linux内核随机数产生器

来源：互联网发布：北京大土豆知乎编辑：程序博客网时间：2024/05/19 12:14

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。

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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

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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。

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#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：

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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。

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[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。

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#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));
}

同样，还可以用dd命令从/dev/urandom中获取指定字节数的随机值并写入文件中保存--如果你需要以文件的形式提供随机数的话。

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

关于内核随机数产生器的详细介绍，可参考Linux内核设计与实现第二版附录B。