Avoid two memory allocations in each RAND_DRBG_bytes
[openssl.git] / crypto / rand / rand_lcl.h
index 10a6f00a2ddc2d381abf65a940a70a6ee9317704..77be0059c9a45d2cef8dca7da020bd214522a0c7 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*
- * Copyright 1995-2016 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
+ * Copyright 1995-2018 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
  *
  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
 # include <openssl/sha.h>
 # include <openssl/hmac.h>
 # include <openssl/ec.h>
-# include "internal/rand.h"
+# include <openssl/rand_drbg.h>
+# include "internal/tsan_assist.h"
+
+# include "internal/numbers.h"
 
 /* How many times to read the TSC as a randomness source. */
 # define TSC_READ_COUNT                 4
 
-/* Maximum count allowed in reseeding */
-# define MAX_RESEED                     (1 << 24)
+/* Maximum reseed intervals */
+# define MAX_RESEED_INTERVAL                     (1 << 24)
+# define MAX_RESEED_TIME_INTERVAL                (1 << 20) /* approx. 12 days */
+
+/* Default reseed intervals */
+# define MASTER_RESEED_INTERVAL                  (1 << 8)
+# define SLAVE_RESEED_INTERVAL                   (1 << 16)
+# define MASTER_RESEED_TIME_INTERVAL             (60*60)   /* 1 hour */
+# define SLAVE_RESEED_TIME_INTERVAL              (7*60)    /* 7 minutes */
+
+
+
+/*
+ * Maximum input size for the DRBG (entropy, nonce, personalization string)
+ *
+ * NIST SP800 90Ar1 allows a maximum of (1 << 35) bits i.e., (1 << 32) bytes.
+ *
+ * We lower it to 'only' INT32_MAX bytes, which is equivalent to 2 gigabytes.
+ */
+# define DRBG_MAX_LENGTH                         INT32_MAX
+
 
-/* Max size of additional input and personalization string. */
-# define DRBG_MAX_LENGTH                4096
 
 /*
- * The quotient between max_{entropy,nonce}len and min_{entropy,nonce}len
+ * Maximum allocation size for RANDOM_POOL buffers
+ *
+ * The max_len value for the buffer provided to the rand_drbg_get_entropy()
+ * callback is currently 2^31 bytes (2 gigabytes), if a derivation function
+ * is used. Since this is much too large to be allocated, the rand_pool_new()
+ * function chooses more modest values as default pool length, bounded
+ * by RAND_POOL_MIN_LENGTH and RAND_POOL_MAX_LENGTH
  *
- * The current factor is large enough that the RAND_POOL can store a
- * random input which has a lousy entropy rate of 0.0625 bits per byte.
- * This input will be sent through the derivation function which 'compresses'
- * the low quality input into a high quality output.
+ * The choice of the RAND_POOL_FACTOR is large enough such that the
+ * RAND_POOL can store a random input which has a lousy entropy rate of
+ * 8/256 (= 0.03125) bits per byte. This input will be sent through the
+ * derivation function which 'compresses' the low quality input into a
+ * high quality output.
+ *
+ * The factor 1.5 below is the pessimistic estimate for the extra amount
+ * of entropy required when no get_nonce() callback is defined.
+ */
+# define RAND_POOL_FACTOR        256
+# define RAND_POOL_MAX_LENGTH    (RAND_POOL_FACTOR * \
+                                  3 * (RAND_DRBG_STRENGTH / 16))
+/*
+ *                             = (RAND_POOL_FACTOR * \
+ *                                1.5 * (RAND_DRBG_STRENGTH / 8))
  */
-# define DRBG_MINMAX_FACTOR              128
 
 
 /* DRBG status values */
 typedef enum drbg_status_e {
     DRBG_UNINITIALISED,
     DRBG_READY,
-    DRBG_RESEED,
     DRBG_ERROR
 } DRBG_STATUS;
 
 
+/* instantiate */
+typedef int (*RAND_DRBG_instantiate_fn)(RAND_DRBG *ctx,
+                                        const unsigned char *ent,
+                                        size_t entlen,
+                                        const unsigned char *nonce,
+                                        size_t noncelen,
+                                        const unsigned char *pers,
+                                        size_t perslen);
+/* reseed */
+typedef int (*RAND_DRBG_reseed_fn)(RAND_DRBG *ctx,
+                                   const unsigned char *ent,
+                                   size_t entlen,
+                                   const unsigned char *adin,
+                                   size_t adinlen);
+/* generate output */
+typedef int (*RAND_DRBG_generate_fn)(RAND_DRBG *ctx,
+                                     unsigned char *out,
+                                     size_t outlen,
+                                     const unsigned char *adin,
+                                     size_t adinlen);
+/* uninstantiate */
+typedef int (*RAND_DRBG_uninstantiate_fn)(RAND_DRBG *ctx);
+
+
+/*
+ * The DRBG methods
+ */
+
+typedef struct rand_drbg_method_st {
+    RAND_DRBG_instantiate_fn instantiate;
+    RAND_DRBG_reseed_fn reseed;
+    RAND_DRBG_generate_fn generate;
+    RAND_DRBG_uninstantiate_fn uninstantiate;
+} RAND_DRBG_METHOD;
+
+/* 888 bits from SP800-90Ar1 10.1 table 2 */
+#define HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN    (888/8)
+
+typedef struct rand_drbg_hash_st {
+    const EVP_MD *md;
+    EVP_MD_CTX *ctx;
+    size_t blocklen;
+    unsigned char V[HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN];
+    unsigned char C[HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN];
+    /* Temporary value storage: should always exceed max digest length */
+    unsigned char vtmp[HASH_PRNG_MAX_SEEDLEN];
+} RAND_DRBG_HASH;
+
+typedef struct rand_drbg_hmac_st {
+    const EVP_MD *md;
+    HMAC_CTX *ctx;
+    size_t blocklen;
+    unsigned char K[EVP_MAX_MD_SIZE];
+    unsigned char V[EVP_MAX_MD_SIZE];
+} RAND_DRBG_HMAC;
+
 /*
  * The state of a DRBG AES-CTR.
  */
 typedef struct rand_drbg_ctr_st {
-    AES_KEY ks;
+    EVP_CIPHER_CTX *ctx;
+    EVP_CIPHER_CTX *ctx_df;
+    const EVP_CIPHER *cipher;
     size_t keylen;
     unsigned char K[32];
     unsigned char V[16];
-    /* Temp variables used by derivation function */
-    AES_KEY df_ks;
-    AES_KEY df_kxks;
     /* Temporary block storage used by ctr_df */
     unsigned char bltmp[16];
     size_t bltmp_pos;
@@ -64,6 +154,29 @@ typedef struct rand_drbg_ctr_st {
 } RAND_DRBG_CTR;
 
 
+/*
+ * The 'random pool' acts as a dumb container for collecting random
+ * input from various entropy sources. The pool has no knowledge about
+ * whether its randomness is fed into a legacy RAND_METHOD via RAND_add()
+ * or into a new style RAND_DRBG. It is the callers duty to 1) initialize the
+ * random pool, 2) pass it to the polling callbacks, 3) seed the RNG, and
+ * 4) cleanup the random pool again.
+ *
+ * The random pool contains no locking mechanism because its scope and
+ * lifetime is intended to be restricted to a single stack frame.
+ */
+struct rand_pool_st {
+    unsigned char *buffer;  /* points to the beginning of the random pool */
+    size_t len; /* current number of random bytes contained in the pool */
+
+    int attached;  /* true pool was attached to existing buffer */
+
+    size_t min_len; /* minimum number of random bytes requested */
+    size_t max_len; /* maximum number of random bytes (allocated buffer size) */
+    size_t entropy; /* current entropy count in bits */
+    size_t entropy_requested; /* requested entropy count in bits */
+};
+
 /*
  * The state of all types of DRBGs, even though we only have CTR mode
  * right now.
@@ -71,24 +184,39 @@ typedef struct rand_drbg_ctr_st {
 struct rand_drbg_st {
     CRYPTO_RWLOCK *lock;
     RAND_DRBG *parent;
-    int nid; /* the underlying algorithm */
+    int secure; /* 1: allocated on the secure heap, 0: otherwise */
+    int type; /* the nid of the underlying algorithm */
+    /*
+     * Stores the value of the rand_fork_count global as of when we last
+     * reseeded.  The DRBG reseeds automatically whenever drbg->fork_count !=
+     * rand_fork_count.  Used to provide fork-safety and reseed this DRBG in
+     * the child process.
+     */
     int fork_count;
     unsigned short flags; /* various external flags */
 
     /*
-     * The random pool is used by RAND_add()/drbg_add() to attach random
+     * The random_data is used by RAND_add()/drbg_add() to attach random
      * data to the global drbg, such that the rand_drbg_get_entropy() callback
      * can pull it during instantiation and reseeding. This is necessary to
      * reconcile the different philosophies of the RAND and the RAND_DRBG
      * with respect to how randomness is added to the RNG during reseeding
      * (see PR #4328).
      */
-    RAND_POOL *pool;
+    struct rand_pool_st *pool;
+
+    /*
+     * Auxiliary pool for additional data.
+     */
+    struct rand_pool_st *adin_pool;
 
     /*
      * The following parameters are setup by the per-type "init" function.
      *
-     * Currently the only type is CTR_DRBG, its init function is ctr_init().
+     * The supported types and their init functions are:
+     *    (1) CTR_DRBG:  drbg_ctr_init().
+     *    (2) HMAC_DRBG: drbg_hmac_init().
+     *    (3) HASH_DRBG: drbg_hash_init().
      *
      * The parameters are closely related to the ones described in
      * section '10.2.1 CTR_DRBG' of [NIST SP 800-90Ar1], with one
@@ -107,16 +235,53 @@ struct rand_drbg_st {
     size_t min_entropylen, max_entropylen;
     size_t min_noncelen, max_noncelen;
     size_t max_perslen, max_adinlen;
-    unsigned int reseed_counter;
+
+    /*
+     * Counts the number of generate requests since the last reseed
+     * (Starts at 1). This value is the reseed_counter as defined in
+     * NIST SP 800-90Ar1
+     */
+    unsigned int reseed_gen_counter;
+    /*
+     * Maximum number of generate requests until a reseed is required.
+     * This value is ignored if it is zero.
+     */
     unsigned int reseed_interval;
+    /* Stores the time when the last reseeding occurred */
+    time_t reseed_time;
+    /*
+     * Specifies the maximum time interval (in seconds) between reseeds.
+     * This value is ignored if it is zero.
+     */
+    time_t reseed_time_interval;
+    /*
+     * Counts the number of reseeds since instantiation.
+     * This value is ignored if it is zero.
+     *
+     * This counter is used only for seed propagation from the <master> DRBG
+     * to its two children, the <public> and <private> DRBG. This feature is
+     * very special and its sole purpose is to ensure that any randomness which
+     * is added by RAND_add() or RAND_seed() will have an immediate effect on
+     * the output of RAND_bytes() resp. RAND_priv_bytes().
+     */
+    TSAN_QUALIFIER unsigned int reseed_prop_counter;
+    unsigned int reseed_next_counter;
+
     size_t seedlen;
     DRBG_STATUS state;
 
     /* Application data, mainly used in the KATs. */
     CRYPTO_EX_DATA ex_data;
 
-    /* Implementation specific structures; was a union, but inline for now */
-    RAND_DRBG_CTR ctr;
+    /* Implementation specific data */
+    union {
+        RAND_DRBG_CTR ctr;
+        RAND_DRBG_HASH hash;
+        RAND_DRBG_HMAC hmac;
+    } data;
+
+    /* Implementation specific methods */
+    RAND_DRBG_METHOD *meth;
 
     /* Callback functions.  See comments in rand_lib.c */
     RAND_DRBG_get_entropy_fn get_entropy;
@@ -128,36 +293,32 @@ struct rand_drbg_st {
 /* The global RAND method, and the global buffer and DRBG instance. */
 extern RAND_METHOD rand_meth;
 
-/* How often we've forked (only incremented in child). */
+/*
+ * A "generation count" of forks.  Incremented in the child process after a
+ * fork.  Since rand_fork_count is increment-only, and only ever written to in
+ * the child process of the fork, which is guaranteed to be single-threaded, no
+ * locking is needed for normal (read) accesses; the rest of pthread fork
+ * processing is assumed to introduce the necessary memory barriers.  Sibling
+ * children of a given parent will produce duplicate values, but this is not
+ * problematic because the reseeding process pulls input from the system CSPRNG
+ * and/or other global sources, so the siblings will end up generating
+ * different output streams.
+ */
 extern int rand_fork_count;
 
-/* Hardware-based seeding functions. */
-size_t rand_acquire_entropy_from_tsc(RAND_POOL *pool);
-size_t rand_acquire_entropy_from_cpu(RAND_POOL *pool);
-
-/* DRBG entropy callbacks. */
-size_t rand_drbg_get_entropy(RAND_DRBG *drbg,
-                             unsigned char **pout,
-                             int entropy, size_t min_len, size_t max_len);
-void rand_drbg_cleanup_entropy(RAND_DRBG *drbg,
-                               unsigned char *out, size_t outlen);
-
 /* DRBG helpers */
 int rand_drbg_restart(RAND_DRBG *drbg,
                       const unsigned char *buffer, size_t len, size_t entropy);
 
-/* DRBG functions implementing AES-CTR */
-int ctr_init(RAND_DRBG *drbg);
-int ctr_uninstantiate(RAND_DRBG *drbg);
-int ctr_instantiate(RAND_DRBG *drbg,
-                    const unsigned char *entropy, size_t entropylen,
-                    const unsigned char *nonce, size_t noncelen,
-                    const unsigned char *pers, size_t perslen);
-int ctr_reseed(RAND_DRBG *drbg,
-               const unsigned char *entropy, size_t entropylen,
-               const unsigned char *adin, size_t adinlen);
-int ctr_generate(RAND_DRBG *drbg,
-                 unsigned char *out, size_t outlen,
-                 const unsigned char *adin, size_t adinlen);
+/* locking api */
+int rand_drbg_lock(RAND_DRBG *drbg);
+int rand_drbg_unlock(RAND_DRBG *drbg);
+int rand_drbg_enable_locking(RAND_DRBG *drbg);
+
+
+/* initializes the DRBG implementation */
+int drbg_ctr_init(RAND_DRBG *drbg);
+int drbg_hash_init(RAND_DRBG *drbg);
+int drbg_hmac_init(RAND_DRBG *drbg);
 
 #endif