sys/dev/random/randomdev.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2017 Oliver Pinter
   3  * Copyright (c) 2000-2015 Mark R V Murray
   4  * All rights reserved.
   5  *
   6  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   7  * modification, are permitted provided that the following conditions
   8  * are met:
   9  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  10  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer
  11  *    in this position and unchanged.
  12  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  14  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  15  *
  16  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR
  17  * IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES
  18  * OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED.
  19  * IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
  20  * INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT
  21  * NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
  22  * DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
  23  * THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
  24  * (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF
  25  * THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  26  *
  27  */
  28
  29 #include <sys/cdefs.h>
  30 __FBSDID("$FreeBSD$");
  31
  32 #include <sys/param.h>
  33 #include <sys/systm.h>
  34 #include <sys/bus.h>
  35 #include <sys/conf.h>
  36 #include <sys/fcntl.h>
  37 #include <sys/filio.h>
  38 #include <sys/kernel.h>
  39 #include <sys/kthread.h>
  40 #include <sys/lock.h>
  41 #include <sys/module.h>
  42 #include <sys/malloc.h>
  43 #include <sys/poll.h>
  44 #include <sys/proc.h>
  45 #include <sys/random.h>
  46 #include <sys/sbuf.h>
  47 #include <sys/selinfo.h>
  48 #include <sys/sysctl.h>
  49 #include <sys/systm.h>
  50 #include <sys/uio.h>
  51 #include <sys/unistd.h>
  52
  53 #include <crypto/rijndael/rijndael-api-fst.h>
  54 #include <crypto/sha2/sha256.h>
  55
  56 #include <dev/random/hash.h>
  57 #include <dev/random/randomdev.h>
  58 #include <dev/random/random_harvestq.h>
  59
  60 #define RANDOM_UNIT     0
  61
  62 #if defined(RANDOM_LOADABLE)
  63 #define READ_RANDOM_UIO _read_random_uio
  64 #define READ_RANDOM     _read_random
  65 static int READ_RANDOM_UIO(struct uio *, bool);
  66 static u_int READ_RANDOM(void *, u_int);
  67 #else
  68 #define READ_RANDOM_UIO read_random_uio
  69 #define READ_RANDOM     read_random
  70 #endif
  71
  72 static d_read_t randomdev_read;
  73 static d_write_t randomdev_write;
  74 static d_poll_t randomdev_poll;
  75 static d_ioctl_t randomdev_ioctl;
  76
  77 static struct cdevsw random_cdevsw = {
  78         .d_name = "random",
  79         .d_version = D_VERSION,
  80         .d_read = randomdev_read,
  81         .d_write = randomdev_write,
  82         .d_poll = randomdev_poll,
  83         .d_ioctl = randomdev_ioctl,
  84 };
  85
  86 /* For use with make_dev(9)/destroy_dev(9). */
  87 static struct cdev *random_dev;
  88
  89 static void
  90 random_alg_context_ra_init_alg(void *data)
  91 {
  92
  93         p_random_alg_context = &random_alg_context;
  94         p_random_alg_context->ra_init_alg(data);
  95 #if defined(RANDOM_LOADABLE)
  96         random_infra_init(READ_RANDOM_UIO, READ_RANDOM);
  97 #endif
  98 }
  99
 100 static void
 101 random_alg_context_ra_deinit_alg(void *data)
 102 {
 103
 104 #if defined(RANDOM_LOADABLE)
 105         random_infra_uninit();
 106 #endif
 107         p_random_alg_context->ra_deinit_alg(data);
 108         p_random_alg_context = NULL;
 109 }
 110
 111 SYSINIT(random_device, SI_SUB_RANDOM, SI_ORDER_THIRD, random_alg_context_ra_init_alg, NULL);
 112 SYSUNINIT(random_device, SI_SUB_RANDOM, SI_ORDER_THIRD, random_alg_context_ra_deinit_alg, NULL);
 113
 114 static struct selinfo rsel;
 115
 116 /*
 117  * This is the read uio(9) interface for random(4).
 118  */
 119 /* ARGSUSED */
 120 static int
 121 randomdev_read(struct cdev *dev __unused, struct uio *uio, int flags)
 122 {
 123
 124         return (READ_RANDOM_UIO(uio, (flags & O_NONBLOCK) != 0));
 125 }
 126
 127 int
 128 READ_RANDOM_UIO(struct uio *uio, bool nonblock)
 129 {
 130         uint8_t *random_buf;
 131         int error, spamcount;
 132         ssize_t read_len, total_read, c;
 133         /* 16 MiB takes about 0.08 s CPU time on my 2017 AMD Zen CPU */
 134 #define SIGCHK_PERIOD (16 * 1024 * 1024)
 135         const size_t sigchk_period = SIGCHK_PERIOD;
 136
 137         CTASSERT(SIGCHK_PERIOD % PAGE_SIZE == 0);
 138 #undef SIGCHK_PERIOD
 139
 140         random_buf = malloc(PAGE_SIZE, M_ENTROPY, M_WAITOK);
 141         p_random_alg_context->ra_pre_read();
 142         error = 0;
 143         spamcount = 0;
 144         /* (Un)Blocking logic */
 145         while (!p_random_alg_context->ra_seeded()) {
 146                 if (nonblock) {
 147                         error = EWOULDBLOCK;
 148                         break;
 149                 }
 150                 /* keep tapping away at the pre-read until we seed/unblock. */
 151                 p_random_alg_context->ra_pre_read();
 152                 /* Only bother the console every 10 seconds or so */
 153                 if (spamcount == 0)
 154                         printf("random: %s unblock wait\n", __func__);
 155                 spamcount = (spamcount + 1)%100;
 156                 error = tsleep(&random_alg_context, PCATCH, "randseed", hz/10);
 157                 if (error == ERESTART || error == EINTR)
 158                         break;
 159         }
 160         if (error == 0) {
 161                 read_rate_increment((uio->uio_resid + sizeof(uint32_t))/sizeof(uint32_t));
 162                 total_read = 0;
 163                 while (uio->uio_resid && !error) {
 164                         read_len = uio->uio_resid;
 165                         /*
 166                          * Belt-and-braces.
 167                          * Round up the read length to a crypto block size multiple,
 168                          * which is what the underlying generator is expecting.
 169                          * See the random_buf size requirements in the Yarrow/Fortuna code.
 170                          */
 171                         read_len = roundup(read_len, RANDOM_BLOCKSIZE);
 172                         /* Work in chunks page-sized or less */
 173                         read_len = MIN(read_len, PAGE_SIZE);
 174                         p_random_alg_context->ra_read(random_buf, read_len);
 175                         c = MIN(uio->uio_resid, read_len);
 176                         /*
 177                          * uiomove() may yield the CPU before each 'c' bytes
 178                          * (up to PAGE_SIZE) are copied out.
 179                          */
 180                         error = uiomove(random_buf, c, uio);
 181                         total_read += c;
 182                         /*
 183                          * Poll for signals every few MBs to avoid very long
 184                          * uninterruptible syscalls.
 185                          */
 186                         if (error == 0 && uio->uio_resid != 0 &&
 187                             total_read % sigchk_period == 0)
 188                                 error = tsleep_sbt(&random_alg_context, PCATCH,
 189                                     "randrd", SBT_1NS, 0, C_HARDCLOCK);
 190                 }
 191                 if (error == ERESTART || error == EINTR)
 192                         error = 0;
 193         }
 194         free(random_buf, M_ENTROPY);
 195         return (error);
 196 }
 197
 198 /*-
 199  * Kernel API version of read_random().
 200  * This is similar to random_alg_read(),
 201  * except it doesn't interface with uio(9).
 202  * It cannot assumed that random_buf is a multiple of
 203  * RANDOM_BLOCKSIZE bytes.
 204  */
 205 u_int
 206 READ_RANDOM(void *random_buf, u_int len)
 207 {
 208         u_int read_len;
 209         uint8_t local_buf[len + RANDOM_BLOCKSIZE];
 210
 211         KASSERT(random_buf != NULL, ("No suitable random buffer in %s", __func__));
 212         p_random_alg_context->ra_pre_read();
 213         /* (Un)Blocking logic; if not seeded, return nothing. */
 214         if (p_random_alg_context->ra_seeded()) {
 215                 read_rate_increment((len + sizeof(uint32_t))/sizeof(uint32_t));
 216                 if (len > 0) {
 217                         /*
 218                          * Belt-and-braces.
 219                          * Round up the read length to a crypto block size multiple,
 220                          * which is what the underlying generator is expecting.
 221                          */
 222                         read_len = roundup(len, RANDOM_BLOCKSIZE);
 223                         p_random_alg_context->ra_read(local_buf, read_len);
 224                         memcpy(random_buf, local_buf, len);
 225                 }
 226         } else
 227                 len = 0;
 228         return (len);
 229 }
 230
 231 static __inline void
 232 randomdev_accumulate(uint8_t *buf, u_int count)
 233 {
 234         static u_int destination = 0;
 235         static struct harvest_event event;
 236         static struct randomdev_hash hash;
 237         static uint32_t entropy_data[RANDOM_KEYSIZE_WORDS];
 238         uint32_t timestamp;
 239         int i;
 240
 241         /* Extra timing here is helpful to scrape scheduler jitter entropy */
 242         randomdev_hash_init(&hash);
 243         timestamp = (uint32_t)get_cyclecount();
 244         randomdev_hash_iterate(&hash, &timestamp, sizeof(timestamp));
 245         randomdev_hash_iterate(&hash, buf, count);
 246         timestamp = (uint32_t)get_cyclecount();
 247         randomdev_hash_iterate(&hash, &timestamp, sizeof(timestamp));
 248         randomdev_hash_finish(&hash, entropy_data);
 249         explicit_bzero(&hash, sizeof(hash));
 250         for (i = 0; i < RANDOM_KEYSIZE_WORDS; i += sizeof(event.he_entropy)/sizeof(event.he_entropy[0])) {
 251                 event.he_somecounter = (uint32_t)get_cyclecount();
 252                 event.he_size = sizeof(event.he_entropy);
 253                 event.he_bits = event.he_size/8;
 254                 event.he_source = RANDOM_CACHED;
 255                 event.he_destination = destination++; /* Harmless cheating */
 256                 memcpy(event.he_entropy, entropy_data + i, sizeof(event.he_entropy));
 257                 p_random_alg_context->ra_event_processor(&event);
 258         }
 259         explicit_bzero(entropy_data, sizeof(entropy_data));
 260 }
 261
 262 /* ARGSUSED */
 263 static int
 264 randomdev_write(struct cdev *dev __unused, struct uio *uio, int flags __unused)
 265 {
 266         uint8_t *random_buf;
 267         int c, error = 0;
 268         ssize_t nbytes;
 269
 270         random_buf = malloc(PAGE_SIZE, M_ENTROPY, M_WAITOK);
 271         nbytes = uio->uio_resid;
 272         while (uio->uio_resid > 0 && error == 0) {
 273                 c = MIN(uio->uio_resid, PAGE_SIZE);
 274                 error = uiomove(random_buf, c, uio);
 275                 if (error)
 276                         break;
 277                 randomdev_accumulate(random_buf, c);
 278                 tsleep(&random_alg_context, 0, "randwr", hz/10);
 279         }
 280         if (nbytes != uio->uio_resid && (error == ERESTART || error == EINTR))
 281                 /* Partial write, not error. */
 282                 error = 0;
 283         free(random_buf, M_ENTROPY);
 284         return (error);
 285 }
 286
 287 /* ARGSUSED */
 288 static int
 289 randomdev_poll(struct cdev *dev __unused, int events, struct thread *td __unused)
 290 {
 291
 292         if (events & (POLLIN | POLLRDNORM)) {
 293                 if (p_random_alg_context->ra_seeded())
 294                         events &= (POLLIN | POLLRDNORM);
 295                 else
 296                         selrecord(td, &rsel);
 297         }
 298         return (events);
 299 }
 300
 301 /* This will be called by the entropy processor when it seeds itself and becomes secure */
 302 void
 303 randomdev_unblock(void)
 304 {
 305
 306         selwakeuppri(&rsel, PUSER);
 307         wakeup(&random_alg_context);
 308         printf("random: unblocking device.\n");
 309         /* Do random(9) a favour while we are about it. */
 310         (void)atomic_cmpset_int(&arc4rand_iniseed_state, ARC4_ENTR_NONE, ARC4_ENTR_HAVE);
 311 }
 312
 313 /* ARGSUSED */
 314 static int
 315 randomdev_ioctl(struct cdev *dev __unused, u_long cmd, caddr_t addr __unused,
 316     int flags __unused, struct thread *td __unused)
 317 {
 318         int error = 0;
 319
 320         switch (cmd) {
 321                 /* Really handled in upper layer */
 322         case FIOASYNC:
 323         case FIONBIO:
 324                 break;
 325         default:
 326                 error = ENOTTY;
 327         }
 328
 329         return (error);
 330 }
 331
 332 void
 333 random_source_register(struct random_source *rsource)
 334 {
 335         struct random_sources *rrs;
 336
 337         KASSERT(rsource != NULL, ("invalid input to %s", __func__));
 338
 339         rrs = malloc(sizeof(*rrs), M_ENTROPY, M_WAITOK);
 340         rrs->rrs_source = rsource;
 341
 342         random_harvest_register_source(rsource->rs_source);
 343
 344         printf("random: registering fast source %s\n", rsource->rs_ident);
 345         LIST_INSERT_HEAD(&source_list, rrs, rrs_entries);
 346 }
 347
 348 void
 349 random_source_deregister(struct random_source *rsource)
 350 {
 351         struct random_sources *rrs = NULL;
 352
 353         KASSERT(rsource != NULL, ("invalid input to %s", __func__));
 354
 355         random_harvest_deregister_source(rsource->rs_source);
 356
 357         LIST_FOREACH(rrs, &source_list, rrs_entries)
 358                 if (rrs->rrs_source == rsource) {
 359                         LIST_REMOVE(rrs, rrs_entries);
 360                         break;
 361                 }
 362         if (rrs != NULL)
 363                 free(rrs, M_ENTROPY);
 364 }
 365
 366 static int
 367 random_source_handler(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 368 {
 369         struct random_sources *rrs;
 370         struct sbuf sbuf;
 371         int error, count;
 372
 373         sbuf_new_for_sysctl(&sbuf, NULL, 64, req);
 374         count = 0;
 375         LIST_FOREACH(rrs, &source_list, rrs_entries) {
 376                 sbuf_cat(&sbuf, (count++ ? ",'" : "'"));
 377                 sbuf_cat(&sbuf, rrs->rrs_source->rs_ident);
 378                 sbuf_cat(&sbuf, "'");
 379         }
 380         error = sbuf_finish(&sbuf);
 381         sbuf_delete(&sbuf);
 382         return (error);
 383 }
 384 SYSCTL_PROC(_kern_random, OID_AUTO, random_sources, CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
 385             NULL, 0, random_source_handler, "A",
 386             "List of active fast entropy sources.");
 387
 388 /* ARGSUSED */
 389 static int
 390 randomdev_modevent(module_t mod __unused, int type, void *data __unused)
 391 {
 392         int error = 0;
 393
 394         switch (type) {
 395         case MOD_LOAD:
 396                 printf("random: entropy device external interface\n");
 397                 random_dev = make_dev_credf(MAKEDEV_ETERNAL_KLD, &random_cdevsw,
 398                     RANDOM_UNIT, NULL, UID_ROOT, GID_WHEEL, 0644, "random");
 399                 make_dev_alias(random_dev, "urandom"); /* compatibility */
 400                 break;
 401         case MOD_UNLOAD:
 402                 destroy_dev(random_dev);
 403                 break;
 404         case MOD_SHUTDOWN:
 405                 break;
 406         default:
 407                 error = EOPNOTSUPP;
 408                 break;
 409         }
 410         return (error);
 411 }
 412
 413 static moduledata_t randomdev_mod = {
 414         "random_device",
 415         randomdev_modevent,
 416         0
 417 };
 418
 419 DECLARE_MODULE(random_device, randomdev_mod, SI_SUB_DRIVERS, SI_ORDER_FIRST);
 420 MODULE_VERSION(random_device, 1);
 421 MODULE_DEPEND(random_device, crypto, 1, 1, 1);
 422 MODULE_DEPEND(random_device, random_harvestq, 1, 1, 1);