1a366ae5c84c93ddce906f985b05034cb550dc04
[openssl.git] / crypto / rand / md_rand.c
1 /* crypto/rand/md_rand.c */
2 /* Copyright (C) 1995-1998 Eric Young (eay@cryptsoft.com)
3  * All rights reserved.
4  *
5  * This package is an SSL implementation written
6  * by Eric Young (eay@cryptsoft.com).
7  * The implementation was written so as to conform with Netscapes SSL.
8  * 
9  * This library is free for commercial and non-commercial use as long as
10  * the following conditions are aheared to.  The following conditions
11  * apply to all code found in this distribution, be it the RC4, RSA,
12  * lhash, DES, etc., code; not just the SSL code.  The SSL documentation
13  * included with this distribution is covered by the same copyright terms
14  * except that the holder is Tim Hudson (tjh@cryptsoft.com).
15  * 
16  * Copyright remains Eric Young's, and as such any Copyright notices in
17  * the code are not to be removed.
18  * If this package is used in a product, Eric Young should be given attribution
19  * as the author of the parts of the library used.
20  * This can be in the form of a textual message at program startup or
21  * in documentation (online or textual) provided with the package.
22  * 
23  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
24  * modification, are permitted provided that the following conditions
25  * are met:
26  * 1. Redistributions of source code must retain the copyright
27  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
28  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
29  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
30  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
31  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this software
32  *    must display the following acknowledgement:
33  *    "This product includes cryptographic software written by
34  *     Eric Young (eay@cryptsoft.com)"
35  *    The word 'cryptographic' can be left out if the rouines from the library
36  *    being used are not cryptographic related :-).
37  * 4. If you include any Windows specific code (or a derivative thereof) from 
38  *    the apps directory (application code) you must include an acknowledgement:
39  *    "This product includes software written by Tim Hudson (tjh@cryptsoft.com)"
40  * 
41  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY ERIC YOUNG ``AS IS'' AND
42  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
43  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
44  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
45  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
46  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
47  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
48  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
49  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
50  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
51  * SUCH DAMAGE.
52  * 
53  * The licence and distribution terms for any publically available version or
54  * derivative of this code cannot be changed.  i.e. this code cannot simply be
55  * copied and put under another distribution licence
56  * [including the GNU Public Licence.]
57  */
58
59 #define ENTROPY_NEEDED 16  /* require 128 bits = 16 bytes of randomness */
60
61 #ifndef MD_RAND_DEBUG
62 # ifndef NDEBUG
63 #   define NDEBUG
64 # endif
65 #endif
66
67 #include <assert.h>
68 #include <stdio.h>
69 #include <time.h>
70 #include <string.h>
71
72 #include "openssl/e_os.h"
73
74 #include <openssl/crypto.h>
75 #include <openssl/err.h>
76
77 #if !defined(USE_MD5_RAND) && !defined(USE_SHA1_RAND) && !defined(USE_MDC2_RAND) && !defined(USE_MD2_RAND)
78 #if !defined(NO_SHA) && !defined(NO_SHA1)
79 #define USE_SHA1_RAND
80 #elif !defined(NO_MD5)
81 #define USE_MD5_RAND
82 #elif !defined(NO_MDC2) && !defined(NO_DES)
83 #define USE_MDC2_RAND
84 #elif !defined(NO_MD2)
85 #define USE_MD2_RAND
86 #else
87 #error No message digest algorithm available
88 #endif
89 #endif
90
91 /* Changed how the state buffer used.  I now attempt to 'wrap' such
92  * that I don't run over the same locations the next time  go through
93  * the 1023 bytes - many thanks to
94  * Robert J. LeBlanc <rjl@renaissoft.com> for his comments
95  */
96
97 #if defined(USE_MD5_RAND)
98 #include <openssl/md5.h>
99 #define MD_DIGEST_LENGTH        MD5_DIGEST_LENGTH
100 #define MD_CTX                  MD5_CTX
101 #define MD_Init(a)              MD5_Init(a)
102 #define MD_Update(a,b,c)        MD5_Update(a,b,c)
103 #define MD_Final(a,b)           MD5_Final(a,b)
104 #define MD(a,b,c)               MD5(a,b,c)
105 #elif defined(USE_SHA1_RAND)
106 #include <openssl/sha.h>
107 #define MD_DIGEST_LENGTH        SHA_DIGEST_LENGTH
108 #define MD_CTX                  SHA_CTX
109 #define MD_Init(a)              SHA1_Init(a)
110 #define MD_Update(a,b,c)        SHA1_Update(a,b,c)
111 #define MD_Final(a,b)           SHA1_Final(a,b)
112 #define MD(a,b,c)               SHA1(a,b,c)
113 #elif defined(USE_MDC2_RAND)
114 #include <openssl/mdc2.h>
115 #define MD_DIGEST_LENGTH        MDC2_DIGEST_LENGTH
116 #define MD_CTX                  MDC2_CTX
117 #define MD_Init(a)              MDC2_Init(a)
118 #define MD_Update(a,b,c)        MDC2_Update(a,b,c)
119 #define MD_Final(a,b)           MDC2_Final(a,b)
120 #define MD(a,b,c)               MDC2(a,b,c)
121 #elif defined(USE_MD2_RAND)
122 #include <openssl/md2.h>
123 #define MD_DIGEST_LENGTH        MD2_DIGEST_LENGTH
124 #define MD_CTX                  MD2_CTX
125 #define MD_Init(a)              MD2_Init(a)
126 #define MD_Update(a,b,c)        MD2_Update(a,b,c)
127 #define MD_Final(a,b)           MD2_Final(a,b)
128 #define MD(a,b,c)               MD2(a,b,c)
129 #endif
130
131 #include <openssl/rand.h>
132
133 #ifdef BN_DEBUG
134 # define PREDICT
135 #endif
136
137 /* #define NORAND       1 */
138 /* #define PREDICT      1 */
139
140 #define STATE_SIZE      1023
141 static int state_num=0,state_index=0;
142 static unsigned char state[STATE_SIZE+MD_DIGEST_LENGTH];
143 static unsigned char md[MD_DIGEST_LENGTH];
144 static long md_count[2]={0,0};
145 static double entropy=0;
146 static int initialized=0;
147
148 #ifdef PREDICT
149 int rand_predictable=0;
150 #endif
151
152 const char *RAND_version="RAND" OPENSSL_VERSION_PTEXT;
153
154 static void ssleay_rand_cleanup(void);
155 static void ssleay_rand_seed(const void *buf, int num);
156 static void ssleay_rand_add(const void *buf, int num, double add_entropy);
157 static int ssleay_rand_bytes(unsigned char *buf, int num);
158 static int ssleay_rand_pseudo_bytes(unsigned char *buf, int num);
159 static int ssleay_rand_status(void);
160
161 RAND_METHOD rand_ssleay_meth={
162         ssleay_rand_seed,
163         ssleay_rand_bytes,
164         ssleay_rand_cleanup,
165         ssleay_rand_add,
166         ssleay_rand_pseudo_bytes,
167         ssleay_rand_status
168         }; 
169
170 RAND_METHOD *RAND_SSLeay(void)
171         {
172         return(&rand_ssleay_meth);
173         }
174
175 static void ssleay_rand_cleanup(void)
176         {
177         memset(state,0,sizeof(state));
178         state_num=0;
179         state_index=0;
180         memset(md,0,MD_DIGEST_LENGTH);
181         md_count[0]=0;
182         md_count[1]=0;
183         entropy=0;
184         }
185
186 static void ssleay_rand_add(const void *buf, int num, double add)
187         {
188         int i,j,k,st_idx;
189         long md_c[2];
190         unsigned char local_md[MD_DIGEST_LENGTH];
191         MD_CTX m;
192
193 #ifdef NORAND
194         return;
195 #endif
196
197         /*
198          * (Based on the rand(3) manpage)
199          *
200          * The input is chopped up into units of 20 bytes (or less for
201          * the last block).  Each of these blocks is run through the hash
202          * function as follows:  The data passed to the hash function
203          * is the current 'md', the same number of bytes from the 'state'
204          * (the location determined by in incremented looping index) as
205          * the current 'block', the new key data 'block', and 'count'
206          * (which is incremented after each use).
207          * The result of this is kept in 'md' and also xored into the
208          * 'state' at the same locations that were used as input into the
209          * hash function.
210          */
211
212         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
213         st_idx=state_index;
214
215         /* use our own copies of the counters so that even
216          * if a concurrent thread seeds with exactly the
217          * same data and uses the same subarray there's _some_
218          * difference */
219         md_c[0] = md_count[0];
220         md_c[1] = md_count[1];
221
222         memcpy(local_md, md, sizeof md);
223
224         /* state_index <= state_num <= STATE_SIZE */
225         state_index += num;
226         if (state_index >= STATE_SIZE)
227                 {
228                 state_index%=STATE_SIZE;
229                 state_num=STATE_SIZE;
230                 }
231         else if (state_num < STATE_SIZE)        
232                 {
233                 if (state_index > state_num)
234                         state_num=state_index;
235                 }
236         /* state_index <= state_num <= STATE_SIZE */
237
238         /* state[st_idx], ..., state[(st_idx + num - 1) % STATE_SIZE]
239          * are what we will use now, but other threads may use them
240          * as well */
241
242         md_count[1] += (num / MD_DIGEST_LENGTH) + (num % MD_DIGEST_LENGTH > 0);
243
244         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
245
246         for (i=0; i<num; i+=MD_DIGEST_LENGTH)
247                 {
248                 j=(num-i);
249                 j=(j > MD_DIGEST_LENGTH)?MD_DIGEST_LENGTH:j;
250
251                 MD_Init(&m);
252                 MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
253                 k=(st_idx+j)-STATE_SIZE;
254                 if (k > 0)
255                         {
256                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j-k);
257                         MD_Update(&m,&(state[0]),k);
258                         }
259                 else
260                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j);
261                         
262                 MD_Update(&m,buf,j);
263                 MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
264                 MD_Final(local_md,&m);
265                 md_c[1]++;
266
267                 buf=(const char *)buf + j;
268
269                 for (k=0; k<j; k++)
270                         {
271                         /* Parallel threads may interfere with this,
272                          * but always each byte of the new state is
273                          * the XOR of some previous value of its
274                          * and local_md (itermediate values may be lost).
275                          * Alway using locking could hurt performance more
276                          * than necessary given that conflicts occur only
277                          * when the total seeding is longer than the random
278                          * state. */
279                         state[st_idx++]^=local_md[k];
280                         if (st_idx >= STATE_SIZE)
281                                 st_idx=0;
282                         }
283                 }
284         memset((char *)&m,0,sizeof(m));
285
286         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
287         /* Don't just copy back local_md into md -- this could mean that
288          * other thread's seeding remains without effect (except for
289          * the incremented counter).  By XORing it we keep at least as
290          * much entropy as fits into md. */
291         for (k = 0; k < sizeof md; k++)
292                 {
293                 md[k] ^= local_md[k];
294                 }
295         if (entropy < ENTROPY_NEEDED) /* stop counting when we have enough */
296             entropy += add;
297         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
298         
299 #ifndef THREADS 
300         assert(md_c[1] == md_count[1]);
301 #endif
302         }
303
304 static void ssleay_rand_seed(const void *buf, int num)
305         {
306         ssleay_rand_add(buf, num, num);
307         }
308
309 static void ssleay_rand_initialize(void)
310         {
311         unsigned long l;
312 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
313         pid_t curr_pid = getpid();
314 #endif
315 #ifdef DEVRANDOM
316         FILE *fh;
317 #endif
318
319 #ifdef NORAND
320         return;
321 #endif
322
323         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
324         /* put in some default random data, we need more than just this */
325 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
326         l=curr_pid;
327         RAND_add(&l,sizeof(l),0);
328         l=getuid();
329         RAND_add(&l,sizeof(l),0);
330 #endif
331         l=time(NULL);
332         RAND_add(&l,sizeof(l),0);
333
334 #ifdef DEVRANDOM
335         /* Use a random entropy pool device. Linux, FreeBSD and OpenBSD
336          * have this. Use /dev/urandom if you can as /dev/random may block
337          * if it runs out of random entries.  */
338
339         if ((fh = fopen(DEVRANDOM, "r")) != NULL)
340                 {
341                 unsigned char tmpbuf[ENTROPY_NEEDED];
342                 int n;
343                 
344                 setvbuf(fh, NULL, _IONBF, 0);
345                 n=fread((unsigned char *)tmpbuf,1,ENTROPY_NEEDED,fh);
346                 fclose(fh);
347                 RAND_add(tmpbuf,sizeof tmpbuf,n);
348                 memset(tmpbuf,0,n);
349                 }
350 #endif
351 #ifdef PURIFY
352         memset(state,0,STATE_SIZE);
353         memset(md,0,MD_DIGEST_LENGTH);
354 #endif
355         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
356         initialized=1;
357         }
358
359 static int ssleay_rand_bytes(unsigned char *buf, int num)
360         {
361         int i,j,k,st_num,st_idx;
362         int ok;
363         long md_c[2];
364         unsigned char local_md[MD_DIGEST_LENGTH];
365         MD_CTX m;
366 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
367         pid_t curr_pid = getpid();
368 #endif
369
370 #ifdef PREDICT
371         if (rand_predictable)
372                 {
373                 static unsigned char val=0;
374
375                 for (i=0; i<num; i++)
376                         buf[i]=val++;
377                 return(1);
378                 }
379 #endif
380
381         /*
382          * (Based on the rand(3) manpage:)
383          *
384          * For each group of 10 bytes (or less), we do the following:
385          *
386          * Input into the hash function the top 10 bytes from the
387          * local 'md' (which is initialized from the global 'md'
388          * before any bytes are generated), the bytes that are
389          * to be overwritten by the random bytes, and bytes from the
390          * 'state' (incrementing looping index).  From this digest output
391          * (which is kept in 'md'), the top (up to) 10 bytes are
392          * returned to the caller and the bottom (up to) 10 bytes are xored
393          * into the 'state'.
394          * Finally, after we have finished 'num' random bytes for the
395          * caller, 'count' (which is incremented) and the local and global 'md'
396          * are fed into the hash function and the results are kept in the
397          * global 'md'.
398          */
399
400         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
401
402         if (!initialized)
403                 ssleay_rand_initialize();
404
405         ok = (entropy >= ENTROPY_NEEDED);
406         if (!ok)
407                 {
408                 /* If the PRNG state is not yet unpredictable, then seeing
409                  * the PRNG output may help attackers to determine the new
410                  * state; thus we have to decrease the entropy estimate.
411                  * Once we've had enough initial seeding we don't bother to
412                  * adjust the entropy count, though, because we're not ambitious
413                  * to provide *information-theoretic* randomness.
414                  */
415                 entropy -= num;
416                 if (entropy < 0)
417                         entropy = 0;
418                 }
419
420         st_idx=state_index;
421         st_num=state_num;
422         md_c[0] = md_count[0];
423         md_c[1] = md_count[1];
424         memcpy(local_md, md, sizeof md);
425
426         state_index+=num;
427         if (state_index > state_num)
428                 state_index %= state_num;
429
430         /* state[st_idx], ..., state[(st_idx + num - 1) % st_num]
431          * are now ours (but other threads may use them too) */
432
433         md_count[0] += 1;
434         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
435
436         while (num > 0)
437                 {
438                 j=(num >= MD_DIGEST_LENGTH/2)?MD_DIGEST_LENGTH/2:num;
439                 num-=j;
440                 MD_Init(&m);
441 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
442                 if (curr_pid) /* just in the first iteration to save time */
443                         {
444                         MD_Update(&m,(unsigned char*)&curr_pid,sizeof curr_pid);
445                         curr_pid = 0;
446                         }
447 #endif
448                 MD_Update(&m,&(local_md[MD_DIGEST_LENGTH/2]),MD_DIGEST_LENGTH/2);
449                 MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
450 #ifndef PURIFY
451                 MD_Update(&m,buf,j); /* purify complains */
452 #endif
453                 k=(st_idx+j)-st_num;
454                 if (k > 0)
455                         {
456                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j-k);
457                         MD_Update(&m,&(state[0]),k);
458                         }
459                 else
460                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j);
461                 MD_Final(local_md,&m);
462
463                 for (i=0; i<j; i++)
464                         {
465                         state[st_idx++]^=local_md[i]; /* may compete with other threads */
466                         *(buf++)=local_md[i+MD_DIGEST_LENGTH/2];
467                         if (st_idx >= st_num)
468                                 st_idx=0;
469                         }
470                 }
471
472         MD_Init(&m);
473         MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
474         MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
475         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
476         MD_Update(&m,md,MD_DIGEST_LENGTH);
477         MD_Final(md,&m);
478         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
479
480         memset(&m,0,sizeof(m));
481         if (ok)
482                 return(1);
483         else
484                 {
485                 RANDerr(RAND_F_SSLEAY_RAND_BYTES,RAND_R_PRNG_NOT_SEEDED);
486                 return(0);
487                 }
488         }
489
490 /* pseudo-random bytes that are guaranteed to be unique but not
491    unpredictable */
492 static int ssleay_rand_pseudo_bytes(unsigned char *buf, int num) 
493         {
494         int ret, err;
495
496         ret = RAND_bytes(buf, num);
497         if (ret == 0)
498                 {
499                 err = ERR_peek_error();
500                 if (ERR_GET_LIB(err) == ERR_LIB_RAND &&
501                     ERR_GET_REASON(err) == RAND_R_PRNG_NOT_SEEDED)
502                         (void)ERR_get_error();
503                 }
504         return (ret);
505         }
506
507 static int ssleay_rand_status(void)
508         {
509         if (!initialized)
510                 ssleay_rand_initialize();
511         return (entropy >= ENTROPY_NEEDED);
512         }
513
514 #ifdef WINDOWS
515 #include <windows.h>
516 #include <openssl/rand.h>
517
518 /*****************************************************************************
519  * Initialisation function for the SSL random generator.  Takes the contents
520  * of the screen as random seed.
521  *
522  * Created 960901 by Gertjan van Oosten, gertjan@West.NL, West Consulting B.V.
523  *
524  * Code adapted from
525  * <URL:http://www.microsoft.com/kb/developr/win_dk/q97193.htm>;
526  * the original copyright message is:
527  *
528  *   (C) Copyright Microsoft Corp. 1993.  All rights reserved.
529  *
530  *   You have a royalty-free right to use, modify, reproduce and
531  *   distribute the Sample Files (and/or any modified version) in
532  *   any way you find useful, provided that you agree that
533  *   Microsoft has no warranty obligations or liability for any
534  *   Sample Application Files which are modified.
535  */
536 /*
537  * I have modified the loading of bytes via RAND_seed() mechanism since
538  * the original would have been very very CPU intensive since RAND_seed()
539  * does an MD5 per 16 bytes of input.  The cost to digest 16 bytes is the same
540  * as that to digest 56 bytes.  So under the old system, a screen of
541  * 1024*768*256 would have been CPU cost of approximately 49,000 56 byte MD5
542  * digests or digesting 2.7 mbytes.  What I have put in place would
543  * be 48 16k MD5 digests, or effectively 48*16+48 MD5 bytes or 816 kbytes
544  * or about 3.5 times as much.
545  * - eric 
546  */
547 void RAND_screen(void)
548 {
549   HDC           hScrDC;         /* screen DC */
550   HDC           hMemDC;         /* memory DC */
551   HBITMAP       hBitmap;        /* handle for our bitmap */
552   HBITMAP       hOldBitmap;     /* handle for previous bitmap */
553   BITMAP        bm;             /* bitmap properties */
554   unsigned int  size;           /* size of bitmap */
555   char          *bmbits;        /* contents of bitmap */
556   int           w;              /* screen width */
557   int           h;              /* screen height */
558   int           y;              /* y-coordinate of screen lines to grab */
559   int           n = 16;         /* number of screen lines to grab at a time */
560
561   /* Create a screen DC and a memory DC compatible to screen DC */
562   hScrDC = CreateDC("DISPLAY", NULL, NULL, NULL);
563   hMemDC = CreateCompatibleDC(hScrDC);
564
565   /* Get screen resolution */
566   w = GetDeviceCaps(hScrDC, HORZRES);
567   h = GetDeviceCaps(hScrDC, VERTRES);
568
569   /* Create a bitmap compatible with the screen DC */
570   hBitmap = CreateCompatibleBitmap(hScrDC, w, n);
571
572   /* Select new bitmap into memory DC */
573   hOldBitmap = SelectObject(hMemDC, hBitmap);
574
575   /* Get bitmap properties */
576   GetObject(hBitmap, sizeof(BITMAP), (LPSTR)&bm);
577   size = (unsigned int)bm.bmWidthBytes * bm.bmHeight * bm.bmPlanes;
578
579   bmbits = Malloc(size);
580   if (bmbits) {
581     /* Now go through the whole screen, repeatedly grabbing n lines */
582     for (y = 0; y < h-n; y += n)
583         {
584         unsigned char md[MD_DIGEST_LENGTH];
585
586         /* Bitblt screen DC to memory DC */
587         BitBlt(hMemDC, 0, 0, w, n, hScrDC, 0, y, SRCCOPY);
588
589         /* Copy bitmap bits from memory DC to bmbits */
590         GetBitmapBits(hBitmap, size, bmbits);
591
592         /* Get the MD5 of the bitmap */
593         MD(bmbits,size,md);
594
595         /* Seed the random generator with the MD5 digest */
596         RAND_seed(md, MD_DIGEST_LENGTH);
597         }
598
599     Free(bmbits);
600   }
601
602   /* Select old bitmap back into memory DC */
603   hBitmap = SelectObject(hMemDC, hOldBitmap);
604
605   /* Clean up */
606   DeleteObject(hBitmap);
607   DeleteDC(hMemDC);
608   DeleteDC(hScrDC);
609 }
610 #endif