從Linux內(nèi)核中獲取真隨機(jī)數(shù)

 內(nèi)核隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器

Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一個(gè)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，從理論上說(shuō)這個(gè)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的是真隨機(jī)數(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)中的rand()，srand()產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)不同，盡管偽隨機(jī)數(shù)帶有一定的隨機(jī)特征，但這些數(shù)字序列并非統(tǒng)計(jì)意義上的隨機(jī)數(shù)。也就是說(shuō)它們是可重現(xiàn)的--只要每次使用相同的seed值，就能得到相同的偽隨機(jī)數(shù)列。通常通過(guò)使用time()的返回值來(lái)改變seed，以此得到不同的偽隨機(jī)數(shù)序列，但time()返回值的結(jié)果并不是不確定的(可預(yù)測(cè))，也就是這里仍然缺少一個(gè)不確定的噪聲源。對(duì)于需要真隨機(jī)數(shù)的程序，都不能允許使用偽隨機(jī)數(shù)。

為了獲得真正意義上的隨機(jī)數(shù)，需要一個(gè)外部的噪聲源。Linux內(nèi)核找到了一個(gè)完美的噪聲源產(chǎn)生者--就是使用計(jì)算機(jī)的人。我們?cè)谑褂糜?jì)算機(jī)時(shí)敲擊鍵盤的時(shí)間間隔，移動(dòng)鼠標(biāo)的距離與間隔，特定中斷的時(shí)間間隔等等，這些對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)講都是屬于非確定的和不可預(yù)測(cè)的。雖然計(jì)算機(jī)本身的行為完全由編程所控制，但人對(duì)外設(shè)硬件的操作具有很大的不確定性，而這些不確定性可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序中注冊(cè)的中斷處理例程(ISR)獲取。內(nèi)核根據(jù)這些非確定性的設(shè)備事件維護(hù)著一個(gè)熵池，池中的數(shù)據(jù)是完全隨機(jī)的。當(dāng)有新的設(shè)備事件到來(lái)，內(nèi)核會(huì)估計(jì)新加入的數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，當(dāng)我們從熵池中取出數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核會(huì)減少熵的估計(jì)值。

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;

}

上面這段代碼是x86上用來(lái)處理某條中斷線上注冊(cè)的ISR例程的函數(shù)。這里我們感興趣的地方是：如果ISR在注冊(cè)期間指定了 SA_SAMPLE_RANDOM標(biāo)志，在處理完action后，還要調(diào)用add_interrupt_randomness()這個(gè)函數(shù)，它使用中斷間隔時(shí)間為內(nèi)核隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生熵。內(nèi)核就是在這里為熵池填充新數(shù)據(jù)的。

如果我們完全不操作計(jì)算機(jī)會(huì)如何呢?也就是作為噪聲源的產(chǎn)生者，我們完全不去碰鍵盤，鼠標(biāo)等外設(shè)，不讓熵池獲得新的數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候如果去熵池取數(shù)據(jù)內(nèi)核會(huì)如何反應(yīng)?

內(nèi)核在每次從熵池中取數(shù)據(jù)后都會(huì)減少熵的估計(jì)值，如果熵估計(jì)值等于0了，內(nèi)核此時(shí)可以拒絕用戶對(duì)隨機(jī)數(shù)的請(qǐng)求操作。

獲取內(nèi)核隨機(jī)數(shù)

有兩種方法可以從熵池中獲取內(nèi)核隨機(jī)數(shù)。一種是通過(guò)內(nèi)核導(dǎo)出的隨機(jī)數(shù)接口，另一種是通過(guò)特殊的設(shè)備文件/dev/random和/dev/urandom。下面分別討論兩種方法。

熵的輸出接口

?

1 void get_random_bytes(void *buf, int nbytes)

該函數(shù)返回長(zhǎng)度為nbytes字節(jié)的緩沖區(qū)buf，無(wú)論熵估計(jì)是否為0都將返回?cái)?shù)據(jù)。使用這個(gè)函數(shù)時(shí)需要在內(nèi)核空間。我們寫一個(gè)小模塊來(lái)測(cè)試一下。

?

#include

#include

#include

#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

{

get_random_bytes(&randNum, sizeof(unsigned long));

printk(KERN_ALERT "We get random number: %ld\n", randNum);

}

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：

?

obj-m = get_random_num.o

KDIR = $(shell uname -r)

PWD = $(shell pwd)

all:

make -C [img]file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\)A[Y)I~](ZC9Z[3Y)IDK7LK.gif[/img]b/modules/$(KDIR)file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\OOY5$4OW5H`8`9%(9$)T67M.gifild M=$(PWD) modules

clean:

make -C [img]file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\)A[Y)I~](ZC9Z[3Y)IDK7LK.gif[/img]b/modules/$(KDIR)file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\OOY5$4OW5H`8`9%(9$)T67M.gifild M=$(PWD) clean

#end#

編譯之后加載模塊，通過(guò)dmesg命令輸出系統(tǒng)log最新的信息，可以看到我們的小模塊輸出了10個(gè)從內(nèi)核熵池中得到的隨機(jī)數(shù)。卸載模塊后再次加載可以重新獲取新的隨機(jī)數(shù)，觀察輸出結(jié)果，與之前得到的隨機(jī)數(shù)完全不一樣。

[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[!--empirenews.page--]

[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

這兩個(gè)特殊設(shè)備都是字符型設(shè)備。我們可以在用戶空間通過(guò)read系統(tǒng)調(diào)用讀這兩個(gè)設(shè)備文件以此獲取隨機(jī)數(shù)。這兩個(gè)設(shè)備文件的區(qū)別在于：如果內(nèi)核熵池的估計(jì)值為0時(shí)，

/dev/random將被阻塞，而/dev/urandom不會(huì)有這個(gè)限制。

#include

#include

#include

#include

#include

/* 從min和max中返回一個(gè)隨機(jī)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?yàn)槭菑?dev/random中讀取，read可能會(huì)被阻塞，一次讀取可能只能得到一個(gè)字節(jié)，

* 循環(huán)是為了讓我們讀取足夠的字節(jié)數(shù)來(lái)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));

}

同樣，還可以用dd命令從/dev/urandom中獲取指定字節(jié)數(shù)的隨機(jī)值并寫入文件中保存--如果你需要以文件的形式提供隨機(jī)數(shù)的話。

dd if=/dev/urandom of = file count = 1 bs = bytes