redux.txt
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WINDOWS

  1. Modular Reduction
  2. Usually, modular reduction is accomplished by long division, using the
  3. mp_div() or mp_mod() functions.  However, when performing modular
  4. exponentiation, you spend a lot of time reducing by the same modulus
  5. again and again.  For this purpose, doing a full division for each
  6. multiplication is quite inefficient.
  7. For this reason, the mp_exptmod() function does not perform modular
  8. reductions in the usual way, but instead takes advantage of an
  9. algorithm due to Barrett, as described by Menezes, Oorschot and
  10. VanStone in their book _Handbook of Applied Cryptography_, published
  11. by the CRC Press (see Chapter 14 for details).  This method reduces
  12. most of the computation of reduction to efficient shifting and masking
  13. operations, and avoids the multiple-precision division entirely.
  14. Here is a brief synopsis of Barrett reduction, as it is implemented in
  15. this library.
  16. Let b denote the radix of the computation (one more than the maximum
  17. value that can be denoted by an mp_digit).  Let m be the modulus, and
  18. let k be the number of significant digits of m.  Let x be the value to
  19. be reduced modulo m.  By the Division Theorem, there exist unique
  20. integers Q and R such that:
  21.  x = Qm + R, 0 <= R < m
  22. Barrett reduction takes advantage of the fact that you can easily
  23. approximate Q to within two, given a value M such that:
  24.                   2k
  25.                  b
  26.     M = floor( ----- )
  27.                  m
  28. Computation of M requires a full-precision division step, so if you
  29. are only doing a single reduction by m, you gain no advantage.
  30. However, when multiple reductions by the same m are required, this
  31. division need only be done once, beforehand.  Using this, we can use
  32. the following equation to compute Q', an approximation of Q:
  33.                      x
  34.             floor( ------ ) M
  35.                       k-1
  36.                      b
  37. Q' = floor( ----------------- )
  38.                     k+1
  39.                    b
  40. The divisions by b^(k-1) and b^(k+1) and the floor() functions can be
  41. efficiently implemented with shifts and masks, leaving only a single
  42. multiplication to be performed to get this approximation.  It can be
  43. shown that Q - 2 <= Q' <= Q, so in the worst case, we can get out with
  44. two additional subtractions to bring the value into line with the
  45. actual value of Q.
  46. Once we've got Q', we basically multiply that by m and subtract from
  47. x, yielding:
  48.    x - Q'm = Qm + R - Q'm
  49. Since we know the constraint on Q', this is one of:
  50.       R
  51.       m + R
  52.       2m + R
  53. Since R < m by the Division Theorem, we can simply subtract off m
  54. until we get a value in the correct range, which will happen with no
  55. more than 2 subtractions:
  56.      v = x - Q'm
  57.      while(v >= m)
  58.        v = v - m
  59.      endwhile
  60. In random performance trials, modular exponentiation using this method
  61. of reduction gave around a 40% speedup over using the division for
  62. reduction.
  63. ------------------------------------------------------------------
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