lib/random32.c

   1 /*
   2  * This is a maximally equidistributed combined Tausworthe generator
   3  * based on code from GNU Scientific Library 1.5 (30 Jun 2004)
   4  *
   5  * lfsr113 version:
   6  *
   7  * x_n = (s1_n ^ s2_n ^ s3_n ^ s4_n)
   8  *
   9  * s1_{n+1} = (((s1_n & 4294967294) << 18) ^ (((s1_n <<  6) ^ s1_n) >> 13))
  10  * s2_{n+1} = (((s2_n & 4294967288) <<  2) ^ (((s2_n <<  2) ^ s2_n) >> 27))
  11  * s3_{n+1} = (((s3_n & 4294967280) <<  7) ^ (((s3_n << 13) ^ s3_n) >> 21))
  12  * s4_{n+1} = (((s4_n & 4294967168) << 13) ^ (((s4_n <<  3) ^ s4_n) >> 12))
  13  *
  14  * The period of this generator is about 2^113 (see erratum paper).
  15  *
  16  * From: P. L'Ecuyer, "Maximally Equidistributed Combined Tausworthe
  17  * Generators", Mathematics of Computation, 65, 213 (1996), 203--213:
  18  * http://www.iro.umontreal.ca/~lecuyer/myftp/papers/tausme.ps
  19  * ftp://ftp.iro.umontreal.ca/pub/simulation/lecuyer/papers/tausme.ps
  20  *
  21  * There is an erratum in the paper "Tables of Maximally Equidistributed
  22  * Combined LFSR Generators", Mathematics of Computation, 68, 225 (1999),
  23  * 261--269: http://www.iro.umontreal.ca/~lecuyer/myftp/papers/tausme2.ps
  24  *
  25  *      ... the k_j most significant bits of z_j must be non-zero,
  26  *      for each j. (Note: this restriction also applies to the
  27  *      computer code given in [4], but was mistakenly not mentioned
  28  *      in that paper.)
  29  *
  30  * This affects the seeding procedure by imposing the requirement
  31  * s1 > 1, s2 > 7, s3 > 15, s4 > 127.
  32  */
  33
  34 #include <linux/types.h>
  35 #include <linux/percpu.h>
  36 #include <linux/export.h>
  37 #include <linux/jiffies.h>
  38 #include <linux/random.h>
  39 #include <linux/sched.h>
  40 #include <asm/unaligned.h>
  41
  42 /**
  43  *      prandom_u32_state - seeded pseudo-random number generator.
  44  *      @state: pointer to state structure holding seeded state.
  45  *
  46  *      This is used for pseudo-randomness with no outside seeding.
  47  *      For more random results, use prandom_u32().
  48  */
  49 u32 prandom_u32_state(struct rnd_state *state)
  50 {
  51 #define TAUSWORTHE(s, a, b, c, d) ((s & c) << d) ^ (((s << a) ^ s) >> b)
  52         state->s1 = TAUSWORTHE(state->s1,  6U, 13U, 4294967294U, 18U);
  53         state->s2 = TAUSWORTHE(state->s2,  2U, 27U, 4294967288U,  2U);
  54         state->s3 = TAUSWORTHE(state->s3, 13U, 21U, 4294967280U,  7U);
  55         state->s4 = TAUSWORTHE(state->s4,  3U, 12U, 4294967168U, 13U);
  56
  57         return (state->s1 ^ state->s2 ^ state->s3 ^ state->s4);
  58 }
  59 EXPORT_SYMBOL(prandom_u32_state);
  60
  61 /**
  62  *      prandom_bytes_state - get the requested number of pseudo-random bytes
  63  *
  64  *      @state: pointer to state structure holding seeded state.
  65  *      @buf: where to copy the pseudo-random bytes to
  66  *      @bytes: the requested number of bytes
  67  *
  68  *      This is used for pseudo-randomness with no outside seeding.
  69  *      For more random results, use prandom_bytes().
  70  */
  71 void prandom_bytes_state(struct rnd_state *state, void *buf, size_t bytes)
  72 {
  73         u8 *ptr = buf;
  74
  75         while (bytes >= sizeof(u32)) {
  76                 put_unaligned(prandom_u32_state(state), (u32 *) ptr);
  77                 ptr += sizeof(u32);
  78                 bytes -= sizeof(u32);
  79         }
  80
  81         if (bytes > 0) {
  82                 u32 rem = prandom_u32_state(state);
  83                 do {
  84                         *ptr++ = (u8) rem;
  85                         bytes--;
  86                         rem >>= BITS_PER_BYTE;
  87                 } while (bytes > 0);
  88         }
  89 }
  90 EXPORT_SYMBOL(prandom_bytes_state);
  91
  92 static void prandom_warmup(struct rnd_state *state)
  93 {
  94         /* Calling RNG ten times to satisfy recurrence condition */
  95         prandom_u32_state(state);
  96         prandom_u32_state(state);
  97         prandom_u32_state(state);
  98         prandom_u32_state(state);
  99         prandom_u32_state(state);
 100         prandom_u32_state(state);
 101         prandom_u32_state(state);
 102         prandom_u32_state(state);
 103         prandom_u32_state(state);
 104         prandom_u32_state(state);
 105 }
 106
 107 void prandom_seed_full_state(struct rnd_state __percpu *pcpu_state)
 108 {
 109         int i;
 110
 111         for_each_possible_cpu(i) {
 112                 struct rnd_state *state = per_cpu_ptr(pcpu_state, i);
 113                 u32 seeds[4];
 114
 115                 get_random_bytes(&seeds, sizeof(seeds));
 116                 state->s1 = __seed(seeds[0],   2U);
 117                 state->s2 = __seed(seeds[1],   8U);
 118                 state->s3 = __seed(seeds[2],  16U);
 119                 state->s4 = __seed(seeds[3], 128U);
 120
 121                 prandom_warmup(state);
 122         }
 123 }
 124
 125 #ifdef CONFIG_RANDOM32_SELFTEST
 126 static struct prandom_test1 {
 127         u32 seed;
 128         u32 result;
 129 } test1[] = {
 130         { 1U, 3484351685U },
 131         { 2U, 2623130059U },
 132         { 3U, 3125133893U },
 133         { 4U,  984847254U },
 134 };
 135
 136 static struct prandom_test2 {
 137         u32 seed;
 138         u32 iteration;
 139         u32 result;
 140 } test2[] = {
 141         /* Test cases against taus113 from GSL library. */
 142         {  931557656U, 959U, 2975593782U },
 143         { 1339693295U, 876U, 3887776532U },
 144         { 1545556285U, 961U, 1615538833U },
 145         {  601730776U, 723U, 1776162651U },
 146         { 1027516047U, 687U,  511983079U },
 147         {  416526298U, 700U,  916156552U },
 148         { 1395522032U, 652U, 2222063676U },
 149         {  366221443U, 617U, 2992857763U },
 150         { 1539836965U, 714U, 3783265725U },
 151         {  556206671U, 994U,  799626459U },
 152         {  684907218U, 799U,  367789491U },
 153         { 2121230701U, 931U, 2115467001U },
 154         { 1668516451U, 644U, 3620590685U },
 155         {  768046066U, 883U, 2034077390U },
 156         { 1989159136U, 833U, 1195767305U },
 157         {  536585145U, 996U, 3577259204U },
 158         { 1008129373U, 642U, 1478080776U },
 159         { 1740775604U, 939U, 1264980372U },
 160         { 1967883163U, 508U,   10734624U },
 161         { 1923019697U, 730U, 3821419629U },
 162         {  442079932U, 560U, 3440032343U },
 163         { 1961302714U, 845U,  841962572U },
 164         { 2030205964U, 962U, 1325144227U },
 165         { 1160407529U, 507U,  240940858U },
 166         {  635482502U, 779U, 4200489746U },
 167         { 1252788931U, 699U,  867195434U },
 168         { 1961817131U, 719U,  668237657U },
 169         { 1071468216U, 983U,  917876630U },
 170         { 1281848367U, 932U, 1003100039U },
 171         {  582537119U, 780U, 1127273778U },
 172         { 1973672777U, 853U, 1071368872U },
 173         { 1896756996U, 762U, 1127851055U },
 174         {  847917054U, 500U, 1717499075U },
 175         { 1240520510U, 951U, 2849576657U },
 176         { 1685071682U, 567U, 1961810396U },
 177         { 1516232129U, 557U,    3173877U },
 178         { 1208118903U, 612U, 1613145022U },
 179         { 1817269927U, 693U, 4279122573U },
 180         { 1510091701U, 717U,  638191229U },
 181         {  365916850U, 807U,  600424314U },
 182         {  399324359U, 702U, 1803598116U },
 183         { 1318480274U, 779U, 2074237022U },
 184         {  697758115U, 840U, 1483639402U },
 185         { 1696507773U, 840U,  577415447U },
 186         { 2081979121U, 981U, 3041486449U },
 187         {  955646687U, 742U, 3846494357U },
 188         { 1250683506U, 749U,  836419859U },
 189         {  595003102U, 534U,  366794109U },
 190         {   47485338U, 558U, 3521120834U },
 191         {  619433479U, 610U, 3991783875U },
 192         {  704096520U, 518U, 4139493852U },
 193         { 1712224984U, 606U, 2393312003U },
 194         { 1318233152U, 922U, 3880361134U },
 195         {  855572992U, 761U, 1472974787U },
 196         {   64721421U, 703U,  683860550U },
 197         {  678931758U, 840U,  380616043U },
 198         {  692711973U, 778U, 1382361947U },
 199         {  677703619U, 530U, 2826914161U },
 200         {   92393223U, 586U, 1522128471U },
 201         { 1222592920U, 743U, 3466726667U },
 202         {  358288986U, 695U, 1091956998U },
 203         { 1935056945U, 958U,  514864477U },
 204         {  735675993U, 990U, 1294239989U },
 205         { 1560089402U, 897U, 2238551287U },
 206         {   70616361U, 829U,   22483098U },
 207         {  368234700U, 731U, 2913875084U },
 208         {   20221190U, 879U, 1564152970U },
 209         {  539444654U, 682U, 1835141259U },
 210         { 1314987297U, 840U, 1801114136U },
 211         { 2019295544U, 645U, 3286438930U },
 212         {  469023838U, 716U, 1637918202U },
 213         { 1843754496U, 653U, 2562092152U },
 214         {  400672036U, 809U, 4264212785U },
 215         {  404722249U, 965U, 2704116999U },
 216         {  600702209U, 758U,  584979986U },
 217         {  519953954U, 667U, 2574436237U },
 218         { 1658071126U, 694U, 2214569490U },
 219         {  420480037U, 749U, 3430010866U },
 220         {  690103647U, 969U, 3700758083U },
 221         { 1029424799U, 937U, 3787746841U },
 222         { 2012608669U, 506U, 3362628973U },
 223         { 1535432887U, 998U,   42610943U },
 224         { 1330635533U, 857U, 3040806504U },
 225         { 1223800550U, 539U, 3954229517U },
 226         { 1322411537U, 680U, 3223250324U },
 227         { 1877847898U, 945U, 2915147143U },
 228         { 1646356099U, 874U,  965988280U },
 229         {  805687536U, 744U, 4032277920U },
 230         { 1948093210U, 633U, 1346597684U },
 231         {  392609744U, 783U, 1636083295U },
 232         {  690241304U, 770U, 1201031298U },
 233         { 1360302965U, 696U, 1665394461U },
 234         { 1220090946U, 780U, 1316922812U },
 235         {  447092251U, 500U, 3438743375U },
 236         { 1613868791U, 592U,  828546883U },
 237         {  523430951U, 548U, 2552392304U },
 238         {  726692899U, 810U, 1656872867U },
 239         { 1364340021U, 836U, 3710513486U },
 240         { 1986257729U, 931U,  935013962U },
 241         {  407983964U, 921U,  728767059U },
 242 };
 243
 244 static u32 __extract_hwseed(void)
 245 {
 246         unsigned int val = 0;
 247
 248         (void)(arch_get_random_seed_int(&val) ||
 249                arch_get_random_int(&val));
 250
 251         return val;
 252 }
 253
 254 static void prandom_seed_early(struct rnd_state *state, u32 seed,
 255                                bool mix_with_hwseed)
 256 {
 257 #define LCG(x)   ((x) * 69069U) /* super-duper LCG */
 258 #define HWSEED() (mix_with_hwseed ? __extract_hwseed() : 0)
 259         state->s1 = __seed(HWSEED() ^ LCG(seed),        2U);
 260         state->s2 = __seed(HWSEED() ^ LCG(state->s1),   8U);
 261         state->s3 = __seed(HWSEED() ^ LCG(state->s2),  16U);
 262         state->s4 = __seed(HWSEED() ^ LCG(state->s3), 128U);
 263 }
 264
 265 static int __init prandom_state_selftest(void)
 266 {
 267         int i, j, errors = 0, runs = 0;
 268         bool error = false;
 269
 270         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(test1); i++) {
 271                 struct rnd_state state;
 272
 273                 prandom_seed_early(&state, test1[i].seed, false);
 274                 prandom_warmup(&state);
 275
 276                 if (test1[i].result != prandom_u32_state(&state))
 277                         error = true;
 278         }
 279
 280         if (error)
 281                 pr_warn("prandom: seed boundary self test failed\n");
 282         else
 283                 pr_info("prandom: seed boundary self test passed\n");
 284
 285         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(test2); i++) {
 286                 struct rnd_state state;
 287
 288                 prandom_seed_early(&state, test2[i].seed, false);
 289                 prandom_warmup(&state);
 290
 291                 for (j = 0; j < test2[i].iteration - 1; j++)
 292                         prandom_u32_state(&state);
 293
 294                 if (test2[i].result != prandom_u32_state(&state))
 295                         errors++;
 296
 297                 runs++;
 298                 cond_resched();
 299         }
 300
 301         if (errors)
 302                 pr_warn("prandom: %d/%d self tests failed\n", errors, runs);
 303         else
 304                 pr_info("prandom: %d self tests passed\n", runs);
 305         return 0;
 306 }
 307 core_initcall(prandom_state_selftest);
 308 #endif
 309
 310 /*
 311  * The prandom_u32() implementation is now completely separate from the
 312  * prandom_state() functions, which are retained (for now) for compatibility.
 313  *
 314  * Because of (ab)use in the networking code for choosing random TCP/UDP port
 315  * numbers, which open DoS possibilities if guessable, we want something
 316  * stronger than a standard PRNG.  But the performance requirements of
 317  * the network code do not allow robust crypto for this application.
 318  *
 319  * So this is a homebrew Junior Spaceman implementation, based on the
 320  * lowest-latency trustworthy crypto primitive available, SipHash.
 321  * (The authors of SipHash have not been consulted about this abuse of
 322  * their work.)
 323  *
 324  * Standard SipHash-2-4 uses 2n+4 rounds to hash n words of input to
 325  * one word of output.  This abbreviated version uses 2 rounds per word
 326  * of output.
 327  */
 328
 329 struct siprand_state {
 330         unsigned long v0;
 331         unsigned long v1;
 332         unsigned long v2;
 333         unsigned long v3;
 334 };
 335
 336 static DEFINE_PER_CPU(struct siprand_state, net_rand_state);
 337
 338 /*
 339  * This is the core CPRNG function.  As "pseudorandom", this is not used
 340  * for truly valuable things, just intended to be a PITA to guess.
 341  * For maximum speed, we do just two SipHash rounds per word.  This is
 342  * the same rate as 4 rounds per 64 bits that SipHash normally uses,
 343  * so hopefully it's reasonably secure.
 344  *
 345  * There are two changes from the official SipHash finalization:
 346  * - We omit some constants XORed with v2 in the SipHash spec as irrelevant;
 347  *   they are there only to make the output rounds distinct from the input
 348  *   rounds, and this application has no input rounds.
 349  * - Rather than returning v0^v1^v2^v3, return v1+v3.
 350  *   If you look at the SipHash round, the last operation on v3 is
 351  *   "v3 ^= v0", so "v0 ^ v3" just undoes that, a waste of time.
 352  *   Likewise "v1 ^= v2".  (The rotate of v2 makes a difference, but
 353  *   it still cancels out half of the bits in v2 for no benefit.)
 354  *   Second, since the last combining operation was xor, continue the
 355  *   pattern of alternating xor/add for a tiny bit of extra non-linearity.
 356  */
 357 static inline u32 siprand_u32(struct siprand_state *s)
 358 {
 359         unsigned long v0 = s->v0, v1 = s->v1, v2 = s->v2, v3 = s->v3;
 360
 361         PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 362         PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 363         s->v0 = v0;  s->v1 = v1;  s->v2 = v2;  s->v3 = v3;
 364         return v1 + v3;
 365 }
 366
 367
 368 /**
 369  *      prandom_u32 - pseudo random number generator
 370  *
 371  *      A 32 bit pseudo-random number is generated using a fast
 372  *      algorithm suitable for simulation. This algorithm is NOT
 373  *      considered safe for cryptographic use.
 374  */
 375 u32 prandom_u32(void)
 376 {
 377         struct siprand_state *state = get_cpu_ptr(&net_rand_state);
 378         u32 res = siprand_u32(state);
 379
 380         put_cpu_ptr(&net_rand_state);
 381         return res;
 382 }
 383 EXPORT_SYMBOL(prandom_u32);
 384
 385 /**
 386  *      prandom_bytes - get the requested number of pseudo-random bytes
 387  *      @buf: where to copy the pseudo-random bytes to
 388  *      @bytes: the requested number of bytes
 389  */
 390 void prandom_bytes(void *buf, size_t bytes)
 391 {
 392         struct siprand_state *state = get_cpu_ptr(&net_rand_state);
 393         u8 *ptr = buf;
 394
 395         while (bytes >= sizeof(u32)) {
 396                 put_unaligned(siprand_u32(state), (u32 *)ptr);
 397                 ptr += sizeof(u32);
 398                 bytes -= sizeof(u32);
 399         }
 400
 401         if (bytes > 0) {
 402                 u32 rem = siprand_u32(state);
 403
 404                 do {
 405                         *ptr++ = (u8)rem;
 406                         rem >>= BITS_PER_BYTE;
 407                 } while (--bytes > 0);
 408         }
 409         put_cpu_ptr(&net_rand_state);
 410 }
 411 EXPORT_SYMBOL(prandom_bytes);
 412
 413 /**
 414  *      prandom_seed - add entropy to pseudo random number generator
 415  *      @entropy: entropy value
 416  *
 417  *      Add some additional seed material to the prandom pool.
 418  *      The "entropy" is actually our IP address (the only caller is
 419  *      the network code), not for unpredictability, but to ensure that
 420  *      different machines are initialized differently.
 421  */
 422 void prandom_seed(u32 entropy)
 423 {
 424         int i;
 425
 426         add_device_randomness(&entropy, sizeof(entropy));
 427
 428         for_each_possible_cpu(i) {
 429                 struct siprand_state *state = per_cpu_ptr(&net_rand_state, i);
 430                 unsigned long v0 = state->v0, v1 = state->v1;
 431                 unsigned long v2 = state->v2, v3 = state->v3;
 432
 433                 do {
 434                         v3 ^= entropy;
 435                         PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 436                         PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 437                         v0 ^= entropy;
 438                 } while (unlikely(!v0 || !v1 || !v2 || !v3));
 439
 440                 WRITE_ONCE(state->v0, v0);
 441                 WRITE_ONCE(state->v1, v1);
 442                 WRITE_ONCE(state->v2, v2);
 443                 WRITE_ONCE(state->v3, v3);
 444         }
 445 }
 446 EXPORT_SYMBOL(prandom_seed);
 447
 448 /*
 449  *      Generate some initially weak seeding values to allow
 450  *      the prandom_u32() engine to be started.
 451  */
 452 static int __init prandom_init_early(void)
 453 {
 454         int i;
 455         unsigned long v0, v1, v2, v3;
 456
 457         if (!arch_get_random_long(&v0))
 458                 v0 = jiffies;
 459         if (!arch_get_random_long(&v1))
 460                 v1 = random_get_entropy();
 461         v2 = v0 ^ PRND_K0;
 462         v3 = v1 ^ PRND_K1;
 463
 464         for_each_possible_cpu(i) {
 465                 struct siprand_state *state;
 466
 467                 v3 ^= i;
 468                 PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 469                 PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 470                 v0 ^= i;
 471
 472                 state = per_cpu_ptr(&net_rand_state, i);
 473                 state->v0 = v0;  state->v1 = v1;
 474                 state->v2 = v2;  state->v3 = v3;
 475         }
 476
 477         return 0;
 478 }
 479 core_initcall(prandom_init_early);
 480
 481
 482 /* Stronger reseeding when available, and periodically thereafter. */
 483 static void prandom_reseed(unsigned long dontcare);
 484
 485 static DEFINE_TIMER(seed_timer, prandom_reseed, 0, 0);
 486
 487 static void prandom_reseed(unsigned long dontcare)
 488 {
 489         unsigned long expires;
 490         int i;
 491
 492         /*
 493          * Reinitialize each CPU's PRNG with 128 bits of key.
 494          * No locking on the CPUs, but then somewhat random results are,
 495          * well, expected.
 496          */
 497         for_each_possible_cpu(i) {
 498                 struct siprand_state *state;
 499                 unsigned long v0 = get_random_long(), v2 = v0 ^ PRND_K0;
 500                 unsigned long v1 = get_random_long(), v3 = v1 ^ PRND_K1;
 501 #if BITS_PER_LONG == 32
 502                 int j;
 503
 504                 /*
 505                  * On 32-bit machines, hash in two extra words to
 506                  * approximate 128-bit key length.  Not that the hash
 507                  * has that much security, but this prevents a trivial
 508                  * 64-bit brute force.
 509                  */
 510                 for (j = 0; j < 2; j++) {
 511                         unsigned long m = get_random_long();
 512
 513                         v3 ^= m;
 514                         PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 515                         PRND_SIPROUND(v0, v1, v2, v3);
 516                         v0 ^= m;
 517                 }
 518 #endif
 519                 /*
 520                  * Probably impossible in practice, but there is a
 521                  * theoretical risk that a race between this reseeding
 522                  * and the target CPU writing its state back could
 523                  * create the all-zero SipHash fixed point.
 524                  *
 525                  * To ensure that never happens, ensure the state
 526                  * we write contains no zero words.
 527                  */
 528                 state = per_cpu_ptr(&net_rand_state, i);
 529                 WRITE_ONCE(state->v0, v0 ? v0 : -1ul);
 530                 WRITE_ONCE(state->v1, v1 ? v1 : -1ul);
 531                 WRITE_ONCE(state->v2, v2 ? v2 : -1ul);
 532                 WRITE_ONCE(state->v3, v3 ? v3 : -1ul);
 533         }
 534
 535         /* reseed every ~60 seconds, in [40 .. 80) interval with slack */
 536         expires = round_jiffies(jiffies + 40 * HZ + prandom_u32_max(40 * HZ));
 537         mod_timer(&seed_timer, expires);
 538 }
 539
 540 /*
 541  * The random ready callback can be called from almost any interrupt.
 542  * To avoid worrying about whether it's safe to delay that interrupt
 543  * long enough to seed all CPUs, just schedule an immediate timer event.
 544  */
 545 static void prandom_timer_start(struct random_ready_callback *unused)
 546 {
 547         mod_timer(&seed_timer, jiffies);
 548 }
 549
 550 /*
 551  * Start periodic full reseeding as soon as strong
 552  * random numbers are available.
 553  */
 554 static int __init prandom_init_late(void)
 555 {
 556         static struct random_ready_callback random_ready = {
 557                 .func = prandom_timer_start
 558         };
 559         int ret = add_random_ready_callback(&random_ready);
 560
 561         if (ret == -EALREADY) {
 562                 prandom_timer_start(&random_ready);
 563                 ret = 0;
 564         }
 565         return ret;
 566 }
 567 late_initcall(prandom_init_late);