Разработка ядра Linux

В ядре Linux реализован генератор случайных чисел, который теоретически может генерировать истинно случайные числа. Генератор случайных чисел собирает в пул энтропии шумы внешней среды, которые поступают из драйверов устройств. Этот пул доступен как в ядре, так и для пользовательских процессов в качестве источника данных, которые не только случайны внутри системы, но и недетерминированы для внешних источников атак. Такие случайные числа используются различными внешними приложениями, особенно для целей криптографии.

Истинно случайные числа отличаются от псевдослучайных чисел, которые генерируются библиотечными функциями языка С. Псевдослучайные числа создаются с помощью детерминированных функций. Хотя такие функции и могут генерировать последовательности чисел, которые обладают некоторыми свойствами истинно случайных чисел, тем не менее такие числа только статистически случайны. Псевдослучайные числа являются детерминированными, потому что если известно хотя бы одно число последовательности, то можно определить и все остальные. Если известно так называемое порождающее число последовательности (seed), то обычно по нему определяется и вся последовательность. Для приложений, которые требуют истинно случайных чисел, как, например, криптография, псевдослучайные числа обычно не подходят.

В отличие от псевдослучайных чисел, истинно случайные числа не зависят от той функции, которая используется для их генерации. Более того, если известен некоторый член последовательности истинно случайных чисел, то внешний наблюдатель не сможет определить, какие числа будет выдавать генератор в будущем, т.е. такой генератор — недетерминированный.

Физический термин энтропия — это мера беспорядка и случайности в любой системе. Энтропия измеряется в единицах энергии на единицу температуры (Джоуль на градус Кельвина). Когда Клод Шеннон (Claude Shennon)[98], создатель информационной теории, искал термин для представления случайности информации, великий математик Джон фон Нейман (John von Neumann)[99] предложил ему использовать термин энтропия, потому что никто толком не понимает, что за этим понятием кроется. Шеннон согласился, и сегодня это звучит как энтропия Шеннона. Некоторые ученые считают, что такое двойное название только вносит путаницу, и когда речь идет об информации, то используют термин неопределенность. Разработчики ядра, наоборот, считают, что "энтропия" — это "круто", и поддерживают использование данного термина.

При рассмотрении генераторов случайных чисел понятие энтропии Шеннона является очень важным. Эта характеристика измеряется в битах на символ. Высокое значение энтропии означает, что в последовательности символов мало полезной (точнее, предсказуемой) информации и много случайного "мусора". Ядро поддерживает пул энтропии, который пополняется данными, возникающими в результате недетерминированных событий, связанных с аппаратными устройствами. В идеале, этот пул содержит полностью случайные данные. Для того чтобы иметь представление о значении энтропии пула, ядро постоянно вычисляет меру неопределенности данных в пуле. По мере того как ядро добавляет данные в пул, оно оценивает меру случайности добавляемых данных. И наоборот, по мере того как данные извлекаются из пула, ядро уменьшает значение оценки энтропии. Соответствующая количественная характеристика называется оценкой энтропии. Если значение оценки энтропии становится равным нулю, то ядро может отказаться выполнять запрос по считыванию данных из пула.

Генератор случайных чисел ядра был предложен в версии 1.3.30 и находится в файле

drivers/char/random.c

Принцип работы и реализация

Компьютеры — это предсказуемые устройства. Действительно, трудно найти случайное поведение в системе, поведение которой можно практически полностью программировать. Однако окружающая среда, где находится машина, полна различных шумов, которые недетерминированы и которые можно измерить. Источники таких шумов включают моменты времени, в которые возникают события, связанные с аппаратными устройствами, а также события, связанные с взаимодействием пользователей и компьютера. Например, интервалы времени между нажатиями клавиш, перемещения мыши, интервалы времени между некоторыми типами прерываний и время выполнения запроса блочного ввода-вывода являются недетерминированными, и, кроме того, их не может измерить внешний злоумышленник. Случайная информация, которая получается из этих событий, записывается в пул энтропии. Пул растет и заполняется случайными и непредсказуемыми шумовыми данными. По мере добавления данных в пул вычисляется оценка энтропии, и итоговое значение запоминается. Это позволяет всегда иметь информацию о значении энтропии в пуле. На рис. Б. 1 показана диаграмма прохождения потока энтропии в пул и из пула.

Рис. Б.1. Прохождение энтропии через пул энтропии ядра

Для доступа к пулу энтропии, как из пространства ядра, так и из пространства пользователя, ядро предоставляет набор интерфейсов. Когда выполняется обращение к этим интерфейсам, ядро вначале вычисляет хеш-значение SHA данных из пула. Алгоритм SHA (Secure Hash Algorithm, алгоритм вычисления безопасного хеш- значения) — это алгоритм вычисления дайджеста сообщения (профиля сообщения, message digest), который был разработан Агентством национальной безопасности (National Security Agency, NSA) и утвержден в качестве федерального стандарта США Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) (федеральный стандарт по обработке информации, FIPS 186). Вычисление дайджеста сообщения выполняется с помощью специального алгоритма, который принимает сообщение переменного размера (большое или маленькое) и выдает на выходе хеш-значение фиксированного размера (обычно размером 128 или 160 байт). Это фиксированное значение и представляет собой дайджест. Входное сообщение не может быть реконструировано по его хеш-значению. Более того, простое изменение входного сообщения (например, изменение одного символа) приведет к радикальному изменению хеш-значения. Алгоритмы вычисления дайджестов сообщений могут использоваться по-разному, включая проверку подлинности данных и дактилоскопию. Другие алгоритмы вычисления дайджестов — это MD4 и MD5. Пользователю возвращается хеш-значение SHA пула, к содержимому пула энтропии непосредственно обращаться нельзя. Считается, что по хеш-значению невозможно получить никакую информацию о состоянии пула. Поэтому если известно несколько значений из пула, то это не дает никакой информации о прошлых и будущих значениях. Ядро может использовать оценку энтропии и отказаться выполнить запрос на считывание данных из пула, если значение энтропии равно нулю. По мере того как из пула считываются данные, оценка энтропии уменьшается. Это реакция на то, что о пуле становится известно больше информации.

Когда значение оценки энтропии достигает нуля, то ядро все равно может возвращать случайные числа. Однако в этом случае теоретически появляется возможность того, что злоумышленник сможет предугадать результат вывода. Для этого требуются все результаты вывода из пула энтропии, а также чтобы злоумышленник смог выполнить криптографический анализ алгоритма SHA. Так как алгоритм SHA считается безопасным, то это невозможно. Для высоконадежной криптографии оценка энтропии позволяет гарантировать устойчивость случайных чисел. Для большинства пользователей такая дополнительная гарантия не нужна.

Почему это реализовано в ядре?

Критерием того, что какую-либо возможность необходимо реализовать в ядре, является сложность реализации этой возможности в пространстве пользователя. Недопустимо вводить что-либо в ядро только потому, что мы это можем сделать. Может показаться, что генератору случайных чисел и пулу энтропии не место в ядре. Однако существует, по крайней мере, три причины, по которым они должны быть в ядре. Во первых, генератору необходим доступ к системным событиям, таким как прерывания и ввод данных пользователями. Для обеспечения доступа к информации об этих событиях из пространства пользователя необходимо экспортировать специальные интерфейсы, чтобы информировать пространство пользователя о том, что эти события произошли. Даже если эти данные будут экспортироваться, то доступ к ним будет не простым и не быстрым. Во-вторых, генератор случайных чисел должен быть безопасным. Хотя такая система и может выполняться с правами пользователя root, тем не менее ядро является значительно более безопасным местом для пула энтропии. И наконец, самому ядру также необходимы случайные числа. Получать информацию о случайных числах, которая необходима ядру, из пространства пользователя — это не практично. В связи с этим генератор случайных чисел работает в ядре.

Интерфейсы для ввода энтропии

Ядро экспортирует следующее семейство интерфейсов, которые могут использоваться драйверами и системами для ввода данных в пул энтропии.

void add_interrupt_randomness(int irq);

void add_keyboard_randomness(unsigned char scancode);

void add_mouse_randomness(__u32 mouse_data);

Функция

add_interrupt_randomness()

SA_SAMPLE_RANDOM

irq

Функция

add_keyboard_randomness()

Функция

add_mouse_randomness()

mouse_data

Эти три функции добавляют передаваемые данные в пул энтропии, вычисляют оценку энтропии добавляемых данных и увеличивают оценку энтропии пула на вычисленное значение.

Все эти экспортируемые интерфейсы используют внутреннюю функцию

add_timer_randomness()

Интерфейсы для вывода энтропии

Для получения случайных чисел внутри ядра экспортируется один интерфейс.

void get_random_bytes(void *buf, int nbytes);

Эта функция сохраняет

nbytes

buf

Код ядра может выполнить следующий код для получения случайных данных размером в одно машинное слово.

unsigned long rand;

get_random_bytes(&rand, sizeof(rand));

Для программ, которые выполняются в пространстве пользователя, предоставляется два символьных устройства:

/dev/random

/dev/urandom

/dev/random

/dev/random

/dev/urandom

Чтение из обоих файлов выполняется очень просто. Ниже показана функция пользовательской программы, которая служит для считывания одного машинного слова случайных данных.

unsigned long get_random(void) {

 unsigned long seed = 0;

 int fd;

 fd = open("/dev/urandom", O_RDONLY);

 if (fd == -1) {

  perror("open");

  return 0;

 }

 if (read(fd, &seed, sizeof(seed)) < 0) {

  perror("read");

  seed = 0;

 }

 if (close(fd))

  perror("close");

 return seed;

}

Можно также считать

$bytes

$file

dd

dd if=/dev/urandom of=$file count=1 bs=$bytes