從Linux內(nèi)核中獲取真隨機(jī)數(shù)
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內(nèi)核隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器
本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/201610/305407.htmLinux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: %ldn, 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 = $(shell pwd)
all:
make -C [img]file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1Temp)A[Y)I~](ZC9Z[3Y)IDK7LK.gif[/img]b/modules/$(KDIR)file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1TempOOY5$4OW5H`8`9%(9$)T67M.gifild M=$(PWD) modules
clean:
make -C [img]file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1Temp)A[Y)I~](ZC9Z[3Y)IDK7LK.gif[/img]b/modules/$(KDIR)file:///C:DOCUME~1ADMINI~1LOCALS~1TempOOY5$4OW5H`8`9%(9$)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
評(píng)論