linux 内核获取随机数

快来打我* 2021-07-28 14:36 336阅读 0赞

### linux内核的熵池 ###

Linux内核采用熵来描述数据的随机性。熵（entropy）是描述系统混乱无序程度的物理量，一个系统的熵越大则说明该系统的有序性越差，即不确定性越大。在信息学中，熵被用来表征一个符号或系统的不确定性，熵越大，表明系统所含有用信息量越少，不确定度越大。

计算机本身是可预测的系统，因此，用计算机算法不可能产生真正的随机数。但是机器的环境中充满了各种各样的噪声，如硬件设备发生中断的时间，用户点击鼠标的时间间隔等是完全随机的，事先无法预测。Linux内核实现的随机数产生器正是利用系统中的这些随机噪声来产生高质量随机数序列。

内核维护了一个熵池用来收集来自设备驱动程序和其它来源的环境噪音。理论上，熵池中的数据是完全随机的，可以实现产生真随机数序列。为跟踪熵池中数据的随机性，内核在将数据加入池的时候将估算数据的随机性，这个过程称作熵估算。熵估算值描述池中包含的随机数位数，其值越大表示池中数据的随机性越好。

### 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。

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

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。

#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：

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

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。

[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。

#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。