List and check sigs works
[gnupg.git] / cipher / elgamal.c
1 /* elgamal.c  -  ElGamal Public Key encryption
2  *      Copyright (c) 1997 by Werner Koch (dd9jn)
3  *
4  * For a description of the algorithm, see:
5  *   Bruce Schneier: Applied Cryptography. John Wiley & Sons, 1996.
6  *   ISBN 0-471-11709-9. Pages 476 ff.
7  *
8  * This file is part of G10.
9  *
10  * G10 is free software; you can redistribute it and/or modify
11  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
12  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
13  * (at your option) any later version.
14  *
15  * G10 is distributed in the hope that it will be useful,
16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
18  * GNU General Public License for more details.
19  *
20  * You should have received a copy of the GNU General Public License
21  * along with this program; if not, write to the Free Software
22  * Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA
23  */
24
25 #include <config.h>
26 #include <stdio.h>
27 #include <stdlib.h>
28 #include <string.h>
29 #include "util.h"
30 #include "mpi.h"
31 #include "cipher.h"
32 #include "elgamal.h"
33
34
35 void
36 elg_free_public_key( ELG_public_key *pk )
37 {
38     mpi_free( pk->p ); pk->p = NULL;
39     mpi_free( pk->g ); pk->g = NULL;
40     mpi_free( pk->y ); pk->y = NULL;
41 }
42
43 void
44 elg_free_secret_key( ELG_secret_key *sk )
45 {
46     mpi_free( sk->p ); sk->p = NULL;
47     mpi_free( sk->g ); sk->g = NULL;
48     mpi_free( sk->y ); sk->y = NULL;
49     mpi_free( sk->x ); sk->x = NULL;
50 }
51
52
53 static void
54 test_keys( ELG_public_key *pk, ELG_secret_key *sk, unsigned nbits )
55 {
56     MPI test = mpi_alloc( nbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
57     MPI out1_a = mpi_alloc( nbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
58     MPI out1_b = mpi_alloc( nbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
59     MPI out2 = mpi_alloc( nbits / BITS_PER_MPI_LIMB );
60
61     mpi_set_bytes( test, nbits, get_random_byte, 0 );
62
63     elg_encrypted( out1_a, out1_b, test, pk );
64     elg_decrypted( out2, out1_a, out1_b, sk );
65     if( mpi_cmp( test, out2 ) )
66         log_fatal("ElGamal operation: encrypted, decrypted failed\n");
67
68     elg_sign( out1_a, out1_b, test, sk );
69     if( !elg_verify( out1_a, out1_b, test, pk ) )
70         log_fatal("ElGamal operation: sign, verify failed\n");
71
72     mpi_free( test );
73     mpi_free( out1_a );
74     mpi_free( out1_b );
75     mpi_free( out2 );
76 }
77
78
79 /****************
80  * generate a random secret exponent k from prime p, so
81  * that k is relatively prime to p-1
82  */
83 static MPI
84 gen_k( MPI p )
85 {
86     MPI k = mpi_alloc_secure( mpi_get_nlimbs(p) );
87     MPI temp = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(p) );
88     MPI p_1 = mpi_copy(p);
89     unsigned nbits = mpi_get_nbits(p);
90
91     if( DBG_CIPHER )
92         log_debug("choosing a random k ");
93     mpi_sub_ui( p_1, p, 1);
94     for(;;) {
95         if( DBG_CIPHER )
96             fputc('.', stderr);
97         mpi_set_bytes( k, nbits, get_random_byte, 1 );
98         mpi_set_bit( k, nbits-1 ); /* make sure it's high (needed?) */
99         if( mpi_cmp( k, p_1 ) >= 0 )
100             continue; /* is not smaller than (p-1) */
101         if( mpi_gcd( temp, k, p_1 ) )
102             break;  /* okay, k is relatively prime to (p-1) */
103     }
104     if( DBG_CIPHER )
105         fputc('\n', stderr);
106     mpi_free(p_1);
107     mpi_free(temp);
108
109     return k;
110 }
111
112 /****************
113  * Generate a key pair with a key of size NBITS
114  * Returns: 2 structures filles with all needed values
115  */
116 void
117 elg_generate( ELG_public_key *pk, ELG_secret_key *sk, unsigned nbits )
118 {
119     MPI p;    /* the prime */
120     MPI g;
121     MPI x;    /* the secret exponent */
122     MPI y;
123
124     p = generate_public_prime( nbits );
125     /* FIXME: check wether we shall assert that (p-1)/2 is also prime
126      *        Schneier votes against it
127      */
128     g = mpi_alloc_set_ui(3);
129
130     /* select a random number */
131     x = mpi_alloc_secure( nbits/BITS_PER_MPI_LIMB );
132     if( DBG_CIPHER )
133         log_debug("choosing a random x ");
134     do {
135         if( DBG_CIPHER )
136             fputc('.', stderr);
137         mpi_set_bytes( x, nbits, get_random_byte, 1 ); /* fixme: should be 2 */
138         mpi_set_bit( x, nbits-1 ); /* make sure it's high (needed?) */
139     } while( mpi_cmp( x, p ) >= 0 );  /* x must be samller than p */
140
141     y = mpi_alloc(nbits/BITS_PER_MPI_LIMB);
142     mpi_powm( y, g, x, p );
143
144     if( DBG_CIPHER ) {
145         fputc('\n', stderr);
146         log_mpidump("elg  p= ", p );
147         log_mpidump("elg  g= ", g );
148         log_mpidump("elg  y= ", y );
149         log_mpidump("elg  x= ", x );
150     }
151
152
153     /* copy the stuff to the key structures */
154     pk->p = mpi_copy(p);
155     pk->g = mpi_copy(g);
156     pk->y = mpi_copy(y);
157     sk->p = p;
158     sk->g = g;
159     sk->y = y;
160     sk->x = x;
161
162     /* now we can test our keys (this should never fail!) */
163     test_keys( pk, sk, nbits - 64 );
164 }
165
166
167 /****************
168  * Test wether the secret key is valid.
169  * Returns: if this is a valid key.
170  */
171 int
172 elg_check_secret_key( ELG_secret_key *sk )
173 {
174     int rc;
175     MPI y = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(sk->y) );
176
177     mpi_powm( y, sk->g, sk->x, sk->p );
178     rc = !mpi_cmp( y, sk->y );
179     mpi_free( y );
180     return rc;
181 }
182
183
184 void
185 elg_encrypted(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_public_key *pkey )
186 {
187     MPI k;
188
189     k = gen_k( pkey->p );
190     mpi_powm( a, pkey->g, k, pkey->p );
191     /* b = (y^k * input) mod p
192      *   = ((y^k mod p) * (input mod p)) mod p
193      * and because input is < p  (FIXME: check this!)
194      *   = ((y^k mod p) * input) mod p
195      */
196     mpi_powm( b, pkey->y, k, pkey->p );
197     mpi_mulm( b, b, input, pkey->p );
198   #if 0
199     if( DBG_CIPHER ) {
200         log_mpidump("elg encrypted y= ", pkey->y);
201         log_mpidump("elg encrypted p= ", pkey->p);
202         log_mpidump("elg encrypted k= ", k);
203         log_mpidump("elg encrypted M= ", input);
204         log_mpidump("elg encrypted a= ", a);
205         log_mpidump("elg encrypted b= ", b);
206     }
207   #endif
208     mpi_free(k);
209 }
210
211
212
213
214 void
215 elg_decrypted(MPI output, MPI a, MPI b, ELG_secret_key *skey )
216 {
217     MPI t1 = mpi_alloc_secure( mpi_get_nlimbs( skey->p ) );
218
219     /* output = b/(a^x) mod p */
220
221     mpi_powm( t1, a, skey->x, skey->p );
222     mpi_invm( t1, t1, skey->p );
223     mpi_mulm( output, b, t1, skey->p );
224   #if 0
225     if( DBG_CIPHER ) {
226         log_mpidump("elg decrypted x= ", skey->x);
227         log_mpidump("elg decrypted p= ", skey->p);
228         log_mpidump("elg decrypted a= ", a);
229         log_mpidump("elg decrypted b= ", b);
230         log_mpidump("elg decrypted M= ", output);
231     }
232   #endif
233     mpi_free(t1);
234 }
235
236
237 /****************
238  * Make an Elgamal signature out of INPUT
239  */
240
241 void
242 elg_sign(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_secret_key *skey )
243 {
244     MPI k;
245     MPI t   = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
246     MPI inv = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
247     MPI p_1 = mpi_copy(skey->p);
248
249    /*
250     * b = (t * inv) mod (p-1)
251     * b = (t * inv(k,(p-1),(p-1)) mod (p-1)
252     * b = (((M-x*a) mod (p-1)) * inv(k,(p-1),(p-1))) mod (p-1)
253     *
254     */
255     mpi_sub_ui(p_1, p_1, 1);
256     k = gen_k( skey->p );
257     mpi_powm( a, skey->g, k, skey->p );
258     mpi_mul(t, skey->x, a );
259     mpi_subm(t, input, t, p_1 );
260     while( mpi_is_neg(t) )
261         mpi_add(t, t, p_1);
262     mpi_invm(inv, k, p_1 );
263     mpi_mulm(b, t, inv, p_1 );
264
265   #if 0
266     if( DBG_CIPHER ) {
267         log_mpidump("elg sign p= ", skey->p);
268         log_mpidump("elg sign g= ", skey->g);
269         log_mpidump("elg sign y= ", skey->y);
270         log_mpidump("elg sign x= ", skey->x);
271         log_mpidump("elg sign k= ", k);
272         log_mpidump("elg sign M= ", input);
273         log_mpidump("elg sign a= ", a);
274         log_mpidump("elg sign b= ", b);
275     }
276   #endif
277     mpi_free(k);
278     mpi_free(t);
279     mpi_free(inv);
280     mpi_free(p_1);
281 }
282
283
284 /****************
285  * Returns true if the signature composed from A and B is valid.
286  */
287 int
288 elg_verify(MPI a, MPI b, MPI input, ELG_public_key *pkey )
289 {
290     int rc;
291     MPI t1 = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
292     MPI t2 = mpi_alloc( mpi_get_nlimbs(a) );
293
294     mpi_powm( t1, pkey->y, a, pkey->p );
295     mpi_powm( t2, a, b, pkey->p );
296     mpi_mulm( t1, t1, t2, pkey->p );
297
298     mpi_powm( t2, pkey->g, input, pkey->p );
299
300     rc = !mpi_cmp( t1, t2 );
301
302     mpi_free(t1);
303     mpi_free(t2);
304     return rc;
305 }
306