从Linux内核中获取真随机数【转】

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mb5fdcae3079e89 2015-06-04 14:02:00

文章标签 随机数数据 #include javascript linux 文章分类 代码人生

内核随机数产生器

Linux内核实现了一个随机数产生器，从理论上说这个随机数产生器产生的是真随机数。与标准C库中的rand(),srand()产生的伪随机数不同，尽管伪随机数带有一定的随机特征，但这些数字序列并非统计意义上的随机数。也就是说它们是可重现的--只要每次使用相同的seed值，就能得到相同的伪随机数列。通常通过使用time()的返回值来改变seed，以此得到不同的伪随机数序列，但time()返回值的结果并不是不确定的（可预测），也就是这里仍然缺少一个不确定的噪声源。对于需要真随机数的程序，都不能允许使用伪随机数。

为了获得真正意义上的随机数，需要一个外部的噪声源。Linux内核找到了一个完美的噪声源产生者--就是使用计算机的人。我们在使用计算机时敲击键盘的时间间隔，移动鼠标的距离与间隔，特定中断的时间间隔等等，这些对于计算机来讲都是属于非确定的和不可预测的。虽然计算机本身的行为完全由编程所控制，但人对外设硬件的操作具有很大的不确定性，而这些不确定性可以通过驱动程序中注册的中断处理例程(ISR)获取。内核根据这些非确定性的设备事件维护着一个熵池，池中的数据是完全随机的。当有新的设备事件到来，内核会估计新加入的数据的随机性，当我们从熵池中取出数据时，内核会减少熵的估计值。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22	`asmlinkage` `int` `handle_IRQ_event(unsigned` `int` `irq,` `struct` `pt_regs regs,` `struct` `irqaction action)` `{` `int` `status = 1;` `int` `retval = 0;` `if` `(!(action->flags & SA_INTERRUPT))` `local_irq_enable();` `do` `{` `status \|= action->flags;` `retval \|= action->handler(irq, action->dev_id, regs);` `action = action->next;` `}``while` `(action);` `if` `(status & SA_SAMPLE_RANDOM)` `add_interrupt_randomness(irq);` `local_irq_disable();` `return` `retval;` `}`

上面这段代码是x86上用来处理某条中断线上注册的ISR例程的函数。这里我们感兴趣的地方是：如果ISR在注册期间指定了SA_SAMPLE_RANDOM标志，在处理完action后，还要调用add_interrupt_randomness()这个函数，它使用中断间隔时间为内核随机数产生器产生熵。内核就是在这里为熵池填充新数据的。

如果我们完全不操作计算机会如何呢？也就是作为噪声源的产生者，我们完全不去碰键盘，鼠标等外设，不让熵池获得新的数据，这个时候如果去熵池取数据内核会如何反应？

内核在每次从熵池中取数据后都会减少熵的估计值，如果熵估计值等于0了，内核此时可以拒绝用户对随机数的请求操作。

获取内核随机数

有两种方法可以从熵池中获取内核随机数。一种是通过内核导出的随机数接口，另一种是通过特殊的设备文件/dev/random和/dev/urandom。下面分别讨论两种方法。

熵的输出接口

1	`void` `get_random_bytes(``void` `*buf,` `int` `nbytes)`

该函数返回长度为nbytes字节的缓冲区buf，无论熵估计是否为0都将返回数据。使用这个函数时需要在内核空间。我们写一个小模块来测试一下。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30	`#include <linux/init.h>` `#include <linux/module.h>` `#include <linux/kernel.h>` `#define NUM 10` `void` `get_random_bytes(``void` `*buf,` `int` `nbytes);` `static` `int` `get_random_number(``void``)` `{` `unsigned` `long` `randNum[10];` `int` `i = 0;` `printk(KERN_ALERT` `"Get some real random number.\n"``);` `for` `(i=0; i<NUM; i++)` `{` `get_random_bytes(&randNum[i],` `sizeof``(unsigned` `long``));` `printk(KERN_ALERT` `"We get random number: %ld\n"``, randNum[i]);` `}` `return` `0;` `}` `static` `void` `random_exit(``void``)` `{` `printk(KERN_ALERT` `"quit get_random_num.\n"``);` `}` `module_init(get_random_number);` `module_exit(random_exit);` `MODULE_LICENSE(``"GPL"``);` `MODULE_AUTHOR(``"Test"``);`

Makefile如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	`obj-m = get_random_num.o` `KDIR = $(shell uname -r)` `PWD = $(shell pwd)` `all:` `make -C /lib/modules/$(KDIR)/build M=$(PWD) modules` `clean:` `make -C /lib/modules/$(KDIR)/build M=$(PWD) clean` `#end#`

编译之后加载模块，通过dmesg命令输出系统log最新的信息，可以看到我们的小模块输出了10个从内核熵池中得到的随机数。卸载模块后再次加载可以重新获取新的随机数，观察输出结果，与之前得到的随机数完全不一样。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23	`[37972.467955] Get some real random number.` `[37972.468392] We get random number: -82199505` `[37972.468580] We get random number: -276237802` `[37972.468586] We get random number: 411869317` `[37972.468590] We get random number: 1779353222` `[37972.468594] We get random number: 823507551` `[37972.468598] We get random number: 1061461415` `[37972.468602] We get random number: 1372137935` `[37972.468606] We get random number: 1460835009` `[37972.468610] We get random number: 2002191729` `[37972.468614] We get random number: -272204344` `[38059.349589] quit get_random_num.` `[38070.575433] Get some real random number.` `[38070.575462] We get random number: 1111808207` `[38070.575476] We get random number: -13789055` `[38070.575481] We get random number: 240443446` `[38070.575485] We get random number: -606998911` `[38070.575489] We get random number: 538794850` `[38070.575493] We get random number: -500786675` `[38070.575497] We get random number: -1240394927` `[38070.575501] We get random number: 1233931345` `[38070.575504] We get random number: 1488497117` `[38070.575508] We get random number: -177688514`

/dev/random & /dev/urandom

这两个特殊设备都是字符型设备。我们可以在用户空间通过read系统调用读这两个设备文件以此获取随机数。这两个设备文件的区别在于：如果内核熵池的估计值为0时，

/dev/random将被阻塞，而/dev/urandom不会有这个限制。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39	`#include <assert.h>` `#include <sys/stat.h>` `#include <sys/types.h>` `#include <fcntl.h>` `#include <unistd.h>` `/* 从min和max中返回一个随机值 /` `int` `random_number(``int` `min,` `int` `max)` `{` `static` `int` `dev_random_fd = -1;` `char` `next_random_byte;` `int` `bytes_to_read;` `unsigned random_value;` `assert``(max > min);` `if` `(dev_random_fd == -1)` `{` `dev_random_fd = open(``"/dev/random"``, O_RDONLY);` `assert``(dev_random_fd != -1);` `}` `next_random_byte = (``char` `)&random_value;` `bytes_to_read =` `sizeof``(random_value);` `/ 因为是从/dev/random中读取，read可能会被阻塞，一次读取可能只能得到一个字节，` `* 循环是为了让我们读取足够的字节数来填充random_value.` `*/` `do` `{` `int` `bytes_read;` `bytes_read = read(dev_random_fd, next_random_byte, bytes_to_read);` `bytes_to_read -= bytes_read;` `next_random_byte += bytes_read;` `}``while``(bytes_to_read > 0);` `return` `min + (random_value % (max - min + 1));` `}`