3520
 
is exactly at the point where Comba squaring can no longer be used (\textit{128 digits}).  On slower processors such as the Intel P4
3521
 
it is actually below the Comba limit (\textit{at 110 digits}).
3522
 
 
3523
 
This routine uses the same error trap coding style as mp\_karatsuba\_sqr.  As the temporary variables are initialized errors are 
3524
 
redirected to the error trap higher up.  If the algorithm completes without error the error code is set to \textbf{MP\_OKAY} and 
3525
 
mp\_clears are executed normally.
3526
 
 
3527
 
\subsection{Toom-Cook Squaring}
3528
 
The Toom-Cook squaring algorithm mp\_toom\_sqr is heavily based on the algorithm mp\_toom\_mul with the exception that squarings are used
3529
 
instead of multiplication to find the five relations.  The reader is encouraged to read the description of the latter algorithm and try to 
3530
 
derive their own Toom-Cook squaring algorithm.  
3531
 
 
3532
 
\subsection{High Level Squaring}
3533
 
\newpage\begin{figure}[!here]
3534
 
\begin{small}
3535
 
\begin{center}
3536
 
\begin{tabular}{l}
3537
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_sqr}. \\
3538
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ \\
3539
 
\textbf{Output}.  $b \leftarrow a^2$ \\
3540
 
\hline \\
3541
 
1.  If $a.used \ge TOOM\_SQR\_CUTOFF$ then  \\
3542
 
\hspace{3mm}1.1  $b \leftarrow a^2$ using algorithm mp\_toom\_sqr \\
3543
 
2.  else if $a.used \ge KARATSUBA\_SQR\_CUTOFF$ then \\
3544
 
\hspace{3mm}2.1  $b \leftarrow a^2$ using algorithm mp\_karatsuba\_sqr \\
3545
 
3.  else \\
3546
 
\hspace{3mm}3.1  $digs \leftarrow a.used + b.used + 1$ \\
3547
 
\hspace{3mm}3.2  If $digs < MP\_ARRAY$ and $a.used \le \delta$ then \\
3548
 
\hspace{6mm}3.2.1  $b \leftarrow a^2$ using algorithm fast\_s\_mp\_sqr.  \\
3549
 
\hspace{3mm}3.3  else \\
3550
 
\hspace{6mm}3.3.1  $b \leftarrow a^2$ using algorithm s\_mp\_sqr.  \\
3551
 
4.  $b.sign \leftarrow MP\_ZPOS$ \\
3552
 
5.  Return the result of the unsigned squaring performed. \\
3553
 
\hline
3554
 
\end{tabular}
3555
 
\end{center}
3556
 
\end{small}
3557
 
\caption{Algorithm mp\_sqr}
3558
 
\end{figure}
3559
 
 
3560
 
\textbf{Algorithm mp\_sqr.}
3561
 
This algorithm computes the square of the input using one of four different algorithms.  If the input is very large and has at least
3562
 
\textbf{TOOM\_SQR\_CUTOFF} or \textbf{KARATSUBA\_SQR\_CUTOFF} digits then either the Toom-Cook or the Karatsuba Squaring algorithm is used.  If
3563
 
neither of the polynomial basis algorithms should be used then either the Comba or baseline algorithm is used.  
3564
 
 
3565
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3566
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_sqr.c
3567
 
\vspace{-3mm}
3568
 
\begin{alltt}
3569
 
\end{alltt}
3570
 
\end{small}
3571
 
 
3572
 
\section*{Exercises}
3573
 
\begin{tabular}{cl}
3574
 
$\left [ 3 \right ] $ & Devise an efficient algorithm for selection of the radix point to handle inputs \\
3575
 
                      & that have different number of digits in Karatsuba multiplication. \\
3576
 
                      & \\
3577
 
$\left [ 2 \right ] $ & In section 5.3 the fact that every column of a squaring is made up \\
3578
 
                      & of double products and at most one square is stated.  Prove this statement. \\
3579
 
                      & \\                      
3580
 
$\left [ 3 \right ] $ & Prove the equation for Karatsuba squaring. \\
3581
 
                      & \\
3582
 
$\left [ 1 \right ] $ & Prove that Karatsuba squaring requires $O \left (n^{lg(3)} \right )$ time. \\
3583
 
                      & \\ 
3584
 
$\left [ 2 \right ] $ & Determine the minimal ratio between addition and multiplication clock cycles \\
3585
 
                      & required for equation $6.7$ to be true.  \\
3586
 
                      & \\
3587
 
$\left [ 3 \right ] $ & Implement a threaded version of Comba multiplication (and squaring) where you \\
3588
 
                      & compute subsets of the columns in each thread.  Determine a cutoff point where \\
3589
 
                      & it is effective and add the logic to mp\_mul() and mp\_sqr(). \\
3590
 
                      &\\
3591
 
$\left [ 4 \right ] $ & Same as the previous but also modify the Karatsuba and Toom-Cook.  You must \\
3592
 
                      & increase the throughput of mp\_exptmod() for random odd moduli in the range \\
3593
 
                      & $512 \ldots 4096$ bits significantly ($> 2x$) to complete this challenge. \\
3594
 
                      & \\
3595
 
\end{tabular}
3596
 
 
3597
 
\chapter{Modular Reduction}
3598
 
\section{Basics of Modular Reduction}
3599
 
\index{modular residue}
3600
 
Modular reduction is an operation that arises quite often within public key cryptography algorithms and various number theoretic algorithms, 
3601
 
such as factoring.  Modular reduction algorithms are the third class of algorithms of the ``multipliers'' set.  A number $a$ is said to be \textit{reduced}
3602
 
modulo another number $b$ by finding the remainder of the division $a/b$.  Full integer division with remainder is a topic to be covered 
3603
 
in~\ref{sec:division}.
3604
 
 
3605
 
Modular reduction is equivalent to solving for $r$ in the following equation.  $a = bq + r$ where $q = \lfloor a/b \rfloor$.  The result 
3606
 
$r$ is said to be ``congruent to $a$ modulo $b$'' which is also written as $r \equiv a \mbox{ (mod }b\mbox{)}$.  In other vernacular $r$ is known as the 
3607
 
``modular residue'' which leads to ``quadratic residue''\footnote{That's fancy talk for $b \equiv a^2 \mbox{ (mod }p\mbox{)}$.} and
3608
 
other forms of residues.  
3609
 
 
3610
 
Modular reductions are normally used to create either finite groups, rings or fields.  The most common usage for performance driven modular reductions 
3611
 
is in modular exponentiation algorithms.  That is to compute $d = a^b \mbox{ (mod }c\mbox{)}$ as fast as possible.  This operation is used in the 
3612
 
RSA and Diffie-Hellman public key algorithms, for example.  Modular multiplication and squaring also appears as a fundamental operation in 
3613
 
elliptic curve cryptographic algorithms.  As will be discussed in the subsequent chapter there exist fast algorithms for computing modular 
3614
 
exponentiations without having to perform (\textit{in this example}) $b - 1$ multiplications.  These algorithms will produce partial results in the 
3615
 
range $0 \le x < c^2$ which can be taken advantage of to create several efficient algorithms.   They have also been used to create redundancy check 
3616
 
algorithms known as CRCs, error correction codes such as Reed-Solomon and solve a variety of number theoeretic problems.  
3617
 
 
3618
 
\section{The Barrett Reduction}
3619
 
The Barrett reduction algorithm \cite{BARRETT} was inspired by fast division algorithms which multiply by the reciprocal to emulate
3620
 
division.  Barretts observation was that the residue $c$ of $a$ modulo $b$ is equal to 
3621
 
 
3622
 
\begin{equation}
3623
 
c = a - b \cdot \lfloor a/b \rfloor
3624
 
\end{equation}
3625
 
 
3626
 
Since algorithms such as modular exponentiation would be using the same modulus extensively, typical DSP\footnote{It is worth noting that Barrett's paper 
3627
 
targeted the DSP56K processor.}  intuition would indicate the next step would be to replace $a/b$ by a multiplication by the reciprocal.  However, 
3628
 
DSP intuition on its own will not work as these numbers are considerably larger than the precision of common DSP floating point data types.  
3629
 
It would take another common optimization to optimize the algorithm.
3630
 
 
3631
 
\subsection{Fixed Point Arithmetic}
3632
 
The trick used to optimize the above equation is based on a technique of emulating floating point data types with fixed precision integers.  Fixed
3633
 
point arithmetic would become very popular as it greatly optimize the ``3d-shooter'' genre of games in the mid 1990s when floating point units were 
3634
 
fairly slow if not unavailable.   The idea behind fixed point arithmetic is to take a normal $k$-bit integer data type and break it into $p$-bit 
3635
 
integer and a $q$-bit fraction part (\textit{where $p+q = k$}).  
3636
 
 
3637
 
In this system a $k$-bit integer $n$ would actually represent $n/2^q$.  For example, with $q = 4$ the integer $n = 37$ would actually represent the
3638
 
value $2.3125$.  To multiply two fixed point numbers the integers are multiplied using traditional arithmetic and subsequently normalized by 
3639
 
moving the implied decimal point back to where it should be.  For example, with $q = 4$ to multiply the integers $9$ and $5$ they must be converted 
3640
 
to fixed point first by multiplying by $2^q$.  Let $a = 9(2^q)$ represent the fixed point representation of $9$ and $b = 5(2^q)$ represent the 
3641
 
fixed point representation of $5$.  The product $ab$ is equal to $45(2^{2q})$ which when normalized by dividing by $2^q$ produces $45(2^q)$.  
3642
 
 
3643
 
This technique became popular since a normal integer multiplication and logical shift right are the only required operations to perform a multiplication
3644
 
of two fixed point numbers.  Using fixed point arithmetic, division can be easily approximated by multiplying by the reciprocal.  If $2^q$ is 
3645
 
equivalent to one than $2^q/b$ is equivalent to the fixed point approximation of $1/b$ using real arithmetic.  Using this fact dividing an integer 
3646
 
$a$ by another integer $b$ can be achieved with the following expression.
3647
 
 
3648
 
\begin{equation}
3649
 
\lfloor a / b \rfloor \mbox{ }\approx\mbox{ } \lfloor (a \cdot \lfloor 2^q / b \rfloor)/2^q \rfloor
3650
 
\end{equation}
3651
 
 
3652
 
The precision of the division is proportional to the value of $q$.  If the divisor $b$ is used frequently as is the case with 
3653
 
modular exponentiation pre-computing $2^q/b$ will allow a division to be performed with a multiplication and a right shift.  Both operations
3654
 
are considerably faster than division on most processors.  
3655
 
 
3656
 
Consider dividing $19$ by $5$.  The correct result is $\lfloor 19/5 \rfloor = 3$.  With $q = 3$ the reciprocal is $\lfloor 2^q/5 \rfloor = 1$ which
3657
 
leads to a product of $19$ which when divided by $2^q$ produces $2$.  However, with $q = 4$ the reciprocal is $\lfloor 2^q/5 \rfloor = 3$ and
3658
 
the result of the emulated division is $\lfloor 3 \cdot 19 / 2^q \rfloor = 3$ which is correct.  The value of $2^q$ must be close to or ideally
3659
 
larger than the dividend.  In effect if $a$ is the dividend then $q$ should allow $0 \le \lfloor a/2^q \rfloor \le 1$ in order for this approach
3660
 
to work correctly.  Plugging this form of divison into the original equation the following modular residue equation arises.
3661
 
 
3662
 
\begin{equation}
3663
 
c = a - b \cdot \lfloor (a \cdot \lfloor 2^q / b \rfloor)/2^q \rfloor
3664
 
\end{equation}
3665
 
 
3666
 
Using the notation from \cite{BARRETT} the value of $\lfloor 2^q / b \rfloor$ will be represented by the $\mu$ symbol.  Using the $\mu$
3667
 
variable also helps re-inforce the idea that it is meant to be computed once and re-used.
3668
 
 
3669
 
\begin{equation}
3670
 
c = a - b \cdot \lfloor (a \cdot \mu)/2^q \rfloor
3671
 
\end{equation}
3672
 
 
3673
 
Provided that $2^q \ge a$ this algorithm will produce a quotient that is either exactly correct or off by a value of one.  In the context of Barrett
3674
 
reduction the value of $a$ is bound by $0 \le a \le (b - 1)^2$ meaning that $2^q \ge b^2$ is sufficient to ensure the reciprocal will have enough
3675
 
precision.  
3676
 
 
3677
 
Let $n$ represent the number of digits in $b$.  This algorithm requires approximately $2n^2$ single precision multiplications to produce the quotient and 
3678
 
another $n^2$ single precision multiplications to find the residue.  In total $3n^2$ single precision multiplications are required to 
3679
 
reduce the number.  
3680
 
 
3681
 
For example, if $b = 1179677$ and $q = 41$ ($2^q > b^2$), then the reciprocal $\mu$ is equal to $\lfloor 2^q / b \rfloor = 1864089$.  Consider reducing
3682
 
$a = 180388626447$ modulo $b$ using the above reduction equation.  The quotient using the new formula is $\lfloor (a \cdot \mu) / 2^q \rfloor = 152913$.
3683
 
By subtracting $152913b$ from $a$ the correct residue $a \equiv 677346 \mbox{ (mod }b\mbox{)}$ is found.
3684
 
 
3685
 
\subsection{Choosing a Radix Point}
3686
 
Using the fixed point representation a modular reduction can be performed with $3n^2$ single precision multiplications.  If that were the best
3687
 
that could be achieved a full division\footnote{A division requires approximately $O(2cn^2)$ single precision multiplications for a small value of $c$.  
3688
 
See~\ref{sec:division} for further details.} might as well be used in its place.  The key to optimizing the reduction is to reduce the precision of
3689
 
the initial multiplication that finds the quotient.  
3690
 
 
3691
 
Let $a$ represent the number of which the residue is sought.  Let $b$ represent the modulus used to find the residue.  Let $m$ represent
3692
 
the number of digits in $b$.  For the purposes of this discussion we will assume that the number of digits in $a$ is $2m$, which is generally true if 
3693
 
two $m$-digit numbers have been multiplied.  Dividing $a$ by $b$ is the same as dividing a $2m$ digit integer by a $m$ digit integer.  Digits below the 
3694
 
$m - 1$'th digit of $a$ will contribute at most a value of $1$ to the quotient because $\beta^k < b$ for any $0 \le k \le m - 1$.  Another way to
3695
 
express this is by re-writing $a$ as two parts.  If $a' \equiv a \mbox{ (mod }b^m\mbox{)}$ and $a'' = a - a'$ then 
3696
 
${a \over b} \equiv {{a' + a''} \over b}$ which is equivalent to ${a' \over b} + {a'' \over b}$.  Since $a'$ is bound to be less than $b$ the quotient
3697
 
is bound by $0 \le {a' \over b} < 1$.
3698
 
 
3699
 
Since the digits of $a'$ do not contribute much to the quotient the observation is that they might as well be zero.  However, if the digits 
3700
 
``might as well be zero'' they might as well not be there in the first place.  Let $q_0 = \lfloor a/\beta^{m-1} \rfloor$ represent the input
3701
 
with the irrelevant digits trimmed.  Now the modular reduction is trimmed to the almost equivalent equation
3702
 
 
3703
 
\begin{equation}
3704
 
c = a - b \cdot \lfloor (q_0 \cdot \mu) / \beta^{m+1} \rfloor
3705
 
\end{equation}
3706
 
 
3707
 
Note that the original divisor $2^q$ has been replaced with $\beta^{m+1}$ where in this case $q$ is a multiple of $lg(\beta)$. Also note that the 
3708
 
exponent on the divisor when added to the amount $q_0$ was shifted by equals $2m$.  If the optimization had not been performed the divisor 
3709
 
would have the exponent $2m$ so in the end the exponents do ``add up''. Using the above equation the quotient 
3710
 
$\lfloor (q_0 \cdot \mu) / \beta^{m+1} \rfloor$ can be off from the true quotient by at most two.  The original fixed point quotient can be off
3711
 
by as much as one (\textit{provided the radix point is chosen suitably}) and now that the lower irrelevent digits have been trimmed the quotient
3712
 
can be off by an additional value of one for a total of at most two.  This implies that 
3713
 
$0 \le a - b \cdot \lfloor (q_0 \cdot \mu) / \beta^{m+1} \rfloor < 3b$.  By first subtracting $b$ times the quotient and then conditionally subtracting 
3714
 
$b$ once or twice the residue is found.
3715
 
 
3716
 
The quotient is now found using $(m + 1)(m) = m^2 + m$ single precision multiplications and the residue with an additional $m^2$ single
3717
 
precision multiplications, ignoring the subtractions required.  In total $2m^2 + m$ single precision multiplications are required to find the residue.  
3718
 
This is considerably faster than the original attempt.
3719
 
 
3720
 
For example, let $\beta = 10$ represent the radix of the digits.  Let $b = 9999$ represent the modulus which implies $m = 4$. Let $a = 99929878$ 
3721
 
represent the value of which the residue is desired.  In this case $q = 8$ since $10^7 < 9999^2$ meaning that $\mu = \lfloor \beta^{q}/b \rfloor = 10001$.  
3722
 
With the new observation the multiplicand for the quotient is equal to $q_0 = \lfloor a / \beta^{m - 1} \rfloor = 99929$.  The quotient is then 
3723
 
$\lfloor (q_0 \cdot \mu) / \beta^{m+1} \rfloor = 9993$.  Subtracting $9993b$ from $a$ and the correct residue $a \equiv 9871 \mbox{ (mod }b\mbox{)}$ 
3724
 
is found.  
3725
 
 
3726
 
\subsection{Trimming the Quotient}
3727
 
So far the reduction algorithm has been optimized from $3m^2$ single precision multiplications down to $2m^2 + m$ single precision multiplications.  As 
3728
 
it stands now the algorithm is already fairly fast compared to a full integer division algorithm.  However, there is still room for
3729
 
optimization.  
3730
 
 
3731
 
After the first multiplication inside the quotient ($q_0 \cdot \mu$) the value is shifted right by $m + 1$ places effectively nullifying the lower
3732
 
half of the product.  It would be nice to be able to remove those digits from the product to effectively cut down the number of single precision 
3733
 
multiplications.  If the number of digits in the modulus $m$ is far less than $\beta$ a full product is not required for the algorithm to work properly.  
3734
 
In fact the lower $m - 2$ digits will not affect the upper half of the product at all and do not need to be computed.  
3735
 
 
3736
 
The value of $\mu$ is a $m$-digit number and $q_0$ is a $m + 1$ digit number.  Using a full multiplier $(m + 1)(m) = m^2 + m$ single precision
3737
 
multiplications would be required.  Using a multiplier that will only produce digits at and above the $m - 1$'th digit reduces the number
3738
 
of single precision multiplications to ${m^2 + m} \over 2$ single precision multiplications.  
3739
 
 
3740
 
\subsection{Trimming the Residue}
3741
 
After the quotient has been calculated it is used to reduce the input.  As previously noted the algorithm is not exact and it can be off by a small
3742
 
multiple of the modulus, that is $0 \le a - b \cdot \lfloor (q_0 \cdot \mu) / \beta^{m+1} \rfloor < 3b$.  If $b$ is $m$ digits than the 
3743
 
result of reduction equation is a value of at most $m + 1$ digits (\textit{provided $3 < \beta$}) implying that the upper $m - 1$ digits are
3744
 
implicitly zero.  
3745
 
 
3746
 
The next optimization arises from this very fact.  Instead of computing $b \cdot \lfloor (q_0 \cdot \mu) / \beta^{m+1} \rfloor$ using a full
3747
 
$O(m^2)$ multiplication algorithm only the lower $m+1$ digits of the product have to be computed.  Similarly the value of $a$ can
3748
 
be reduced modulo $\beta^{m+1}$ before the multiple of $b$ is subtracted which simplifes the subtraction as well.  A multiplication that produces 
3749
 
only the lower $m+1$ digits requires ${m^2 + 3m - 2} \over 2$ single precision multiplications.  
3750
 
 
3751
 
With both optimizations in place the algorithm is the algorithm Barrett proposed.  It requires $m^2 + 2m - 1$ single precision multiplications which
3752
 
is considerably faster than the straightforward $3m^2$ method.  
3753
 
 
3754
 
\subsection{The Barrett Algorithm}
3755
 
\newpage\begin{figure}[!here]
3756
 
\begin{small}
3757
 
\begin{center}
3758
 
\begin{tabular}{l}
3759
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_reduce}. \\
3760
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$, mp\_int $b$ and $\mu = \lfloor \beta^{2m}/b \rfloor, m = \lceil lg_{\beta}(b) \rceil, (0 \le a < b^2, b > 1)$ \\
3761
 
\textbf{Output}.  $a \mbox{ (mod }b\mbox{)}$ \\
3762
 
\hline \\
3763
 
Let $m$ represent the number of digits in $b$.  \\
3764
 
1.  Make a copy of $a$ and store it in $q$.  (\textit{mp\_init\_copy}) \\
3765
 
2.  $q \leftarrow \lfloor q / \beta^{m - 1} \rfloor$ (\textit{mp\_rshd}) \\
3766
 
\\
3767
 
Produce the quotient. \\
3768
 
3.  $q \leftarrow q \cdot \mu$  (\textit{note: only produce digits at or above $m-1$}) \\
3769
 
4.  $q \leftarrow \lfloor q / \beta^{m + 1} \rfloor$ \\
3770
 
\\
3771
 
Subtract the multiple of modulus from the input. \\
3772
 
5.  $a \leftarrow a \mbox{ (mod }\beta^{m+1}\mbox{)}$ (\textit{mp\_mod\_2d}) \\
3773
 
6.  $q \leftarrow q \cdot b \mbox{ (mod }\beta^{m+1}\mbox{)}$ (\textit{s\_mp\_mul\_digs}) \\
3774
 
7.  $a \leftarrow a - q$ (\textit{mp\_sub}) \\
3775
 
\\
3776
 
Add $\beta^{m+1}$ if a carry occured. \\
3777
 
8.  If $a < 0$ then (\textit{mp\_cmp\_d}) \\
3778
 
\hspace{3mm}8.1  $q \leftarrow 1$ (\textit{mp\_set}) \\
3779
 
\hspace{3mm}8.2  $q \leftarrow q \cdot \beta^{m+1}$ (\textit{mp\_lshd}) \\
3780
 
\hspace{3mm}8.3  $a \leftarrow a + q$ \\
3781
 
\\
3782
 
Now subtract the modulus if the residue is too large (e.g. quotient too small). \\
3783
 
9.  While $a \ge b$ do (\textit{mp\_cmp}) \\
3784
 
\hspace{3mm}9.1  $c \leftarrow a - b$ \\
3785
 
10.  Clear $q$. \\
3786
 
11.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
3787
 
\hline
3788
 
\end{tabular}
3789
 
\end{center}
3790
 
\end{small}
3791
 
\caption{Algorithm mp\_reduce}
3792
 
\end{figure}
3793
 
 
3794
 
\textbf{Algorithm mp\_reduce.}
3795
 
This algorithm will reduce the input $a$ modulo $b$ in place using the Barrett algorithm.  It is loosely based on algorithm 14.42 of HAC
3796
 
\cite[pp.  602]{HAC} which is based on the paper from Paul Barrett \cite{BARRETT}.  The algorithm has several restrictions and assumptions which must 
3797
 
be adhered to for the algorithm to work.
3798
 
 
3799
 
First the modulus $b$ is assumed to be positive and greater than one.  If the modulus were less than or equal to one than subtracting
3800
 
a multiple of it would either accomplish nothing or actually enlarge the input.  The input $a$ must be in the range $0 \le a < b^2$ in order
3801
 
for the quotient to have enough precision.  If $a$ is the product of two numbers that were already reduced modulo $b$, this will not be a problem.
3802
 
Technically the algorithm will still work if $a \ge b^2$ but it will take much longer to finish.  The value of $\mu$ is passed as an argument to this 
3803
 
algorithm and is assumed to be calculated and stored before the algorithm is used.  
3804
 
 
3805
 
Recall that the multiplication for the quotient on step 3 must only produce digits at or above the $m-1$'th position.  An algorithm called 
3806
 
$s\_mp\_mul\_high\_digs$ which has not been presented is used to accomplish this task.  The algorithm is based on $s\_mp\_mul\_digs$ except that
3807
 
instead of stopping at a given level of precision it starts at a given level of precision.  This optimal algorithm can only be used if the number
3808
 
of digits in $b$ is very much smaller than $\beta$.  
3809
 
 
3810
 
While it is known that 
3811
 
$a \ge b \cdot \lfloor (q_0 \cdot \mu) / \beta^{m+1} \rfloor$ only the lower $m+1$ digits are being used to compute the residue, so an implied 
3812
 
``borrow'' from the higher digits might leave a negative result.  After the multiple of the modulus has been subtracted from $a$ the residue must be 
3813
 
fixed up in case it is negative.  The invariant $\beta^{m+1}$ must be added to the residue to make it positive again.  
3814
 
 
3815
 
The while loop at step 9 will subtract $b$ until the residue is less than $b$.  If the algorithm is performed correctly this step is 
3816
 
performed at most twice, and on average once. However, if $a \ge b^2$ than it will iterate substantially more times than it should.
3817
 
 
3818
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3819
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_reduce.c
3820
 
\vspace{-3mm}
3821
 
\begin{alltt}
3822
 
\end{alltt}
3823
 
\end{small}
3824
 
 
3825
 
The first multiplication that determines the quotient can be performed by only producing the digits from $m - 1$ and up.  This essentially halves
3826
 
the number of single precision multiplications required.  However, the optimization is only safe if $\beta$ is much larger than the number of digits
3827
 
in the modulus.  In the source code this is evaluated on lines 36 to 44 where algorithm s\_mp\_mul\_high\_digs is used when it is
3828
 
safe to do so.  
3829
 
 
3830
 
\subsection{The Barrett Setup Algorithm}
3831
 
In order to use algorithm mp\_reduce the value of $\mu$ must be calculated in advance.  Ideally this value should be computed once and stored for
3832
 
future use so that the Barrett algorithm can be used without delay.  
3833
 
 
3834
 
\newpage\begin{figure}[!here]
3835
 
\begin{small}
3836
 
\begin{center}
3837
 
\begin{tabular}{l}
3838
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_reduce\_setup}. \\
3839
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ ($a > 1$)  \\
3840
 
\textbf{Output}.  $\mu \leftarrow \lfloor \beta^{2m}/a \rfloor$ \\
3841
 
\hline \\
3842
 
1.  $\mu \leftarrow 2^{2 \cdot lg(\beta) \cdot  m}$ (\textit{mp\_2expt}) \\
3843
 
2.  $\mu \leftarrow \lfloor \mu / b \rfloor$ (\textit{mp\_div}) \\
3844
 
3.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
3845
 
\hline
3846
 
\end{tabular}
3847
 
\end{center}
3848
 
\end{small}
3849
 
\caption{Algorithm mp\_reduce\_setup}
3850
 
\end{figure}
3851
 
 
3852
 
\textbf{Algorithm mp\_reduce\_setup.}
3853
 
This algorithm computes the reciprocal $\mu$ required for Barrett reduction.  First $\beta^{2m}$ is calculated as $2^{2 \cdot lg(\beta) \cdot  m}$ which
3854
 
is equivalent and much faster.  The final value is computed by taking the integer quotient of $\lfloor \mu / b \rfloor$.
3855
 
 
3856
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
3857
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_reduce\_setup.c
3858
 
\vspace{-3mm}
3859
 
\begin{alltt}
3860
 
\end{alltt}
3861
 
\end{small}
3862
 
 
3863
 
This simple routine calculates the reciprocal $\mu$ required by Barrett reduction.  Note the extended usage of algorithm mp\_div where the variable
3864
 
which would received the remainder is passed as NULL.  As will be discussed in~\ref{sec:division} the division routine allows both the quotient and the 
3865
 
remainder to be passed as NULL meaning to ignore the value.  
3866
 
 
3867
 
\section{The Montgomery Reduction}
3868
 
Montgomery reduction\footnote{Thanks to Niels Ferguson for his insightful explanation of the algorithm.} \cite{MONT} is by far the most interesting 
3869
 
form of reduction in common use.  It computes a modular residue which is not actually equal to the residue of the input yet instead equal to a 
3870
 
residue times a constant.  However, as perplexing as this may sound the algorithm is relatively simple and very efficient.  
3871
 
 
3872
 
Throughout this entire section the variable $n$ will represent the modulus used to form the residue.  As will be discussed shortly the value of
3873
 
$n$ must be odd.  The variable $x$ will represent the quantity of which the residue is sought.  Similar to the Barrett algorithm the input
3874
 
is restricted to $0 \le x < n^2$.  To begin the description some simple number theory facts must be established.
3875
 
 
3876
 
\textbf{Fact 1.}  Adding $n$ to $x$ does not change the residue since in effect it adds one to the quotient $\lfloor x / n \rfloor$.  Another way
3877
 
to explain this is that $n$ is (\textit{or multiples of $n$ are}) congruent to zero modulo $n$.  Adding zero will not change the value of the residue.  
3878
 
 
3879
 
\textbf{Fact 2.}  If $x$ is even then performing a division by two in $\Z$ is congruent to $x \cdot 2^{-1} \mbox{ (mod }n\mbox{)}$.  Actually
3880
 
this is an application of the fact that if $x$ is evenly divisible by any $k \in \Z$ then division in $\Z$ will be congruent to 
3881
 
multiplication by $k^{-1}$ modulo $n$.  
3882
 
 
3883
 
From these two simple facts the following simple algorithm can be derived.
3884
 
 
3885
 
\newpage\begin{figure}[!here]
3886
 
\begin{small}
3887
 
\begin{center}
3888
 
\begin{tabular}{l}
3889
 
\hline Algorithm \textbf{Montgomery Reduction}. \\
3890
 
\textbf{Input}.   Integer $x$, $n$ and $k$ \\
3891
 
\textbf{Output}.  $2^{-k}x \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ \\
3892
 
\hline \\
3893
 
1.  for $t$ from $1$ to $k$ do \\
3894
 
\hspace{3mm}1.1  If $x$ is odd then \\
3895
 
\hspace{6mm}1.1.1  $x \leftarrow x + n$ \\
3896
 
\hspace{3mm}1.2  $x \leftarrow x/2$ \\
3897
 
2.  Return $x$. \\
3898
 
\hline
3899
 
\end{tabular}
3900
 
\end{center}
3901
 
\end{small}
3902
 
\caption{Algorithm Montgomery Reduction}
3903
 
\end{figure}
3904
 
 
3905
 
The algorithm reduces the input one bit at a time using the two congruencies stated previously.  Inside the loop $n$, which is odd, is
3906
 
added to $x$ if $x$ is odd.  This forces $x$ to be even which allows the division by two in $\Z$ to be congruent to a modular division by two.  Since
3907
 
$x$ is assumed to be initially much larger than $n$ the addition of $n$ will contribute an insignificant magnitude to $x$.  Let $r$ represent the 
3908
 
final result of the Montgomery algorithm.  If $k > lg(n)$ and $0 \le x < n^2$ then the final result is limited to 
3909
 
$0 \le r < \lfloor x/2^k \rfloor + n$.  As a result at most a single subtraction is required to get the residue desired.
3910
 
 
3911
 
\begin{figure}[here]
3912
 
\begin{small}
3913
 
\begin{center}
3914
 
\begin{tabular}{|c|l|}
3915
 
\hline \textbf{Step number ($t$)} & \textbf{Result ($x$)} \\
3916
 
\hline $1$ & $x + n = 5812$, $x/2 = 2906$ \\
3917
 
\hline $2$ & $x/2 = 1453$ \\
3918
 
\hline $3$ & $x + n = 1710$, $x/2 = 855$ \\
3919
 
\hline $4$ & $x + n = 1112$, $x/2 = 556$ \\
3920
 
\hline $5$ & $x/2 = 278$ \\
3921
 
\hline $6$ & $x/2 = 139$ \\
3922
 
\hline $7$ & $x + n = 396$, $x/2 = 198$ \\
3923
 
\hline $8$ & $x/2 = 99$ \\
3924
 
\hline $9$ & $x + n = 356$, $x/2 = 178$ \\
3925
 
\hline
3926
 
\end{tabular}
3927
 
\end{center}
3928
 
\end{small}
3929
 
\caption{Example of Montgomery Reduction (I)}
3930
 
\label{fig:MONT1}
3931
 
\end{figure}
3932
 
 
3933
 
Consider the example in figure~\ref{fig:MONT1} which reduces $x = 5555$ modulo $n = 257$ when $k = 9$ (note $\beta^k = 512$ which is larger than $n$).  The result of 
3934
 
the algorithm $r = 178$ is congruent to the value of $2^{-9} \cdot 5555 \mbox{ (mod }257\mbox{)}$.  When $r$ is multiplied by $2^9$ modulo $257$ the correct residue 
3935
 
$r \equiv 158$ is produced.  
3936
 
 
3937
 
Let $k = \lfloor lg(n) \rfloor + 1$ represent the number of bits in $n$.  The current algorithm requires $2k^2$ single precision shifts
3938
 
and $k^2$ single precision additions.  At this rate the algorithm is most certainly slower than Barrett reduction and not terribly useful.  
3939
 
Fortunately there exists an alternative representation of the algorithm.
3940
 
 
3941
 
\begin{figure}[!here]
3942
 
\begin{small}
3943
 
\begin{center}
3944
 
\begin{tabular}{l}
3945
 
\hline Algorithm \textbf{Montgomery Reduction} (modified I). \\
3946
 
\textbf{Input}.   Integer $x$, $n$ and $k$ ($2^k > n$) \\
3947
 
\textbf{Output}.  $2^{-k}x \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ \\
3948
 
\hline \\
3949
 
1.  for $t$ from $1$ to $k$ do \\
3950
 
\hspace{3mm}1.1  If the $t$'th bit of $x$ is one then \\
3951
 
\hspace{6mm}1.1.1  $x \leftarrow x + 2^tn$ \\
3952
 
2.  Return $x/2^k$. \\
3953
 
\hline
3954
 
\end{tabular}
3955
 
\end{center}
3956
 
\end{small}
3957
 
\caption{Algorithm Montgomery Reduction (modified I)}
3958
 
\end{figure}
3959
 
 
3960
 
This algorithm is equivalent since $2^tn$ is a multiple of $n$ and the lower $k$ bits of $x$ are zero by step 2.  The number of single
3961
 
precision shifts has now been reduced from $2k^2$ to $k^2 + k$ which is only a small improvement.
3962
 
 
3963
 
\begin{figure}[here]
3964
 
\begin{small}
3965
 
\begin{center}
3966
 
\begin{tabular}{|c|l|r|}
3967
 
\hline \textbf{Step number ($t$)} & \textbf{Result ($x$)} & \textbf{Result ($x$) in Binary} \\
3968
 
\hline -- & $5555$ & $1010110110011$ \\
3969
 
\hline $1$ & $x + 2^{0}n = 5812$ &  $1011010110100$ \\
3970
 
\hline $2$ & $5812$ & $1011010110100$ \\
3971
 
\hline $3$ & $x + 2^{2}n = 6840$ & $1101010111000$ \\
3972
 
\hline $4$ & $x + 2^{3}n = 8896$ & $10001011000000$ \\
3973
 
\hline $5$ & $8896$ & $10001011000000$ \\
3974
 
\hline $6$ & $8896$ & $10001011000000$ \\
3975
 
\hline $7$ & $x + 2^{6}n = 25344$ & $110001100000000$ \\
3976
 
\hline $8$ & $25344$ & $110001100000000$ \\
3977
 
\hline $9$ & $x + 2^{7}n = 91136$ & $10110010000000000$ \\
3978
 
\hline -- & $x/2^k = 178$ & \\
3979
 
\hline
3980
 
\end{tabular}
3981
 
\end{center}
3982
 
\end{small}
3983
 
\caption{Example of Montgomery Reduction (II)}
3984
 
\label{fig:MONT2}
3985
 
\end{figure}
3986
 
 
3987
 
Figure~\ref{fig:MONT2} demonstrates the modified algorithm reducing $x = 5555$ modulo $n = 257$ with $k = 9$. 
3988
 
With this algorithm a single shift right at the end is the only right shift required to reduce the input instead of $k$ right shifts inside the 
3989
 
loop.  Note that for the iterations $t = 2, 5, 6$ and $8$ where the result $x$ is not changed.  In those iterations the $t$'th bit of $x$ is 
3990
 
zero and the appropriate multiple of $n$ does not need to be added to force the $t$'th bit of the result to zero.  
3991
 
 
3992
 
\subsection{Digit Based Montgomery Reduction}
3993
 
Instead of computing the reduction on a bit-by-bit basis it is actually much faster to compute it on digit-by-digit basis.  Consider the
3994
 
previous algorithm re-written to compute the Montgomery reduction in this new fashion.
3995
 
 
3996
 
\begin{figure}[!here]
3997
 
\begin{small}
3998
 
\begin{center}
3999
 
\begin{tabular}{l}
4000
 
\hline Algorithm \textbf{Montgomery Reduction} (modified II). \\
4001
 
\textbf{Input}.   Integer $x$, $n$ and $k$ ($\beta^k > n$) \\
4002
 
\textbf{Output}.  $\beta^{-k}x \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ \\
4003
 
\hline \\
4004
 
1.  for $t$ from $0$ to $k - 1$ do \\
4005
 
\hspace{3mm}1.1  $x \leftarrow x + \mu n \beta^t$ \\
4006
 
2.  Return $x/\beta^k$. \\
4007
 
\hline
4008
 
\end{tabular}
4009
 
\end{center}
4010
 
\end{small}
4011
 
\caption{Algorithm Montgomery Reduction (modified II)}
4012
 
\end{figure}
4013
 
 
4014
 
The value $\mu n \beta^t$ is a multiple of the modulus $n$ meaning that it will not change the residue.  If the first digit of 
4015
 
the value $\mu n \beta^t$ equals the negative (modulo $\beta$) of the $t$'th digit of $x$ then the addition will result in a zero digit.  This
4016
 
problem breaks down to solving the following congruency.  
4017
 
 
4018
 
\begin{center}
4019
 
\begin{tabular}{rcl}
4020
 
$x_t + \mu n_0$ & $\equiv$ & $0 \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4021
 
$\mu n_0$ & $\equiv$ & $-x_t \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4022
 
$\mu$ & $\equiv$ & $-x_t/n_0 \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4023
 
\end{tabular}
4024
 
\end{center}
4025
 
 
4026
 
In each iteration of the loop on step 1 a new value of $\mu$ must be calculated.  The value of $-1/n_0 \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ is used 
4027
 
extensively in this algorithm and should be precomputed.  Let $\rho$ represent the negative of the modular inverse of $n_0$ modulo $\beta$.  
4028
 
 
4029
 
For example, let $\beta = 10$ represent the radix.  Let $n = 17$ represent the modulus which implies $k = 2$ and $\rho \equiv 7$.  Let $x = 33$ 
4030
 
represent the value to reduce.
4031
 
 
4032
 
\newpage\begin{figure}
4033
 
\begin{center}
4034
 
\begin{tabular}{|c|c|c|}
4035
 
\hline \textbf{Step ($t$)} & \textbf{Value of $x$} & \textbf{Value of $\mu$} \\
4036
 
\hline --                 & $33$ & --\\
4037
 
\hline $0$                 & $33 + \mu n = 50$ & $1$ \\
4038
 
\hline $1$                 & $50 + \mu n \beta = 900$ & $5$ \\
4039
 
\hline
4040
 
\end{tabular}
4041
 
\end{center}
4042
 
\caption{Example of Montgomery Reduction}
4043
 
\end{figure}
4044
 
 
4045
 
The final result $900$ is then divided by $\beta^k$ to produce the final result $9$.  The first observation is that $9 \nequiv x \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ 
4046
 
which implies the result is not the modular residue of $x$ modulo $n$.  However, recall that the residue is actually multiplied by $\beta^{-k}$ in
4047
 
the algorithm.  To get the true residue the value must be multiplied by $\beta^k$.  In this case $\beta^k \equiv 15 \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ and
4048
 
the correct residue is $9 \cdot 15 \equiv 16 \mbox{ (mod }n\mbox{)}$.  
4049
 
 
4050
 
\subsection{Baseline Montgomery Reduction}
4051
 
The baseline Montgomery reduction algorithm will produce the residue for any size input.  It is designed to be a catch-all algororithm for 
4052
 
Montgomery reductions.  
4053
 
 
4054
 
\newpage\begin{figure}[!here]
4055
 
\begin{small}
4056
 
\begin{center}
4057
 
\begin{tabular}{l}
4058
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_montgomery\_reduce}. \\
4059
 
\textbf{Input}.   mp\_int $x$, mp\_int $n$ and a digit $\rho \equiv -1/n_0 \mbox{ (mod }n\mbox{)}$. \\
4060
 
\hspace{11.5mm}($0 \le x < n^2, n > 1, (n, \beta) = 1, \beta^k > n$) \\
4061
 
\textbf{Output}.  $\beta^{-k}x \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ \\
4062
 
\hline \\
4063
 
1.  $digs \leftarrow 2n.used + 1$ \\
4064
 
2.  If $digs < MP\_ARRAY$ and $m.used < \delta$ then \\
4065
 
\hspace{3mm}2.1  Use algorithm fast\_mp\_montgomery\_reduce instead. \\
4066
 
\\
4067
 
Setup $x$ for the reduction. \\
4068
 
3.  If $x.alloc < digs$ then grow $x$ to $digs$ digits. \\
4069
 
4.  $x.used \leftarrow digs$ \\
4070
 
\\
4071
 
Eliminate the lower $k$ digits. \\
4072
 
5.  For $ix$ from $0$ to $k - 1$ do \\
4073
 
\hspace{3mm}5.1  $\mu \leftarrow x_{ix} \cdot \rho \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4074
 
\hspace{3mm}5.2  $u \leftarrow 0$ \\
4075
 
\hspace{3mm}5.3  For $iy$ from $0$ to $k - 1$ do \\
4076
 
\hspace{6mm}5.3.1  $\hat r \leftarrow \mu n_{iy} + x_{ix + iy} + u$ \\
4077
 
\hspace{6mm}5.3.2  $x_{ix + iy} \leftarrow \hat r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4078
 
\hspace{6mm}5.3.3  $u \leftarrow \lfloor \hat r / \beta \rfloor$ \\
4079
 
\hspace{3mm}5.4  While $u > 0$ do \\
4080
 
\hspace{6mm}5.4.1  $iy \leftarrow iy + 1$ \\
4081
 
\hspace{6mm}5.4.2  $x_{ix + iy} \leftarrow x_{ix + iy} + u$ \\
4082
 
\hspace{6mm}5.4.3  $u \leftarrow \lfloor x_{ix+iy} / \beta \rfloor$ \\
4083
 
\hspace{6mm}5.4.4  $x_{ix + iy} \leftarrow x_{ix+iy} \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4084
 
\\
4085
 
Divide by $\beta^k$ and fix up as required. \\
4086
 
6.  $x \leftarrow \lfloor x / \beta^k \rfloor$ \\
4087
 
7.  If $x \ge n$ then \\
4088
 
\hspace{3mm}7.1  $x \leftarrow x - n$ \\
4089
 
8.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
4090
 
\hline
4091
 
\end{tabular}
4092
 
\end{center}
4093
 
\end{small}
4094
 
\caption{Algorithm mp\_montgomery\_reduce}
4095
 
\end{figure}
4096
 
 
4097
 
\textbf{Algorithm mp\_montgomery\_reduce.}
4098
 
This algorithm reduces the input $x$ modulo $n$ in place using the Montgomery reduction algorithm.  The algorithm is loosely based
4099
 
on algorithm 14.32 of \cite[pp.601]{HAC} except it merges the multiplication of $\mu n \beta^t$ with the addition in the inner loop.  The
4100
 
restrictions on this algorithm are fairly easy to adapt to.  First $0 \le x < n^2$ bounds the input to numbers in the same range as 
4101
 
for the Barrett algorithm.  Additionally if $n > 1$ and $n$ is odd there will exist a modular inverse $\rho$.  $\rho$ must be calculated in
4102
 
advance of this algorithm.  Finally the variable $k$ is fixed and a pseudonym for $n.used$.  
4103
 
 
4104
 
Step 2 decides whether a faster Montgomery algorithm can be used.  It is based on the Comba technique meaning that there are limits on
4105
 
the size of the input.  This algorithm is discussed in sub-section 6.3.3.
4106
 
 
4107
 
Step 5 is the main reduction loop of the algorithm.  The value of $\mu$ is calculated once per iteration in the outer loop.  The inner loop
4108
 
calculates $x + \mu n \beta^{ix}$ by multiplying $\mu n$ and adding the result to $x$ shifted by $ix$ digits.  Both the addition and
4109
 
multiplication are performed in the same loop to save time and memory.  Step 5.4 will handle any additional carries that escape the inner loop.
4110
 
 
4111
 
Using a quick inspection this algorithm requires $n$ single precision multiplications for the outer loop and $n^2$ single precision multiplications 
4112
 
in the inner loop.  In total $n^2 + n$ single precision multiplications which compares favourably to Barrett at $n^2 + 2n - 1$ single precision
4113
 
multiplications.  
4114
 
 
4115
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4116
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_montgomery\_reduce.c
4117
 
\vspace{-3mm}
4118
 
\begin{alltt}
4119
 
\end{alltt}
4120
 
\end{small}
4121
 
 
4122
 
This is the baseline implementation of the Montgomery reduction algorithm.  Lines 31 to 36 determine if the Comba based
4123
 
routine can be used instead.  Line 47 computes the value of $\mu$ for that particular iteration of the outer loop.  
4124
 
 
4125
 
The multiplication $\mu n \beta^{ix}$ is performed in one step in the inner loop.  The alias $tmpx$ refers to the $ix$'th digit of $x$ and
4126
 
the alias $tmpn$ refers to the modulus $n$.  
4127
 
 
4128
 
\subsection{Faster ``Comba'' Montgomery Reduction}
4129
 
 
4130
 
The Montgomery reduction requires fewer single precision multiplications than a Barrett reduction, however it is much slower due to the serial
4131
 
nature of the inner loop.  The Barrett reduction algorithm requires two slightly modified multipliers which can be implemented with the Comba
4132
 
technique.  The Montgomery reduction algorithm cannot directly use the Comba technique to any significant advantage since the inner loop calculates
4133
 
a $k \times 1$ product $k$ times. 
4134
 
 
4135
 
The biggest obstacle is that at the $ix$'th iteration of the outer loop the value of $x_{ix}$ is required to calculate $\mu$.  This means the 
4136
 
carries from $0$ to $ix - 1$ must have been propagated upwards to form a valid $ix$'th digit.  The solution as it turns out is very simple.  
4137
 
Perform a Comba like multiplier and inside the outer loop just after the inner loop fix up the $ix + 1$'th digit by forwarding the carry.  
4138
 
 
4139
 
With this change in place the Montgomery reduction algorithm can be performed with a Comba style multiplication loop which substantially increases
4140
 
the speed of the algorithm.  
4141
 
 
4142
 
\newpage\begin{figure}[!here]
4143
 
\begin{small}
4144
 
\begin{center}
4145
 
\begin{tabular}{l}
4146
 
\hline Algorithm \textbf{fast\_mp\_montgomery\_reduce}. \\
4147
 
\textbf{Input}.   mp\_int $x$, mp\_int $n$ and a digit $\rho \equiv -1/n_0 \mbox{ (mod }n\mbox{)}$. \\
4148
 
\hspace{11.5mm}($0 \le x < n^2, n > 1, (n, \beta) = 1, \beta^k > n$) \\
4149
 
\textbf{Output}.  $\beta^{-k}x \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ \\
4150
 
\hline \\
4151
 
Place an array of \textbf{MP\_WARRAY} mp\_word variables called $\hat W$ on the stack. \\
4152
 
1.  if $x.alloc < n.used + 1$ then grow $x$ to $n.used + 1$ digits. \\
4153
 
Copy the digits of $x$ into the array $\hat W$ \\
4154
 
2.  For $ix$ from $0$ to $x.used - 1$ do \\
4155
 
\hspace{3mm}2.1  $\hat W_{ix} \leftarrow x_{ix}$ \\
4156
 
3.  For $ix$ from $x.used$ to $2n.used - 1$ do \\
4157
 
\hspace{3mm}3.1  $\hat W_{ix} \leftarrow 0$ \\
4158
 
Elimiate the lower $k$ digits. \\
4159
 
4.  for $ix$ from $0$ to $n.used - 1$ do \\
4160
 
\hspace{3mm}4.1  $\mu \leftarrow \hat W_{ix} \cdot \rho \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4161
 
\hspace{3mm}4.2  For $iy$ from $0$ to $n.used - 1$ do \\
4162
 
\hspace{6mm}4.2.1  $\hat W_{iy + ix} \leftarrow \hat W_{iy + ix} + \mu \cdot n_{iy}$ \\
4163
 
\hspace{3mm}4.3  $\hat W_{ix + 1} \leftarrow \hat W_{ix + 1} + \lfloor \hat W_{ix} / \beta \rfloor$ \\
4164
 
Propagate carries upwards. \\
4165
 
5.  for $ix$ from $n.used$ to $2n.used + 1$ do \\
4166
 
\hspace{3mm}5.1  $\hat W_{ix + 1} \leftarrow \hat W_{ix + 1} + \lfloor \hat W_{ix} / \beta \rfloor$ \\
4167
 
Shift right and reduce modulo $\beta$ simultaneously. \\
4168
 
6.  for $ix$ from $0$ to $n.used + 1$ do \\
4169
 
\hspace{3mm}6.1  $x_{ix} \leftarrow \hat W_{ix + n.used} \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4170
 
Zero excess digits and fixup $x$. \\
4171
 
7.  if $x.used > n.used + 1$ then do \\
4172
 
\hspace{3mm}7.1  for $ix$ from $n.used + 1$ to $x.used - 1$ do \\
4173
 
\hspace{6mm}7.1.1  $x_{ix} \leftarrow 0$ \\
4174
 
8.  $x.used \leftarrow n.used + 1$ \\
4175
 
9.  Clamp excessive digits of $x$. \\
4176
 
10.  If $x \ge n$ then \\
4177
 
\hspace{3mm}10.1  $x \leftarrow x - n$ \\
4178
 
11.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
4179
 
\hline
4180
 
\end{tabular}
4181
 
\end{center}
4182
 
\end{small}
4183
 
\caption{Algorithm fast\_mp\_montgomery\_reduce}
4184
 
\end{figure}
4185
 
 
4186
 
\textbf{Algorithm fast\_mp\_montgomery\_reduce.}
4187
 
This algorithm will compute the Montgomery reduction of $x$ modulo $n$ using the Comba technique.  It is on most computer platforms significantly
4188
 
faster than algorithm mp\_montgomery\_reduce and algorithm mp\_reduce (\textit{Barrett reduction}).  The algorithm has the same restrictions
4189
 
on the input as the baseline reduction algorithm.  An additional two restrictions are imposed on this algorithm.  The number of digits $k$ in the 
4190
 
the modulus $n$ must not violate $MP\_WARRAY > 2k +1$ and $n < \delta$.   When $\beta = 2^{28}$ this algorithm can be used to reduce modulo
4191
 
a modulus of at most $3,556$ bits in length.  
4192
 
 
4193
 
As in the other Comba reduction algorithms there is a $\hat W$ array which stores the columns of the product.  It is initially filled with the
4194
 
contents of $x$ with the excess digits zeroed.  The reduction loop is very similar the to the baseline loop at heart.  The multiplication on step
4195
 
4.1 can be single precision only since $ab \mbox{ (mod }\beta\mbox{)} \equiv (a \mbox{ mod }\beta)(b \mbox{ mod }\beta)$.  Some multipliers such
4196
 
as those on the ARM processors take a variable length time to complete depending on the number of bytes of result it must produce.  By performing
4197
 
a single precision multiplication instead half the amount of time is spent.
4198
 
 
4199
 
Also note that digit $\hat W_{ix}$ must have the carry from the $ix - 1$'th digit propagated upwards in order for this to work.  That is what step
4200
 
4.3 will do.  In effect over the $n.used$ iterations of the outer loop the $n.used$'th lower columns all have the their carries propagated forwards.  Note
4201
 
how the upper bits of those same words are not reduced modulo $\beta$.  This is because those values will be discarded shortly and there is no
4202
 
point.
4203
 
 
4204
 
Step 5 will propagate the remainder of the carries upwards.  On step 6 the columns are reduced modulo $\beta$ and shifted simultaneously as they are
4205
 
stored in the destination $x$.  
4206
 
 
4207
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4208
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_fast\_mp\_montgomery\_reduce.c
4209
 
\vspace{-3mm}
4210
 
\begin{alltt}
4211
 
\end{alltt}
4212
 
\end{small}
4213
 
 
4214
 
The $\hat W$ array is first filled with digits of $x$ on line 48 then the rest of the digits are zeroed on line 55.  Both loops share
4215
 
the same alias variables to make the code easier to read.  
4216
 
 
4217
 
The value of $\mu$ is calculated in an interesting fashion.  First the value $\hat W_{ix}$ is reduced modulo $\beta$ and cast to a mp\_digit.  This
4218
 
forces the compiler to use a single precision multiplication and prevents any concerns about loss of precision.   Line 110 fixes the carry 
4219
 
for the next iteration of the loop by propagating the carry from $\hat W_{ix}$ to $\hat W_{ix+1}$.
4220
 
 
4221
 
The for loop on line 109 propagates the rest of the carries upwards through the columns.  The for loop on line 126 reduces the columns
4222
 
modulo $\beta$ and shifts them $k$ places at the same time.  The alias $\_ \hat W$ actually refers to the array $\hat W$ starting at the $n.used$'th
4223
 
digit, that is $\_ \hat W_{t} = \hat W_{n.used + t}$.  
4224
 
 
4225
 
\subsection{Montgomery Setup}
4226
 
To calculate the variable $\rho$ a relatively simple algorithm will be required.  
4227
 
 
4228
 
\begin{figure}[!here]
4229
 
\begin{small}
4230
 
\begin{center}
4231
 
\begin{tabular}{l}
4232
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_montgomery\_setup}. \\
4233
 
\textbf{Input}.   mp\_int $n$ ($n > 1$ and $(n, 2) = 1$) \\
4234
 
\textbf{Output}.  $\rho \equiv -1/n_0 \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4235
 
\hline \\
4236
 
1.  $b \leftarrow n_0$ \\
4237
 
2.  If $b$ is even return(\textit{MP\_VAL}) \\
4238
 
3.  $x \leftarrow (((b + 2) \mbox{ AND } 4) << 1) + b$ \\
4239
 
4.  for $k$ from 0 to $\lceil lg(lg(\beta)) \rceil - 2$ do \\
4240
 
\hspace{3mm}4.1  $x \leftarrow x \cdot (2 - bx)$ \\
4241
 
5.  $\rho \leftarrow \beta - x \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4242
 
6.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
4243
 
\hline
4244
 
\end{tabular}
4245
 
\end{center}
4246
 
\end{small}
4247
 
\caption{Algorithm mp\_montgomery\_setup} 
4248
 
\end{figure}
4249
 
 
4250
 
\textbf{Algorithm mp\_montgomery\_setup.}
4251
 
This algorithm will calculate the value of $\rho$ required within the Montgomery reduction algorithms.  It uses a very interesting trick 
4252
 
to calculate $1/n_0$ when $\beta$ is a power of two.  
4253
 
 
4254
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4255
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_montgomery\_setup.c
4256
 
\vspace{-3mm}
4257
 
\begin{alltt}
4258
 
\end{alltt}
4259
 
\end{small}
4260
 
 
4261
 
This source code computes the value of $\rho$ required to perform Montgomery reduction.  It has been modified to avoid performing excess
4262
 
multiplications when $\beta$ is not the default 28-bits.  
4263
 
 
4264
 
\section{The Diminished Radix Algorithm}
4265
 
The Diminished Radix method of modular reduction \cite{DRMET} is a fairly clever technique which can be more efficient than either the Barrett
4266
 
or Montgomery methods for certain forms of moduli.  The technique is based on the following simple congruence.
4267
 
 
4268
 
\begin{equation}
4269
 
(x \mbox{ mod } n) + k \lfloor x / n \rfloor \equiv x \mbox{ (mod }(n - k)\mbox{)}
4270
 
\end{equation}
4271
 
 
4272
 
This observation was used in the MMB \cite{MMB} block cipher to create a diffusion primitive.  It used the fact that if $n = 2^{31}$ and $k=1$ that 
4273
 
then a x86 multiplier could produce the 62-bit product and use  the ``shrd'' instruction to perform a double-precision right shift.  The proof
4274
 
of the above equation is very simple.  First write $x$ in the product form.
4275
 
 
4276
 
\begin{equation}
4277
 
x = qn + r
4278
 
\end{equation}
4279
 
 
4280
 
Now reduce both sides modulo $(n - k)$.
4281
 
 
4282
 
\begin{equation}
4283
 
x \equiv qk + r  \mbox{ (mod }(n-k)\mbox{)}
4284
 
\end{equation}
4285
 
 
4286
 
The variable $n$ reduces modulo $n - k$ to $k$.  By putting $q = \lfloor x/n \rfloor$ and $r = x \mbox{ mod } n$ 
4287
 
into the equation the original congruence is reproduced, thus concluding the proof.  The following algorithm is based on this observation.
4288
 
 
4289
 
\begin{figure}[!here]
4290
 
\begin{small}
4291
 
\begin{center}
4292
 
\begin{tabular}{l}
4293
 
\hline Algorithm \textbf{Diminished Radix Reduction}. \\
4294
 
\textbf{Input}.   Integer $x$, $n$, $k$ \\
4295
 
\textbf{Output}.  $x \mbox{ mod } (n - k)$ \\
4296
 
\hline \\
4297
 
1.  $q \leftarrow \lfloor x / n \rfloor$ \\
4298
 
2.  $q \leftarrow k \cdot q$ \\
4299
 
3.  $x \leftarrow x \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ \\
4300
 
4.  $x \leftarrow x + q$ \\
4301
 
5.  If $x \ge (n - k)$ then \\
4302
 
\hspace{3mm}5.1  $x \leftarrow x - (n - k)$ \\
4303
 
\hspace{3mm}5.2  Goto step 1. \\
4304
 
6.  Return $x$ \\
4305
 
\hline
4306
 
\end{tabular}
4307
 
\end{center}
4308
 
\end{small}
4309
 
\caption{Algorithm Diminished Radix Reduction}
4310
 
\label{fig:DR}
4311
 
\end{figure}
4312
 
 
4313
 
This algorithm will reduce $x$ modulo $n - k$ and return the residue.  If $0 \le x < (n - k)^2$ then the algorithm will loop almost always
4314
 
once or twice and occasionally three times.  For simplicity sake the value of $x$ is bounded by the following simple polynomial.
4315
 
 
4316
 
\begin{equation} 
4317
 
0 \le x < n^2 + k^2 - 2nk
4318
 
\end{equation}
4319
 
 
4320
 
The true bound is  $0 \le x < (n - k - 1)^2$ but this has quite a few more terms.  The value of $q$ after step 1 is bounded by the following.
4321
 
 
4322
 
\begin{equation}
4323
 
q < n - 2k - k^2/n
4324
 
\end{equation}
4325
 
 
4326
 
Since $k^2$ is going to be considerably smaller than $n$ that term will always be zero.  The value of $x$ after step 3 is bounded trivially as
4327
 
$0 \le x < n$.  By step four the sum $x + q$ is bounded by 
4328
 
 
4329
 
\begin{equation}
4330
 
0 \le q + x < (k + 1)n - 2k^2 - 1
4331
 
\end{equation}
4332
 
 
4333
 
With a second pass $q$ will be loosely bounded by $0 \le q < k^2$ after step 2 while $x$ will still be loosely bounded by $0 \le x < n$ after step 3.  After the second pass it is highly unlike that the
4334
 
sum in step 4 will exceed $n - k$.  In practice fewer than three passes of the algorithm are required to reduce virtually every input in the 
4335
 
range $0 \le x < (n - k - 1)^2$.  
4336
 
 
4337
 
\begin{figure}
4338
 
\begin{small}
4339
 
\begin{center}
4340
 
\begin{tabular}{|l|}
4341
 
\hline
4342
 
$x = 123456789, n = 256, k = 3$ \\
4343
 
\hline $q \leftarrow \lfloor x/n \rfloor = 482253$ \\
4344
 
$q \leftarrow q*k = 1446759$ \\
4345
 
$x \leftarrow x \mbox{ mod } n = 21$ \\
4346
 
$x \leftarrow x + q = 1446780$ \\
4347
 
$x \leftarrow x - (n - k) = 1446527$ \\
4348
 
\hline 
4349
 
$q \leftarrow \lfloor x/n \rfloor = 5650$ \\
4350
 
$q \leftarrow q*k = 16950$ \\
4351
 
$x \leftarrow x \mbox{ mod } n = 127$ \\
4352
 
$x \leftarrow x + q = 17077$ \\
4353
 
$x \leftarrow x - (n - k) = 16824$ \\
4354
 
\hline 
4355
 
$q \leftarrow \lfloor x/n \rfloor = 65$ \\
4356
 
$q \leftarrow q*k = 195$ \\
4357
 
$x \leftarrow x \mbox{ mod } n = 184$ \\
4358
 
$x \leftarrow x + q = 379$ \\
4359
 
$x \leftarrow x - (n - k) = 126$ \\
4360
 
\hline
4361
 
\end{tabular}
4362
 
\end{center}
4363
 
\end{small}
4364
 
\caption{Example Diminished Radix Reduction}
4365
 
\label{fig:EXDR}
4366
 
\end{figure}
4367
 
 
4368
 
Figure~\ref{fig:EXDR} demonstrates the reduction of $x = 123456789$ modulo $n - k = 253$ when $n = 256$ and $k = 3$.  Note that even while $x$
4369
 
is considerably larger than $(n - k - 1)^2 = 63504$ the algorithm still converges on the modular residue exceedingly fast.  In this case only
4370
 
three passes were required to find the residue $x \equiv 126$.
4371
 
 
4372
 
 
4373
 
\subsection{Choice of Moduli}
4374
 
On the surface this algorithm looks like a very expensive algorithm.  It requires a couple of subtractions followed by multiplication and other
4375
 
modular reductions.  The usefulness of this algorithm becomes exceedingly clear when an appropriate modulus is chosen.
4376
 
 
4377
 
Division in general is a very expensive operation to perform.  The one exception is when the division is by a power of the radix of representation used.  
4378
 
Division by ten for example is simple for pencil and paper mathematics since it amounts to shifting the decimal place to the right.  Similarly division 
4379
 
by two (\textit{or powers of two}) is very simple for binary computers to perform.  It would therefore seem logical to choose $n$ of the form $2^p$ 
4380
 
which would imply that $\lfloor x / n \rfloor$ is a simple shift of $x$ right $p$ bits.  
4381
 
 
4382
 
However, there is one operation related to division of power of twos that is even faster than this.  If $n = \beta^p$ then the division may be 
4383
 
performed by moving whole digits to the right $p$ places.  In practice division by $\beta^p$ is much faster than division by $2^p$ for any $p$.  
4384
 
Also with the choice of $n = \beta^p$ reducing $x$ modulo $n$ merely requires zeroing the digits above the $p-1$'th digit of $x$.  
4385
 
 
4386
 
Throughout the next section the term ``restricted modulus'' will refer to a modulus of the form $\beta^p - k$ whereas the term ``unrestricted
4387
 
modulus'' will refer to a modulus of the form $2^p - k$.  The word ``restricted'' in this case refers to the fact that it is based on the 
4388
 
$2^p$ logic except $p$ must be a multiple of $lg(\beta)$.  
4389
 
 
4390
 
\subsection{Choice of $k$}
4391
 
Now that division and reduction (\textit{step 1 and 3 of figure~\ref{fig:DR}}) have been optimized to simple digit operations the multiplication by $k$
4392
 
in step 2 is the most expensive operation.  Fortunately the choice of $k$ is not terribly limited.  For all intents and purposes it might
4393
 
as well be a single digit.  The smaller the value of $k$ is the faster the algorithm will be.  
4394
 
 
4395
 
\subsection{Restricted Diminished Radix Reduction}
4396
 
The restricted Diminished Radix algorithm can quickly reduce an input modulo a modulus of the form $n = \beta^p - k$.  This algorithm can reduce 
4397
 
an input $x$ within the range $0 \le x < n^2$ using only a couple passes of the algorithm demonstrated in figure~\ref{fig:DR}.  The implementation
4398
 
of this algorithm has been optimized to avoid additional overhead associated with a division by $\beta^p$, the multiplication by $k$ or the addition 
4399
 
of $x$ and $q$.  The resulting algorithm is very efficient and can lead to substantial improvements over Barrett and Montgomery reduction when modular 
4400
 
exponentiations are performed.
4401
 
 
4402
 
\newpage\begin{figure}[!here]
4403
 
\begin{small}
4404
 
\begin{center}
4405
 
\begin{tabular}{l}
4406
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_dr\_reduce}. \\
4407
 
\textbf{Input}.   mp\_int $x$, $n$ and a mp\_digit $k = \beta - n_0$ \\
4408
 
\hspace{11.5mm}($0 \le x < n^2$, $n > 1$, $0 < k < \beta$) \\
4409
 
\textbf{Output}.  $x \mbox{ mod } n$ \\
4410
 
\hline \\
4411
 
1.  $m \leftarrow n.used$ \\
4412
 
2.  If $x.alloc < 2m$ then grow $x$ to $2m$ digits. \\
4413
 
3.  $\mu \leftarrow 0$ \\
4414
 
4.  for $i$ from $0$ to $m - 1$ do \\
4415
 
\hspace{3mm}4.1  $\hat r \leftarrow k \cdot x_{m+i} + x_{i} + \mu$ \\
4416
 
\hspace{3mm}4.2  $x_{i} \leftarrow \hat r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
4417
 
\hspace{3mm}4.3  $\mu \leftarrow \lfloor \hat r / \beta \rfloor$ \\
4418
 
5.  $x_{m} \leftarrow \mu$ \\
4419
 
6.  for $i$ from $m + 1$ to $x.used - 1$ do \\
4420
 
\hspace{3mm}6.1  $x_{i} \leftarrow 0$ \\
4421
 
7.  Clamp excess digits of $x$. \\
4422
 
8.  If $x \ge n$ then \\
4423
 
\hspace{3mm}8.1  $x \leftarrow x - n$ \\
4424
 
\hspace{3mm}8.2  Goto step 3. \\
4425
 
9.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
4426
 
\hline
4427
 
\end{tabular}
4428
 
\end{center}
4429
 
\end{small}
4430
 
\caption{Algorithm mp\_dr\_reduce}
4431
 
\end{figure}
4432
 
 
4433
 
\textbf{Algorithm mp\_dr\_reduce.}
4434
 
This algorithm will perform the Dimished Radix reduction of $x$ modulo $n$.  It has similar restrictions to that of the Barrett reduction
4435
 
with the addition that $n$ must be of the form $n = \beta^m - k$ where $0 < k <\beta$.  
4436
 
 
4437
 
This algorithm essentially implements the pseudo-code in figure~\ref{fig:DR} except with a slight optimization.  The division by $\beta^m$, multiplication by $k$
4438
 
and addition of $x \mbox{ mod }\beta^m$ are all performed simultaneously inside the loop on step 4.  The division by $\beta^m$ is emulated by accessing
4439
 
the term at the $m+i$'th position which is subsequently multiplied by $k$ and added to the term at the $i$'th position.  After the loop the $m$'th
4440
 
digit is set to the carry and the upper digits are zeroed.  Steps 5 and 6 emulate the reduction modulo $\beta^m$ that should have happend to 
4441
 
$x$ before the addition of the multiple of the upper half.  
4442
 
 
4443
 
At step 8 if $x$ is still larger than $n$ another pass of the algorithm is required.  First $n$ is subtracted from $x$ and then the algorithm resumes
4444
 
at step 3.  
4445
 
 
4446
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4447
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_dr\_reduce.c
4448
 
\vspace{-3mm}
4449
 
\begin{alltt}
4450
 
\end{alltt}
4451
 
\end{small}
4452
 
 
4453
 
The first step is to grow $x$ as required to $2m$ digits since the reduction is performed in place on $x$.  The label on line 52 is where
4454
 
the algorithm will resume if further reduction passes are required.  In theory it could be placed at the top of the function however, the size of
4455
 
the modulus and question of whether $x$ is large enough are invariant after the first pass meaning that it would be a waste of time.  
4456
 
 
4457
 
The aliases $tmpx1$ and $tmpx2$ refer to the digits of $x$ where the latter is offset by $m$ digits.  By reading digits from $x$ offset by $m$ digits
4458
 
a division by $\beta^m$ can be simulated virtually for free.  The loop on line 64 performs the bulk of the work (\textit{corresponds to step 4 of algorithm 7.11})
4459
 
in this algorithm.
4460
 
 
4461
 
By line 67 the pointer $tmpx1$ points to the $m$'th digit of $x$ which is where the final carry will be placed.  Similarly by line 74 the 
4462
 
same pointer will point to the $m+1$'th digit where the zeroes will be placed.  
4463
 
 
4464
 
Since the algorithm is only valid if both $x$ and $n$ are greater than zero an unsigned comparison suffices to determine if another pass is required.  
4465
 
With the same logic at line 81 the value of $x$ is known to be greater than or equal to $n$ meaning that an unsigned subtraction can be used
4466
 
as well.  Since the destination of the subtraction is the larger of the inputs the call to algorithm s\_mp\_sub cannot fail and the return code
4467
 
does not need to be checked.
4468
 
 
4469
 
\subsubsection{Setup}
4470
 
To setup the restricted Diminished Radix algorithm the value $k = \beta - n_0$ is required.  This algorithm is not really complicated but provided for
4471
 
completeness.
4472
 
 
4473
 
\begin{figure}[!here]
4474
 
\begin{small}
4475
 
\begin{center}
4476
 
\begin{tabular}{l}
4477
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_dr\_setup}. \\
4478
 
\textbf{Input}.   mp\_int $n$ \\
4479
 
\textbf{Output}.  $k = \beta - n_0$ \\
4480
 
\hline \\
4481
 
1.  $k \leftarrow \beta - n_0$ \\
4482
 
\hline
4483
 
\end{tabular}
4484
 
\end{center}
4485
 
\end{small}
4486
 
\caption{Algorithm mp\_dr\_setup}
4487
 
\end{figure}
4488
 
 
4489
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4490
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_dr\_setup.c
4491
 
\vspace{-3mm}
4492
 
\begin{alltt}
4493
 
\end{alltt}
4494
 
\end{small}
4495
 
 
4496
 
\subsubsection{Modulus Detection}
4497
 
Another algorithm which will be useful is the ability to detect a restricted Diminished Radix modulus.  An integer is said to be
4498
 
of restricted Diminished Radix form if all of the digits are equal to $\beta - 1$ except the trailing digit which may be any value.
4499
 
 
4500
 
\begin{figure}[!here]
4501
 
\begin{small}
4502
 
\begin{center}
4503
 
\begin{tabular}{l}
4504
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_dr\_is\_modulus}. \\
4505
 
\textbf{Input}.   mp\_int $n$ \\
4506
 
\textbf{Output}.  $1$ if $n$ is in D.R form, $0$ otherwise \\
4507
 
\hline
4508
 
1.  If $n.used < 2$ then return($0$). \\
4509
 
2.  for $ix$ from $1$ to $n.used - 1$ do \\
4510
 
\hspace{3mm}2.1  If $n_{ix} \ne \beta - 1$ return($0$). \\
4511
 
3.  Return($1$). \\
4512
 
\hline
4513
 
\end{tabular}
4514
 
\end{center}
4515
 
\end{small}
4516
 
\caption{Algorithm mp\_dr\_is\_modulus}
4517
 
\end{figure}
4518
 
 
4519
 
\textbf{Algorithm mp\_dr\_is\_modulus.}
4520
 
This algorithm determines if a value is in Diminished Radix form.  Step 1 rejects obvious cases where fewer than two digits are
4521
 
in the mp\_int.  Step 2 tests all but the first digit to see if they are equal to $\beta - 1$.  If the algorithm manages to get to
4522
 
step 3 then $n$ must be of Diminished Radix form.
4523
 
 
4524
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4525
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_dr\_is\_modulus.c
4526
 
\vspace{-3mm}
4527
 
\begin{alltt}
4528
 
\end{alltt}
4529
 
\end{small}
4530
 
 
4531
 
\subsection{Unrestricted Diminished Radix Reduction}
4532
 
The unrestricted Diminished Radix algorithm allows modular reductions to be performed when the modulus is of the form $2^p - k$.  This algorithm
4533
 
is a straightforward adaptation of algorithm~\ref{fig:DR}.
4534
 
 
4535
 
In general the restricted Diminished Radix reduction algorithm is much faster since it has considerably lower overhead.  However, this new
4536
 
algorithm is much faster than either Montgomery or Barrett reduction when the moduli are of the appropriate form.
4537
 
 
4538
 
\begin{figure}[!here]
4539
 
\begin{small}
4540
 
\begin{center}
4541
 
\begin{tabular}{l}
4542
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_reduce\_2k}. \\
4543
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and $n$.  mp\_digit $k$  \\
4544
 
\hspace{11.5mm}($a \ge 0$, $n > 1$, $0 < k < \beta$, $n + k$ is a power of two) \\
4545
 
\textbf{Output}.  $a \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ \\
4546
 
\hline
4547
 
1.  $p \leftarrow \lceil lg(n) \rceil$  (\textit{mp\_count\_bits}) \\
4548
 
2.  While $a \ge n$ do \\
4549
 
\hspace{3mm}2.1  $q \leftarrow \lfloor a / 2^p \rfloor$ (\textit{mp\_div\_2d}) \\
4550
 
\hspace{3mm}2.2  $a \leftarrow a \mbox{ (mod }2^p\mbox{)}$ (\textit{mp\_mod\_2d}) \\
4551
 
\hspace{3mm}2.3  $q \leftarrow q \cdot k$ (\textit{mp\_mul\_d}) \\
4552
 
\hspace{3mm}2.4  $a \leftarrow a - q$ (\textit{s\_mp\_sub}) \\
4553
 
\hspace{3mm}2.5  If $a \ge n$ then do \\
4554
 
\hspace{6mm}2.5.1  $a \leftarrow a - n$ \\
4555
 
3.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
4556
 
\hline
4557
 
\end{tabular}
4558
 
\end{center}
4559
 
\end{small}
4560
 
\caption{Algorithm mp\_reduce\_2k}
4561
 
\end{figure}
4562
 
 
4563
 
\textbf{Algorithm mp\_reduce\_2k.}
4564
 
This algorithm quickly reduces an input $a$ modulo an unrestricted Diminished Radix modulus $n$.  Division by $2^p$ is emulated with a right
4565
 
shift which makes the algorithm fairly inexpensive to use.  
4566
 
 
4567
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4568
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_reduce\_2k.c
4569
 
\vspace{-3mm}
4570
 
\begin{alltt}
4571
 
\end{alltt}
4572
 
\end{small}
4573
 
 
4574
 
The algorithm mp\_count\_bits calculates the number of bits in an mp\_int which is used to find the initial value of $p$.  The call to mp\_div\_2d
4575
 
on line 31 calculates both the quotient $q$ and the remainder $a$ required.  By doing both in a single function call the code size
4576
 
is kept fairly small.  The multiplication by $k$ is only performed if $k > 1$. This allows reductions modulo $2^p - 1$ to be performed without
4577
 
any multiplications.  
4578
 
 
4579
 
The unsigned s\_mp\_add, mp\_cmp\_mag and s\_mp\_sub are used in place of their full sign counterparts since the inputs are only valid if they are 
4580
 
positive.  By using the unsigned versions the overhead is kept to a minimum.  
4581
 
 
4582
 
\subsubsection{Unrestricted Setup}
4583
 
To setup this reduction algorithm the value of $k = 2^p - n$ is required.  
4584
 
 
4585
 
\begin{figure}[!here]
4586
 
\begin{small}
4587
 
\begin{center}
4588
 
\begin{tabular}{l}
4589
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_reduce\_2k\_setup}. \\
4590
 
\textbf{Input}.   mp\_int $n$   \\
4591
 
\textbf{Output}.  $k = 2^p - n$ \\
4592
 
\hline
4593
 
1.  $p \leftarrow \lceil lg(n) \rceil$  (\textit{mp\_count\_bits}) \\
4594
 
2.  $x \leftarrow 2^p$ (\textit{mp\_2expt}) \\
4595
 
3.  $x \leftarrow x - n$ (\textit{mp\_sub}) \\
4596
 
4.  $k \leftarrow x_0$ \\
4597
 
5.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
4598
 
\hline
4599
 
\end{tabular}
4600
 
\end{center}
4601
 
\end{small}
4602
 
\caption{Algorithm mp\_reduce\_2k\_setup}
4603
 
\end{figure}
4604
 
 
4605
 
\textbf{Algorithm mp\_reduce\_2k\_setup.}
4606
 
This algorithm computes the value of $k$ required for the algorithm mp\_reduce\_2k.  By making a temporary variable $x$ equal to $2^p$ a subtraction
4607
 
is sufficient to solve for $k$.  Alternatively if $n$ has more than one digit the value of $k$ is simply $\beta - n_0$.  
4608
 
 
4609
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4610
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_reduce\_2k\_setup.c
4611
 
\vspace{-3mm}
4612
 
\begin{alltt}
4613
 
\end{alltt}
4614
 
\end{small}
4615
 
 
4616
 
\subsubsection{Unrestricted Detection}
4617
 
An integer $n$ is a valid unrestricted Diminished Radix modulus if either of the following are true.
4618
 
 
4619
 
\begin{enumerate}
4620
 
\item  The number has only one digit.
4621
 
\item  The number has more than one digit and every bit from the $\beta$'th to the most significant is one.
4622
 
\end{enumerate}
4623
 
 
4624
 
If either condition is true than there is a power of two $2^p$ such that $0 < 2^p - n < \beta$.   If the input is only
4625
 
one digit than it will always be of the correct form.  Otherwise all of the bits above the first digit must be one.  This arises from the fact
4626
 
that there will be value of $k$ that when added to the modulus causes a carry in the first digit which propagates all the way to the most
4627
 
significant bit.  The resulting sum will be a power of two.
4628
 
 
4629
 
\begin{figure}[!here]
4630
 
\begin{small}
4631
 
\begin{center}
4632
 
\begin{tabular}{l}
4633
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_reduce\_is\_2k}. \\
4634
 
\textbf{Input}.   mp\_int $n$   \\
4635
 
\textbf{Output}.  $1$ if of proper form, $0$ otherwise \\
4636
 
\hline
4637
 
1.  If $n.used = 0$ then return($0$). \\
4638
 
2.  If $n.used = 1$ then return($1$). \\
4639
 
3.  $p \leftarrow \lceil lg(n) \rceil$  (\textit{mp\_count\_bits}) \\
4640
 
4.  for $x$ from $lg(\beta)$ to $p$ do \\
4641
 
\hspace{3mm}4.1  If the ($x \mbox{ mod }lg(\beta)$)'th bit of the $\lfloor x / lg(\beta) \rfloor$ of $n$ is zero then return($0$). \\
4642
 
5.  Return($1$). \\
4643
 
\hline
4644
 
\end{tabular}
4645
 
\end{center}
4646
 
\end{small}
4647
 
\caption{Algorithm mp\_reduce\_is\_2k}
4648
 
\end{figure}
4649
 
 
4650
 
\textbf{Algorithm mp\_reduce\_is\_2k.}
4651
 
This algorithm quickly determines if a modulus is of the form required for algorithm mp\_reduce\_2k to function properly.  
4652
 
 
4653
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4654
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_reduce\_is\_2k.c
4655
 
\vspace{-3mm}
4656
 
\begin{alltt}
4657
 
\end{alltt}
4658
 
\end{small}
4659
 
 
4660
 
 
4661
 
 
4662
 
\section{Algorithm Comparison}
4663
 
So far three very different algorithms for modular reduction have been discussed.  Each of the algorithms have their own strengths and weaknesses
4664
 
that makes having such a selection very useful.  The following table sumarizes the three algorithms along with comparisons of work factors.  Since
4665
 
all three algorithms have the restriction that $0 \le x < n^2$ and $n > 1$ those limitations are not included in the table.  
4666
 
 
4667
 
\begin{center}
4668
 
\begin{small}
4669
 
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
4670
 
\hline \textbf{Method} & \textbf{Work Required} & \textbf{Limitations} & \textbf{$m = 8$} & \textbf{$m = 32$} & \textbf{$m = 64$} \\
4671
 
\hline Barrett    & $m^2 + 2m - 1$ & None              & $79$ & $1087$ & $4223$ \\
4672
 
\hline Montgomery & $m^2 + m$      & $n$ must be odd   & $72$ & $1056$ & $4160$ \\
4673
 
\hline D.R.       & $2m$           & $n = \beta^m - k$ & $16$ & $64$   & $128$  \\
4674
 
\hline
4675
 
\end{tabular}
4676
 
\end{small}
4677
 
\end{center}
4678
 
 
4679
 
In theory Montgomery and Barrett reductions would require roughly the same amount of time to complete.  However, in practice since Montgomery
4680
 
reduction can be written as a single function with the Comba technique it is much faster.  Barrett reduction suffers from the overhead of
4681
 
calling the half precision multipliers, addition and division by $\beta$ algorithms.
4682
 
 
4683
 
For almost every cryptographic algorithm Montgomery reduction is the algorithm of choice.  The one set of algorithms where Diminished Radix reduction truly
4684
 
shines are based on the discrete logarithm problem such as Diffie-Hellman \cite{DH} and ElGamal \cite{ELGAMAL}.  In these algorithms
4685
 
primes of the form $\beta^m - k$ can be found and shared amongst users.  These primes will allow the Diminished Radix algorithm to be used in
4686
 
modular exponentiation to greatly speed up the operation.
4687
 
 
4688
 
 
4689
 
 
4690
 
\section*{Exercises}
4691
 
\begin{tabular}{cl}
4692
 
$\left [ 3 \right ]$ & Prove that the ``trick'' in algorithm mp\_montgomery\_setup actually \\
4693
 
                     & calculates the correct value of $\rho$. \\
4694
 
                     & \\
4695
 
$\left [ 2 \right ]$ & Devise an algorithm to reduce modulo $n + k$ for small $k$ quickly.  \\
4696
 
                     & \\
4697
 
$\left [ 4 \right ]$ & Prove that the pseudo-code algorithm ``Diminished Radix Reduction'' \\
4698
 
                     & (\textit{figure~\ref{fig:DR}}) terminates.  Also prove the probability that it will \\
4699
 
                     & terminate within $1 \le k \le 10$ iterations. \\
4700
 
                     & \\
4701
 
\end{tabular}                     
4702
 
 
4703
 
 
4704
 
\chapter{Exponentiation}
4705
 
Exponentiation is the operation of raising one variable to the power of another, for example, $a^b$.  A variant of exponentiation, computed
4706
 
in a finite field or ring, is called modular exponentiation.  This latter style of operation is typically used in public key 
4707
 
cryptosystems such as RSA and Diffie-Hellman.  The ability to quickly compute modular exponentiations is of great benefit to any
4708
 
such cryptosystem and many methods have been sought to speed it up.
4709
 
 
4710
 
\section{Exponentiation Basics}
4711
 
A trivial algorithm would simply multiply $a$ against itself $b - 1$ times to compute the exponentiation desired.  However, as $b$ grows in size
4712
 
the number of multiplications becomes prohibitive.  Imagine what would happen if $b$ $\approx$ $2^{1024}$ as is the case when computing an RSA signature
4713
 
with a $1024$-bit key.  Such a calculation could never be completed as it would take simply far too long.
4714
 
 
4715
 
Fortunately there is a very simple algorithm based on the laws of exponents.  Recall that $lg_a(a^b) = b$ and that $lg_a(a^ba^c) = b + c$ which
4716
 
are two trivial relationships between the base and the exponent.  Let $b_i$ represent the $i$'th bit of $b$ starting from the least 
4717
 
significant bit.  If $b$ is a $k$-bit integer than the following equation is true.
4718
 
 
4719
 
\begin{equation}
4720
 
a^b = \prod_{i=0}^{k-1} a^{2^i \cdot b_i}
4721
 
\end{equation}
4722
 
 
4723
 
By taking the base $a$ logarithm of both sides of the equation the following equation is the result.
4724
 
 
4725
 
\begin{equation}
4726
 
b = \sum_{i=0}^{k-1}2^i \cdot b_i
4727
 
\end{equation}
4728
 
 
4729
 
The term $a^{2^i}$ can be found from the $i - 1$'th term by squaring the term since $\left ( a^{2^i} \right )^2$ is equal to
4730
 
$a^{2^{i+1}}$.  This observation forms the basis of essentially all fast exponentiation algorithms.  It requires $k$ squarings and on average
4731
 
$k \over 2$ multiplications to compute the result.  This is indeed quite an improvement over simply multiplying by $a$ a total of $b-1$ times.
4732
 
 
4733
 
While this current method is a considerable speed up there are further improvements to be made.  For example, the $a^{2^i}$ term does not need to 
4734
 
be computed in an auxilary variable.  Consider the following equivalent algorithm.
4735
 
 
4736
 
\begin{figure}[!here]
4737
 
\begin{small}
4738
 
\begin{center}
4739
 
\begin{tabular}{l}
4740
 
\hline Algorithm \textbf{Left to Right Exponentiation}. \\
4741
 
\textbf{Input}.   Integer $a$, $b$ and $k$ \\
4742
 
\textbf{Output}.  $c = a^b$ \\
4743
 
\hline \\
4744
 
1.  $c \leftarrow 1$ \\
4745
 
2.  for $i$ from $k - 1$ to $0$ do \\
4746
 
\hspace{3mm}2.1  $c \leftarrow c^2$ \\
4747
 
\hspace{3mm}2.2  $c \leftarrow c \cdot a^{b_i}$ \\
4748
 
3.  Return $c$. \\
4749
 
\hline
4750
 
\end{tabular}
4751
 
\end{center}
4752
 
\end{small}
4753
 
\caption{Left to Right Exponentiation}
4754
 
\label{fig:LTOR}
4755
 
\end{figure}
4756
 
 
4757
 
This algorithm starts from the most significant bit and works towards the least significant bit.  When the $i$'th bit of $b$ is set $a$ is
4758
 
multiplied against the current product.  In each iteration the product is squared which doubles the exponent of the individual terms of the
4759
 
product.  
4760
 
 
4761
 
For example, let $b = 101100_2 \equiv 44_{10}$.  The following chart demonstrates the actions of the algorithm.
4762
 
 
4763
 
\newpage\begin{figure}
4764
 
\begin{center}
4765
 
\begin{tabular}{|c|c|}
4766
 
\hline \textbf{Value of $i$} & \textbf{Value of $c$} \\
4767
 
\hline - & $1$ \\
4768
 
\hline $5$ & $a$ \\
4769
 
\hline $4$ & $a^2$ \\
4770
 
\hline $3$ & $a^4 \cdot a$ \\
4771
 
\hline $2$ & $a^8 \cdot a^2 \cdot a$ \\
4772
 
\hline $1$ & $a^{16} \cdot a^4 \cdot a^2$ \\
4773
 
\hline $0$ & $a^{32} \cdot a^8 \cdot a^4$ \\
4774
 
\hline
4775
 
\end{tabular}
4776
 
\end{center}
4777
 
\caption{Example of Left to Right Exponentiation}
4778
 
\end{figure}
4779
 
 
4780
 
When the product $a^{32} \cdot a^8 \cdot a^4$ is simplified it is equal $a^{44}$ which is the desired exponentiation.  This particular algorithm is 
4781
 
called ``Left to Right'' because it reads the exponent in that order.  All of the exponentiation algorithms that will be presented are of this nature.  
4782
 
 
4783
 
\subsection{Single Digit Exponentiation}
4784
 
The first algorithm in the series of exponentiation algorithms will be an unbounded algorithm where the exponent is a single digit.  It is intended 
4785
 
to be used when a small power of an input is required (\textit{e.g. $a^5$}).  It is faster than simply multiplying $b - 1$ times for all values of 
4786
 
$b$ that are greater than three.  
4787
 
 
4788
 
\newpage\begin{figure}[!here]
4789
 
\begin{small}
4790
 
\begin{center}
4791
 
\begin{tabular}{l}
4792
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_expt\_d}. \\
4793
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and mp\_digit $b$ \\
4794
 
\textbf{Output}.  $c = a^b$ \\
4795
 
\hline \\
4796
 
1.  $g \leftarrow a$ (\textit{mp\_init\_copy}) \\
4797
 
2.  $c \leftarrow 1$ (\textit{mp\_set}) \\
4798
 
3.  for $x$ from 1 to $lg(\beta)$ do \\
4799
 
\hspace{3mm}3.1  $c \leftarrow c^2$ (\textit{mp\_sqr}) \\
4800
 
\hspace{3mm}3.2  If $b$ AND $2^{lg(\beta) - 1} \ne 0$ then \\
4801
 
\hspace{6mm}3.2.1  $c \leftarrow c \cdot g$ (\textit{mp\_mul}) \\
4802
 
\hspace{3mm}3.3  $b \leftarrow b << 1$ \\
4803
 
4.  Clear $g$. \\
4804
 
5.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
4805
 
\hline
4806
 
\end{tabular}
4807
 
\end{center}
4808
 
\end{small}
4809
 
\caption{Algorithm mp\_expt\_d}
4810
 
\end{figure}
4811
 
 
4812
 
\textbf{Algorithm mp\_expt\_d.}
4813
 
This algorithm computes the value of $a$ raised to the power of a single digit $b$.  It uses the left to right exponentiation algorithm to
4814
 
quickly compute the exponentiation.  It is loosely based on algorithm 14.79 of HAC \cite[pp. 615]{HAC} with the difference that the 
4815
 
exponent is a fixed width.  
4816
 
 
4817
 
A copy of $a$ is made first to allow destination variable $c$ be the same as the source variable $a$.  The result is set to the initial value of 
4818
 
$1$ in the subsequent step.
4819
 
 
4820
 
Inside the loop the exponent is read from the most significant bit first down to the least significant bit.  First $c$ is invariably squared
4821
 
on step 3.1.  In the following step if the most significant bit of $b$ is one the copy of $a$ is multiplied against $c$.  The value
4822
 
of $b$ is shifted left one bit to make the next bit down from the most signficant bit the new most significant bit.  In effect each
4823
 
iteration of the loop moves the bits of the exponent $b$ upwards to the most significant location.
4824
 
 
4825
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
4826
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_expt\_d.c
4827
 
\vspace{-3mm}
4828
 
\begin{alltt}
4829
 
\end{alltt}
4830
 
\end{small}
4831
 
 
4832
 
Line 29 sets the initial value of the result to $1$.  Next the loop on line 31 steps through each bit of the exponent starting from
4833
 
the most significant down towards the least significant. The invariant squaring operation placed on line 33 is performed first.  After 
4834
 
the squaring the result $c$ is multiplied by the base $g$ if and only if the most significant bit of the exponent is set.  The shift on line
4835
 
47 moves all of the bits of the exponent upwards towards the most significant location.  
4836
 
 
4837
 
\section{$k$-ary Exponentiation}
4838
 
When calculating an exponentiation the most time consuming bottleneck is the multiplications which are in general a small factor
4839
 
slower than squaring.  Recall from the previous algorithm that $b_{i}$ refers to the $i$'th bit of the exponent $b$.  Suppose instead it referred to
4840
 
the $i$'th $k$-bit digit of the exponent of $b$.  For $k = 1$ the definitions are synonymous and for $k > 1$ algorithm~\ref{fig:KARY}
4841
 
computes the same exponentiation.  A group of $k$ bits from the exponent is called a \textit{window}.  That is it is a small window on only a
4842
 
portion of the entire exponent.  Consider the following modification to the basic left to right exponentiation algorithm.
4843
 
 
4844
 
\begin{figure}[!here]
4845
 
\begin{small}
4846
 
\begin{center}
4847
 
\begin{tabular}{l}
4848
 
\hline Algorithm \textbf{$k$-ary Exponentiation}. \\
4849
 
\textbf{Input}.   Integer $a$, $b$, $k$ and $t$ \\
4850
 
\textbf{Output}.  $c = a^b$ \\
4851
 
\hline \\
4852
 
1.  $c \leftarrow 1$ \\
4853
 
2.  for $i$ from $t - 1$ to $0$ do \\
4854
 
\hspace{3mm}2.1  $c \leftarrow c^{2^k} $ \\
4855
 
\hspace{3mm}2.2  Extract the $i$'th $k$-bit word from $b$ and store it in $g$. \\
4856
 
\hspace{3mm}2.3  $c \leftarrow c \cdot a^g$ \\
4857
 
3.  Return $c$. \\
4858
 
\hline
4859
 
\end{tabular}
4860
 
\end{center}
4861
 
\end{small}
4862
 
\caption{$k$-ary Exponentiation}
4863
 
\label{fig:KARY}
4864
 
\end{figure}
4865
 
 
4866
 
The squaring on step 2.1 can be calculated by squaring the value $c$ successively $k$ times.  If the values of $a^g$ for $0 < g < 2^k$ have been
4867
 
precomputed this algorithm requires only $t$ multiplications and $tk$ squarings.  The table can be generated with $2^{k - 1} - 1$ squarings and
4868
 
$2^{k - 1} + 1$ multiplications.  This algorithm assumes that the number of bits in the exponent is evenly divisible by $k$.  
4869
 
However, when it is not the remaining $0 < x \le k - 1$ bits can be handled with algorithm~\ref{fig:LTOR}.
4870
 
 
4871
 
Suppose $k = 4$ and $t = 100$.  This modified algorithm will require $109$ multiplications and $408$ squarings to compute the exponentiation.  The
4872
 
original algorithm would on average have required $200$ multiplications and $400$ squrings to compute the same value.  The total number of squarings
4873
 
has increased slightly but the number of multiplications has nearly halved.
4874
 
 
4875
 
\subsection{Optimal Values of $k$}
4876
 
An optimal value of $k$ will minimize $2^{k} + \lceil n / k \rceil + n - 1$ for a fixed number of bits in the exponent $n$.  The simplest
4877
 
approach is to brute force search amongst the values $k = 2, 3, \ldots, 8$ for the lowest result.  Table~\ref{fig:OPTK} lists optimal values of $k$
4878
 
for various exponent sizes and compares the number of multiplication and squarings required against algorithm~\ref{fig:LTOR}.  
4879
 
 
4880
 
\begin{figure}[here]
4881
 
\begin{center}
4882
 
\begin{small}
4883
 
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
4884
 
\hline \textbf{Exponent (bits)} & \textbf{Optimal $k$} & \textbf{Work at $k$} & \textbf{Work with ~\ref{fig:LTOR}} \\
4885
 
\hline $16$ & $2$ & $27$ & $24$ \\
4886
 
\hline $32$ & $3$ & $49$ & $48$ \\
4887
 
\hline $64$ & $3$ & $92$ & $96$ \\
4888
 
\hline $128$ & $4$ & $175$ & $192$ \\
4889
 
\hline $256$ & $4$ & $335$ & $384$ \\
4890
 
\hline $512$ & $5$ & $645$ & $768$ \\
4891
 
\hline $1024$ & $6$ & $1257$ & $1536$ \\
4892
 
\hline $2048$ & $6$ & $2452$ & $3072$ \\
4893
 
\hline $4096$ & $7$ & $4808$ & $6144$ \\
4894
 
\hline
4895
 
\end{tabular}
4896
 
\end{small}
4897
 
\end{center}
4898
 
\caption{Optimal Values of $k$ for $k$-ary Exponentiation}
4899
 
\label{fig:OPTK}
4900
 
\end{figure}
4901
 
 
4902
 
\subsection{Sliding-Window Exponentiation}
4903
 
A simple modification to the previous algorithm is only generate the upper half of the table in the range $2^{k-1} \le g < 2^k$.  Essentially
4904
 
this is a table for all values of $g$ where the most significant bit of $g$ is a one.  However, in order for this to be allowed in the 
4905
 
algorithm values of $g$ in the range $0 \le g < 2^{k-1}$ must be avoided.  
4906
 
 
4907
 
Table~\ref{fig:OPTK2} lists optimal values of $k$ for various exponent sizes and compares the work required against algorithm~\ref{fig:KARY}.  
4908
 
 
4909
 
\begin{figure}[here]
4910
 
\begin{center}
4911
 
\begin{small}
4912
 
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
4913
 
\hline \textbf{Exponent (bits)} & \textbf{Optimal $k$} & \textbf{Work at $k$} & \textbf{Work with ~\ref{fig:KARY}} \\
4914
 
\hline $16$ & $3$ & $24$ & $27$ \\
4915
 
\hline $32$ & $3$ & $45$ & $49$ \\
4916
 
\hline $64$ & $4$ & $87$ & $92$ \\
4917
 
\hline $128$ & $4$ & $167$ & $175$ \\
4918
 
\hline $256$ & $5$ & $322$ & $335$ \\
4919
 
\hline $512$ & $6$ & $628$ & $645$ \\
4920
 
\hline $1024$ & $6$ & $1225$ & $1257$ \\
4921
 
\hline $2048$ & $7$ & $2403$ & $2452$ \\
4922
 
\hline $4096$ & $8$ & $4735$ & $4808$ \\
4923
 
\hline
4924
 
\end{tabular}
4925
 
\end{small}
4926
 
\end{center}
4927
 
\caption{Optimal Values of $k$ for Sliding Window Exponentiation}
4928
 
\label{fig:OPTK2}
4929
 
\end{figure}
4930
 
 
4931
 
\newpage\begin{figure}[!here]
4932
 
\begin{small}
4933
 
\begin{center}
4934
 
\begin{tabular}{l}
4935
 
\hline Algorithm \textbf{Sliding Window $k$-ary Exponentiation}. \\
4936
 
\textbf{Input}.   Integer $a$, $b$, $k$ and $t$ \\
4937
 
\textbf{Output}.  $c = a^b$ \\
4938
 
\hline \\
4939
 
1.  $c \leftarrow 1$ \\
4940
 
2.  for $i$ from $t - 1$ to $0$ do \\
4941
 
\hspace{3mm}2.1  If the $i$'th bit of $b$ is a zero then \\
4942
 
\hspace{6mm}2.1.1   $c \leftarrow c^2$ \\
4943
 
\hspace{3mm}2.2  else do \\
4944
 
\hspace{6mm}2.2.1  $c \leftarrow c^{2^k}$ \\
4945
 
\hspace{6mm}2.2.2  Extract the $k$ bits from $(b_{i}b_{i-1}\ldots b_{i-(k-1)})$ and store it in $g$. \\
4946
 
\hspace{6mm}2.2.3  $c \leftarrow c \cdot a^g$ \\
4947
 
\hspace{6mm}2.2.4  $i \leftarrow i - k$ \\
4948
 
3.  Return $c$. \\
4949
 
\hline
4950
 
\end{tabular}
4951
 
\end{center}
4952
 
\end{small}
4953
 
\caption{Sliding Window $k$-ary Exponentiation}
4954
 
\end{figure}
4955
 
 
4956
 
Similar to the previous algorithm this algorithm must have a special handler when fewer than $k$ bits are left in the exponent.  While this
4957
 
algorithm requires the same number of squarings it can potentially have fewer multiplications.  The pre-computed table $a^g$ is also half
4958
 
the size as the previous table.  
4959
 
 
4960
 
Consider the exponent $b = 111101011001000_2 \equiv 31432_{10}$ with $k = 3$ using both algorithms.  The first algorithm will divide the exponent up as 
4961
 
the following five $3$-bit words $b \equiv \left ( 111, 101, 011, 001, 000 \right )_{2}$.  The second algorithm will break the 
4962
 
exponent as $b \equiv \left ( 111, 101, 0, 110, 0, 100, 0 \right )_{2}$.  The single digit $0$ in the second representation are where
4963
 
a single squaring took place instead of a squaring and multiplication.  In total the first method requires $10$ multiplications and $18$ 
4964
 
squarings.  The second method requires $8$ multiplications and $18$ squarings.  
4965
 
 
4966
 
In general the sliding window method is never slower than the generic $k$-ary method and often it is slightly faster.  
4967
 
 
4968
 
\section{Modular Exponentiation}
4969
 
 
4970
 
Modular exponentiation is essentially computing the power of a base within a finite field or ring.  For example, computing 
4971
 
$d \equiv a^b \mbox{ (mod }c\mbox{)}$ is a modular exponentiation.  Instead of first computing $a^b$ and then reducing it 
4972
 
modulo $c$ the intermediate result is reduced modulo $c$ after every squaring or multiplication operation.  
4973
 
 
4974
 
This guarantees that any intermediate result is bounded by $0 \le d \le c^2 - 2c + 1$ and can be reduced modulo $c$ quickly using
4975
 
one of the algorithms presented in chapter six.  
4976
 
 
4977
 
Before the actual modular exponentiation algorithm can be written a wrapper algorithm must be written first.  This algorithm
4978
 
will allow the exponent $b$ to be negative which is computed as $c \equiv \left (1 / a \right )^{\vert b \vert} \mbox{(mod }d\mbox{)}$. The
4979
 
value of $(1/a) \mbox{ mod }c$ is computed using the modular inverse (\textit{see \ref{sec;modinv}}).  If no inverse exists the algorithm
4980
 
terminates with an error.  
4981
 
 
4982
 
\begin{figure}[!here]
4983
 
\begin{small}
4984
 
\begin{center}
4985
 
\begin{tabular}{l}
4986
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_exptmod}. \\
4987
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$, $b$ and $c$ \\
4988
 
\textbf{Output}.  $y \equiv g^x \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
4989
 
\hline \\
4990
 
1.  If $c.sign = MP\_NEG$ return(\textit{MP\_VAL}). \\
4991
 
2.  If $b.sign = MP\_NEG$ then \\
4992
 
\hspace{3mm}2.1  $g' \leftarrow g^{-1} \mbox{ (mod }c\mbox{)}$ \\
4993
 
\hspace{3mm}2.2  $x' \leftarrow \vert x \vert$ \\
4994
 
\hspace{3mm}2.3  Compute $d \equiv g'^{x'} \mbox{ (mod }c\mbox{)}$ via recursion. \\
4995
 
3.  if $p$ is odd \textbf{OR} $p$ is a D.R. modulus then \\
4996
 
\hspace{3mm}3.1  Compute $y \equiv g^{x} \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ via algorithm mp\_exptmod\_fast. \\
4997
 
4.  else \\
4998
 
\hspace{3mm}4.1  Compute $y \equiv g^{x} \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ via algorithm s\_mp\_exptmod. \\
4999
 
\hline
5000
 
\end{tabular}
5001
 
\end{center}
5002
 
\end{small}
5003
 
\caption{Algorithm mp\_exptmod}
5004
 
\end{figure}
5005
 
 
5006
 
\textbf{Algorithm mp\_exptmod.}
5007
 
The first algorithm which actually performs modular exponentiation is algorithm s\_mp\_exptmod.  It is a sliding window $k$-ary algorithm 
5008
 
which uses Barrett reduction to reduce the product modulo $p$.  The second algorithm mp\_exptmod\_fast performs the same operation 
5009
 
except it uses either Montgomery or Diminished Radix reduction.  The two latter reduction algorithms are clumped in the same exponentiation
5010
 
algorithm since their arguments are essentially the same (\textit{two mp\_ints and one mp\_digit}).  
5011
 
 
5012
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5013
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_exptmod.c
5014
 
\vspace{-3mm}
5015
 
\begin{alltt}
5016
 
\end{alltt}
5017
 
\end{small}
5018
 
 
5019
 
In order to keep the algorithms in a known state the first step on line 29 is to reject any negative modulus as input.  If the exponent is
5020
 
negative the algorithm tries to perform a modular exponentiation with the modular inverse of the base $G$.  The temporary variable $tmpG$ is assigned
5021
 
the modular inverse of $G$ and $tmpX$ is assigned the absolute value of $X$.  The algorithm will recuse with these new values with a positive
5022
 
exponent.
5023
 
 
5024
 
If the exponent is positive the algorithm resumes the exponentiation.  Line 77 determines if the modulus is of the restricted Diminished Radix 
5025
 
form.  If it is not line 70 attempts to determine if it is of a unrestricted Diminished Radix form.  The integer $dr$ will take on one
5026
 
of three values.
5027
 
 
5028
 
\begin{enumerate}
5029
 
\item $dr = 0$ means that the modulus is not of either restricted or unrestricted Diminished Radix form.
5030
 
\item $dr = 1$ means that the modulus is of restricted Diminished Radix form.
5031
 
\item $dr = 2$ means that the modulus is of unrestricted Diminished Radix form.
5032
 
\end{enumerate}
5033
 
 
5034
 
Line 69 determines if the fast modular exponentiation algorithm can be used.  It is allowed if $dr \ne 0$ or if the modulus is odd.  Otherwise,
5035
 
the slower s\_mp\_exptmod algorithm is used which uses Barrett reduction.  
5036
 
 
5037
 
\subsection{Barrett Modular Exponentiation}
5038
 
 
5039
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5040
 
\begin{small}
5041
 
\begin{center}
5042
 
\begin{tabular}{l}
5043
 
\hline Algorithm \textbf{s\_mp\_exptmod}. \\
5044
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$, $b$ and $c$ \\
5045
 
\textbf{Output}.  $y \equiv g^x \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5046
 
\hline \\
5047
 
1.  $k \leftarrow lg(x)$ \\
5048
 
2.  $winsize \leftarrow  \left \lbrace \begin{array}{ll}
5049
 
                              2 &  \mbox{if }k \le 7 \\
5050
 
                              3 &  \mbox{if }7 < k \le 36 \\
5051
 
                              4 &  \mbox{if }36 < k \le 140 \\
5052
 
                              5 &  \mbox{if }140 < k \le 450 \\
5053
 
                              6 &  \mbox{if }450 < k \le 1303 \\
5054
 
                              7 &  \mbox{if }1303 < k \le 3529 \\
5055
 
                              8 &  \mbox{if }3529 < k \\
5056
 
                              \end{array} \right .$ \\
5057
 
3.  Initialize $2^{winsize}$ mp\_ints in an array named $M$ and one mp\_int named $\mu$ \\
5058
 
4.  Calculate the $\mu$ required for Barrett Reduction (\textit{mp\_reduce\_setup}). \\
5059
 
5.  $M_1 \leftarrow g \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5060
 
\\
5061
 
Setup the table of small powers of $g$.  First find $g^{2^{winsize}}$ and then all multiples of it. \\
5062
 
6.  $k \leftarrow 2^{winsize - 1}$ \\
5063
 
7.  $M_{k} \leftarrow M_1$ \\
5064
 
8.  for $ix$ from 0 to $winsize - 2$ do \\
5065
 
\hspace{3mm}8.1  $M_k \leftarrow \left ( M_k \right )^2$ (\textit{mp\_sqr})  \\
5066
 
\hspace{3mm}8.2  $M_k \leftarrow M_k \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ (\textit{mp\_reduce}) \\
5067
 
9.  for $ix$ from $2^{winsize - 1} + 1$ to $2^{winsize} - 1$ do \\
5068
 
\hspace{3mm}9.1  $M_{ix} \leftarrow M_{ix - 1} \cdot M_{1}$ (\textit{mp\_mul}) \\
5069
 
\hspace{3mm}9.2  $M_{ix} \leftarrow M_{ix} \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ (\textit{mp\_reduce}) \\
5070
 
10.  $res \leftarrow 1$ \\
5071
 
\\
5072
 
Start Sliding Window. \\
5073
 
11.  $mode \leftarrow 0, bitcnt \leftarrow 1, buf \leftarrow 0, digidx \leftarrow x.used - 1, bitcpy \leftarrow 0, bitbuf \leftarrow 0$ \\
5074
 
12.  Loop \\
5075
 
\hspace{3mm}12.1  $bitcnt \leftarrow bitcnt - 1$ \\
5076
 
\hspace{3mm}12.2  If $bitcnt = 0$ then do \\
5077
 
\hspace{6mm}12.2.1  If $digidx = -1$ goto step 13. \\
5078
 
\hspace{6mm}12.2.2  $buf \leftarrow x_{digidx}$ \\
5079
 
\hspace{6mm}12.2.3  $digidx \leftarrow digidx - 1$ \\
5080
 
\hspace{6mm}12.2.4  $bitcnt \leftarrow lg(\beta)$ \\
5081
 
Continued on next page. \\
5082
 
\hline
5083
 
\end{tabular}
5084
 
\end{center}
5085
 
\end{small}
5086
 
\caption{Algorithm s\_mp\_exptmod}
5087
 
\end{figure}
5088
 
 
5089
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5090
 
\begin{small}
5091
 
\begin{center}
5092
 
\begin{tabular}{l}
5093
 
\hline Algorithm \textbf{s\_mp\_exptmod} (\textit{continued}). \\
5094
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$, $b$ and $c$ \\
5095
 
\textbf{Output}.  $y \equiv g^x \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5096
 
\hline \\
5097
 
\hspace{3mm}12.3  $y \leftarrow (buf >> (lg(\beta) - 1))$ AND $1$ \\
5098
 
\hspace{3mm}12.4  $buf \leftarrow buf << 1$ \\
5099
 
\hspace{3mm}12.5  if $mode = 0$ and $y = 0$ then goto step 12. \\
5100
 
\hspace{3mm}12.6  if $mode = 1$ and $y = 0$ then do \\
5101
 
\hspace{6mm}12.6.1  $res \leftarrow res^2$ \\
5102
 
\hspace{6mm}12.6.2  $res \leftarrow res \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5103
 
\hspace{6mm}12.6.3  Goto step 12. \\
5104
 
\hspace{3mm}12.7  $bitcpy \leftarrow bitcpy + 1$ \\
5105
 
\hspace{3mm}12.8  $bitbuf \leftarrow bitbuf + (y << (winsize - bitcpy))$ \\
5106
 
\hspace{3mm}12.9  $mode \leftarrow 2$ \\
5107
 
\hspace{3mm}12.10  If $bitcpy = winsize$ then do \\
5108
 
\hspace{6mm}Window is full so perform the squarings and single multiplication. \\
5109
 
\hspace{6mm}12.10.1  for $ix$ from $0$ to $winsize -1$ do \\
5110
 
\hspace{9mm}12.10.1.1  $res \leftarrow res^2$ \\
5111
 
\hspace{9mm}12.10.1.2  $res \leftarrow res \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5112
 
\hspace{6mm}12.10.2  $res \leftarrow res \cdot M_{bitbuf}$ \\
5113
 
\hspace{6mm}12.10.3  $res \leftarrow res \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5114
 
\hspace{6mm}Reset the window. \\
5115
 
\hspace{6mm}12.10.4  $bitcpy \leftarrow 0, bitbuf \leftarrow 0, mode \leftarrow 1$ \\
5116
 
\\
5117
 
No more windows left.  Check for residual bits of exponent. \\
5118
 
13.  If $mode = 2$ and $bitcpy > 0$ then do \\
5119
 
\hspace{3mm}13.1  for $ix$ form $0$ to $bitcpy - 1$ do \\
5120
 
\hspace{6mm}13.1.1  $res \leftarrow res^2$ \\
5121
 
\hspace{6mm}13.1.2  $res \leftarrow res \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5122
 
\hspace{6mm}13.1.3  $bitbuf \leftarrow bitbuf << 1$ \\
5123
 
\hspace{6mm}13.1.4  If $bitbuf$ AND $2^{winsize} \ne 0$ then do \\
5124
 
\hspace{9mm}13.1.4.1  $res \leftarrow res \cdot M_{1}$ \\
5125
 
\hspace{9mm}13.1.4.2  $res \leftarrow res \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ \\
5126
 
14.  $y \leftarrow res$ \\
5127
 
15.  Clear $res$, $mu$ and the $M$ array. \\
5128
 
16.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5129
 
\hline
5130
 
\end{tabular}
5131
 
\end{center}
5132
 
\end{small}
5133
 
\caption{Algorithm s\_mp\_exptmod (continued)}
5134
 
\end{figure}
5135
 
 
5136
 
\textbf{Algorithm s\_mp\_exptmod.}
5137
 
This algorithm computes the $x$'th power of $g$ modulo $p$ and stores the result in $y$.  It takes advantage of the Barrett reduction
5138
 
algorithm to keep the product small throughout the algorithm.
5139
 
 
5140
 
The first two steps determine the optimal window size based on the number of bits in the exponent.  The larger the exponent the 
5141
 
larger the window size becomes.  After a window size $winsize$ has been chosen an array of $2^{winsize}$ mp\_int variables is allocated.  This
5142
 
table will hold the values of $g^x \mbox{ (mod }p\mbox{)}$ for $2^{winsize - 1} \le x < 2^{winsize}$.  
5143
 
 
5144
 
After the table is allocated the first power of $g$ is found.  Since $g \ge p$ is allowed it must be first reduced modulo $p$ to make
5145
 
the rest of the algorithm more efficient.  The first element of the table at $2^{winsize - 1}$ is found by squaring $M_1$ successively $winsize - 2$
5146
 
times.  The rest of the table elements are found by multiplying the previous element by $M_1$ modulo $p$.
5147
 
 
5148
 
Now that the table is available the sliding window may begin.  The following list describes the functions of all the variables in the window.
5149
 
\begin{enumerate}
5150
 
\item The variable $mode$ dictates how the bits of the exponent are interpreted.  
5151
 
\begin{enumerate}
5152
 
   \item When $mode = 0$ the bits are ignored since no non-zero bit of the exponent has been seen yet.  For example, if the exponent were simply 
5153
 
         $1$ then there would be $lg(\beta) - 1$ zero bits before the first non-zero bit.  In this case bits are ignored until a non-zero bit is found.  
5154
 
   \item When $mode = 1$ a non-zero bit has been seen before and a new $winsize$-bit window has not been formed yet.  In this mode leading $0$ bits 
5155
 
         are read and a single squaring is performed.  If a non-zero bit is read a new window is created.  
5156
 
   \item When $mode = 2$ the algorithm is in the middle of forming a window and new bits are appended to the window from the most significant bit
5157
 
         downwards.
5158
 
\end{enumerate}
5159
 
\item The variable $bitcnt$ indicates how many bits are left in the current digit of the exponent left to be read.  When it reaches zero a new digit
5160
 
      is fetched from the exponent.
5161
 
\item The variable $buf$ holds the currently read digit of the exponent. 
5162
 
\item The variable $digidx$ is an index into the exponents digits.  It starts at the leading digit $x.used - 1$ and moves towards the trailing digit.
5163
 
\item The variable $bitcpy$ indicates how many bits are in the currently formed window.  When it reaches $winsize$ the window is flushed and
5164
 
      the appropriate operations performed.
5165
 
\item The variable $bitbuf$ holds the current bits of the window being formed.  
5166
 
\end{enumerate}
5167
 
 
5168
 
All of step 12 is the window processing loop.  It will iterate while there are digits available form the exponent to read.  The first step
5169
 
inside this loop is to extract a new digit if no more bits are available in the current digit.  If there are no bits left a new digit is
5170
 
read and if there are no digits left than the loop terminates.  
5171
 
 
5172
 
After a digit is made available step 12.3 will extract the most significant bit of the current digit and move all other bits in the digit
5173
 
upwards.  In effect the digit is read from most significant bit to least significant bit and since the digits are read from leading to 
5174
 
trailing edges the entire exponent is read from most significant bit to least significant bit.
5175
 
 
5176
 
At step 12.5 if the $mode$ and currently extracted bit $y$ are both zero the bit is ignored and the next bit is read.  This prevents the 
5177
 
algorithm from having to perform trivial squaring and reduction operations before the first non-zero bit is read.  Step 12.6 and 12.7-10 handle
5178
 
the two cases of $mode = 1$ and $mode = 2$ respectively.  
5179
 
 
5180
 
\begin{center}
5181
 
\begin{figure}[here]
5182
 
\includegraphics{pics/expt_state.ps}
5183
 
\caption{Sliding Window State Diagram}
5184
 
\label{pic:expt_state}
5185
 
\end{figure}
5186
 
\end{center}
5187
 
 
5188
 
By step 13 there are no more digits left in the exponent.  However, there may be partial bits in the window left.  If $mode = 2$ then 
5189
 
a Left-to-Right algorithm is used to process the remaining few bits.  
5190
 
 
5191
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5192
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_s\_mp\_exptmod.c
5193
 
\vspace{-3mm}
5194
 
\begin{alltt}
5195
 
\end{alltt}
5196
 
\end{small}
5197
 
 
5198
 
Lines 32 through 46 determine the optimal window size based on the length of the exponent in bits.  The window divisions are sorted
5199
 
from smallest to greatest so that in each \textbf{if} statement only one condition must be tested.  For example, by the \textbf{if} statement 
5200
 
on line 38 the value of $x$ is already known to be greater than $140$.  
5201
 
 
5202
 
The conditional piece of code beginning on line 48 allows the window size to be restricted to five bits.  This logic is used to ensure
5203
 
the table of precomputed powers of $G$ remains relatively small.  
5204
 
 
5205
 
The for loop on line 61 initializes the $M$ array while lines 72 and 77 through 86 initialize the reduction
5206
 
function that will be used for this modulus.
5207
 
 
5208
 
 
5209
 
\section{Quick Power of Two}
5210
 
Calculating $b = 2^a$ can be performed much quicker than with any of the previous algorithms.  Recall that a logical shift left $m << k$ is
5211
 
equivalent to $m \cdot 2^k$.  By this logic when $m = 1$ a quick power of two can be achieved.
5212
 
 
5213
 
\begin{figure}[!here]
5214
 
\begin{small}
5215
 
\begin{center}
5216
 
\begin{tabular}{l}
5217
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_2expt}. \\
5218
 
\textbf{Input}.   integer $b$ \\
5219
 
\textbf{Output}.  $a \leftarrow 2^b$ \\
5220
 
\hline \\
5221
 
1.  $a \leftarrow 0$ \\
5222
 
2.  If $a.alloc < \lfloor b / lg(\beta) \rfloor + 1$ then grow $a$ appropriately. \\
5223
 
3.  $a.used \leftarrow \lfloor b / lg(\beta) \rfloor + 1$ \\
5224
 
4.  $a_{\lfloor b / lg(\beta) \rfloor} \leftarrow 1 << (b \mbox{ mod } lg(\beta))$ \\
5225
 
5.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5226
 
\hline
5227
 
\end{tabular}
5228
 
\end{center}
5229
 
\end{small}
5230
 
\caption{Algorithm mp\_2expt}
5231
 
\end{figure}
5232
 
 
5233
 
\textbf{Algorithm mp\_2expt.}
5234
 
 
5235
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5236
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_2expt.c
5237
 
\vspace{-3mm}
5238
 
\begin{alltt}
5239
 
\end{alltt}
5240
 
\end{small}
5241
 
 
5242
 
\chapter{Higher Level Algorithms}
5243
 
 
5244
 
This chapter discusses the various higher level algorithms that are required to complete a well rounded multiple precision integer package.  These
5245
 
routines are less performance oriented than the algorithms of chapters five, six and seven but are no less important.  
5246
 
 
5247
 
The first section describes a method of integer division with remainder that is universally well known.  It provides the signed division logic
5248
 
for the package.  The subsequent section discusses a set of algorithms which allow a single digit to be the 2nd operand for a variety of operations.  
5249
 
These algorithms serve mostly to simplify other algorithms where small constants are required.  The last two sections discuss how to manipulate 
5250
 
various representations of integers.  For example, converting from an mp\_int to a string of character.
5251
 
 
5252
 
\section{Integer Division with Remainder}
5253
 
\label{sec:division}
5254
 
 
5255
 
Integer division aside from modular exponentiation is the most intensive algorithm to compute.  Like addition, subtraction and multiplication
5256
 
the basis of this algorithm is the long-hand division algorithm taught to school children.  Throughout this discussion several common variables
5257
 
will be used.  Let $x$ represent the divisor and $y$ represent the dividend.  Let $q$ represent the integer quotient $\lfloor y / x \rfloor$ and 
5258
 
let $r$ represent the remainder $r = y - x \lfloor y / x \rfloor$.  The following simple algorithm will be used to start the discussion.
5259
 
 
5260
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5261
 
\begin{small}
5262
 
\begin{center}
5263
 
\begin{tabular}{l}
5264
 
\hline Algorithm \textbf{Radix-$\beta$ Integer Division}. \\
5265
 
\textbf{Input}.   integer $x$ and $y$ \\
5266
 
\textbf{Output}.  $q = \lfloor y/x\rfloor, r = y - xq$ \\
5267
 
\hline \\
5268
 
1.  $q \leftarrow 0$ \\
5269
 
2.  $n \leftarrow \vert \vert y \vert \vert - \vert \vert x \vert \vert$ \\
5270
 
3.  for $t$ from $n$ down to $0$ do \\
5271
 
\hspace{3mm}3.1  Maximize $k$ such that $kx\beta^t$ is less than or equal to $y$ and $(k + 1)x\beta^t$ is greater. \\
5272
 
\hspace{3mm}3.2  $q \leftarrow q + k\beta^t$ \\
5273
 
\hspace{3mm}3.3  $y \leftarrow y - kx\beta^t$ \\
5274
 
4.  $r \leftarrow y$ \\
5275
 
5.  Return($q, r$) \\
5276
 
\hline
5277
 
\end{tabular}
5278
 
\end{center}
5279
 
\end{small}
5280
 
\caption{Algorithm Radix-$\beta$ Integer Division}
5281
 
\label{fig:raddiv}
5282
 
\end{figure}
5283
 
 
5284
 
As children we are taught this very simple algorithm for the case of $\beta = 10$.  Almost instinctively several optimizations are taught for which
5285
 
their reason of existing are never explained.  For this example let $y = 5471$ represent the dividend and $x = 23$ represent the divisor.
5286
 
 
5287
 
To find the first digit of the quotient the value of $k$ must be maximized such that $kx\beta^t$ is less than or equal to $y$ and 
5288
 
simultaneously $(k + 1)x\beta^t$ is greater than $y$.  Implicitly $k$ is the maximum value the $t$'th digit of the quotient may have.  The habitual method
5289
 
used to find the maximum is to ``eyeball'' the two numbers, typically only the leading digits and quickly estimate a quotient.  By only using leading
5290
 
digits a much simpler division may be used to form an educated guess at what the value must be.  In this case $k = \lfloor 54/23\rfloor = 2$ quickly 
5291
 
arises as a possible  solution.  Indeed $2x\beta^2 = 4600$ is less than $y = 5471$ and simultaneously $(k + 1)x\beta^2 = 6900$ is larger than $y$.  
5292
 
As a  result $k\beta^2$ is added to the quotient which now equals $q = 200$ and $4600$ is subtracted from $y$ to give a remainder of $y = 841$.
5293
 
 
5294
 
Again this process is repeated to produce the quotient digit $k = 3$ which makes the quotient $q = 200 + 3\beta = 230$ and the remainder 
5295
 
$y = 841 - 3x\beta = 181$.  Finally the last iteration of the loop produces $k = 7$ which leads to the quotient $q = 230 + 7 = 237$ and the
5296
 
remainder $y = 181 - 7x = 20$.  The final quotient and remainder found are $q = 237$ and $r = y = 20$ which are indeed correct since 
5297
 
$237 \cdot 23 + 20 = 5471$ is true.  
5298
 
 
5299
 
\subsection{Quotient Estimation}
5300
 
\label{sec:divest}
5301
 
As alluded to earlier the quotient digit $k$ can be estimated from only the leading digits of both the divisor and dividend.  When $p$ leading
5302
 
digits are used from both the divisor and dividend to form an estimation the accuracy of the estimation rises as $p$ grows.  Technically
5303
 
speaking the estimation is based on assuming the lower $\vert \vert y \vert \vert - p$ and $\vert \vert x \vert \vert - p$ lower digits of the
5304
 
dividend and divisor are zero.  
5305
 
 
5306
 
The value of the estimation may off by a few values in either direction and in general is fairly correct.  A simplification \cite[pp. 271]{TAOCPV2}
5307
 
of the estimation technique is to use $t + 1$ digits of the dividend and $t$ digits of the divisor, in particularly when $t = 1$.  The estimate 
5308
 
using this technique is never too small.  For the following proof let $t = \vert \vert y \vert \vert - 1$ and $s = \vert \vert x \vert \vert - 1$ 
5309
 
represent the most significant digits of the dividend and divisor respectively.
5310
 
 
5311
 
\textbf{Proof.}\textit{  The quotient $\hat k = \lfloor (y_t\beta + y_{t-1}) / x_s \rfloor$ is greater than or equal to 
5312
 
$k = \lfloor y / (x \cdot \beta^{\vert \vert y \vert \vert - \vert \vert x \vert \vert - 1}) \rfloor$. }
5313
 
The first obvious case is when $\hat k = \beta - 1$ in which case the proof is concluded since the real quotient cannot be larger.  For all other 
5314
 
cases $\hat k = \lfloor (y_t\beta + y_{t-1}) / x_s \rfloor$ and $\hat k x_s \ge y_t\beta + y_{t-1} - x_s + 1$.  The latter portion of the inequalility
5315
 
$-x_s + 1$ arises from the fact that a truncated integer division will give the same quotient for at most $x_s - 1$ values.  Next a series of 
5316
 
inequalities will prove the hypothesis.
5317
 
 
5318
 
\begin{equation}
5319
 
y - \hat k x \le y - \hat k x_s\beta^s
5320
 
\end{equation}
5321
 
 
5322
 
This is trivially true since $x \ge x_s\beta^s$.  Next we replace $\hat kx_s\beta^s$ by the previous inequality for $\hat kx_s$.  
5323
 
 
5324
 
\begin{equation}
5325
 
y - \hat k x \le y_t\beta^t + \ldots + y_0 - (y_t\beta^t + y_{t-1}\beta^{t-1} - x_s\beta^t + \beta^s)
5326
 
\end{equation}
5327
 
 
5328
 
By simplifying the previous inequality the following inequality is formed.
5329
 
 
5330
 
\begin{equation}
5331
 
y - \hat k x \le y_{t-2}\beta^{t-2} + \ldots + y_0 + x_s\beta^s - \beta^s
5332
 
\end{equation}
5333
 
 
5334
 
Subsequently,
5335
 
 
5336
 
\begin{equation}
5337
 
y_{t-2}\beta^{t-2} + \ldots +  y_0  + x_s\beta^s - \beta^s < x_s\beta^s \le x
5338
 
\end{equation}
5339
 
 
5340
 
Which proves that $y - \hat kx \le x$ and by consequence $\hat k \ge k$ which concludes the proof.  \textbf{QED}
5341
 
 
5342
 
 
5343
 
\subsection{Normalized Integers}
5344
 
For the purposes of division a normalized input is when the divisors leading digit $x_n$ is greater than or equal to $\beta / 2$.  By multiplying both
5345
 
$x$ and $y$ by $j = \lfloor (\beta / 2) / x_n \rfloor$ the quotient remains unchanged and the remainder is simply $j$ times the original
5346
 
remainder.  The purpose of normalization is to ensure the leading digit of the divisor is sufficiently large such that the estimated quotient will
5347
 
lie in the domain of a single digit.  Consider the maximum dividend $(\beta - 1) \cdot \beta + (\beta - 1)$ and the minimum divisor $\beta / 2$.  
5348
 
 
5349
 
\begin{equation} 
5350
 
{{\beta^2 - 1} \over { \beta / 2}} \le 2\beta - {2 \over \beta} 
5351
 
\end{equation}
5352
 
 
5353
 
At most the quotient approaches $2\beta$, however, in practice this will not occur since that would imply the previous quotient digit was too small.  
5354
 
 
5355
 
\subsection{Radix-$\beta$ Division with Remainder}
5356
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5357
 
\begin{small}
5358
 
\begin{center}
5359
 
\begin{tabular}{l}
5360
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_div}. \\
5361
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a, b$ \\
5362
 
\textbf{Output}.  $c = \lfloor a/b \rfloor$, $d = a - bc$ \\
5363
 
\hline \\
5364
 
1.  If $b = 0$ return(\textit{MP\_VAL}). \\
5365
 
2.  If $\vert a \vert < \vert b \vert$ then do \\
5366
 
\hspace{3mm}2.1  $d \leftarrow a$ \\
5367
 
\hspace{3mm}2.2  $c \leftarrow 0$ \\
5368
 
\hspace{3mm}2.3  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5369
 
\\
5370
 
Setup the quotient to receive the digits. \\
5371
 
3.  Grow $q$ to $a.used + 2$ digits. \\
5372
 
4.  $q \leftarrow 0$ \\
5373
 
5.  $x \leftarrow \vert a \vert , y \leftarrow \vert b \vert$ \\
5374
 
6.  $sign \leftarrow  \left \lbrace \begin{array}{ll}
5375
 
                              MP\_ZPOS &  \mbox{if }a.sign = b.sign \\
5376
 
                              MP\_NEG  &  \mbox{otherwise} \\
5377
 
                              \end{array} \right .$ \\
5378
 
\\
5379
 
Normalize the inputs such that the leading digit of $y$ is greater than or equal to $\beta / 2$. \\
5380
 
7.  $norm \leftarrow (lg(\beta) - 1) - (\lceil lg(y) \rceil \mbox{ (mod }lg(\beta)\mbox{)})$ \\
5381
 
8.  $x \leftarrow x \cdot 2^{norm}, y \leftarrow y \cdot 2^{norm}$ \\
5382
 
\\
5383
 
Find the leading digit of the quotient. \\
5384
 
9.  $n \leftarrow x.used - 1, t \leftarrow y.used - 1$ \\
5385
 
10.  $y \leftarrow y \cdot \beta^{n - t}$ \\
5386
 
11.  While ($x \ge y$) do \\
5387
 
\hspace{3mm}11.1  $q_{n - t} \leftarrow q_{n - t} + 1$ \\
5388
 
\hspace{3mm}11.2  $x \leftarrow x - y$ \\
5389
 
12.  $y \leftarrow \lfloor y / \beta^{n-t} \rfloor$ \\
5390
 
\\
5391
 
Continued on the next page. \\
5392
 
\hline
5393
 
\end{tabular}
5394
 
\end{center}
5395
 
\end{small}
5396
 
\caption{Algorithm mp\_div}
5397
 
\end{figure}
5398
 
 
5399
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5400
 
\begin{small}
5401
 
\begin{center}
5402
 
\begin{tabular}{l}
5403
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_div} (continued). \\
5404
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a, b$ \\
5405
 
\textbf{Output}.  $c = \lfloor a/b \rfloor$, $d = a - bc$ \\
5406
 
\hline \\
5407
 
Now find the remainder fo the digits. \\
5408
 
13.  for $i$ from $n$ down to $(t + 1)$ do \\
5409
 
\hspace{3mm}13.1  If $i > x.used$ then jump to the next iteration of this loop. \\
5410
 
\hspace{3mm}13.2  If $x_{i} = y_{t}$ then \\
5411
 
\hspace{6mm}13.2.1  $q_{i - t - 1} \leftarrow \beta - 1$ \\
5412
 
\hspace{3mm}13.3  else \\
5413
 
\hspace{6mm}13.3.1  $\hat r \leftarrow x_{i} \cdot \beta + x_{i - 1}$ \\
5414
 
\hspace{6mm}13.3.2  $\hat r \leftarrow \lfloor \hat r / y_{t} \rfloor$ \\
5415
 
\hspace{6mm}13.3.3  $q_{i - t - 1} \leftarrow \hat r$ \\
5416
 
\hspace{3mm}13.4  $q_{i - t - 1} \leftarrow q_{i - t - 1} + 1$ \\
5417
 
\\
5418
 
Fixup quotient estimation. \\
5419
 
\hspace{3mm}13.5  Loop \\
5420
 
\hspace{6mm}13.5.1  $q_{i - t - 1} \leftarrow q_{i - t - 1} - 1$ \\
5421
 
\hspace{6mm}13.5.2  t$1 \leftarrow 0$ \\
5422
 
\hspace{6mm}13.5.3  t$1_0 \leftarrow y_{t - 1}, $ t$1_1 \leftarrow y_t,$ t$1.used \leftarrow 2$ \\
5423
 
\hspace{6mm}13.5.4  $t1 \leftarrow t1 \cdot q_{i - t - 1}$ \\
5424
 
\hspace{6mm}13.5.5  t$2_0 \leftarrow x_{i - 2}, $ t$2_1 \leftarrow x_{i - 1}, $ t$2_2 \leftarrow x_i, $ t$2.used \leftarrow 3$ \\
5425
 
\hspace{6mm}13.5.6  If $\vert t1 \vert > \vert t2 \vert$ then goto step 13.5. \\
5426
 
\hspace{3mm}13.6  t$1 \leftarrow y \cdot q_{i - t - 1}$ \\
5427
 
\hspace{3mm}13.7  t$1 \leftarrow $ t$1 \cdot \beta^{i - t - 1}$ \\
5428
 
\hspace{3mm}13.8  $x \leftarrow x - $ t$1$ \\
5429
 
\hspace{3mm}13.9  If $x.sign = MP\_NEG$ then \\
5430
 
\hspace{6mm}13.10  t$1 \leftarrow y$ \\
5431
 
\hspace{6mm}13.11  t$1 \leftarrow $ t$1 \cdot \beta^{i - t - 1}$ \\
5432
 
\hspace{6mm}13.12  $x \leftarrow x + $ t$1$ \\
5433
 
\hspace{6mm}13.13  $q_{i - t - 1} \leftarrow q_{i - t - 1} - 1$ \\
5434
 
\\
5435
 
Finalize the result. \\
5436
 
14.  Clamp excess digits of $q$ \\
5437
 
15.  $c \leftarrow q, c.sign \leftarrow sign$ \\
5438
 
16.  $x.sign \leftarrow a.sign$ \\
5439
 
17.  $d \leftarrow \lfloor x / 2^{norm} \rfloor$ \\
5440
 
18.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5441
 
\hline
5442
 
\end{tabular}
5443
 
\end{center}
5444
 
\end{small}
5445
 
\caption{Algorithm mp\_div (continued)}
5446
 
\end{figure}
5447
 
\textbf{Algorithm mp\_div.}
5448
 
This algorithm will calculate quotient and remainder from an integer division given a dividend and divisor.  The algorithm is a signed
5449
 
division and will produce a fully qualified quotient and remainder.
5450
 
 
5451
 
First the divisor $b$ must be non-zero which is enforced in step one.  If the divisor is larger than the dividend than the quotient is implicitly 
5452
 
zero and the remainder is the dividend.  
5453
 
 
5454
 
After the first two trivial cases of inputs are handled the variable $q$ is setup to receive the digits of the quotient.  Two unsigned copies of the
5455
 
divisor $y$ and dividend $x$ are made as well.  The core of the division algorithm is an unsigned division and will only work if the values are
5456
 
positive.  Now the two values $x$ and $y$ must be normalized such that the leading digit of $y$ is greater than or equal to $\beta / 2$.  
5457
 
This is performed by shifting both to the left by enough bits to get the desired normalization.  
5458
 
 
5459
 
At this point the division algorithm can begin producing digits of the quotient.  Recall that maximum value of the estimation used is 
5460
 
$2\beta - {2 \over \beta}$ which means that a digit of the quotient must be first produced by another means.  In this case $y$ is shifted
5461
 
to the left (\textit{step ten}) so that it has the same number of digits as $x$.  The loop on step eleven will subtract multiples of the 
5462
 
shifted copy of $y$ until $x$ is smaller.  Since the leading digit of $y$ is greater than or equal to $\beta/2$ this loop will iterate at most two
5463
 
times to produce the desired leading digit of the quotient.  
5464
 
 
5465
 
Now the remainder of the digits can be produced.  The equation $\hat q = \lfloor {{x_i \beta + x_{i-1}}\over y_t} \rfloor$ is used to fairly
5466
 
accurately approximate the true quotient digit.  The estimation can in theory produce an estimation as high as $2\beta - {2 \over \beta}$ but by
5467
 
induction the upper quotient digit is correct (\textit{as established on step eleven}) and the estimate must be less than $\beta$.  
5468
 
 
5469
 
Recall from section~\ref{sec:divest} that the estimation is never too low but may be too high.  The next step of the estimation process is
5470
 
to refine the estimation.  The loop on step 13.5 uses $x_i\beta^2 + x_{i-1}\beta + x_{i-2}$ and $q_{i - t - 1}(y_t\beta + y_{t-1})$ as a higher
5471
 
order approximation to adjust the quotient digit.
5472
 
 
5473
 
After both phases of estimation the quotient digit may still be off by a value of one\footnote{This is similar to the error introduced
5474
 
by optimizing Barrett reduction.}.  Steps 13.6 and 13.7 subtract the multiple of the divisor from the dividend (\textit{Similar to step 3.3 of
5475
 
algorithm~\ref{fig:raddiv}} and then subsequently add a multiple of the divisor if the quotient was too large.  
5476
 
 
5477
 
Now that the quotient has been determine finializing the result is a matter of clamping the quotient, fixing the sizes and de-normalizing the 
5478
 
remainder.  An important aspect of this algorithm seemingly overlooked in other descriptions such as that of Algorithm 14.20 HAC \cite[pp. 598]{HAC}
5479
 
is that when the estimations are being made (\textit{inside the loop on step 13.5}) that the digits $y_{t-1}$, $x_{i-2}$ and $x_{i-1}$ may lie 
5480
 
outside their respective boundaries.  For example, if $t = 0$ or $i \le 1$ then the digits would be undefined.  In those cases the digits should
5481
 
respectively be replaced with a zero.  
5482
 
 
5483
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5484
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_div.c
5485
 
\vspace{-3mm}
5486
 
\begin{alltt}
5487
 
\end{alltt}
5488
 
\end{small}
5489
 
 
5490
 
The implementation of this algorithm differs slightly from the pseudo code presented previously.  In this algorithm either of the quotient $c$ or
5491
 
remainder $d$ may be passed as a \textbf{NULL} pointer which indicates their value is not desired.  For example, the C code to call the division
5492
 
algorithm with only the quotient is 
5493
 
 
5494
 
\begin{verbatim}
5495
 
mp_div(&a, &b, &c, NULL);  /* c = [a/b] */
5496
 
\end{verbatim}
5497
 
 
5498
 
Lines 109 and 113 handle the two trivial cases of inputs which are division by zero and dividend smaller than the divisor 
5499
 
respectively.  After the two trivial cases all of the temporary variables are initialized.  Line 148 determines the sign of 
5500
 
the quotient and line 148 ensures that both $x$ and $y$ are positive.  
5501
 
 
5502
 
The number of bits in the leading digit is calculated on line 151.  Implictly an mp\_int with $r$ digits will require $lg(\beta)(r-1) + k$ bits
5503
 
of precision which when reduced modulo $lg(\beta)$ produces the value of $k$.  In this case $k$ is the number of bits in the leading digit which is
5504
 
exactly what is required.  For the algorithm to operate $k$ must equal $lg(\beta) - 1$ and when it does not the inputs must be normalized by shifting
5505
 
them to the left by $lg(\beta) - 1 - k$ bits.
5506
 
 
5507
 
Throughout the variables $n$ and $t$ will represent the highest digit of $x$ and $y$ respectively.  These are first used to produce the 
5508
 
leading digit of the quotient.  The loop beginning on line 184 will produce the remainder of the quotient digits.
5509
 
 
5510
 
The conditional ``continue'' on line 187 is used to prevent the algorithm from reading past the leading edge of $x$ which can occur when the
5511
 
algorithm eliminates multiple non-zero digits in a single iteration.  This ensures that $x_i$ is always non-zero since by definition the digits
5512
 
above the $i$'th position $x$ must be zero in order for the quotient to be precise\footnote{Precise as far as integer division is concerned.}.  
5513
 
 
5514
 
Lines 214, 216 and 223 through 225 manually construct the high accuracy estimations by setting the digits of the two mp\_int 
5515
 
variables directly.  
5516
 
 
5517
 
\section{Single Digit Helpers}
5518
 
 
5519
 
This section briefly describes a series of single digit helper algorithms which come in handy when working with small constants.  All of 
5520
 
the helper functions assume the single digit input is positive and will treat them as such.
5521
 
 
5522
 
\subsection{Single Digit Addition and Subtraction}
5523
 
 
5524
 
Both addition and subtraction are performed by ``cheating'' and using mp\_set followed by the higher level addition or subtraction 
5525
 
algorithms.   As a result these algorithms are subtantially simpler with a slight cost in performance.
5526
 
 
5527
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5528
 
\begin{small}
5529
 
\begin{center}
5530
 
\begin{tabular}{l}
5531
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_add\_d}. \\
5532
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and a mp\_digit $b$ \\
5533
 
\textbf{Output}.  $c = a + b$ \\
5534
 
\hline \\
5535
 
1.  $t \leftarrow b$ (\textit{mp\_set}) \\
5536
 
2.  $c \leftarrow a + t$ \\
5537
 
3.  Return(\textit{MP\_OKAY}) \\
5538
 
\hline
5539
 
\end{tabular}
5540
 
\end{center}
5541
 
\end{small}
5542
 
\caption{Algorithm mp\_add\_d}
5543
 
\end{figure}
5544
 
 
5545
 
\textbf{Algorithm mp\_add\_d.}
5546
 
This algorithm initiates a temporary mp\_int with the value of the single digit and uses algorithm mp\_add to add the two values together.
5547
 
 
5548
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5549
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_add\_d.c
5550
 
\vspace{-3mm}
5551
 
\begin{alltt}
5552
 
\end{alltt}
5553
 
\end{small}
5554
 
 
5555
 
Clever use of the letter 't'.
5556
 
 
5557
 
\subsubsection{Subtraction}
5558
 
The single digit subtraction algorithm mp\_sub\_d is essentially the same except it uses mp\_sub to subtract the digit from the mp\_int.
5559
 
 
5560
 
\subsection{Single Digit Multiplication}
5561
 
Single digit multiplication arises enough in division and radix conversion that it ought to be implement as a special case of the baseline
5562
 
multiplication algorithm.  Essentially this algorithm is a modified version of algorithm s\_mp\_mul\_digs where one of the multiplicands
5563
 
only has one digit.
5564
 
 
5565
 
\begin{figure}[!here]
5566
 
\begin{small}
5567
 
\begin{center}
5568
 
\begin{tabular}{l}
5569
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_mul\_d}. \\
5570
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and a mp\_digit $b$ \\
5571
 
\textbf{Output}.  $c = ab$ \\
5572
 
\hline \\
5573
 
1.  $pa \leftarrow a.used$ \\
5574
 
2.  Grow $c$ to at least $pa + 1$ digits. \\
5575
 
3.  $oldused \leftarrow c.used$ \\
5576
 
4.  $c.used \leftarrow pa + 1$ \\
5577
 
5.  $c.sign \leftarrow a.sign$ \\
5578
 
6.  $\mu \leftarrow 0$ \\
5579
 
7.  for $ix$ from $0$ to $pa - 1$ do \\
5580
 
\hspace{3mm}7.1  $\hat r \leftarrow \mu + a_{ix}b$ \\
5581
 
\hspace{3mm}7.2  $c_{ix} \leftarrow \hat r \mbox{ (mod }\beta\mbox{)}$ \\
5582
 
\hspace{3mm}7.3  $\mu \leftarrow \lfloor \hat r / \beta \rfloor$ \\
5583
 
8.  $c_{pa} \leftarrow \mu$ \\
5584
 
9.  for $ix$ from $pa + 1$ to $oldused$ do \\
5585
 
\hspace{3mm}9.1  $c_{ix} \leftarrow 0$ \\
5586
 
10.  Clamp excess digits of $c$. \\
5587
 
11.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5588
 
\hline
5589
 
\end{tabular}
5590
 
\end{center}
5591
 
\end{small}
5592
 
\caption{Algorithm mp\_mul\_d}
5593
 
\end{figure}
5594
 
\textbf{Algorithm mp\_mul\_d.}
5595
 
This algorithm quickly multiplies an mp\_int by a small single digit value.  It is specially tailored to the job and has a minimal of overhead.  
5596
 
Unlike the full multiplication algorithms this algorithm does not require any significnat temporary storage or memory allocations.  
5597
 
 
5598
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5599
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_mul\_d.c
5600
 
\vspace{-3mm}
5601
 
\begin{alltt}
5602
 
\end{alltt}
5603
 
\end{small}
5604
 
 
5605
 
In this implementation the destination $c$ may point to the same mp\_int as the source $a$ since the result is written after the digit is 
5606
 
read from the source.  This function uses pointer aliases $tmpa$ and $tmpc$ for the digits of $a$ and $c$ respectively.  
5607
 
 
5608
 
\subsection{Single Digit Division}
5609
 
Like the single digit multiplication algorithm, single digit division is also a fairly common algorithm used in radix conversion.  Since the
5610
 
divisor is only a single digit a specialized variant of the division algorithm can be used to compute the quotient.  
5611
 
 
5612
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5613
 
\begin{small}
5614
 
\begin{center}
5615
 
\begin{tabular}{l}
5616
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_div\_d}. \\
5617
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and a mp\_digit $b$ \\
5618
 
\textbf{Output}.  $c = \lfloor a / b \rfloor, d = a - cb$ \\
5619
 
\hline \\
5620
 
1.  If $b = 0$ then return(\textit{MP\_VAL}).\\
5621
 
2.  If $b = 3$ then use algorithm mp\_div\_3 instead. \\
5622
 
3.  Init $q$ to $a.used$ digits.  \\
5623
 
4.  $q.used \leftarrow a.used$ \\
5624
 
5.  $q.sign \leftarrow a.sign$ \\
5625
 
6.  $\hat w \leftarrow 0$ \\
5626
 
7.  for $ix$ from $a.used - 1$ down to $0$ do \\
5627
 
\hspace{3mm}7.1  $\hat w \leftarrow \hat w \beta + a_{ix}$ \\
5628
 
\hspace{3mm}7.2  If $\hat w \ge b$ then \\
5629
 
\hspace{6mm}7.2.1  $t \leftarrow \lfloor \hat w / b \rfloor$ \\
5630
 
\hspace{6mm}7.2.2  $\hat w \leftarrow \hat w \mbox{ (mod }b\mbox{)}$ \\
5631
 
\hspace{3mm}7.3  else\\
5632
 
\hspace{6mm}7.3.1  $t \leftarrow 0$ \\
5633
 
\hspace{3mm}7.4  $q_{ix} \leftarrow t$ \\
5634
 
8.  $d \leftarrow \hat w$ \\
5635
 
9.  Clamp excess digits of $q$. \\
5636
 
10.  $c \leftarrow q$ \\
5637
 
11.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5638
 
\hline
5639
 
\end{tabular}
5640
 
\end{center}
5641
 
\end{small}
5642
 
\caption{Algorithm mp\_div\_d}
5643
 
\end{figure}
5644
 
\textbf{Algorithm mp\_div\_d.}
5645
 
This algorithm divides the mp\_int $a$ by the single mp\_digit $b$ using an optimized approach.  Essentially in every iteration of the
5646
 
algorithm another digit of the dividend is reduced and another digit of quotient produced.  Provided $b < \beta$ the value of $\hat w$
5647
 
after step 7.1 will be limited such that $0 \le \lfloor \hat w / b \rfloor < \beta$.  
5648
 
 
5649
 
If the divisor $b$ is equal to three a variant of this algorithm is used which is called mp\_div\_3.  It replaces the division by three with
5650
 
a multiplication by $\lfloor \beta / 3 \rfloor$ and the appropriate shift and residual fixup.  In essence it is much like the Barrett reduction
5651
 
from chapter seven.  
5652
 
 
5653
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5654
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_div\_d.c
5655
 
\vspace{-3mm}
5656
 
\begin{alltt}
5657
 
\end{alltt}
5658
 
\end{small}
5659
 
 
5660
 
Like the implementation of algorithm mp\_div this algorithm allows either of the quotient or remainder to be passed as a \textbf{NULL} pointer to
5661
 
indicate the respective value is not required.  This allows a trivial single digit modular reduction algorithm, mp\_mod\_d to be created.
5662
 
 
5663
 
The division and remainder on lines 44 and @45,%@ can be replaced often by a single division on most processors.  For example, the 32-bit x86 based 
5664
 
processors can divide a 64-bit quantity by a 32-bit quantity and produce the quotient and remainder simultaneously.  Unfortunately the GCC 
5665
 
compiler does not recognize that optimization and will actually produce two function calls to find the quotient and remainder respectively.  
5666
 
 
5667
 
\subsection{Single Digit Root Extraction}
5668
 
 
5669
 
Finding the $n$'th root of an integer is fairly easy as far as numerical analysis is concerned.  Algorithms such as the Newton-Raphson approximation 
5670
 
(\ref{eqn:newton}) series will converge very quickly to a root for any continuous function $f(x)$.  
5671
 
 
5672
 
\begin{equation}
5673
 
x_{i+1} = x_i - {f(x_i) \over f'(x_i)}
5674
 
\label{eqn:newton}
5675
 
\end{equation}
5676
 
 
5677
 
In this case the $n$'th root is desired and $f(x) = x^n - a$ where $a$ is the integer of which the root is desired.  The derivative of $f(x)$ is 
5678
 
simply $f'(x) = nx^{n - 1}$.  Of particular importance is that this algorithm will be used over the integers not over the a more continuous domain
5679
 
such as the real numbers.  As a result the root found can be above the true root by few and must be manually adjusted.  Ideally at the end of the 
5680
 
algorithm the $n$'th root $b$ of an integer $a$ is desired such that $b^n \le a$.  
5681
 
 
5682
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5683
 
\begin{small}
5684
 
\begin{center}
5685
 
\begin{tabular}{l}
5686
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_n\_root}. \\
5687
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and a mp\_digit $b$ \\
5688
 
\textbf{Output}.  $c^b \le a$ \\
5689
 
\hline \\
5690
 
1.  If $b$ is even and $a.sign = MP\_NEG$ return(\textit{MP\_VAL}). \\
5691
 
2.  $sign \leftarrow a.sign$ \\
5692
 
3.  $a.sign \leftarrow MP\_ZPOS$ \\
5693
 
4.  t$2 \leftarrow 2$ \\
5694
 
5.  Loop \\
5695
 
\hspace{3mm}5.1  t$1 \leftarrow $ t$2$ \\
5696
 
\hspace{3mm}5.2  t$3 \leftarrow $ t$1^{b - 1}$ \\
5697
 
\hspace{3mm}5.3  t$2 \leftarrow $ t$3 $ $\cdot$ t$1$ \\
5698
 
\hspace{3mm}5.4  t$2 \leftarrow $ t$2 - a$ \\
5699
 
\hspace{3mm}5.5  t$3 \leftarrow $ t$3 \cdot b$ \\
5700
 
\hspace{3mm}5.6  t$3 \leftarrow \lfloor $t$2 / $t$3 \rfloor$ \\
5701
 
\hspace{3mm}5.7  t$2 \leftarrow $ t$1 - $ t$3$ \\
5702
 
\hspace{3mm}5.8  If t$1 \ne $ t$2$ then goto step 5.  \\
5703
 
6.  Loop \\
5704
 
\hspace{3mm}6.1  t$2 \leftarrow $ t$1^b$ \\
5705
 
\hspace{3mm}6.2  If t$2 > a$ then \\
5706
 
\hspace{6mm}6.2.1  t$1 \leftarrow $ t$1 - 1$ \\
5707
 
\hspace{6mm}6.2.2  Goto step 6. \\
5708
 
7.  $a.sign \leftarrow sign$ \\
5709
 
8.  $c \leftarrow $ t$1$ \\
5710
 
9.  $c.sign \leftarrow sign$  \\
5711
 
10.  Return(\textit{MP\_OKAY}).  \\
5712
 
\hline
5713
 
\end{tabular}
5714
 
\end{center}
5715
 
\end{small}
5716
 
\caption{Algorithm mp\_n\_root}
5717
 
\end{figure}
5718
 
\textbf{Algorithm mp\_n\_root.}
5719
 
This algorithm finds the integer $n$'th root of an input using the Newton-Raphson approach.  It is partially optimized based on the observation
5720
 
that the numerator of ${f(x) \over f'(x)}$ can be derived from a partial denominator.  That is at first the denominator is calculated by finding
5721
 
$x^{b - 1}$.  This value can then be multiplied by $x$ and have $a$ subtracted from it to find the numerator.  This saves a total of $b - 1$ 
5722
 
multiplications by t$1$ inside the loop.  
5723
 
 
5724
 
The initial value of the approximation is t$2 = 2$ which allows the algorithm to start with very small values and quickly converge on the
5725
 
root.  Ideally this algorithm is meant to find the $n$'th root of an input where $n$ is bounded by $2 \le n \le 5$.  
5726
 
 
5727
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5728
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_n\_root.c
5729
 
\vspace{-3mm}
5730
 
\begin{alltt}
5731
 
\end{alltt}
5732
 
\end{small}
5733
 
 
5734
 
\section{Random Number Generation}
5735
 
 
5736
 
Random numbers come up in a variety of activities from public key cryptography to simple simulations and various randomized algorithms.  Pollard-Rho 
5737
 
factoring for example, can make use of random values as starting points to find factors of a composite integer.  In this case the algorithm presented
5738
 
is solely for simulations and not intended for cryptographic use.  
5739
 
 
5740
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5741
 
\begin{small}
5742
 
\begin{center}
5743
 
\begin{tabular}{l}
5744
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_rand}. \\
5745
 
\textbf{Input}.   An integer $b$ \\
5746
 
\textbf{Output}.  A pseudo-random number of $b$ digits \\
5747
 
\hline \\
5748
 
1.  $a \leftarrow 0$ \\
5749
 
2.  If $b \le 0$ return(\textit{MP\_OKAY}) \\
5750
 
3.  Pick a non-zero random digit $d$. \\
5751
 
4.  $a \leftarrow a + d$ \\
5752
 
5.  for $ix$ from 1 to $d - 1$ do \\
5753
 
\hspace{3mm}5.1  $a \leftarrow a \cdot \beta$ \\
5754
 
\hspace{3mm}5.2  Pick a random digit $d$. \\
5755
 
\hspace{3mm}5.3  $a \leftarrow a + d$ \\
5756
 
6.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5757
 
\hline
5758
 
\end{tabular}
5759
 
\end{center}
5760
 
\end{small}
5761
 
\caption{Algorithm mp\_rand}
5762
 
\end{figure}
5763
 
\textbf{Algorithm mp\_rand.}
5764
 
This algorithm produces a pseudo-random integer of $b$ digits.  By ensuring that the first digit is non-zero the algorithm also guarantees that the
5765
 
final result has at least $b$ digits.  It relies heavily on a third-part random number generator which should ideally generate uniformly all of
5766
 
the integers from $0$ to $\beta - 1$.  
5767
 
 
5768
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5769
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_rand.c
5770
 
\vspace{-3mm}
5771
 
\begin{alltt}
5772
 
\end{alltt}
5773
 
\end{small}
5774
 
 
5775
 
\section{Formatted Representations}
5776
 
The ability to emit a radix-$n$ textual representation of an integer is useful for interacting with human parties.  For example, the ability to
5777
 
be given a string of characters such as ``114585'' and turn it into the radix-$\beta$ equivalent would make it easier to enter numbers
5778
 
into a program.
5779
 
 
5780
 
\subsection{Reading Radix-n Input}
5781
 
For the purposes of this text we will assume that a simple lower ASCII map (\ref{fig:ASC}) is used for the values of from $0$ to $63$ to 
5782
 
printable characters.  For example, when the character ``N'' is read it represents the integer $23$.  The first $16$ characters of the
5783
 
map are for the common representations up to hexadecimal.  After that they match the ``base64'' encoding scheme which are suitable chosen
5784
 
such that they are printable.  While outputting as base64 may not be too helpful for human operators it does allow communication via non binary
5785
 
mediums.
5786
 
 
5787
 
\newpage\begin{figure}[here]
5788
 
\begin{center}
5789
 
\begin{tabular}{cc|cc|cc|cc}
5790
 
\hline \textbf{Value} & \textbf{Char} & \textbf{Value} & \textbf{Char} & \textbf{Value} & \textbf{Char} &  \textbf{Value} & \textbf{Char} \\
5791
 
\hline 
5792
 
0 & 0 & 1 & 1 & 2 & 2 & 3 & 3 \\
5793
 
4 & 4 & 5 & 5 & 6 & 6 & 7 & 7 \\
5794
 
8 & 8 & 9 & 9 & 10 & A & 11 & B \\
5795
 
12 & C & 13 & D & 14 & E & 15 & F \\
5796
 
16 & G & 17 & H & 18 & I & 19 & J \\
5797
 
20 & K & 21 & L & 22 & M & 23 & N \\
5798
 
24 & O & 25 & P & 26 & Q & 27 & R \\
5799
 
28 & S & 29 & T & 30 & U & 31 & V \\
5800
 
32 & W & 33 & X & 34 & Y & 35 & Z \\
5801
 
36 & a & 37 & b & 38 & c & 39 & d \\
5802
 
40 & e & 41 & f & 42 & g & 43 & h \\
5803
 
44 & i & 45 & j & 46 & k & 47 & l \\
5804
 
48 & m & 49 & n & 50 & o & 51 & p \\
5805
 
52 & q & 53 & r & 54 & s & 55 & t \\
5806
 
56 & u & 57 & v & 58 & w & 59 & x \\
5807
 
60 & y & 61 & z & 62 & $+$ & 63 & $/$ \\
5808
 
\hline
5809
 
\end{tabular}
5810
 
\end{center}
5811
 
\caption{Lower ASCII Map}
5812
 
\label{fig:ASC}
5813
 
\end{figure}
5814
 
 
5815
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5816
 
\begin{small}
5817
 
\begin{center}
5818
 
\begin{tabular}{l}
5819
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_read\_radix}. \\
5820
 
\textbf{Input}.   A string $str$ of length $sn$ and radix $r$. \\
5821
 
\textbf{Output}.  The radix-$\beta$ equivalent mp\_int. \\
5822
 
\hline \\
5823
 
1.  If $r < 2$ or $r > 64$ return(\textit{MP\_VAL}). \\
5824
 
2.  $ix \leftarrow 0$ \\
5825
 
3.  If $str_0 =$ ``-'' then do \\
5826
 
\hspace{3mm}3.1  $ix \leftarrow ix + 1$ \\
5827
 
\hspace{3mm}3.2  $sign \leftarrow MP\_NEG$ \\
5828
 
4.  else \\
5829
 
\hspace{3mm}4.1  $sign \leftarrow MP\_ZPOS$ \\
5830
 
5.  $a \leftarrow 0$ \\
5831
 
6.  for $iy$ from $ix$ to $sn - 1$ do \\
5832
 
\hspace{3mm}6.1  Let $y$ denote the position in the map of $str_{iy}$. \\
5833
 
\hspace{3mm}6.2  If $str_{iy}$ is not in the map or $y \ge r$ then goto step 7. \\
5834
 
\hspace{3mm}6.3  $a \leftarrow a \cdot r$ \\
5835
 
\hspace{3mm}6.4  $a \leftarrow a + y$ \\
5836
 
7.  If $a \ne 0$ then $a.sign \leftarrow sign$ \\
5837
 
8.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
5838
 
\hline
5839
 
\end{tabular}
5840
 
\end{center}
5841
 
\end{small}
5842
 
\caption{Algorithm mp\_read\_radix}
5843
 
\end{figure}
5844
 
\textbf{Algorithm mp\_read\_radix.}
5845
 
This algorithm will read an ASCII string and produce the radix-$\beta$ mp\_int representation of the same integer.  A minus symbol ``-'' may precede the 
5846
 
string  to indicate the value is negative, otherwise it is assumed to be positive.  The algorithm will read up to $sn$ characters from the input
5847
 
and will stop when it reads a character it cannot map the algorithm stops reading characters from the string.  This allows numbers to be embedded
5848
 
as part of larger input without any significant problem.
5849
 
 
5850
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5851
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_read\_radix.c
5852
 
\vspace{-3mm}
5853
 
\begin{alltt}
5854
 
\end{alltt}
5855
 
\end{small}
5856
 
 
5857
 
\subsection{Generating Radix-$n$ Output}
5858
 
Generating radix-$n$ output is fairly trivial with a division and remainder algorithm.  
5859
 
 
5860
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5861
 
\begin{small}
5862
 
\begin{center}
5863
 
\begin{tabular}{l}
5864
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_toradix}. \\
5865
 
\textbf{Input}.   A mp\_int $a$ and an integer $r$\\
5866
 
\textbf{Output}.  The radix-$r$ representation of $a$ \\
5867
 
\hline \\
5868
 
1.  If $r < 2$ or $r > 64$ return(\textit{MP\_VAL}). \\
5869
 
2.  If $a = 0$ then $str = $ ``$0$'' and return(\textit{MP\_OKAY}).  \\
5870
 
3.  $t \leftarrow a$ \\
5871
 
4.  $str \leftarrow$ ``'' \\
5872
 
5.  if $t.sign = MP\_NEG$ then \\
5873
 
\hspace{3mm}5.1  $str \leftarrow str + $ ``-'' \\
5874
 
\hspace{3mm}5.2  $t.sign = MP\_ZPOS$ \\
5875
 
6.  While ($t \ne 0$) do \\
5876
 
\hspace{3mm}6.1  $d \leftarrow t \mbox{ (mod }r\mbox{)}$ \\
5877
 
\hspace{3mm}6.2  $t \leftarrow \lfloor t / r \rfloor$ \\
5878
 
\hspace{3mm}6.3  Look up $d$ in the map and store the equivalent character in $y$. \\
5879
 
\hspace{3mm}6.4  $str \leftarrow str + y$ \\
5880
 
7.  If $str_0 = $``$-$'' then \\
5881
 
\hspace{3mm}7.1  Reverse the digits $str_1, str_2, \ldots str_n$. \\
5882
 
8.  Otherwise \\
5883
 
\hspace{3mm}8.1  Reverse the digits $str_0, str_1, \ldots str_n$. \\
5884
 
9.  Return(\textit{MP\_OKAY}).\\
5885
 
\hline
5886
 
\end{tabular}
5887
 
\end{center}
5888
 
\end{small}
5889
 
\caption{Algorithm mp\_toradix}
5890
 
\end{figure}
5891
 
\textbf{Algorithm mp\_toradix.}
5892
 
This algorithm computes the radix-$r$ representation of an mp\_int $a$.  The ``digits'' of the representation are extracted by reducing 
5893
 
successive powers of $\lfloor a / r^k \rfloor$ the input modulo $r$ until $r^k > a$.  Note that instead of actually dividing by $r^k$ in
5894
 
each iteration the quotient $\lfloor a / r \rfloor$ is saved for the next iteration.  As a result a series of trivial $n \times 1$ divisions
5895
 
are required instead of a series of $n \times k$ divisions.  One design flaw of this approach is that the digits are produced in the reverse order 
5896
 
(see~\ref{fig:mpradix}).  To remedy this flaw the digits must be swapped or simply ``reversed''.
5897
 
 
5898
 
\begin{figure}
5899
 
\begin{center}
5900
 
\begin{tabular}{|c|c|c|}
5901
 
\hline \textbf{Value of $a$} & \textbf{Value of $d$} & \textbf{Value of $str$} \\
5902
 
\hline $1234$ & -- & -- \\
5903
 
\hline $123$  & $4$ & ``4'' \\
5904
 
\hline $12$   & $3$ & ``43'' \\
5905
 
\hline $1$    & $2$ & ``432'' \\
5906
 
\hline $0$    & $1$ & ``4321'' \\
5907
 
\hline
5908
 
\end{tabular}
5909
 
\end{center}
5910
 
\caption{Example of Algorithm mp\_toradix.}
5911
 
\label{fig:mpradix}
5912
 
\end{figure}
5913
 
 
5914
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
5915
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_toradix.c
5916
 
\vspace{-3mm}
5917
 
\begin{alltt}
5918
 
\end{alltt}
5919
 
\end{small}
5920
 
 
5921
 
\chapter{Number Theoretic Algorithms}
5922
 
This chapter discusses several fundamental number theoretic algorithms such as the greatest common divisor, least common multiple and Jacobi 
5923
 
symbol computation.  These algorithms arise as essential components in several key cryptographic algorithms such as the RSA public key algorithm and
5924
 
various Sieve based factoring algorithms.
5925
 
 
5926
 
\section{Greatest Common Divisor}
5927
 
The greatest common divisor of two integers $a$ and $b$, often denoted as $(a, b)$ is the largest integer $k$ that is a proper divisor of
5928
 
both $a$ and $b$.  That is, $k$ is the largest integer such that $0 \equiv a \mbox{ (mod }k\mbox{)}$ and $0 \equiv b \mbox{ (mod }k\mbox{)}$ occur
5929
 
simultaneously.
5930
 
 
5931
 
The most common approach (cite) is to reduce one input modulo another.  That is if $a$ and $b$ are divisible by some integer $k$ and if $qa + r = b$ then
5932
 
$r$ is also divisible by $k$.  The reduction pattern follows $\left < a , b \right > \rightarrow \left < b, a \mbox{ mod } b \right >$.  
5933
 
 
5934
 
\newpage\begin{figure}[!here]
5935
 
\begin{small}
5936
 
\begin{center}
5937
 
\begin{tabular}{l}
5938
 
\hline Algorithm \textbf{Greatest Common Divisor (I)}. \\
5939
 
\textbf{Input}.   Two positive integers $a$ and $b$ greater than zero. \\
5940
 
\textbf{Output}.  The greatest common divisor $(a, b)$.  \\
5941
 
\hline \\
5942
 
1.  While ($b > 0$) do \\
5943
 
\hspace{3mm}1.1  $r \leftarrow a \mbox{ (mod }b\mbox{)}$ \\
5944
 
\hspace{3mm}1.2  $a \leftarrow b$ \\
5945
 
\hspace{3mm}1.3  $b \leftarrow r$ \\
5946
 
2.  Return($a$). \\
5947
 
\hline
5948
 
\end{tabular}
5949
 
\end{center}
5950
 
\end{small}
5951
 
\caption{Algorithm Greatest Common Divisor (I)}
5952
 
\label{fig:gcd1}
5953
 
\end{figure}
5954
 
 
5955
 
This algorithm will quickly converge on the greatest common divisor since the residue $r$ tends diminish rapidly.  However, divisions are
5956
 
relatively expensive operations to perform and should ideally be avoided.  There is another approach based on a similar relationship of 
5957
 
greatest common divisors.  The faster approach is based on the observation that if $k$ divides both $a$ and $b$ it will also divide $a - b$.  
5958
 
In particular, we would like $a - b$ to decrease in magnitude which implies that $b \ge a$.  
5959
 
 
5960
 
\begin{figure}[!here]
5961
 
\begin{small}
5962
 
\begin{center}
5963
 
\begin{tabular}{l}
5964
 
\hline Algorithm \textbf{Greatest Common Divisor (II)}. \\
5965
 
\textbf{Input}.   Two positive integers $a$ and $b$ greater than zero. \\
5966
 
\textbf{Output}.  The greatest common divisor $(a, b)$.  \\
5967
 
\hline \\
5968
 
1.  While ($b > 0$) do \\
5969
 
\hspace{3mm}1.1  Swap $a$ and $b$ such that $a$ is the smallest of the two. \\
5970
 
\hspace{3mm}1.2  $b \leftarrow b - a$ \\
5971
 
2.  Return($a$). \\
5972
 
\hline
5973
 
\end{tabular}
5974
 
\end{center}
5975
 
\end{small}
5976
 
\caption{Algorithm Greatest Common Divisor (II)}
5977
 
\label{fig:gcd2}
5978
 
\end{figure}
5979
 
 
5980
 
\textbf{Proof} \textit{Algorithm~\ref{fig:gcd2} will return the greatest common divisor of $a$ and $b$.}
5981
 
The algorithm in figure~\ref{fig:gcd2} will eventually terminate since $b \ge a$ the subtraction in step 1.2 will be a value less than $b$.  In other
5982
 
words in every iteration that tuple $\left < a, b \right >$ decrease in magnitude until eventually $a = b$.  Since both $a$ and $b$ are always 
5983
 
divisible by the greatest common divisor (\textit{until the last iteration}) and in the last iteration of the algorithm $b = 0$, therefore, in the 
5984
 
second to last iteration of the algorithm $b = a$ and clearly $(a, a) = a$ which concludes the proof.  \textbf{QED}.
5985
 
 
5986
 
As a matter of practicality algorithm \ref{fig:gcd1} decreases far too slowly to be useful.  Specially if $b$ is much larger than $a$ such that 
5987
 
$b - a$ is still very much larger than $a$.  A simple addition to the algorithm is to divide $b - a$ by a power of some integer $p$ which does
5988
 
not divide the greatest common divisor but will divide $b - a$.  In this case ${b - a} \over p$ is also an integer and still divisible by
5989
 
the greatest common divisor.
5990
 
 
5991
 
However, instead of factoring $b - a$ to find a suitable value of $p$ the powers of $p$ can be removed from $a$ and $b$ that are in common first.  
5992
 
Then inside the loop whenever $b - a$ is divisible by some power of $p$ it can be safely removed.  
5993
 
 
5994
 
\begin{figure}[!here]
5995
 
\begin{small}
5996
 
\begin{center}
5997
 
\begin{tabular}{l}
5998
 
\hline Algorithm \textbf{Greatest Common Divisor (III)}. \\
5999
 
\textbf{Input}.   Two positive integers $a$ and $b$ greater than zero. \\
6000
 
\textbf{Output}.  The greatest common divisor $(a, b)$.  \\
6001
 
\hline \\
6002
 
1.  $k \leftarrow 0$ \\
6003
 
2.  While $a$ and $b$ are both divisible by $p$ do \\
6004
 
\hspace{3mm}2.1  $a \leftarrow \lfloor a / p \rfloor$ \\
6005
 
\hspace{3mm}2.2  $b \leftarrow \lfloor b / p \rfloor$ \\
6006
 
\hspace{3mm}2.3  $k \leftarrow k + 1$ \\
6007
 
3.  While $a$ is divisible by $p$ do \\
6008
 
\hspace{3mm}3.1  $a \leftarrow \lfloor a / p \rfloor$ \\
6009
 
4.  While $b$ is divisible by $p$ do \\
6010
 
\hspace{3mm}4.1  $b \leftarrow \lfloor b / p \rfloor$ \\
6011
 
5.  While ($b > 0$) do \\
6012
 
\hspace{3mm}5.1  Swap $a$ and $b$ such that $a$ is the smallest of the two. \\
6013
 
\hspace{3mm}5.2  $b \leftarrow b - a$ \\
6014
 
\hspace{3mm}5.3  While $b$ is divisible by $p$ do \\
6015
 
\hspace{6mm}5.3.1  $b \leftarrow \lfloor b / p \rfloor$ \\
6016
 
6.  Return($a \cdot p^k$). \\
6017
 
\hline
6018
 
\end{tabular}
6019
 
\end{center}
6020
 
\end{small}
6021
 
\caption{Algorithm Greatest Common Divisor (III)}
6022
 
\label{fig:gcd3}
6023
 
\end{figure}
6024
 
 
6025
 
This algorithm is based on the first except it removes powers of $p$ first and inside the main loop to ensure the tuple $\left < a, b \right >$ 
6026
 
decreases more rapidly.  The first loop on step two removes powers of $p$ that are in common.  A count, $k$, is kept which will present a common
6027
 
divisor of $p^k$.  After step two the remaining common divisor of $a$ and $b$ cannot be divisible by $p$.  This means that $p$ can be safely 
6028
 
divided out of the difference $b - a$ so long as the division leaves no remainder.  
6029
 
 
6030
 
In particular the value of $p$ should be chosen such that the division on step 5.3.1 occur often.  It also helps that division by $p$ be easy
6031
 
to compute.  The ideal choice of $p$ is two since division by two amounts to a right logical shift.  Another important observation is that by
6032
 
step five both $a$ and $b$ are odd.  Therefore, the diffrence $b - a$ must be even which means that each iteration removes one bit from the 
6033
 
largest of the pair.
6034
 
 
6035
 
\subsection{Complete Greatest Common Divisor}
6036
 
The algorithms presented so far cannot handle inputs which are zero or negative.  The following algorithm can handle all input cases properly
6037
 
and will produce the greatest common divisor.
6038
 
 
6039
 
\newpage\begin{figure}[!here]
6040
 
\begin{small}
6041
 
\begin{center}
6042
 
\begin{tabular}{l}
6043
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_gcd}. \\
6044
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and $b$ \\
6045
 
\textbf{Output}.  The greatest common divisor $c = (a, b)$.  \\
6046
 
\hline \\
6047
 
1.  If $a = 0$ then \\
6048
 
\hspace{3mm}1.1  $c \leftarrow \vert b \vert $ \\
6049
 
\hspace{3mm}1.2  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6050
 
2.  If $b = 0$ then \\
6051
 
\hspace{3mm}2.1  $c \leftarrow \vert a \vert $ \\
6052
 
\hspace{3mm}2.2  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6053
 
3.  $u \leftarrow \vert a \vert, v \leftarrow \vert b \vert$ \\
6054
 
4.  $k \leftarrow 0$ \\
6055
 
5.  While $u.used > 0$ and $v.used > 0$ and $u_0 \equiv v_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6056
 
\hspace{3mm}5.1  $k \leftarrow k + 1$ \\
6057
 
\hspace{3mm}5.2  $u \leftarrow \lfloor u / 2 \rfloor$ \\
6058
 
\hspace{3mm}5.3  $v \leftarrow \lfloor v / 2 \rfloor$ \\
6059
 
6.  While $u.used > 0$ and $u_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6060
 
\hspace{3mm}6.1  $u \leftarrow \lfloor u / 2 \rfloor$ \\
6061
 
7.  While $v.used > 0$ and $v_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6062
 
\hspace{3mm}7.1  $v \leftarrow \lfloor v / 2 \rfloor$ \\
6063
 
8.  While $v.used > 0$ \\
6064
 
\hspace{3mm}8.1  If $\vert u \vert > \vert v \vert$ then \\
6065
 
\hspace{6mm}8.1.1  Swap $u$ and $v$. \\
6066
 
\hspace{3mm}8.2  $v \leftarrow \vert v \vert - \vert u \vert$ \\
6067
 
\hspace{3mm}8.3  While $v.used > 0$ and $v_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6068
 
\hspace{6mm}8.3.1  $v \leftarrow \lfloor v / 2 \rfloor$ \\
6069
 
9.  $c \leftarrow u \cdot 2^k$ \\
6070
 
10.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6071
 
\hline
6072
 
\end{tabular}
6073
 
\end{center}
6074
 
\end{small}
6075
 
\caption{Algorithm mp\_gcd}
6076
 
\end{figure}
6077
 
\textbf{Algorithm mp\_gcd.}
6078
 
This algorithm will produce the greatest common divisor of two mp\_ints $a$ and $b$.  The algorithm was originally based on Algorithm B of
6079
 
Knuth \cite[pp. 338]{TAOCPV2} but has been modified to be simpler to explain.  In theory it achieves the same asymptotic working time as
6080
 
Algorithm B and in practice this appears to be true.  
6081
 
 
6082
 
The first two steps handle the cases where either one of or both inputs are zero.  If either input is zero the greatest common divisor is the 
6083
 
largest input or zero if they are both zero.  If the inputs are not trivial than $u$ and $v$ are assigned the absolute values of 
6084
 
$a$ and $b$ respectively and the algorithm will proceed to reduce the pair.
6085
 
 
6086
 
Step five will divide out any common factors of two and keep track of the count in the variable $k$.  After this step, two is no longer a
6087
 
factor of the remaining greatest common divisor between $u$ and $v$ and can be safely evenly divided out of either whenever they are even.  Step 
6088
 
six and seven ensure that the $u$ and $v$ respectively have no more factors of two.  At most only one of the while--loops will iterate since 
6089
 
they cannot both be even.
6090
 
 
6091
 
By step eight both of $u$ and $v$ are odd which is required for the inner logic.  First the pair are swapped such that $v$ is equal to
6092
 
or greater than $u$.  This ensures that the subtraction on step 8.2 will always produce a positive and even result.  Step 8.3 removes any
6093
 
factors of two from the difference $u$ to ensure that in the next iteration of the loop both are once again odd.
6094
 
 
6095
 
After $v = 0$ occurs the variable $u$ has the greatest common divisor of the pair $\left < u, v \right >$ just after step six.  The result
6096
 
must be adjusted by multiplying by the common factors of two ($2^k$) removed earlier.  
6097
 
 
6098
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6099
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_gcd.c
6100
 
\vspace{-3mm}
6101
 
\begin{alltt}
6102
 
\end{alltt}
6103
 
\end{small}
6104
 
 
6105
 
This function makes use of the macros mp\_iszero and mp\_iseven.  The former evaluates to $1$ if the input mp\_int is equivalent to the 
6106
 
integer zero otherwise it evaluates to $0$.  The latter evaluates to $1$ if the input mp\_int represents a non-zero even integer otherwise
6107
 
it evaluates to $0$.  Note that just because mp\_iseven may evaluate to $0$ does not mean the input is odd, it could also be zero.  The three 
6108
 
trivial cases of inputs are handled on lines 24 through 30.  After those lines the inputs are assumed to be non-zero.
6109
 
 
6110
 
Lines 32 and 37 make local copies $u$ and $v$ of the inputs $a$ and $b$ respectively.  At this point the common factors of two 
6111
 
must be divided out of the two inputs.  The block starting at line 44 removes common factors of two by first counting the number of trailing
6112
 
zero bits in both.  The local integer $k$ is used to keep track of how many factors of $2$ are pulled out of both values.  It is assumed that 
6113
 
the number of factors will not exceed the maximum value of a C ``int'' data type\footnote{Strictly speaking no array in C may have more than 
6114
 
entries than are accessible by an ``int'' so this is not a limitation.}.  
6115
 
 
6116
 
At this point there are no more common factors of two in the two values.  The divisions by a power of two on lines 62 and 68 remove 
6117
 
any independent factors of two such that both $u$ and $v$ are guaranteed to be an odd integer before hitting the main body of the algorithm.  The while loop
6118
 
on line 73 performs the reduction of the pair until $v$ is equal to zero.  The unsigned comparison and subtraction algorithms are used in
6119
 
place of the full signed routines since both values are guaranteed to be positive and the result of the subtraction is guaranteed to be non-negative.
6120
 
 
6121
 
\section{Least Common Multiple}
6122
 
The least common multiple of a pair of integers is their product divided by their greatest common divisor.  For two integers $a$ and $b$ the
6123
 
least common multiple is normally denoted as $[ a, b ]$ and numerically equivalent to ${ab} \over {(a, b)}$.  For example, if $a = 2 \cdot 2 \cdot 3 = 12$
6124
 
and $b = 2 \cdot 3 \cdot 3 \cdot 7 = 126$ the least common multiple is ${126 \over {(12, 126)}} = {126 \over 6} = 21$.
6125
 
 
6126
 
The least common multiple arises often in coding theory as well as number theory.  If two functions have periods of $a$ and $b$ respectively they will
6127
 
collide, that is be in synchronous states, after only $[ a, b ]$ iterations.  This is why, for example, random number generators based on 
6128
 
Linear Feedback Shift Registers (LFSR) tend to use registers with periods which are co-prime (\textit{e.g. the greatest common divisor is one.}).  
6129
 
Similarly in number theory if a composite $n$ has two prime factors $p$ and $q$ then maximal order of any unit of $\Z/n\Z$ will be $[ p - 1, q - 1] $.
6130
 
 
6131
 
\begin{figure}[!here]
6132
 
\begin{small}
6133
 
\begin{center}
6134
 
\begin{tabular}{l}
6135
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_lcm}. \\
6136
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and $b$ \\
6137
 
\textbf{Output}.  The least common multiple $c = [a, b]$.  \\
6138
 
\hline \\
6139
 
1.  $c \leftarrow (a, b)$ \\
6140
 
2.  $t \leftarrow a \cdot b$ \\
6141
 
3.  $c \leftarrow \lfloor t / c \rfloor$ \\
6142
 
4.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6143
 
\hline
6144
 
\end{tabular}
6145
 
\end{center}
6146
 
\end{small}
6147
 
\caption{Algorithm mp\_lcm}
6148
 
\end{figure}
6149
 
\textbf{Algorithm mp\_lcm.}
6150
 
This algorithm computes the least common multiple of two mp\_int inputs $a$ and $b$.  It computes the least common multiple directly by
6151
 
dividing the product of the two inputs by their greatest common divisor.
6152
 
 
6153
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6154
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_lcm.c
6155
 
\vspace{-3mm}
6156
 
\begin{alltt}
6157
 
\end{alltt}
6158
 
\end{small}
6159
 
 
6160
 
\section{Jacobi Symbol Computation}
6161
 
To explain the Jacobi Symbol we shall first discuss the Legendre function\footnote{Arrg.  What is the name of this?} off which the Jacobi symbol is 
6162
 
defined.  The Legendre function computes whether or not an integer $a$ is a quadratic residue modulo an odd prime $p$.  Numerically it is
6163
 
equivalent to equation \ref{eqn:legendre}.
6164
 
 
6165
 
\textit{-- Tom, don't be an ass, cite your source here...!}
6166
 
 
6167
 
\begin{equation}
6168
 
a^{(p-1)/2} \equiv \begin{array}{rl}
6169
 
                              -1 &  \mbox{if }a\mbox{ is a quadratic non-residue.} \\
6170
 
                              0  &  \mbox{if }a\mbox{ divides }p\mbox{.} \\
6171
 
                              1  &  \mbox{if }a\mbox{ is a quadratic residue}. 
6172
 
                              \end{array} \mbox{ (mod }p\mbox{)}
6173
 
\label{eqn:legendre}                              
6174
 
\end{equation}
6175
 
 
6176
 
\textbf{Proof.} \textit{Equation \ref{eqn:legendre} correctly identifies the residue status of an integer $a$ modulo a prime $p$.}
6177
 
An integer $a$ is a quadratic residue if the following equation has a solution.
6178
 
 
6179
 
\begin{equation}
6180
 
x^2 \equiv a \mbox{ (mod }p\mbox{)}
6181
 
\label{eqn:root}
6182
 
\end{equation}
6183
 
 
6184
 
Consider the following equation.
6185
 
 
6186
 
\begin{equation}
6187
 
0 \equiv x^{p-1} - 1 \equiv \left \lbrace \left (x^2 \right )^{(p-1)/2} - a^{(p-1)/2} \right \rbrace + \left ( a^{(p-1)/2} - 1 \right ) \mbox{ (mod }p\mbox{)}
6188
 
\label{eqn:rooti}
6189
 
\end{equation}
6190
 
 
6191
 
Whether equation \ref{eqn:root} has a solution or not equation \ref{eqn:rooti} is always true.  If $a^{(p-1)/2} - 1 \equiv 0 \mbox{ (mod }p\mbox{)}$
6192
 
then the quantity in the braces must be zero.  By reduction,
6193
 
 
6194
 
\begin{eqnarray}
6195
 
\left (x^2 \right )^{(p-1)/2} - a^{(p-1)/2} \equiv 0  \nonumber \\
6196
 
\left (x^2 \right )^{(p-1)/2} \equiv a^{(p-1)/2} \nonumber \\
6197
 
x^2 \equiv a \mbox{ (mod }p\mbox{)} 
6198
 
\end{eqnarray}
6199
 
 
6200
 
As a result there must be a solution to the quadratic equation and in turn $a$ must be a quadratic residue.  If $a$ does not divide $p$ and $a$
6201
 
is not a quadratic residue then the only other value $a^{(p-1)/2}$ may be congruent to is $-1$ since
6202
 
\begin{equation}
6203
 
0 \equiv a^{p - 1} - 1 \equiv (a^{(p-1)/2} + 1)(a^{(p-1)/2} - 1) \mbox{ (mod }p\mbox{)}
6204
 
\end{equation}
6205
 
One of the terms on the right hand side must be zero.  \textbf{QED}
6206
 
 
6207
 
\subsection{Jacobi Symbol}
6208
 
The Jacobi symbol is a generalization of the Legendre function for any odd non prime moduli $p$ greater than 2.  If $p = \prod_{i=0}^n p_i$ then
6209
 
the Jacobi symbol $\left ( { a \over p } \right )$ is equal to the following equation.
6210
 
 
6211
 
\begin{equation}
6212
 
\left ( { a \over p } \right ) = \left ( { a \over p_0} \right ) \left ( { a \over p_1} \right ) \ldots \left ( { a \over p_n} \right )
6213
 
\end{equation}
6214
 
 
6215
 
By inspection if $p$ is prime the Jacobi symbol is equivalent to the Legendre function.  The following facts\footnote{See HAC \cite[pp. 72-74]{HAC} for
6216
 
further details.} will be used to derive an efficient Jacobi symbol algorithm.  Where $p$ is an odd integer greater than two and $a, b \in \Z$ the
6217
 
following are true.  
6218
 
 
6219
 
\begin{enumerate}
6220
 
\item $\left ( { a \over p} \right )$ equals $-1$, $0$ or $1$. 
6221
 
\item $\left ( { ab \over p} \right ) = \left ( { a \over p} \right )\left ( { b \over p} \right )$.
6222
 
\item If $a \equiv b$ then $\left ( { a \over p} \right ) = \left ( { b \over p} \right )$.
6223
 
\item $\left ( { 2 \over p} \right )$ equals $1$ if $p \equiv 1$ or $7 \mbox{ (mod }8\mbox{)}$.  Otherwise, it equals $-1$.
6224
 
\item $\left ( { a \over p} \right ) \equiv \left ( { p \over a} \right ) \cdot (-1)^{(p-1)(a-1)/4}$.  More specifically 
6225
 
$\left ( { a \over p} \right ) = \left ( { p \over a} \right )$ if $p \equiv a \equiv 1 \mbox{ (mod }4\mbox{)}$.  
6226
 
\end{enumerate}
6227
 
 
6228
 
Using these facts if $a = 2^k \cdot a'$ then
6229
 
 
6230
 
\begin{eqnarray}
6231
 
\left ( { a \over p } \right ) = \left ( {{2^k} \over p } \right ) \left ( {a' \over p} \right ) \nonumber \\
6232
 
                               = \left ( {2 \over p } \right )^k \left ( {a' \over p} \right ) 
6233
 
\label{eqn:jacobi}
6234
 
\end{eqnarray}
6235
 
 
6236
 
By fact five, 
6237
 
 
6238
 
\begin{equation}
6239
 
\left ( { a \over p } \right ) = \left ( { p \over a } \right ) \cdot (-1)^{(p-1)(a-1)/4} 
6240
 
\end{equation}
6241
 
 
6242
 
Subsequently by fact three since $p \equiv (p \mbox{ mod }a) \mbox{ (mod }a\mbox{)}$ then 
6243
 
 
6244
 
\begin{equation}
6245
 
\left ( { a \over p } \right ) = \left ( { {p \mbox{ mod } a} \over a } \right ) \cdot (-1)^{(p-1)(a-1)/4} 
6246
 
\end{equation}
6247
 
 
6248
 
By putting both observations into equation \ref{eqn:jacobi} the following simplified equation is formed.
6249
 
 
6250
 
\begin{equation}
6251
 
\left ( { a \over p } \right ) = \left ( {2 \over p } \right )^k \left ( {{p\mbox{ mod }a'} \over a'} \right )  \cdot (-1)^{(p-1)(a'-1)/4} 
6252
 
\end{equation}
6253
 
 
6254
 
The value of $\left ( {{p \mbox{ mod }a'} \over a'} \right )$ can be found by using the same equation recursively.  The value of 
6255
 
$\left ( {2 \over p } \right )^k$ equals $1$ if $k$ is even otherwise it equals $\left ( {2 \over p } \right )$.  Using this approach the 
6256
 
factors of $p$ do not have to be known.  Furthermore, if $(a, p) = 1$ then the algorithm will terminate when the recursion requests the 
6257
 
Jacobi symbol computation of $\left ( {1 \over a'} \right )$ which is simply $1$.  
6258
 
 
6259
 
\newpage\begin{figure}[!here]
6260
 
\begin{small}
6261
 
\begin{center}
6262
 
\begin{tabular}{l}
6263
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_jacobi}. \\
6264
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and $p$, $a \ge 0$, $p \ge 3$, $p \equiv 1 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6265
 
\textbf{Output}.  The Jacobi symbol $c = \left ( {a \over p } \right )$. \\
6266
 
\hline \\
6267
 
1.  If $a = 0$ then \\
6268
 
\hspace{3mm}1.1  $c \leftarrow 0$ \\
6269
 
\hspace{3mm}1.2  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6270
 
2.  If $a = 1$ then \\
6271
 
\hspace{3mm}2.1  $c \leftarrow 1$ \\
6272
 
\hspace{3mm}2.2  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6273
 
3.  $a' \leftarrow a$ \\
6274
 
4.  $k \leftarrow 0$ \\
6275
 
5.  While $a'.used > 0$ and $a'_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6276
 
\hspace{3mm}5.1  $k \leftarrow k + 1$ \\
6277
 
\hspace{3mm}5.2  $a' \leftarrow \lfloor a' / 2 \rfloor$ \\
6278
 
6.  If $k \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ then \\
6279
 
\hspace{3mm}6.1  $s \leftarrow 1$ \\
6280
 
7.  else \\
6281
 
\hspace{3mm}7.1  $r \leftarrow p_0 \mbox{ (mod }8\mbox{)}$ \\
6282
 
\hspace{3mm}7.2  If $r = 1$ or $r = 7$ then \\
6283
 
\hspace{6mm}7.2.1  $s \leftarrow 1$ \\
6284
 
\hspace{3mm}7.3  else \\
6285
 
\hspace{6mm}7.3.1  $s \leftarrow -1$ \\
6286
 
8.  If $p_0 \equiv a'_0 \equiv 3 \mbox{ (mod }4\mbox{)}$ then \\
6287
 
\hspace{3mm}8.1  $s \leftarrow -s$ \\
6288
 
9.  If $a' \ne 1$ then \\
6289
 
\hspace{3mm}9.1  $p' \leftarrow p \mbox{ (mod }a'\mbox{)}$ \\
6290
 
\hspace{3mm}9.2  $s \leftarrow s \cdot \mbox{mp\_jacobi}(p', a')$ \\
6291
 
10.  $c \leftarrow s$ \\
6292
 
11.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6293
 
\hline
6294
 
\end{tabular}
6295
 
\end{center}
6296
 
\end{small}
6297
 
\caption{Algorithm mp\_jacobi}
6298
 
\end{figure}
6299
 
\textbf{Algorithm mp\_jacobi.}
6300
 
This algorithm computes the Jacobi symbol for an arbitrary positive integer $a$ with respect to an odd integer $p$ greater than three.  The algorithm
6301
 
is based on algorithm 2.149 of HAC \cite[pp. 73]{HAC}.  
6302
 
 
6303
 
Step numbers one and two handle the trivial cases of $a = 0$ and $a = 1$ respectively.  Step five determines the number of two factors in the
6304
 
input $a$.  If $k$ is even than the term $\left ( { 2 \over p } \right )^k$ must always evaluate to one.  If $k$ is odd than the term evaluates to one 
6305
 
if $p_0$ is congruent to one or seven modulo eight, otherwise it evaluates to $-1$. After the the $\left ( { 2 \over p } \right )^k$ term is handled 
6306
 
the $(-1)^{(p-1)(a'-1)/4}$ is computed and multiplied against the current product $s$.  The latter term evaluates to one if both $p$ and $a'$ 
6307
 
are congruent to one modulo four, otherwise it evaluates to negative one.
6308
 
 
6309
 
By step nine if $a'$ does not equal one a recursion is required.  Step 9.1 computes $p' \equiv p \mbox{ (mod }a'\mbox{)}$ and will recurse to compute
6310
 
$\left ( {p' \over a'} \right )$ which is multiplied against the current Jacobi product.
6311
 
 
6312
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6313
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_jacobi.c
6314
 
\vspace{-3mm}
6315
 
\begin{alltt}
6316
 
\end{alltt}
6317
 
\end{small}
6318
 
 
6319
 
As a matter of practicality the variable $a'$ as per the pseudo-code is reprensented by the variable $a1$ since the $'$ symbol is not valid for a C 
6320
 
variable name character. 
6321
 
 
6322
 
The two simple cases of $a = 0$ and $a = 1$ are handled at the very beginning to simplify the algorithm.  If the input is non-trivial the algorithm
6323
 
has to proceed compute the Jacobi.  The variable $s$ is used to hold the current Jacobi product.  Note that $s$ is merely a C ``int'' data type since
6324
 
the values it may obtain are merely $-1$, $0$ and $1$.  
6325
 
 
6326
 
After a local copy of $a$ is made all of the factors of two are divided out and the total stored in $k$.  Technically only the least significant
6327
 
bit of $k$ is required, however, it makes the algorithm simpler to follow to perform an addition. In practice an exclusive-or and addition have the same 
6328
 
processor requirements and neither is faster than the other.
6329
 
 
6330
 
Line 58 through 71 determines the value of $\left ( { 2 \over p } \right )^k$.  If the least significant bit of $k$ is zero than
6331
 
$k$ is even and the value is one.  Otherwise, the value of $s$ depends on which residue class $p$ belongs to modulo eight.  The value of
6332
 
$(-1)^{(p-1)(a'-1)/4}$ is compute and multiplied against $s$ on lines 71 through 74.  
6333
 
 
6334
 
Finally, if $a1$ does not equal one the algorithm must recurse and compute $\left ( {p' \over a'} \right )$.  
6335
 
 
6336
 
\textit{-- Comment about default $s$ and such...}
6337
 
 
6338
 
\section{Modular Inverse}
6339
 
\label{sec:modinv}
6340
 
The modular inverse of a number actually refers to the modular multiplicative inverse.  Essentially for any integer $a$ such that $(a, p) = 1$ there
6341
 
exist another integer $b$ such that $ab \equiv 1 \mbox{ (mod }p\mbox{)}$.  The integer $b$ is called the multiplicative inverse of $a$ which is
6342
 
denoted as $b = a^{-1}$.  Technically speaking modular inversion is a well defined operation for any finite ring or field not just for rings and 
6343
 
fields of integers.  However, the former will be the matter of discussion.
6344
 
 
6345
 
The simplest approach is to compute the algebraic inverse of the input.  That is to compute $b \equiv a^{\Phi(p) - 1}$.  If $\Phi(p)$ is the 
6346
 
order of the multiplicative subgroup modulo $p$ then $b$ must be the multiplicative inverse of $a$.  The proof of which is trivial.
6347
 
 
6348
 
\begin{equation}
6349
 
ab \equiv a \left (a^{\Phi(p) - 1} \right ) \equiv a^{\Phi(p)} \equiv a^0 \equiv 1 \mbox{ (mod }p\mbox{)}
6350
 
\end{equation}
6351
 
 
6352
 
However, as simple as this approach may be it has two serious flaws.  It requires that the value of $\Phi(p)$ be known which if $p$ is composite 
6353
 
requires all of the prime factors.  This approach also is very slow as the size of $p$ grows.  
6354
 
 
6355
 
A simpler approach is based on the observation that solving for the multiplicative inverse is equivalent to solving the linear 
6356
 
Diophantine\footnote{See LeVeque \cite[pp. 40-43]{LeVeque} for more information.} equation.
6357
 
 
6358
 
\begin{equation}
6359
 
ab + pq = 1
6360
 
\end{equation}
6361
 
 
6362
 
Where $a$, $b$, $p$ and $q$ are all integers.  If such a pair of integers $ \left < b, q \right >$ exist than $b$ is the multiplicative inverse of 
6363
 
$a$ modulo $p$.  The extended Euclidean algorithm (Knuth \cite[pp. 342]{TAOCPV2}) can be used to solve such equations provided $(a, p) = 1$.  
6364
 
However, instead of using that algorithm directly a variant known as the binary Extended Euclidean algorithm will be used in its place.  The
6365
 
binary approach is very similar to the binary greatest common divisor algorithm except it will produce a full solution to the Diophantine 
6366
 
equation.  
6367
 
 
6368
 
\subsection{General Case}
6369
 
\newpage\begin{figure}[!here]
6370
 
\begin{small}
6371
 
\begin{center}
6372
 
\begin{tabular}{l}
6373
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_invmod}. \\
6374
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and $b$, $(a, b) = 1$, $p \ge 2$, $0 < a < p$.  \\
6375
 
\textbf{Output}.  The modular inverse $c \equiv a^{-1} \mbox{ (mod }b\mbox{)}$. \\
6376
 
\hline \\
6377
 
1.  If $b \le 0$ then return(\textit{MP\_VAL}). \\
6378
 
2.  If $b_0 \equiv 1 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ then use algorithm fast\_mp\_invmod. \\
6379
 
3.  $x \leftarrow \vert a \vert, y \leftarrow b$ \\
6380
 
4.  If $x_0 \equiv y_0  \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ then return(\textit{MP\_VAL}). \\
6381
 
5.  $B \leftarrow 0, C \leftarrow 0, A \leftarrow 1, D \leftarrow 1$ \\
6382
 
6.  While $u.used > 0$ and $u_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6383
 
\hspace{3mm}6.1  $u \leftarrow \lfloor u / 2 \rfloor$ \\
6384
 
\hspace{3mm}6.2  If ($A.used > 0$ and $A_0 \equiv 1 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$) or ($B.used > 0$ and $B_0 \equiv 1 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$) then \\
6385
 
\hspace{6mm}6.2.1  $A \leftarrow A + y$ \\
6386
 
\hspace{6mm}6.2.2  $B \leftarrow B - x$ \\
6387
 
\hspace{3mm}6.3  $A \leftarrow \lfloor A / 2 \rfloor$ \\
6388
 
\hspace{3mm}6.4  $B \leftarrow \lfloor B / 2 \rfloor$ \\
6389
 
7.  While $v.used > 0$ and $v_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6390
 
\hspace{3mm}7.1  $v \leftarrow \lfloor v / 2 \rfloor$ \\
6391
 
\hspace{3mm}7.2  If ($C.used > 0$ and $C_0 \equiv 1 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$) or ($D.used > 0$ and $D_0 \equiv 1 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$) then \\
6392
 
\hspace{6mm}7.2.1  $C \leftarrow C + y$ \\
6393
 
\hspace{6mm}7.2.2  $D \leftarrow D - x$ \\
6394
 
\hspace{3mm}7.3  $C \leftarrow \lfloor C / 2 \rfloor$ \\
6395
 
\hspace{3mm}7.4  $D \leftarrow \lfloor D / 2 \rfloor$ \\
6396
 
8.  If $u \ge v$ then \\
6397
 
\hspace{3mm}8.1  $u \leftarrow u - v$ \\
6398
 
\hspace{3mm}8.2  $A \leftarrow A - C$ \\
6399
 
\hspace{3mm}8.3  $B \leftarrow B - D$ \\
6400
 
9.  else \\
6401
 
\hspace{3mm}9.1  $v \leftarrow v - u$ \\
6402
 
\hspace{3mm}9.2  $C \leftarrow C - A$ \\
6403
 
\hspace{3mm}9.3  $D \leftarrow D - B$ \\
6404
 
10.  If $u \ne 0$ goto step 6. \\
6405
 
11.  If $v \ne 1$ return(\textit{MP\_VAL}). \\
6406
 
12.  While $C \le 0$ do \\
6407
 
\hspace{3mm}12.1  $C \leftarrow C + b$ \\
6408
 
13.  While $C \ge b$ do \\
6409
 
\hspace{3mm}13.1  $C \leftarrow C - b$ \\
6410
 
14.  $c \leftarrow C$ \\
6411
 
15.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6412
 
\hline
6413
 
\end{tabular}
6414
 
\end{center}
6415
 
\end{small}
6416
 
\end{figure}
6417
 
\textbf{Algorithm mp\_invmod.}
6418
 
This algorithm computes the modular multiplicative inverse of an integer $a$ modulo an integer $b$.  This algorithm is a variation of the 
6419
 
extended binary Euclidean algorithm from HAC \cite[pp. 608]{HAC}.  It has been modified to only compute the modular inverse and not a complete
6420
 
Diophantine solution.  
6421
 
 
6422
 
If $b \le 0$ than the modulus is invalid and MP\_VAL is returned.  Similarly if both $a$ and $b$ are even then there cannot be a multiplicative
6423
 
inverse for $a$ and the error is reported.  
6424
 
 
6425
 
The astute reader will observe that steps seven through nine are very similar to the binary greatest common divisor algorithm mp\_gcd.  In this case
6426
 
the other variables to the Diophantine equation are solved.  The algorithm terminates when $u = 0$ in which case the solution is
6427
 
 
6428
 
\begin{equation}
6429
 
Ca + Db = v
6430
 
\end{equation}
6431
 
 
6432
 
If $v$, the greatest common divisor of $a$ and $b$ is not equal to one then the algorithm will report an error as no inverse exists.  Otherwise, $C$
6433
 
is the modular inverse of $a$.  The actual value of $C$ is congruent to, but not necessarily equal to, the ideal modular inverse which should lie 
6434
 
within $1 \le a^{-1} < b$.  Step numbers twelve and thirteen adjust the inverse until it is in range.  If the original input $a$ is within $0 < a < p$ 
6435
 
then only a couple of additions or subtractions will be required to adjust the inverse.
6436
 
 
6437
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6438
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_invmod.c
6439
 
\vspace{-3mm}
6440
 
\begin{alltt}
6441
 
\end{alltt}
6442
 
\end{small}
6443
 
 
6444
 
\subsubsection{Odd Moduli}
6445
 
 
6446
 
When the modulus $b$ is odd the variables $A$ and $C$ are fixed and are not required to compute the inverse.  In particular by attempting to solve
6447
 
the Diophantine $Cb + Da = 1$ only $B$ and $D$ are required to find the inverse of $a$.  
6448
 
 
6449
 
The algorithm fast\_mp\_invmod is a direct adaptation of algorithm mp\_invmod with all all steps involving either $A$ or $C$ removed.  This 
6450
 
optimization will halve the time required to compute the modular inverse.
6451
 
 
6452
 
\section{Primality Tests}
6453
 
 
6454
 
A non-zero integer $a$ is said to be prime if it is not divisible by any other integer excluding one and itself.  For example, $a = 7$ is prime 
6455
 
since the integers $2 \ldots 6$ do not evenly divide $a$.  By contrast, $a = 6$ is not prime since $a = 6 = 2 \cdot 3$. 
6456
 
 
6457
 
Prime numbers arise in cryptography considerably as they allow finite fields to be formed.  The ability to determine whether an integer is prime or
6458
 
not quickly has been a viable subject in cryptography and number theory for considerable time.  The algorithms that will be presented are all
6459
 
probablistic algorithms in that when they report an integer is composite it must be composite.  However, when the algorithms report an integer is
6460
 
prime the algorithm may be incorrect.  
6461
 
 
6462
 
As will be discussed it is possible to limit the probability of error so well that for practical purposes the probablity of error might as 
6463
 
well be zero.  For the purposes of these discussions let $n$ represent the candidate integer of which the primality is in question.
6464
 
 
6465
 
\subsection{Trial Division}
6466
 
 
6467
 
Trial division means to attempt to evenly divide a candidate integer by small prime integers.  If the candidate can be evenly divided it obviously
6468
 
cannot be prime.  By dividing by all primes $1 < p \le \sqrt{n}$ this test can actually prove whether an integer is prime.  However, such a test
6469
 
would require a prohibitive amount of time as $n$ grows.
6470
 
 
6471
 
Instead of dividing by every prime, a smaller, more mangeable set of primes may be used instead.  By performing trial division with only a subset
6472
 
of the primes less than $\sqrt{n} + 1$ the algorithm cannot prove if a candidate is prime.  However, often it can prove a candidate is not prime.
6473
 
 
6474
 
The benefit of this test is that trial division by small values is fairly efficient.  Specially compared to the other algorithms that will be
6475
 
discussed shortly.  The probability that this approach correctly identifies a composite candidate when tested with all primes upto $q$ is given by
6476
 
$1 - {1.12 \over ln(q)}$.  The graph (\ref{pic:primality}, will be added later) demonstrates the probability of success for the range 
6477
 
$3 \le q \le 100$.  
6478
 
 
6479
 
At approximately $q = 30$ the gain of performing further tests diminishes fairly quickly.  At $q = 90$ further testing is generally not going to 
6480
 
be of any practical use.  In the case of LibTomMath the default limit $q = 256$ was chosen since it is not too high and will eliminate 
6481
 
approximately $80\%$ of all candidate integers.  The constant \textbf{PRIME\_SIZE} is equal to the number of primes in the test base.  The 
6482
 
array \_\_prime\_tab is an array of the first \textbf{PRIME\_SIZE} prime numbers.  
6483
 
 
6484
 
\begin{figure}[!here]
6485
 
\begin{small}
6486
 
\begin{center}
6487
 
\begin{tabular}{l}
6488
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_prime\_is\_divisible}. \\
6489
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ \\
6490
 
\textbf{Output}.  $c = 1$ if $n$ is divisible by a small prime, otherwise $c = 0$.  \\
6491
 
\hline \\
6492
 
1.  for $ix$ from $0$ to $PRIME\_SIZE$ do \\
6493
 
\hspace{3mm}1.1  $d \leftarrow n \mbox{ (mod }\_\_prime\_tab_{ix}\mbox{)}$ \\
6494
 
\hspace{3mm}1.2  If $d = 0$ then \\
6495
 
\hspace{6mm}1.2.1  $c \leftarrow 1$ \\
6496
 
\hspace{6mm}1.2.2  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6497
 
2.  $c \leftarrow 0$ \\
6498
 
3.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6499
 
\hline
6500
 
\end{tabular}
6501
 
\end{center}
6502
 
\end{small}
6503
 
\caption{Algorithm mp\_prime\_is\_divisible}
6504
 
\end{figure}
6505
 
\textbf{Algorithm mp\_prime\_is\_divisible.}
6506
 
This algorithm attempts to determine if a candidate integer $n$ is composite by performing trial divisions.  
6507
 
 
6508
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6509
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_prime\_is\_divisible.c
6510
 
\vspace{-3mm}
6511
 
\begin{alltt}
6512
 
\end{alltt}
6513
 
\end{small}
6514
 
 
6515
 
The algorithm defaults to a return of $0$ in case an error occurs.  The values in the prime table are all specified to be in the range of a 
6516
 
mp\_digit.  The table \_\_prime\_tab is defined in the following file.
6517
 
 
6518
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6519
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_prime\_tab.c
6520
 
\vspace{-3mm}
6521
 
\begin{alltt}
6522
 
\end{alltt}
6523
 
\end{small}
6524
 
 
6525
 
Note that there are two possible tables.  When an mp\_digit is 7-bits long only the primes upto $127$ may be included, otherwise the primes
6526
 
upto $1619$ are used.  Note that the value of \textbf{PRIME\_SIZE} is a constant dependent on the size of a mp\_digit. 
6527
 
 
6528
 
\subsection{The Fermat Test}
6529
 
The Fermat test is probably one the oldest tests to have a non-trivial probability of success.  It is based on the fact that if $n$ is in 
6530
 
fact prime then $a^{n} \equiv a \mbox{ (mod }n\mbox{)}$ for all $0 < a < n$.  The reason being that if $n$ is prime than the order of
6531
 
the multiplicative sub group is $n - 1$.  Any base $a$ must have an order which divides $n - 1$ and as such $a^n$ is equivalent to 
6532
 
$a^1 = a$.  
6533
 
 
6534
 
If $n$ is composite then any given base $a$ does not have to have a period which divides $n - 1$.  In which case 
6535
 
it is possible that $a^n \nequiv a \mbox{ (mod }n\mbox{)}$.  However, this test is not absolute as it is possible that the order
6536
 
of a base will divide $n - 1$ which would then be reported as prime.  Such a base yields what is known as a Fermat pseudo-prime.  Several 
6537
 
integers known as Carmichael numbers will be a pseudo-prime to all valid bases.  Fortunately such numbers are extremely rare as $n$ grows
6538
 
in size.
6539
 
 
6540
 
\begin{figure}[!here]
6541
 
\begin{small}
6542
 
\begin{center}
6543
 
\begin{tabular}{l}
6544
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_prime\_fermat}. \\
6545
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and $b$, $a \ge 2$, $0 < b < a$.  \\
6546
 
\textbf{Output}.  $c = 1$ if $b^a \equiv b \mbox{ (mod }a\mbox{)}$, otherwise $c = 0$.  \\
6547
 
\hline \\
6548
 
1.  $t \leftarrow b^a \mbox{ (mod }a\mbox{)}$ \\
6549
 
2.  If $t = b$ then \\
6550
 
\hspace{3mm}2.1  $c = 1$ \\
6551
 
3.  else \\
6552
 
\hspace{3mm}3.1  $c = 0$ \\
6553
 
4.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6554
 
\hline
6555
 
\end{tabular}
6556
 
\end{center}
6557
 
\end{small}
6558
 
\caption{Algorithm mp\_prime\_fermat}
6559
 
\end{figure}
6560
 
\textbf{Algorithm mp\_prime\_fermat.}
6561
 
This algorithm determines whether an mp\_int $a$ is a Fermat prime to the base $b$ or not.  It uses a single modular exponentiation to
6562
 
determine the result.  
6563
 
 
6564
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6565
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_prime\_fermat.c
6566
 
\vspace{-3mm}
6567
 
\begin{alltt}
6568
 
\end{alltt}
6569
 
\end{small}
6570
 
 
6571
 
\subsection{The Miller-Rabin Test}
6572
 
The Miller-Rabin (citation) test is another primality test which has tighter error bounds than the Fermat test specifically with sequentially chosen 
6573
 
candidate  integers.  The algorithm is based on the observation that if $n - 1 = 2^kr$ and if $b^r \nequiv \pm 1$ then after upto $k - 1$ squarings the 
6574
 
value must be equal to $-1$.  The squarings are stopped as soon as $-1$ is observed.  If the value of $1$ is observed first it means that
6575
 
some value not congruent to $\pm 1$ when squared equals one which cannot occur if $n$ is prime.
6576
 
 
6577
 
\begin{figure}[!here]
6578
 
\begin{small}
6579
 
\begin{center}
6580
 
\begin{tabular}{l}
6581
 
\hline Algorithm \textbf{mp\_prime\_miller\_rabin}. \\
6582
 
\textbf{Input}.   mp\_int $a$ and $b$, $a \ge 2$, $0 < b < a$.  \\
6583
 
\textbf{Output}.  $c = 1$ if $a$ is a Miller-Rabin prime to the base $a$, otherwise $c = 0$.  \\
6584
 
\hline
6585
 
1.  $a' \leftarrow a - 1$ \\
6586
 
2.  $r  \leftarrow n1$    \\
6587
 
3.  $c \leftarrow 0, s  \leftarrow 0$ \\
6588
 
4.  While $r.used > 0$ and $r_0 \equiv 0 \mbox{ (mod }2\mbox{)}$ \\
6589
 
\hspace{3mm}4.1  $s \leftarrow s + 1$ \\
6590
 
\hspace{3mm}4.2  $r \leftarrow \lfloor r / 2 \rfloor$ \\
6591
 
5.  $y \leftarrow b^r \mbox{ (mod }a\mbox{)}$ \\
6592
 
6.  If $y \nequiv \pm 1$ then \\
6593
 
\hspace{3mm}6.1  $j \leftarrow 1$ \\
6594
 
\hspace{3mm}6.2  While $j \le (s - 1)$ and $y \nequiv a'$ \\
6595
 
\hspace{6mm}6.2.1  $y \leftarrow y^2 \mbox{ (mod }a\mbox{)}$ \\
6596
 
\hspace{6mm}6.2.2  If $y = 1$ then goto step 8. \\
6597
 
\hspace{6mm}6.2.3  $j \leftarrow j + 1$ \\
6598
 
\hspace{3mm}6.3  If $y \nequiv a'$ goto step 8. \\
6599
 
7.  $c \leftarrow 1$\\
6600
 
8.  Return(\textit{MP\_OKAY}). \\
6601
 
\hline
6602
 
\end{tabular}
6603
 
\end{center}
6604
 
\end{small}
6605
 
\caption{Algorithm mp\_prime\_miller\_rabin}
6606
 
\end{figure}
6607
 
\textbf{Algorithm mp\_prime\_miller\_rabin.}
6608
 
This algorithm performs one trial round of the Miller-Rabin algorithm to the base $b$.  It will set $c = 1$ if the algorithm cannot determine
6609
 
if $b$ is composite or $c = 0$ if $b$ is provably composite.  The values of $s$ and $r$ are computed such that $a' = a - 1 = 2^sr$.  
6610
 
 
6611
 
If the value $y \equiv b^r$ is congruent to $\pm 1$ then the algorithm cannot prove if $a$ is composite or not.  Otherwise, the algorithm will
6612
 
square $y$ upto $s - 1$ times stopping only when $y \equiv -1$.  If $y^2 \equiv 1$ and $y \nequiv \pm 1$ then the algorithm can report that $a$
6613
 
is provably composite.  If the algorithm performs $s - 1$ squarings and $y \nequiv -1$ then $a$ is provably composite.  If $a$ is not provably 
6614
 
composite then it is \textit{probably} prime.
6615
 
 
6616
 
\vspace{+3mm}\begin{small}
6617
 
\hspace{-5.1mm}{\bf File}: bn\_mp\_prime\_miller\_rabin.c
6618
 
\vspace{-3mm}
6619
 
\begin{alltt}
6620
 
\end{alltt}
6621
 
\end{small}
6622
 
 
6623
 
 
6624
 
 
6625
 
 
6626
 
\backmatter
6627
 
\appendix
6628
 
\begin{thebibliography}{ABCDEF}
6629
 
\bibitem[1]{TAOCPV2}
6630
 
Donald Knuth, \textit{The Art of Computer Programming}, Third Edition, Volume Two, Seminumerical Algorithms, Addison-Wesley, 1998
6631
 
 
6632
 
\bibitem[2]{HAC}
6633
 
A. Menezes, P. van Oorschot, S. Vanstone, \textit{Handbook of Applied Cryptography}, CRC Press, 1996
6634
 
 
6635
 
\bibitem[3]{ROSE}
6636
 
Michael Rosing, \textit{Implementing Elliptic Curve Cryptography}, Manning Publications, 1999
6637
 
 
6638
 
\bibitem[4]{COMBA}
6639
 
Paul G. Comba, \textit{Exponentiation Cryptosystems on the IBM PC}. IBM Systems Journal 29(4): 526-538 (1990)
6640
 
 
6641
 
\bibitem[5]{KARA}
6642
 
A. Karatsuba, Doklay Akad. Nauk SSSR 145 (1962), pp.293-294
6643
 
 
6644
 
\bibitem[6]{KARAP}
6645
 
Andre Weimerskirch and Christof Paar, \textit{Generalizations of the Karatsuba Algorithm for Polynomial Multiplication}, Submitted to Design, Codes and Cryptography, March 2002
6646
 
 
6647
 
\bibitem[7]{BARRETT}
6648
 
Paul Barrett, \textit{Implementing the Rivest Shamir and Adleman Public Key Encryption Algorithm on a Standard Digital Signal Processor}, Advances in Cryptology, Crypto '86, Springer-Verlag.
6649
 
 
6650
 
\bibitem[8]{MONT}
6651
 
P.L.Montgomery. \textit{Modular multiplication without trial division}. Mathematics of Computation, 44(170):519-521, April 1985.
6652
 
 
6653
 
\bibitem[9]{DRMET}
6654
 
Chae Hoon Lim and Pil Joong Lee, \textit{Generating Efficient Primes for Discrete Log Cryptosystems}, POSTECH Information Research Laboratories
6655
 
 
6656
 
\bibitem[10]{MMB}
6657
 
J. Daemen and R. Govaerts and J. Vandewalle, \textit{Block ciphers based on Modular Arithmetic}, State and {P}rogress in the {R}esearch of {C}ryptography, 1993, pp. 80-89
6658
 
 
6659
 
\bibitem[11]{RSAREF}
6660
 
R.L. Rivest, A. Shamir, L. Adleman, \textit{A Method for Obtaining Digital Signatures and Public-Key Cryptosystems}
6661
 
 
6662
 
\bibitem[12]{DHREF}
6663
 
Whitfield Diffie, Martin E. Hellman, \textit{New Directions in Cryptography}, IEEE Transactions on Information Theory, 1976
6664
 
 
6665
 
\bibitem[13]{IEEE}
6666
 
IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic (ANSI/IEEE Std 754-1985)
6667
 
 
6668
 
\bibitem[14]{GMP}
6669
 
GNU Multiple Precision (GMP), \url{http://www.swox.com/gmp/}
6670
 
 
6671
 
\bibitem[15]{MPI}
6672
 
Multiple Precision Integer Library (MPI), Michael Fromberger, \url{http://thayer.dartmouth.edu/~sting/mpi/}
6673
 
 
6674
 
\bibitem[16]{OPENSSL}
6675
 
OpenSSL Cryptographic Toolkit, \url{http://openssl.org}
6676
 
 
6677
 
\bibitem[17]{LIP}
6678
 
Large Integer Package, \url{http://home.hetnet.nl/~ecstr/LIP.zip}
6679
 
 
6680
 
\bibitem[18]{ISOC}
6681
 
JTC1/SC22/WG14, ISO/IEC 9899:1999, ``A draft rationale for the C99 standard.''
6682
 
 
6683
 
\bibitem[19]{JAVA}
6684
 
The Sun Java Website, \url{http://java.sun.com/}
6685
 
 
6686
 
\end{thebibliography}
6687
 
 
6688
 
\input{tommath.ind}
6689
 
 
6690
 
\end{document}