lib/libc/gen/arc4random.c

   1 /*      $OpenBSD: arc4random.c,v 1.54 2015/09/13 08:31:47 guenther Exp $        */
   2
   3 /*
   4  * Copyright (c) 1996, David Mazieres <dm@uun.org>
   5  * Copyright (c) 2008, Damien Miller <djm@openbsd.org>
   6  * Copyright (c) 2013, Markus Friedl <markus@openbsd.org>
   7  * Copyright (c) 2014, Theo de Raadt <deraadt@openbsd.org>
   8  *
   9  * Permission to use, copy, modify, and distribute this software for any
  10  * purpose with or without fee is hereby granted, provided that the above
  11  * copyright notice and this permission notice appear in all copies.
  12  *
  13  * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS" AND THE AUTHOR DISCLAIMS ALL WARRANTIES
  14  * WITH REGARD TO THIS SOFTWARE INCLUDING ALL IMPLIED WARRANTIES OF
  15  * MERCHANTABILITY AND FITNESS. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR
  16  * ANY SPECIAL, DIRECT, INDIRECT, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES OR ANY DAMAGES
  17  * WHATSOEVER RESULTING FROM LOSS OF USE, DATA OR PROFITS, WHETHER IN AN
  18  * ACTION OF CONTRACT, NEGLIGENCE OR OTHER TORTIOUS ACTION, ARISING OUT OF
  19  * OR IN CONNECTION WITH THE USE OR PERFORMANCE OF THIS SOFTWARE.
  20  */
  21
  22 /*
  23  * ChaCha based random number generator for OpenBSD.
  24  */
  25
  26 #include <sys/cdefs.h>
  27 __FBSDID("$FreeBSD$");
  28
  29 #include "namespace.h"
  30 #include <fcntl.h>
  31 #include <limits.h>
  32 #include <pthread.h>
  33 #include <signal.h>
  34 #include <stdint.h>
  35 #include <stdlib.h>
  36 #include <string.h>
  37 #include <unistd.h>
  38 #include <sys/types.h>
  39 #include <sys/time.h>
  40
  41 #include "libc_private.h"
  42 #include "un-namespace.h"
  43
  44 #define CHACHA_EMBED
  45 #define KEYSTREAM_ONLY
  46 #include "chacha.c"
  47
  48 #define minimum(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
  49
  50 #if defined(__GNUC__) || defined(_MSC_VER)
  51 #define inline __inline
  52 #else                           /* __GNUC__ || _MSC_VER */
  53 #define inline
  54 #endif                          /* !__GNUC__ && !_MSC_VER */
  55
  56 #define KEYSZ   32
  57 #define IVSZ    8
  58 #define BLOCKSZ 64
  59 #define RSBUFSZ (16*BLOCKSZ)
  60
  61 /* Marked INHERIT_ZERO, so zero'd out in fork children. */
  62 static struct _rs {
  63         size_t          rs_have;        /* valid bytes at end of rs_buf */
  64         size_t          rs_count;       /* bytes till reseed */
  65 } *rs;
  66
  67 /* Maybe be preserved in fork children, if _rs_allocate() decides. */
  68 static struct _rsx {
  69         chacha_ctx      rs_chacha;      /* chacha context for random keystream */
  70         u_char          rs_buf[RSBUFSZ];        /* keystream blocks */
  71 } *rsx;
  72
  73 static inline int _rs_allocate(struct _rs **, struct _rsx **);
  74 static inline void _rs_forkdetect(void);
  75 #include "arc4random.h"
  76
  77 static inline void _rs_rekey(u_char *dat, size_t datlen);
  78
  79 static inline void
  80 _rs_init(u_char *buf, size_t n)
  81 {
  82         if (n < KEYSZ + IVSZ)
  83                 return;
  84
  85         if (rs == NULL) {
  86                 if (_rs_allocate(&rs, &rsx) == -1)
  87                         abort();
  88         }
  89
  90         chacha_keysetup(&rsx->rs_chacha, buf, KEYSZ * 8);
  91         chacha_ivsetup(&rsx->rs_chacha, buf + KEYSZ, NULL);
  92 }
  93
  94 static void
  95 _rs_stir(void)
  96 {
  97         u_char rnd[KEYSZ + IVSZ];
  98
  99         if (getentropy(rnd, sizeof rnd) == -1)
 100                 _getentropy_fail();
 101
 102         if (!rs)
 103                 _rs_init(rnd, sizeof(rnd));
 104         else
 105                 _rs_rekey(rnd, sizeof(rnd));
 106         explicit_bzero(rnd, sizeof(rnd));       /* discard source seed */
 107
 108         /* invalidate rs_buf */
 109         rs->rs_have = 0;
 110         memset(rsx->rs_buf, 0, sizeof(rsx->rs_buf));
 111
 112         rs->rs_count = 1600000;
 113 }
 114
 115 static inline void
 116 _rs_stir_if_needed(size_t len)
 117 {
 118         _rs_forkdetect();
 119         if (!rs || rs->rs_count <= len)
 120                 _rs_stir();
 121         if (rs->rs_count <= len)
 122                 rs->rs_count = 0;
 123         else
 124                 rs->rs_count -= len;
 125 }
 126
 127 static inline void
 128 _rs_rekey(u_char *dat, size_t datlen)
 129 {
 130 #ifndef KEYSTREAM_ONLY
 131         memset(rsx->rs_buf, 0, sizeof(rsx->rs_buf));
 132 #endif
 133         /* fill rs_buf with the keystream */
 134         chacha_encrypt_bytes(&rsx->rs_chacha, rsx->rs_buf,
 135             rsx->rs_buf, sizeof(rsx->rs_buf));
 136         /* mix in optional user provided data */
 137         if (dat) {
 138                 size_t i, m;
 139
 140                 m = minimum(datlen, KEYSZ + IVSZ);
 141                 for (i = 0; i < m; i++)
 142                         rsx->rs_buf[i] ^= dat[i];
 143         }
 144         /* immediately reinit for backtracking resistance */
 145         _rs_init(rsx->rs_buf, KEYSZ + IVSZ);
 146         memset(rsx->rs_buf, 0, KEYSZ + IVSZ);
 147         rs->rs_have = sizeof(rsx->rs_buf) - KEYSZ - IVSZ;
 148 }
 149
 150 static inline void
 151 _rs_random_buf(void *_buf, size_t n)
 152 {
 153         u_char *buf = (u_char *)_buf;
 154         u_char *keystream;
 155         size_t m;
 156
 157         _rs_stir_if_needed(n);
 158         while (n > 0) {
 159                 if (rs->rs_have > 0) {
 160                         m = minimum(n, rs->rs_have);
 161                         keystream = rsx->rs_buf + sizeof(rsx->rs_buf)
 162                             - rs->rs_have;
 163                         memcpy(buf, keystream, m);
 164                         memset(keystream, 0, m);
 165                         buf += m;
 166                         n -= m;
 167                         rs->rs_have -= m;
 168                 }
 169                 if (rs->rs_have == 0)
 170                         _rs_rekey(NULL, 0);
 171         }
 172 }
 173
 174 static inline void
 175 _rs_random_u32(uint32_t *val)
 176 {
 177         u_char *keystream;
 178
 179         _rs_stir_if_needed(sizeof(*val));
 180         if (rs->rs_have < sizeof(*val))
 181                 _rs_rekey(NULL, 0);
 182         keystream = rsx->rs_buf + sizeof(rsx->rs_buf) - rs->rs_have;
 183         memcpy(val, keystream, sizeof(*val));
 184         memset(keystream, 0, sizeof(*val));
 185         rs->rs_have -= sizeof(*val);
 186 }
 187
 188 uint32_t
 189 arc4random(void)
 190 {
 191         uint32_t val;
 192
 193         _ARC4_LOCK();
 194         _rs_random_u32(&val);
 195         _ARC4_UNLOCK();
 196         return val;
 197 }
 198
 199 void
 200 arc4random_buf(void *buf, size_t n)
 201 {
 202         _ARC4_LOCK();
 203         _rs_random_buf(buf, n);
 204         _ARC4_UNLOCK();
 205 }