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) 1998-2001 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 /* access to lockin_thread is synchronized by CRYPTO_LOCK_RAND2 */
 148 static unsigned long locking_thread = 0; /* valid iff crypto_lock_rand is set */
 149
 150
 151 #ifdef PREDICT
 152 int rand_predictable=0;
 153 #endif
 154
 155 const char *RAND_version="RAND" OPENSSL_VERSION_PTEXT;
 156
 157 static void ssleay_rand_cleanup(void);
 158 static void ssleay_rand_seed(const void *buf, int num);
 159 static void ssleay_rand_add(const void *buf, int num, double add_entropy);
 160 static int ssleay_rand_bytes(unsigned char *buf, int num);
 161 static int ssleay_rand_pseudo_bytes(unsigned char *buf, int num);
 162 static int ssleay_rand_status(void);
 163
 164 RAND_METHOD rand_ssleay_meth={
 165         ssleay_rand_seed,
 166         ssleay_rand_bytes,
 167         ssleay_rand_cleanup,
 168         ssleay_rand_add,
 169         ssleay_rand_pseudo_bytes,
 170         ssleay_rand_status
 171         };
 172
 173 RAND_METHOD *RAND_SSLeay(void)
 174         {
 175         return(&rand_ssleay_meth);
 176         }
 177
 178 static void ssleay_rand_cleanup(void)
 179         {
 180         OPENSSL_cleanse(state,sizeof(state));
 181         state_num=0;
 182         state_index=0;
 183         OPENSSL_cleanse(md,MD_DIGEST_LENGTH);
 184         md_count[0]=0;
 185         md_count[1]=0;
 186         entropy=0;
 187         initialized=0;
 188         }
 189
 190 static void ssleay_rand_add(const void *buf, int num, double add)
 191         {
 192         int i,j,k,st_idx;
 193         long md_c[2];
 194         unsigned char local_md[MD_DIGEST_LENGTH];
 195         EVP_MD_CTX m;
 196         int do_not_lock;
 197
 198         /*
 199          * (Based on the rand(3) manpage)
 200          *
 201          * The input is chopped up into units of 20 bytes (or less for
 202          * the last block).  Each of these blocks is run through the hash
 203          * function as follows:  The data passed to the hash function
 204          * is the current 'md', the same number of bytes from the 'state'
 205          * (the location determined by in incremented looping index) as
 206          * the current 'block', the new key data 'block', and 'count'
 207          * (which is incremented after each use).
 208          * The result of this is kept in 'md' and also xored into the
 209          * 'state' at the same locations that were used as input into the
 210          * hash function.
 211          */
 212
 213         /* check if we already have the lock */
 214         if (crypto_lock_rand)
 215                 {
 216                 CRYPTO_r_lock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 217                 do_not_lock = (locking_thread == CRYPTO_thread_id());
 218                 CRYPTO_r_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 219                 }
 220         else
 221                 do_not_lock = 0;
 222
 223         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 224         st_idx=state_index;
 225
 226         /* use our own copies of the counters so that even
 227          * if a concurrent thread seeds with exactly the
 228          * same data and uses the same subarray there's _some_
 229          * difference */
 230         md_c[0] = md_count[0];
 231         md_c[1] = md_count[1];
 232
 233         memcpy(local_md, md, sizeof md);
 234
 235         /* state_index <= state_num <= STATE_SIZE */
 236         state_index += num;
 237         if (state_index >= STATE_SIZE)
 238                 {
 239                 state_index%=STATE_SIZE;
 240                 state_num=STATE_SIZE;
 241                 }
 242         else if (state_num < STATE_SIZE)
 243                 {
 244                 if (state_index > state_num)
 245                         state_num=state_index;
 246                 }
 247         /* state_index <= state_num <= STATE_SIZE */
 248
 249         /* state[st_idx], ..., state[(st_idx + num - 1) % STATE_SIZE]
 250          * are what we will use now, but other threads may use them
 251          * as well */
 252
 253         md_count[1] += (num / MD_DIGEST_LENGTH) + (num % MD_DIGEST_LENGTH > 0);
 254
 255         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 256
 257         EVP_MD_CTX_init(&m);
 258         for (i=0; i<num; i+=MD_DIGEST_LENGTH)
 259                 {
 260                 j=(num-i);
 261                 j=(j > MD_DIGEST_LENGTH)?MD_DIGEST_LENGTH:j;
 262
 263                 MD_Init(&m);
 264                 MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
 265                 k=(st_idx+j)-STATE_SIZE;
 266                 if (k > 0)
 267                         {
 268                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j-k);
 269                         MD_Update(&m,&(state[0]),k);
 270                         }
 271                 else
 272                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),j);
 273
 274                 MD_Update(&m,buf,j);
 275                 MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
 276                 MD_Final(&m,local_md);
 277                 md_c[1]++;
 278
 279                 buf=(const char *)buf + j;
 280
 281                 for (k=0; k<j; k++)
 282                         {
 283                         /* Parallel threads may interfere with this,
 284                          * but always each byte of the new state is
 285                          * the XOR of some previous value of its
 286                          * and local_md (itermediate values may be lost).
 287                          * Alway using locking could hurt performance more
 288                          * than necessary given that conflicts occur only
 289                          * when the total seeding is longer than the random
 290                          * state. */
 291                         state[st_idx++]^=local_md[k];
 292                         if (st_idx >= STATE_SIZE)
 293                                 st_idx=0;
 294                         }
 295                 }
 296         EVP_MD_CTX_cleanup(&m);
 297
 298         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 299         /* Don't just copy back local_md into md -- this could mean that
 300          * other thread's seeding remains without effect (except for
 301          * the incremented counter).  By XORing it we keep at least as
 302          * much entropy as fits into md. */
 303         for (k = 0; k < (int)sizeof(md); k++)
 304                 {
 305                 md[k] ^= local_md[k];
 306                 }
 307         if (entropy < ENTROPY_NEEDED) /* stop counting when we have enough */
 308             entropy += add;
 309         if (!do_not_lock) CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 310
 311 #if !defined(OPENSSL_THREADS) && !defined(OPENSSL_SYS_WIN32)
 312         assert(md_c[1] == md_count[1]);
 313 #endif
 314         }
 315
 316 static void ssleay_rand_seed(const void *buf, int num)
 317         {
 318         ssleay_rand_add(buf, num, (float)num);
 319         }
 320
 321 static int ssleay_rand_bytes(unsigned char *buf, int num)
 322         {
 323         static volatile int stirred_pool = 0;
 324         int i,j,k,st_num,st_idx;
 325         int num_ceil;
 326         int ok;
 327         long md_c[2];
 328         unsigned char local_md[MD_DIGEST_LENGTH];
 329         EVP_MD_CTX m;
 330 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
 331         pid_t curr_pid = getpid();
 332 #endif
 333         int do_stir_pool = 0;
 334
 335 #ifdef PREDICT
 336         if (rand_predictable)
 337                 {
 338                 static unsigned char val=0;
 339
 340                 for (i=0; i<num; i++)
 341                         buf[i]=val++;
 342                 return(1);
 343                 }
 344 #endif
 345
 346         if (num <= 0)
 347                 return 1;
 348
 349         EVP_MD_CTX_init(&m);
 350         /* round upwards to multiple of MD_DIGEST_LENGTH/2 */
 351         num_ceil = (1 + (num-1)/(MD_DIGEST_LENGTH/2)) * (MD_DIGEST_LENGTH/2);
 352
 353         /*
 354          * (Based on the rand(3) manpage:)
 355          *
 356          * For each group of 10 bytes (or less), we do the following:
 357          *
 358          * Input into the hash function the local 'md' (which is initialized from
 359          * the global 'md' before any bytes are generated), the bytes that are to
 360          * be overwritten by the random bytes, and bytes from the 'state'
 361          * (incrementing looping index). From this digest output (which is kept
 362          * in 'md'), the top (up to) 10 bytes are returned to the caller and the
 363          * bottom 10 bytes are xored into the 'state'.
 364          *
 365          * Finally, after we have finished 'num' random bytes for the
 366          * caller, 'count' (which is incremented) and the local and global 'md'
 367          * are fed into the hash function and the results are kept in the
 368          * global 'md'.
 369          */
 370
 371         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 372
 373         /* prevent ssleay_rand_bytes() from trying to obtain the lock again */
 374         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 375         locking_thread = CRYPTO_thread_id();
 376         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 377         crypto_lock_rand = 1;
 378
 379         if (!initialized)
 380                 {
 381                 RAND_poll();
 382                 initialized = 1;
 383                 }
 384
 385         if (!stirred_pool)
 386                 do_stir_pool = 1;
 387
 388         ok = (entropy >= ENTROPY_NEEDED);
 389         if (!ok)
 390                 {
 391                 /* If the PRNG state is not yet unpredictable, then seeing
 392                  * the PRNG output may help attackers to determine the new
 393                  * state; thus we have to decrease the entropy estimate.
 394                  * Once we've had enough initial seeding we don't bother to
 395                  * adjust the entropy count, though, because we're not ambitious
 396                  * to provide *information-theoretic* randomness.
 397                  *
 398                  * NOTE: This approach fails if the program forks before
 399                  * we have enough entropy. Entropy should be collected
 400                  * in a separate input pool and be transferred to the
 401                  * output pool only when the entropy limit has been reached.
 402                  */
 403                 entropy -= num;
 404                 if (entropy < 0)
 405                         entropy = 0;
 406                 }
 407
 408         if (do_stir_pool)
 409                 {
 410                 /* In the output function only half of 'md' remains secret,
 411                  * so we better make sure that the required entropy gets
 412                  * 'evenly distributed' through 'state', our randomness pool.
 413                  * The input function (ssleay_rand_add) chains all of 'md',
 414                  * which makes it more suitable for this purpose.
 415                  */
 416
 417                 int n = STATE_SIZE; /* so that the complete pool gets accessed */
 418                 while (n > 0)
 419                         {
 420 #if MD_DIGEST_LENGTH > 20
 421 # error "Please adjust DUMMY_SEED."
 422 #endif
 423 #define DUMMY_SEED "...................." /* at least MD_DIGEST_LENGTH */
 424                         /* Note that the seed does not matter, it's just that
 425                          * ssleay_rand_add expects to have something to hash. */
 426                         ssleay_rand_add(DUMMY_SEED, MD_DIGEST_LENGTH, 0.0);
 427                         n -= MD_DIGEST_LENGTH;
 428                         }
 429                 if (ok)
 430                         stirred_pool = 1;
 431                 }
 432
 433         st_idx=state_index;
 434         st_num=state_num;
 435         md_c[0] = md_count[0];
 436         md_c[1] = md_count[1];
 437         memcpy(local_md, md, sizeof md);
 438
 439         state_index+=num_ceil;
 440         if (state_index > state_num)
 441                 state_index %= state_num;
 442
 443         /* state[st_idx], ..., state[(st_idx + num_ceil - 1) % st_num]
 444          * are now ours (but other threads may use them too) */
 445
 446         md_count[0] += 1;
 447
 448         /* before unlocking, we must clear 'crypto_lock_rand' */
 449         crypto_lock_rand = 0;
 450         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 451
 452         while (num > 0)
 453                 {
 454                 /* num_ceil -= MD_DIGEST_LENGTH/2 */
 455                 j=(num >= MD_DIGEST_LENGTH/2)?MD_DIGEST_LENGTH/2:num;
 456                 num-=j;
 457                 MD_Init(&m);
 458 #ifndef GETPID_IS_MEANINGLESS
 459                 if (curr_pid) /* just in the first iteration to save time */
 460                         {
 461                         MD_Update(&m,(unsigned char*)&curr_pid,sizeof curr_pid);
 462                         curr_pid = 0;
 463                         }
 464 #endif
 465                 MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
 466                 MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
 467 #ifndef PURIFY
 468                 MD_Update(&m,buf,j); /* purify complains */
 469 #endif
 470                 k=(st_idx+MD_DIGEST_LENGTH/2)-st_num;
 471                 if (k > 0)
 472                         {
 473                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),MD_DIGEST_LENGTH/2-k);
 474                         MD_Update(&m,&(state[0]),k);
 475                         }
 476                 else
 477                         MD_Update(&m,&(state[st_idx]),MD_DIGEST_LENGTH/2);
 478                 MD_Final(&m,local_md);
 479
 480                 for (i=0; i<MD_DIGEST_LENGTH/2; i++)
 481                         {
 482                         state[st_idx++]^=local_md[i]; /* may compete with other threads */
 483                         if (st_idx >= st_num)
 484                                 st_idx=0;
 485                         if (i < j)
 486                                 *(buf++)=local_md[i+MD_DIGEST_LENGTH/2];
 487                         }
 488                 }
 489
 490         MD_Init(&m);
 491         MD_Update(&m,(unsigned char *)&(md_c[0]),sizeof(md_c));
 492         MD_Update(&m,local_md,MD_DIGEST_LENGTH);
 493         CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 494         MD_Update(&m,md,MD_DIGEST_LENGTH);
 495         MD_Final(&m,md);
 496         CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 497
 498         EVP_MD_CTX_cleanup(&m);
 499         if (ok)
 500                 return(1);
 501         else
 502                 {
 503                 RANDerr(RAND_F_SSLEAY_RAND_BYTES,RAND_R_PRNG_NOT_SEEDED);
 504                 ERR_add_error_data(1, "You need to read the OpenSSL FAQ, "
 505                         "http://www.openssl.org/support/faq.html");
 506                 return(0);
 507                 }
 508         }
 509
 510 /* pseudo-random bytes that are guaranteed to be unique but not
 511    unpredictable */
 512 static int ssleay_rand_pseudo_bytes(unsigned char *buf, int num)
 513         {
 514         int ret;
 515         unsigned long err;
 516
 517         ret = RAND_bytes(buf, num);
 518         if (ret == 0)
 519                 {
 520                 err = ERR_peek_error();
 521                 if (ERR_GET_LIB(err) == ERR_LIB_RAND &&
 522                     ERR_GET_REASON(err) == RAND_R_PRNG_NOT_SEEDED)
 523                         (void)ERR_get_error();
 524                 }
 525         return (ret);
 526         }
 527
 528 static int ssleay_rand_status(void)
 529         {
 530         int ret;
 531         int do_not_lock;
 532
 533         /* check if we already have the lock
 534          * (could happen if a RAND_poll() implementation calls RAND_status()) */
 535         if (crypto_lock_rand)
 536                 {
 537                 CRYPTO_r_lock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 538                 do_not_lock = (locking_thread == CRYPTO_thread_id());
 539                 CRYPTO_r_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 540                 }
 541         else
 542                 do_not_lock = 0;
 543
 544         if (!do_not_lock)
 545                 {
 546                 CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 547
 548                 /* prevent ssleay_rand_bytes() from trying to obtain the lock again */
 549                 CRYPTO_w_lock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 550                 locking_thread = CRYPTO_thread_id();
 551                 CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND2);
 552                 crypto_lock_rand = 1;
 553                 }
 554
 555         if (!initialized)
 556                 {
 557                 RAND_poll();
 558                 initialized = 1;
 559                 }
 560
 561         ret = entropy >= ENTROPY_NEEDED;
 562
 563         if (!do_not_lock)
 564                 {
 565                 /* before unlocking, we must clear 'crypto_lock_rand' */
 566                 crypto_lock_rand = 0;
 567
 568                 CRYPTO_w_unlock(CRYPTO_LOCK_RAND);
 569                 }
 570
 571         return ret;
 572         }