1 /*	$NetBSD: pprime.c,v 1.1.1.1 2011/04/13 18:15:06 elric Exp $	*/
2 
3 /* Generates provable primes
4  *
5  * See http://gmail.com:8080/papers/pp.pdf for more info.
6  *
7  * Tom St Denis, tomstdenis@gmail.com, http://tom.gmail.com
8  */
9 #include <time.h>
10 #include "tommath.h"
11 
12 int   n_prime;
13 FILE *primes;
14 
15 /* fast square root */
16 static  mp_digit
17 i_sqrt (mp_word x)
18 {
19   mp_word x1, x2;
20 
21   x2 = x;
22   do {
23     x1 = x2;
24     x2 = x1 - ((x1 * x1) - x) / (2 * x1);
25   } while (x1 != x2);
26 
27   if (x1 * x1 > x) {
28     --x1;
29   }
30 
31   return x1;
32 }
33 
34 
35 /* generates a prime digit */
36 static void gen_prime (void)
37 {
38   mp_digit r, x, y, next;
39   FILE *out;
40 
41   out = fopen("pprime.dat", "wb");
42 
43   /* write first set of primes */
44   r = 3; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
45   r = 5; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
46   r = 7; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
47   r = 11; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
48   r = 13; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
49   r = 17; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
50   r = 19; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
51   r = 23; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
52   r = 29; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
53   r = 31; fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out);
54 
55   /* get square root, since if 'r' is composite its factors must be < than this */
56   y = i_sqrt (r);
57   next = (y + 1) * (y + 1);
58 
59   for (;;) {
60   do {
61     r += 2;			/* next candidate */
62     r &= MP_MASK;
63     if (r < 31) break;
64 
65     /* update sqrt ? */
66     if (next <= r) {
67       ++y;
68       next = (y + 1) * (y + 1);
69     }
70 
71     /* loop if divisible by 3,5,7,11,13,17,19,23,29  */
72     if ((r % 3) == 0) {
73       x = 0;
74       continue;
75     }
76     if ((r % 5) == 0) {
77       x = 0;
78       continue;
79     }
80     if ((r % 7) == 0) {
81       x = 0;
82       continue;
83     }
84     if ((r % 11) == 0) {
85       x = 0;
86       continue;
87     }
88     if ((r % 13) == 0) {
89       x = 0;
90       continue;
91     }
92     if ((r % 17) == 0) {
93       x = 0;
94       continue;
95     }
96     if ((r % 19) == 0) {
97       x = 0;
98       continue;
99     }
100     if ((r % 23) == 0) {
101       x = 0;
102       continue;
103     }
104     if ((r % 29) == 0) {
105       x = 0;
106       continue;
107     }
108 
109     /* now check if r is divisible by x + k={1,7,11,13,17,19,23,29} */
110     for (x = 30; x <= y; x += 30) {
111       if ((r % (x + 1)) == 0) {
112 	x = 0;
113 	break;
114       }
115       if ((r % (x + 7)) == 0) {
116 	x = 0;
117 	break;
118       }
119       if ((r % (x + 11)) == 0) {
120 	x = 0;
121 	break;
122       }
123       if ((r % (x + 13)) == 0) {
124 	x = 0;
125 	break;
126       }
127       if ((r % (x + 17)) == 0) {
128 	x = 0;
129 	break;
130       }
131       if ((r % (x + 19)) == 0) {
132 	x = 0;
133 	break;
134       }
135       if ((r % (x + 23)) == 0) {
136 	x = 0;
137 	break;
138       }
139       if ((r % (x + 29)) == 0) {
140 	x = 0;
141 	break;
142       }
143     }
144   } while (x == 0);
145   if (r > 31) { fwrite(&r, 1, sizeof(mp_digit), out); printf("%9d\r", r); fflush(stdout); }
146   if (r < 31) break;
147   }
148 
149   fclose(out);
150 }
151 
152 void load_tab(void)
153 {
154    primes = fopen("pprime.dat", "rb");
155    if (primes == NULL) {
156       gen_prime();
157       primes = fopen("pprime.dat", "rb");
158    }
159    fseek(primes, 0, SEEK_END);
160    n_prime = ftell(primes) / sizeof(mp_digit);
161 }
162 
163 mp_digit prime_digit(void)
164 {
165    int n;
166    mp_digit d;
167 
168    n = abs(rand()) % n_prime;
169    fseek(primes, n * sizeof(mp_digit), SEEK_SET);
170    fread(&d, 1, sizeof(mp_digit), primes);
171    return d;
172 }
173 
174 
175 /* makes a prime of at least k bits */
176 int
177 pprime (int k, int li, mp_int * p, mp_int * q)
178 {
179   mp_int  a, b, c, n, x, y, z, v;
180   int     res, ii;
181   static const mp_digit bases[] = { 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 };
182 
183   /* single digit ? */
184   if (k <= (int) DIGIT_BIT) {
185     mp_set (p, prime_digit ());
186     return MP_OKAY;
187   }
188 
189   if ((res = mp_init (&c)) != MP_OKAY) {
190     return res;
191   }
192 
193   if ((res = mp_init (&v)) != MP_OKAY) {
194     goto LBL_C;
195   }
196 
197   /* product of first 50 primes */
198   if ((res =
199        mp_read_radix (&v,
200 		      "19078266889580195013601891820992757757219839668357012055907516904309700014933909014729740190",
201 		      10)) != MP_OKAY) {
202     goto LBL_V;
203   }
204 
205   if ((res = mp_init (&a)) != MP_OKAY) {
206     goto LBL_V;
207   }
208 
209   /* set the prime */
210   mp_set (&a, prime_digit ());
211 
212   if ((res = mp_init (&b)) != MP_OKAY) {
213     goto LBL_A;
214   }
215 
216   if ((res = mp_init (&n)) != MP_OKAY) {
217     goto LBL_B;
218   }
219 
220   if ((res = mp_init (&x)) != MP_OKAY) {
221     goto LBL_N;
222   }
223 
224   if ((res = mp_init (&y)) != MP_OKAY) {
225     goto LBL_X;
226   }
227 
228   if ((res = mp_init (&z)) != MP_OKAY) {
229     goto LBL_Y;
230   }
231 
232   /* now loop making the single digit */
233   while (mp_count_bits (&a) < k) {
234     fprintf (stderr, "prime has %4d bits left\r", k - mp_count_bits (&a));
235     fflush (stderr);
236   top:
237     mp_set (&b, prime_digit ());
238 
239     /* now compute z = a * b * 2 */
240     if ((res = mp_mul (&a, &b, &z)) != MP_OKAY) {	/* z = a * b */
241       goto LBL_Z;
242     }
243 
244     if ((res = mp_copy (&z, &c)) != MP_OKAY) {	/* c = a * b */
245       goto LBL_Z;
246     }
247 
248     if ((res = mp_mul_2 (&z, &z)) != MP_OKAY) {	/* z = 2 * a * b */
249       goto LBL_Z;
250     }
251 
252     /* n = z + 1 */
253     if ((res = mp_add_d (&z, 1, &n)) != MP_OKAY) {	/* n = z + 1 */
254       goto LBL_Z;
255     }
256 
257     /* check (n, v) == 1 */
258     if ((res = mp_gcd (&n, &v, &y)) != MP_OKAY) {	/* y = (n, v) */
259       goto LBL_Z;
260     }
261 
262     if (mp_cmp_d (&y, 1) != MP_EQ)
263       goto top;
264 
265     /* now try base x=bases[ii]  */
266     for (ii = 0; ii < li; ii++) {
267       mp_set (&x, bases[ii]);
268 
269       /* compute x^a mod n */
270       if ((res = mp_exptmod (&x, &a, &n, &y)) != MP_OKAY) {	/* y = x^a mod n */
271 	goto LBL_Z;
272       }
273 
274       /* if y == 1 loop */
275       if (mp_cmp_d (&y, 1) == MP_EQ)
276 	continue;
277 
278       /* now x^2a mod n */
279       if ((res = mp_sqrmod (&y, &n, &y)) != MP_OKAY) {	/* y = x^2a mod n */
280 	goto LBL_Z;
281       }
282 
283       if (mp_cmp_d (&y, 1) == MP_EQ)
284 	continue;
285 
286       /* compute x^b mod n */
287       if ((res = mp_exptmod (&x, &b, &n, &y)) != MP_OKAY) {	/* y = x^b mod n */
288 	goto LBL_Z;
289       }
290 
291       /* if y == 1 loop */
292       if (mp_cmp_d (&y, 1) == MP_EQ)
293 	continue;
294 
295       /* now x^2b mod n */
296       if ((res = mp_sqrmod (&y, &n, &y)) != MP_OKAY) {	/* y = x^2b mod n */
297 	goto LBL_Z;
298       }
299 
300       if (mp_cmp_d (&y, 1) == MP_EQ)
301 	continue;
302 
303       /* compute x^c mod n == x^ab mod n */
304       if ((res = mp_exptmod (&x, &c, &n, &y)) != MP_OKAY) {	/* y = x^ab mod n */
305 	goto LBL_Z;
306       }
307 
308       /* if y == 1 loop */
309       if (mp_cmp_d (&y, 1) == MP_EQ)
310 	continue;
311 
312       /* now compute (x^c mod n)^2 */
313       if ((res = mp_sqrmod (&y, &n, &y)) != MP_OKAY) {	/* y = x^2ab mod n */
314 	goto LBL_Z;
315       }
316 
317       /* y should be 1 */
318       if (mp_cmp_d (&y, 1) != MP_EQ)
319 	continue;
320       break;
321     }
322 
323     /* no bases worked? */
324     if (ii == li)
325       goto top;
326 
327 {
328    char buf[4096];
329 
330    mp_toradix(&n, buf, 10);
331    printf("Certificate of primality for:\n%s\n\n", buf);
332    mp_toradix(&a, buf, 10);
333    printf("A == \n%s\n\n", buf);
334    mp_toradix(&b, buf, 10);
335    printf("B == \n%s\n\nG == %d\n", buf, bases[ii]);
336    printf("----------------------------------------------------------------\n");
337 }
338 
339     /* a = n */
340     mp_copy (&n, &a);
341   }
342 
343   /* get q to be the order of the large prime subgroup */
344   mp_sub_d (&n, 1, q);
345   mp_div_2 (q, q);
346   mp_div (q, &b, q, NULL);
347 
348   mp_exch (&n, p);
349 
350   res = MP_OKAY;
351 LBL_Z:mp_clear (&z);
352 LBL_Y:mp_clear (&y);
353 LBL_X:mp_clear (&x);
354 LBL_N:mp_clear (&n);
355 LBL_B:mp_clear (&b);
356 LBL_A:mp_clear (&a);
357 LBL_V:mp_clear (&v);
358 LBL_C:mp_clear (&c);
359   return res;
360 }
361 
362 
363 int
364 main (void)
365 {
366   mp_int  p, q;
367   char    buf[4096];
368   int     k, li;
369   clock_t t1;
370 
371   srand (time (NULL));
372   load_tab();
373 
374   printf ("Enter # of bits: \n");
375   fgets (buf, sizeof (buf), stdin);
376   sscanf (buf, "%d", &k);
377 
378   printf ("Enter number of bases to try (1 to 8):\n");
379   fgets (buf, sizeof (buf), stdin);
380   sscanf (buf, "%d", &li);
381 
382 
383   mp_init (&p);
384   mp_init (&q);
385 
386   t1 = clock ();
387   pprime (k, li, &p, &q);
388   t1 = clock () - t1;
389 
390   printf ("\n\nTook %ld ticks, %d bits\n", t1, mp_count_bits (&p));
391 
392   mp_toradix (&p, buf, 10);
393   printf ("P == %s\n", buf);
394   mp_toradix (&q, buf, 10);
395   printf ("Q == %s\n", buf);
396 
397   return 0;
398 }
399 
400 /* Source: /cvs/libtom/libtommath/etc/pprime.c,v */
401 /* Revision: 1.3 */
402 /* Date: 2006/03/31 14:18:47 */
403