cipher reorganisiert
[libgcrypt.git] / cipher / random.c
index b4abbdd..025f20e 100644 (file)
@@ -1,14 +1,14 @@
 /* random.c  - random number generator
- *     Copyright (c) 1997 by Werner Koch (dd9jn)
+ *     Copyright (C) 1998 Free Software Foundation, Inc.
  *
- * This file is part of G10.
+ * This file is part of GNUPG.
  *
- * G10 is free software; you can redistribute it and/or modify
+ * GNUPG is free software; you can redistribute it and/or modify
  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  * (at your option) any later version.
  *
- * G10 is distributed in the hope that it will be useful,
+ * GNUPG is distributed in the hope that it will be useful,
  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  * GNU General Public License for more details.
  * Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA
  */
 
+
+/****************
+ * How it works:
+ *
+ * See Peter Gutmann's Paper: "Software Generation of Practically
+ * Strong Random Numbers"
+ *
+ * fixme!
+ */
+
+
 #include <config.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
+#include <assert.h>
 #include <errno.h>
+#include <sys/time.h>
+#include <sys/types.h>
+#include <sys/stat.h>
+#ifndef HAVE_GETTIMEOFTIME
+  #include <sys/times.h>
+#endif
+#ifdef HAVE_GETRUSAGE
+  #include <sys/resource.h>
+#endif
+#include <string.h>
+#include <unistd.h>
+#include <fcntl.h>
 #include "util.h"
-#include "cipher.h"
+#include "random.h"
+#include "rmd.h"
+#include "ttyio.h"
+#include "i18n.h"
 
-static struct {
-    int level;
+
+#define BLOCKLEN  64   /* hash this amount of bytes */
+#define DIGESTLEN 20   /* into a digest of this length (rmd160) */
+/* poolblocks is the number of digests which make up the pool
+ * and poolsize must be a multiple of the digest length
+ * to make the AND operations faster, the size should also be
+ * a multiple of ulong
+ */
+#define POOLBLOCKS 30
+#define POOLSIZE (POOLBLOCKS*DIGESTLEN)
+#if (POOLSIZE % SIZEOF_UNSIGNED_LONG)
+  #error Please make sure that poolsize is a multiple of ulong
+#endif
+#define POOLWORDS (POOLSIZE / SIZEOF_UNSIGNED_LONG)
+#if SIZEOF_UNSIGNED_LONG == 8
+  #define ADD_VALUE 0xa5a5a5a5a5a5a5a5
+#elif SIZEOF_UNSIGNED_LONG == 4
+  #define ADD_VALUE 0xa5a5a5a5
+#else
+  #error weird size for an unsigned long
+#endif
+
+struct cache {
     int len;
-    byte buffer[100]; /* fixme: should this be allocated in secure space? */
-} cache;
+    int size;
+    byte *buffer;
+};
+
+
+static int is_initialized;
+static struct cache cache[3];
+#define MASK_LEVEL(a) do {if( a > 2 ) a = 2; else if( a < 0 ) a = 0; } while(0)
+static char *rndpool;  /* allocated size is POOLSIZE+BLOCKLEN */
+static char *keypool;  /* allocated size is POOLSIZE+BLOCKLEN */
+static size_t pool_readpos;
+static size_t pool_writepos;
+static int pool_filled;
+static int pool_balance;
+static int just_mixed;
+
+static int secure_alloc;
+static int quick_test;
+
+
+
+static void read_pool( byte *buffer, size_t length, int level );
+static void read_dev_random( byte *buffer, size_t length, int level );
+
+
+static void
+initialize()
+{
+    /* The data buffer is allocated somewhat larger, so that
+     * we can use this extra space (which is allocated in secure memory)
+     * as a temporary hash buffer */
+    rndpool = secure_alloc ? m_alloc_secure_clear(POOLSIZE+BLOCKLEN)
+                          : m_alloc_clear(POOLSIZE+BLOCKLEN);
+    keypool = secure_alloc ? m_alloc_secure_clear(POOLSIZE+BLOCKLEN)
+                          : m_alloc_clear(POOLSIZE+BLOCKLEN);
+    is_initialized = 1;
+}
+
+void
+secure_random_alloc()
+{
+    secure_alloc = 1;
+}
+
+int
+quick_random_gen( int onoff )
+{
+    int last = quick_test;
+    if( onoff != -1 )
+       quick_test = onoff;
+  #ifndef HAVE_DEV_RANDOM
+    last = 1; /* insecure RNG */
+  #endif
+    return last;
+}
+
 
 /****************
  * Fill the buffer with LENGTH bytes of cryptologic strong
@@ -39,30 +141,341 @@ static struct {
 void
 randomize_buffer( byte *buffer, size_t length, int level )
 {
-    FILE *fp;
-
-    if( level == 2 )
-       level = 1; /* 2 is much too slow */
-    /* FIXME: do a stat and check that we have the correct device numbers*/
-    fp = fopen(level < 2? "/dev/urandom":"/dev/random", "r");
-    if( !fp )
-       log_fatal("can't open random device: %s\n", strerror(errno) );
     for( ; length; length-- )
-       *buffer++ = getc(fp);
-    fclose(fp);
+       *buffer++ = get_random_byte(level);
 }
 
 
 byte
 get_random_byte( int level )
 {
-    if( !cache.len || cache.level < level ) {
-       randomize_buffer(cache.buffer, DIM(cache.buffer), level );
-       cache.level = level;
-       cache.len = DIM(cache.buffer);
+    MASK_LEVEL(level);
+    if( !cache[level].len ) {
+       if( !is_initialized )
+           initialize();
+       if( !cache[level].buffer ) {
+           cache[level].size = 100;
+           cache[level].buffer = level && secure_alloc?
+                                        m_alloc_secure( cache[level].size )
+                                      : m_alloc( cache[level].size );
+       }
+       read_pool(cache[level].buffer, cache[level].size, level );
+       cache[level].len = cache[level].size;
+    }
+
+    return cache[level].buffer[--cache[level].len];
+}
+
+
+
+/****************
+ * Return a pointer to a randomized buffer of level 0 and LENGTH bits
+ * caller must free the buffer. This function does not use the
+ * cache (will be removed in future). Note: The returned value is
+ * rounded up to bytes.
+ */
+byte *
+get_random_bits( size_t nbits, int level, int secure )
+{
+    byte *buf;
+    size_t nbytes = (nbits+7)/8;
+
+    MASK_LEVEL(level);
+    buf = secure? m_alloc_secure( nbytes ) : m_alloc( nbytes );
+    read_pool( buf, nbytes, level );
+    return buf;
+}
+
+
+/****************
+ * Mix the pool
+ */
+static void
+mix_pool(byte *pool)
+{
+    char *hashbuf = pool + POOLSIZE;
+    char *p, *pend;
+    int i, n;
+    RMD160_CONTEXT md;
+
+    rmd160_init( &md );
+ #if DIGESTLEN != 20
+    #error must have a digest length of 20 for ripe-md-160
+ #endif
+    /* loop over the pool */
+    pend = pool + POOLSIZE;
+    memcpy(hashbuf, pend - DIGESTLEN, DIGESTLEN );
+    memcpy(hashbuf+DIGESTLEN, pool, BLOCKLEN-DIGESTLEN);
+    rmd160_mixblock( &md, hashbuf);
+    memcpy(pool, hashbuf, 20 );
+
+    p = pool;
+    for( n=1; n < POOLBLOCKS; n++ ) {
+       memcpy(hashbuf, p, DIGESTLEN );
+
+       p += DIGESTLEN;
+       if( p+DIGESTLEN+BLOCKLEN < pend )
+           memcpy(hashbuf+DIGESTLEN, p+DIGESTLEN, BLOCKLEN-DIGESTLEN);
+       else {
+           char *pp = p+DIGESTLEN;
+           for(i=DIGESTLEN; i < BLOCKLEN; i++ ) {
+               if( pp >= pend )
+                   pp = pool;
+               hashbuf[i] = *pp++;
+           }
+       }
+
+       rmd160_mixblock( &md, hashbuf);
+       memcpy(p, hashbuf, 20 );
+    }
+}
+
+
+static void
+read_pool( byte *buffer, size_t length, int level )
+{
+    int i;
+    ulong *sp, *dp;
+
+    if( length >= POOLSIZE )
+       BUG(); /* not allowed */
+    if( !level ) { /* read simple random bytes */
+       read_dev_random( buffer, length, level );
+       return;
+    }
+
+    /* for level 2 make sure that there is enough random in the pool */
+    if( level == 2 && pool_balance < length ) {
+       size_t needed;
+       byte *p;
+
+       if( pool_balance < 0 )
+           pool_balance = 0;
+       needed = length - pool_balance;
+       if( needed > POOLSIZE )
+           BUG();
+       p = m_alloc_secure( needed );
+       read_dev_random( p, needed, 2 ); /* read /dev/random */
+       add_randomness( p, needed, 3);
+       m_free(p);
+       pool_balance += needed;
+    }
+
+    /* make sure the pool is filled */
+    while( !pool_filled )
+       random_poll();
+    /* do always a fast random poll */
+    fast_random_poll();
+
+    /* mix the pool (if add_randomness() didn't it) */
+    if( !just_mixed )
+       mix_pool(rndpool);
+
+    /* create a new pool */
+    for(i=0,dp=(ulong*)keypool, sp=(ulong*)rndpool;
+                               i < POOLWORDS; i++, dp++, sp++ )
+       *dp = *sp + ADD_VALUE;
+    /* and mix both pools */
+    mix_pool(rndpool);
+    mix_pool(keypool);
+    /* read the required data
+     * we use a readpoiter to read from a different postion each
+     * time */
+    while( length-- ) {
+       *buffer++ = keypool[pool_readpos++];
+       if( pool_readpos >= POOLSIZE )
+           pool_readpos = 0;
+       pool_balance--;
+    }
+    if( pool_balance < 0 )
+       pool_balance = 0;
+    /* and clear the keypool */
+    memset( keypool, 0, POOLSIZE );
+}
+
+
+/****************
+ * Add LENGTH bytes of randomness from buffer to the pool.
+ * source may be used to specify the randomeness source.
+ */
+void
+add_randomness( const void *buffer, size_t length, int source )
+{
+    if( !is_initialized )
+       initialize();
+    while( length-- ) {
+       rndpool[pool_writepos++] = *((byte*)buffer)++;
+       if( pool_writepos >= POOLSIZE ) {
+           pool_filled = 1;
+           pool_writepos = 0;
+           mix_pool(rndpool);
+           just_mixed = !length;
+       }
+    }
+}
+
+
+
+/********************
+ *  FIXME: move these functions to rand_unix.c
+ */
+
+void
+random_poll()
+{
+    char buf[POOLSIZE/5];
+    read_dev_random( buf, POOLSIZE/5, 1 ); /* read /dev/urandom */
+    add_randomness( buf, POOLSIZE/5, 2);
+    memset( buf, 0, POOLSIZE/5);
+}
+
+
+void
+fast_random_poll()
+{
+  #ifdef HAVE_GETTIMEOFTIME
+    {  struct timeval tv;
+       if( gettimeofday( &tv, NULL ) )
+           BUG();
+       add_randomness( &tv.tv_sec, sizeof(tv.tv_sec), 1 );
+       add_randomness( &tv.tv_usec, sizeof(tv.tv_usec), 1 );
+    }
+  #else /* use times */
+    {  struct tms buf;
+       times( &buf );
+       add_randomness( &buf, sizeof buf, 1 );
+    }
+  #endif
+  #ifdef HAVE_GETRUSAGE
+    {  struct rusage buf;
+       if( getrusage( RUSAGE_SELF, &buf ) )
+           BUG();
+       add_randomness( &buf, sizeof buf, 1 );
+       memset( &buf, 0, sizeof buf );
+    }
+  #endif
+}
+
+
+#ifdef HAVE_DEV_RANDOM
+
+static int
+open_device( const char *name, int minor )
+{
+    int fd;
+    struct stat sb;
+
+    fd = open( name, O_RDONLY );
+    if( fd == -1 )
+       log_fatal("can't open %s: %s\n", name, strerror(errno) );
+    if( fstat( fd, &sb ) )
+       log_fatal("stat() off %s failed: %s\n", name, strerror(errno) );
+  #if defined(__sparc__) && defined(__linux__)
+    #warning something is wrong with UltraPenguin /dev/random
+  #else
+    if( !S_ISCHR(sb.st_mode) )
+       log_fatal("invalid random device!\n" );
+  #endif
+    return fd;
+}
+
+
+static void
+read_dev_random( byte *buffer, size_t length, int level )
+{
+    static int fd_urandom = -1;
+    static int fd_random = -1;
+    int fd;
+    int n;
+    int warn=0;
+
+    if( level == 2 && !quick_test ) {
+       if( fd_random == -1 )
+           fd_random = open_device( "/dev/random", 8 );
+       fd = fd_random;
+    }
+    else {
+       /* fixme: we should use a simpler one for level 0,
+        * because reading from /dev/urandom removes entropy
+        * and the next read on /dev/random may have to wait */
+       if( fd_urandom == -1 )
+           fd_urandom = open_device( "/dev/urandom", 9 );
+       fd = fd_urandom;
+    }
+
+
+    do {
+       fd_set rfds;
+       struct timeval tv;
+       int rc;
+
+       FD_ZERO(&rfds);
+       FD_SET(fd, &rfds);
+       tv.tv_sec = 3;
+       tv.tv_usec = 0;
+       if( !(rc=select(fd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv)) ) {
+           if( !warn )
+               tty_printf( _(
+"\n"
+"Not enough random bytes available.  Please do some other work to give\n"
+"the OS a chance to collect more entropy! (Need %d more bytes)\n"), length );
+           warn = 1;
+           continue;
+       }
+       else if( rc == -1 ) {
+           tty_printf("select() error: %s\n", strerror(errno));
+           continue;
+       }
+
+       assert( length < 500 );
+       do {
+           n = read(fd, buffer, length );
+           if( n >= 0 && n > length ) {
+               log_error("bogus read from random device (n=%d)\n", n );
+               n = length;
+           }
+       } while( n == -1 && errno == EINTR );
+       if( n == -1 )
+           log_fatal("read error on random device: %s\n", strerror(errno) );
+       assert( n <= length );
+       buffer += n;
+       length -= n;
+    } while( length );
+}
+
+#else /* not HAVE_DEV_RANDOM */
+
+
+#ifndef RAND_MAX   /* for SunOS */
+  #define RAND_MAX 32767
+#endif
+
+static void
+read_dev_random( byte *buffer, size_t length, int level )
+{
+    static int initialized=0;
+
+    if( !initialized ) {
+       log_info(_("warning: using insecure random number generator!!\n"));
+       tty_printf(_("The random number generator is only a kludge to let\n"
+                  "it compile - it is in no way a strong RNG!\n\n"
+                  "DON'T USE ANY DATA GENERATED BY THIS PROGRAM!!\n\n"));
+       initialized=1;
+      #ifdef HAVE_RAND
+       srand(make_timestamp()*getpid());
+      #else
+       srandom(make_timestamp()*getpid());
+      #endif
     }
 
-    return cache.buffer[--cache.len];
+  #ifdef HAVE_RAND
+    while( length-- )
+       *buffer++ = ((unsigned)(1 + (int) (256.0*rand()/(RAND_MAX+1.0)))-1);
+  #else
+    while( length-- )
+       *buffer++ = ((unsigned)(1 + (int) (256.0*random()/(RAND_MAX+1.0)))-1);
+  #endif
 }
 
+#endif