Fix PRNG.
[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  * Copyright (c) 1998-2000 The OpenSSL Project.  All rights reserved.
60  *
61  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
62  * modification, are permitted provided that the following conditions
63  * are met:
64  *
65  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
66  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer. 
67  *
68  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
69  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in
70  *    the documentation and/or other materials provided with the
71  *    distribution.
72  *
73  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this
74  *    software must display the following acknowledgment:
75  *    "This product includes software developed by the OpenSSL Project
76  *    for use in the OpenSSL Toolkit. (http://www.openssl.org/)"
77  *
78  * 4. The names "OpenSSL Toolkit" and "OpenSSL Project" must not be used to
79  *    endorse or promote products derived from this software without
80  *    prior written permission. For written permission, please contact
81  *    openssl-core@openssl.org.
82  *
83  * 5. Products derived from this software may not be called "OpenSSL"
84  *    nor may "OpenSSL" appear in their names without prior written
85  *    permission of the OpenSSL Project.
86  *
87  * 6. Redistributions of any form whatsoever must retain the following
88  *    acknowledgment:
89  *    "This product includes software developed by the OpenSSL Project
90  *    for use in the OpenSSL Toolkit (http://www.openssl.org/)"
91  *
92  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE OpenSSL PROJECT ``AS IS'' AND ANY
93  * EXPRESSED OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
94  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR
95  * PURPOSE ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE OpenSSL PROJECT OR
96  * ITS CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
97  * SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT
98  * NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
99  * LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
100  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT,
101  * STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE)
102  * ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED
103  * OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
104  * ====================================================================
105  *
106  * This product includes cryptographic software written by Eric Young
107  * (eay@cryptsoft.com).  This product includes software written by Tim
108  * Hudson (tjh@cryptsoft.com).
109  *
110  */
111
112 #ifdef MD_RAND_DEBUG
113 # ifndef NDEBUG
114 #   define NDEBUG
115 # endif
116 #endif
117
118 #include <assert.h>
119 #include <stdio.h>
120 #include <string.h>
121
122 #include "e_os.h"
123
124 #include <openssl/rand.h>
125 #include "rand_lcl.h"
126
127 #include <openssl/crypto.h>
128 #include <openssl/err.h>
129
130 #ifdef BN_DEBUG
131 # define PREDICT
132 #endif
133
134 /* #define PREDICT      1 */
135
136 #define STATE_SIZE      1023
137 static int state_num=0,state_index=0;
138 static unsigned char state[STATE_SIZE+MD_DIGEST_LENGTH];
139 static unsigned char md[MD_DIGEST_LENGTH];
140 static long md_count[2]={0,0};
141 static double entropy=0;
142 static int initialized=0;
143
144 static unsigned int crypto_lock_rand = 0; /* may be set only when a thread
145                                            * holds CRYPTO_LOCK_RAND
146                                            * (to prevent double locking) */
147 static unsigned long locking_thread = 0; /* valid iff crypto_lock_rand is set */
148
149
150 #ifdef PREDICT
151 int rand_predictable=0;
152 #endif
153
154 const char *RAND_version="RAND" OPENSSL_VERSION_PTEXT;
155
156 static void ssleay_rand_cleanup(void);
157 static void ssleay_rand_seed(const void *buf, int num);
158 static void ssleay_rand_add(const void *buf, int num, double add_entropy);
159 static int ssleay_rand_bytes(unsigned char *buf, int num);
160 static int ssleay_rand_pseudo_bytes(unsigned char *buf, int num);
161 static int ssleay_rand_status(void);
162
163 RAND_METHOD rand_ssleay_meth={
164         ssleay_rand_seed,
165         ssleay_rand_bytes,
166         ssleay_rand_cleanup,
167         ssleay_rand_add,
168         ssleay_rand_pseudo_bytes,
169         ssleay_rand_status
170         }; 
171
172 RAND_METHOD *RAND_SSLeay(void)
173         {
174         return(&rand_ssleay_meth);
175         }
176
177 static void ssleay_rand_cleanup(void)
178         {
179         memset(state,0,sizeof(state));
180         state_num=0;
181         state_index=0;
182         memset(md,0,MD_DIGEST_LENGTH);
183         md_count[0]=0;
184         md_count[1]=0;
185         entropy=0;
186         initialized=0;
187         }
188
189 static void ssleay_rand_add(const void *buf, int num, double add)
190         {
191         int i,j,k,st_idx;
192         long md_c[2];
193         unsigned char local_md[MD_DIGEST_LENGTH];
194         MD_CTX m;
195         int do_not_lock;
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         /* check if we already have the lock */
213         do_not_lock = crypto_lock_rand && (locking_thread == CRYPTO_thread_id());
214
215         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
216         st_idx=state_index;
217
218         /* use our own copies of the counters so that even
219          * if a concurrent thread seeds with exactly the
220          * same data and uses the same subarray there's _some_
221          * difference */
222         md_c[0] = md_count[0];
223         md_c[1] = md_count[1];
224
225         memcpy(local_md, md, sizeof md);
226
227         /* state_index <= state_num <= STATE_SIZE */
228         state_index += num;
229         if (state_index >= STATE_SIZE)
230                 {
231                 state_index%=STATE_SIZE;
232                 state_num=STATE_SIZE;
233                 }
234         else if (state_num < STATE_SIZE)        
235                 {
236                 if (state_index > state_num)
237                         state_num=state_index;
238                 }
239         /* state_index <= state_num <= STATE_SIZE */
240
241         /* state[st_idx], ..., state[(st_idx + num - 1) % STATE_SIZE]
242          * are what we will use now, but other threads may use them
243          * as well */
244
245         md_count[1] += (num / MD_DIGEST_LENGTH) + (num % MD_DIGEST_LENGTH > 0);
246
247         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
248
249         for (i=0; i<num; i+=MD_DIGEST_LENGTH)
250                 {
251                 j=(num-i);
252                 j=(j > MD_DIGEST_LENGTH)?MD_DIGEST_LENGTH:j;
253
254                 MD_Init(&m);
255                 MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
256                 k=(st_idx+j)-STATE_SIZE;
257                 if (k > 0)
258                         {
259                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j-k);
260                         MD_Update(&m,&(state[0]),k);
261                         }
262                 else
263                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j);
264                         
265                 MD_Update(&m,buf,j);
266                 MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
267                 MD_Final(&m,local_md);
268                 md_c[1]++;
269
270                 buf=(const char *)buf + j;
271
272                 for (k=0; k<j; k++)
273                         {
274                         /* Parallel threads may interfere with this,
275                          * but always each byte of the new state is
276                          * the XOR of some previous value of its
277                          * and local_md (itermediate values may be lost).
278                          * Alway using locking could hurt performance more
279                          * than necessary given that conflicts occur only
280                          * when the total seeding is longer than the random
281                          * state. */
282                         state[st_idx++]^=local_md[k];
283                         if (st_idx >= STATE_SIZE)
284                                 st_idx=0;
285                         }
286                 }
287         memset((char *)&m,0,sizeof(m));
288
289         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
290         /* Don't just copy back local_md into md -- this could mean that
291          * other thread's seeding remains without effect (except for
292          * the incremented counter).  By XORing it we keep at least as
293          * much entropy as fits into md. */
294         for (k = 0; k < sizeof md; k++)
295                 {
296                 md[k] ^= local_md[k];
297                 }
298         if (entropy < ENTROPY_NEEDED) /* stop counting when we have enough */
299             entropy += add;
300         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
301         
302 #if !defined(OPENSSL_THREADS) && !defined(OPENSSL_SYS_WIN32)
303         assert(md_c[1] == md_count[1]);
304 #endif
305         }
306
307 static void ssleay_rand_seed(const void *buf, int num)
308         {
309         ssleay_rand_add(buf, num, num);
310         }
311
312 static int ssleay_rand_bytes(unsigned char *buf, int num)
313         {
314         static volatile int stirred_pool = 0;
315         int i,j,k,st_num,st_idx;
316         int num_ceil;
317         int ok;
318         long md_c[2];
319         unsigned char local_md[MD_DIGEST_LENGTH];
320         MD_CTX m;
321 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
322         pid_t curr_pid = getpid();
323 #endif
324         int do_stir_pool = 0;
325
326 #ifdef PREDICT
327         if (rand_predictable)
328                 {
329                 static unsigned char val=0;
330
331                 for (i=0; i<num; i++)
332                         buf[i]=val++;
333                 return(1);
334                 }
335 #endif
336
337         if (num <= 0)
338                 return 1;
339         
340         /* round upwards to multiple of MD_DIGEST_LENGTH/2 */
341         num_ceil = (1 + (num-1)/(MD_DIGEST_LENGTH/2)) * (MD_DIGEST_LENGTH/2);
342
343         /*
344          * (Based on the rand(3) manpage:)
345          *
346          * For each group of 10 bytes (or less), we do the following:
347          *
348          * Input into the hash function the local 'md' (which is initialized from
349          * the global 'md' before any bytes are generated), the bytes that are to
350          * be overwritten by the random bytes, and bytes from the 'state'
351          * (incrementing looping index). From this digest output (which is kept
352          * in 'md'), the top (up to) 10 bytes are returned to the caller and the
353          * bottom 10 bytes are xored into the 'state'.
354          * 
355          * Finally, after we have finished 'num' random bytes for the
356          * caller, 'count' (which is incremented) and the local and global 'md'
357          * are fed into the hash function and the results are kept in the
358          * global 'md'.
359          */
360
361         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
362
363         /* prevent ssleay_rand_bytes() from trying to obtain the lock again */
364         crypto_lock_rand = 1;
365         locking_thread = CRYPTO_thread_id();
366
367         if (!initialized)
368                 {
369                 RAND_poll();
370                 initialized = 1;
371                 }
372         
373         if (!stirred_pool)
374                 do_stir_pool = 1;
375         
376         ok = (entropy >= ENTROPY_NEEDED);
377         if (!ok)
378                 {
379                 /* If the PRNG state is not yet unpredictable, then seeing
380                  * the PRNG output may help attackers to determine the new
381                  * state; thus we have to decrease the entropy estimate.
382                  * Once we've had enough initial seeding we don't bother to
383                  * adjust the entropy count, though, because we're not ambitious
384                  * to provide *information-theoretic* randomness.
385                  *
386                  * NOTE: This approach fails if the program forks before
387                  * we have enough entropy. Entropy should be collected
388                  * in a separate input pool and be transferred to the
389                  * output pool only when the entropy limit has been reached.
390                  */
391                 entropy -= num;
392                 if (entropy < 0)
393                         entropy = 0;
394                 }
395
396         if (do_stir_pool)
397                 {
398                 /* In the output function only half of 'md' remains secret,
399                  * so we better make sure that the required entropy gets
400                  * 'evenly distributed' through 'state', our randomness pool.
401                  * The input function (ssleay_rand_add) chains all of 'md',
402                  * which makes it more suitable for this purpose.
403                  */
404
405                 int n = STATE_SIZE; /* so that the complete pool gets accessed */
406                 while (n > 0)
407                         {
408 #if MD_DIGEST_LENGTH > 20
409 # error "Please adjust DUMMY_SEED."
410 #endif
411 #define DUMMY_SEED "...................." /* at least MD_DIGEST_LENGTH */
412                         /* Note that the seed does not matter, it's just that
413                          * ssleay_rand_add expects to have something to hash. */
414                         ssleay_rand_add(DUMMY_SEED, MD_DIGEST_LENGTH, 0.0);
415                         n -= MD_DIGEST_LENGTH;
416                         }
417                 if (ok)
418                         stirred_pool = 1;
419                 }
420
421         st_idx=state_index;
422         st_num=state_num;
423         md_c[0] = md_count[0];
424         md_c[1] = md_count[1];
425         memcpy(local_md, md, sizeof md);
426
427         state_index+=num_ceil;
428         if (state_index > state_num)
429                 state_index %= state_num;
430
431         /* state[st_idx], ..., state[(st_idx + num_ceil - 1) % st_num]
432          * are now ours (but other threads may use them too) */
433
434         md_count[0] += 1;
435
436         /* before unlocking, we must clear 'crypto_lock_rand' */
437         crypto_lock_rand = 0;
438         locking_thread = 0;
439         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
440
441         while (num > 0)
442                 {
443                 /* num_ceil -= MD_DIGEST_LENGTH/2 */
444                 j=(num >= MD_DIGEST_LENGTH/2)?MD_DIGEST_LENGTH/2:num;
445                 num-=j;
446                 MD_Init(&m);
447 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
448                 if (curr_pid) /* just in the first iteration to save time */
449                         {
450                         MD_Update(&m,(unsigned char*)&curr_pid,sizeof curr_pid);
451                         curr_pid = 0;
452                         }
453 #endif
454                 MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
455                 MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
456 #ifndef PURIFY
457                 MD_Update(&m,buf,j); /* purify complains */
458 #endif
459                 k=(st_idx+MD_DIGEST_LENGTH/2)-st_num;
460                 if (k > 0)
461                         {
462                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),MD_DIGEST_LENGTH/2-k);
463                         MD_Update(&m,&(state[0]),k);
464                         }
465                 else
466                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),MD_DIGEST_LENGTH/2);
467                 MD_Final(&m,local_md);
468
469                 for (i=0; i<MD_DIGEST_LENGTH/2; i++)
470                         {
471                         state[st_idx++]^=local_md[i]; /* may compete with other threads */
472                         if (st_idx >= st_num)
473                                 st_idx=0;
474                         if (i < j)
475                                 *(buf++)=local_md[i+MD_DIGEST_LENGTH/2];
476                         }
477                 }
478
479         MD_Init(&m);
480         MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
481         MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
482         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
483         MD_Update(&m,md,MD_DIGEST_LENGTH);
484         MD_Final(&m,md);
485         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
486
487         memset(&m,0,sizeof(m));
488         if (ok)
489                 return(1);
490         else
491                 {
492                 RANDerr(RAND_F_SSLEAY_RAND_BYTES,RAND_R_PRNG_NOT_SEEDED);
493                 ERR_add_error_data(1, "You need to read the OpenSSL FAQ, "
494                         "http://www.openssl.org/support/faq.html");
495                 return(0);
496                 }
497         }
498
499 /* pseudo-random bytes that are guaranteed to be unique but not
500    unpredictable */
501 static int ssleay_rand_pseudo_bytes(unsigned char *buf, int num) 
502         {
503         int ret;
504         unsigned long err;
505
506         ret = RAND_bytes(buf, num);
507         if (ret == 0)
508                 {
509                 err = ERR_peek_error();
510                 if (ERR_GET_LIB(err) == ERR_LIB_RAND &&
511                     ERR_GET_REASON(err) == RAND_R_PRNG_NOT_SEEDED)
512                         (void)ERR_get_error();
513                 }
514         return (ret);
515         }
516
517 static int ssleay_rand_status(void)
518         {
519         int ret;
520         int do_not_lock;
521
522         /* check if we already have the lock
523          * (could happen if a RAND_poll() implementation calls RAND_status()) */
524         do_not_lock = crypto_lock_rand && (locking_thread == CRYPTO_thread_id());
525         
526         if (!do_not_lock)
527                 {
528                 CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
529                 
530                 /* prevent ssleay_rand_bytes() from trying to obtain the lock again */
531                 crypto_lock_rand = 1;
532                 locking_thread = CRYPTO_thread_id();
533                 }
534         
535         if (!initialized)
536                 {
537                 RAND_poll();
538                 initialized = 1;
539                 }
540
541         ret = entropy >= ENTROPY_NEEDED;
542
543         if (!do_not_lock)
544                 {
545                 /* before unlocking, we must clear 'crypto_lock_rand' */
546                 crypto_lock_rand = 0;
547                 locking_thread = 0;
548                 
549                 CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
550                 }
551         
552         return ret;
553         }