]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/releng/10.2.git/blob - contrib/ntp/libntp/ntp_random.c
- Copy stable/10@285827 to releng/10.2 in preparation for 10.2-RC1
[FreeBSD/releng/10.2.git] / contrib / ntp / libntp / ntp_random.c
1 /*
2  * Copyright (c) 1983, 1993
3  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
4  *
5  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6  * modification, are permitted provided that the following conditions
7  * are met:
8  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
9  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
12  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
13  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this software
14  *    must display the following acknowledgement:
15  *      This product includes software developed by the University of
16  *      California, Berkeley and its contributors.
17  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
18  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
19  *    without specific prior written permission.
20  *
21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
22  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
23  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
24  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
25  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
26  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
27  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
28  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
29  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
30  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
31  * SUCH DAMAGE.
32  *
33  * $FreeBSD: src/lib/libc/stdlib/random.c,v 1.4.2.2 1999/09/05 11:16:45 peter Exp $
34  *
35  */
36
37 #if defined(LIBC_SCCS) && !defined(lint)
38 static char sccsid[] = "@(#)random.c    8.2 (Berkeley) 5/19/95";
39 #endif /* LIBC_SCCS and not lint */
40
41 #include "config.h"
42 #include <sys/types.h>
43 #ifdef HAVE_UNISTD_H
44 # include <unistd.h>
45 #endif
46 #include <stdio.h>
47
48 #include <l_stdlib.h>
49 #include <ntp_random.h>
50 #include <ntp_unixtime.h>
51
52 /*
53  * random.c:
54  *
55  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
56  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
57  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
58  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
59  * then initialized to contain information for random number generation with
60  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
61  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
62  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
63  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
64  * information and generates far better random numbers than a linear
65  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
66  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
67  *
68  * Internally, the state information is treated as an array of longs; the
69  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
70  * integer); the remainder of the array is the state information for the
71  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
72  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
73  * the zeroeth word of state information also has some other information
74  * stored in it -- see setstate() for details).
75  *
76  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
77  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
78  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
79  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
80  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
81  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
82  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
83  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
84  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
85  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
86  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
87  * large deg, when the period of the shift register is the dominant factor.
88  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
89  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
90  *
91  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
92  * The following changes have been made:
93  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
94  * All references to type int have been changed to type long.  Other
95  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
96  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
97  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
98  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
99  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
100  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
101  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
102  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
103  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
104  * state information and generates far better random numbers than a linear
105  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
106  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
107  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
108  * byte buffer it is about 5 percent faster.
109  */
110
111 /*
112  * For each of the currently supported random number generators, we have a
113  * break value on the amount of state information (you need at least this
114  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
115  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
116  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
117  */
118 #define TYPE_0          0               /* linear congruential */
119 #define BREAK_0         8
120 #define DEG_0           0
121 #define SEP_0           0
122
123 #define TYPE_1          1               /* x**7 + x**3 + 1 */
124 #define BREAK_1         32
125 #define DEG_1           7
126 #define SEP_1           3
127
128 #define TYPE_2          2               /* x**15 + x + 1 */
129 #define BREAK_2         64
130 #define DEG_2           15
131 #define SEP_2           1
132
133 #define TYPE_3          3               /* x**31 + x**3 + 1 */
134 #define BREAK_3         128
135 #define DEG_3           31
136 #define SEP_3           3
137
138 #define TYPE_4          4               /* x**63 + x + 1 */
139 #define BREAK_4         256
140 #define DEG_4           63
141 #define SEP_4           1
142
143 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
144
145 /*
146  * Initially, everything is set up as if from:
147  *
148  *      initstate(1, randtbl, 128);
149  *
150  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
151  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
152  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
153  * element of the state information, which contains info about the current
154  * position of the rear pointer is just
155  *
156  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
157  */
158
159 static unsigned long randtbl[DEG_3 + 1] = {
160         TYPE_3,
161 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
162 /* Historic implementation compatibility */
163 /* The random sequences do not vary much with the seed */
164         0x9a319039, 0x32d9c024, 0x9b663182, 0x5da1f342, 0xde3b81e0, 0xdf0a6fb5,
165         0xf103bc02, 0x48f340fb, 0x7449e56b, 0xbeb1dbb0, 0xab5c5918, 0x946554fd,
166         0x8c2e680f, 0xeb3d799f, 0xb11ee0b7, 0x2d436b86, 0xda672e2a, 0x1588ca88,
167         0xe369735d, 0x904f35f7, 0xd7158fd6, 0x6fa6f051, 0x616e6b96, 0xac94efdc,
168         0x36413f93, 0xc622c298, 0xf5a42ab8, 0x8a88d77b, 0xf5ad9d0e, 0x8999220b,
169         0x27fb47b9,
170 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
171         0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
172         0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
173         0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
174         0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
175         0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
176         0xf3bec5da
177 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
178 };
179
180 /*
181  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
182  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
183  * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
184  * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
185  * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
186  * from the call
187  *
188  *      initstate(1, randtbl, 128);
189  *
190  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
191  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
192  * to point to randtbl[1] (as explained below).
193  */
194 static unsigned long *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
195 static unsigned long *rptr = &randtbl[1];
196
197 /*
198  * The following things are the pointer to the state information table, the
199  * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
200  * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
201  * of random(), we remember the first location of the state information, not
202  * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
203  * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
204  * this is more efficient than indexing every time to find the address of
205  * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
206  */
207 static unsigned long *state = &randtbl[1];
208 static long rand_type = TYPE_3;
209 static long rand_deg = DEG_3;
210 static long rand_sep = SEP_3;
211 static unsigned long *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
212
213 static inline long good_rand (long);
214
215 static inline long
216 good_rand (
217         register long x
218         )
219 {
220 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
221 /*
222  * Historic implementation compatibility.
223  * The random sequences do not vary much with the seed,
224  * even with overflowing.
225  */
226         return (1103515245 * x + 12345);
227 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
228 /*
229  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
230  * wihout overflowing 31 bits:
231  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
232  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
233  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
234  * October 1988, p. 1195.
235  */
236         register long hi, lo;
237
238         hi = x / 127773;
239         lo = x % 127773;
240         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
241         if (x <= 0)
242                 x += 0x7fffffff;
243         return (x);
244 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
245 }
246
247 /*
248  * srandom:
249  *
250  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
251  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
252  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
253  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
254  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
255  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
256  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
257  * for default usage relies on values produced by this routine.
258  */
259 void
260 ntp_srandom(
261         unsigned long x
262         )
263 {
264         long i;
265
266         if (rand_type == TYPE_0) {
267                 state[0] = x;
268         } else {
269                 state[0] = x;
270                 for (i = 1; i < rand_deg; i++)
271                         state[i] = good_rand(state[i - 1]);
272                 fptr = &state[rand_sep];
273                 rptr = &state[0];
274                 for (i = 0; i < 10 * rand_deg; i++)
275                         x = ntp_random();
276         }
277
278         /* seed the likely faster (and poorer) rand() as well */
279         srand((u_int)x);
280 }
281
282 /*
283  * srandomdev:
284  *
285  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
286  * This often causes problems.  We seed the generator using the much more
287  * secure urandom(4) interface.  Note that this particular seeding
288  * procedure can generate states which are impossible to reproduce by
289  * calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
290  * state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
291  * a fixed seed.
292  */
293 #ifdef NEED_SRANDOMDEV
294 void
295 ntp_srandomdev( void )
296 {
297         struct timeval tv;
298         unsigned long junk;     /* Purposely used uninitialized */
299
300         GETTIMEOFDAY(&tv, NULL);
301         ntp_srandom(getpid() ^ tv.tv_sec ^ tv.tv_usec ^ junk);
302         return;
303 }
304 #endif
305
306
307 /*
308  * ntp_initstate() and ntp_setstate() are unused in our codebase and
309  * trigger warnings due to casting to a more-strictly-aligned pointer
310  * on alignment-sensitive platforms.  #ifdef them away to save noise,
311  * build time, and binary space, but retain the code in case we find a
312  * use.
313  */
314 #ifdef COMPILE_UNUSED_FUNCTIONS
315 /*
316  * Array versions of the above information to make code run faster --
317  * relies on fact that TYPE_i == i.
318  */
319 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
320
321 static long degrees[MAX_TYPES] =        { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
322 static long seps [MAX_TYPES] =  { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
323
324 /*
325  * initstate:
326  *
327  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
328  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
329  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
330  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
331  * initialize the state information.
332  *
333  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
334  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
335  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be
336  * able to restart with setstate().
337  *
338  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
339  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
340  *
341  * Returns a pointer to the old state.
342  *
343  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
344  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
345  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
346  */
347 char *
348 ntp_initstate(
349         unsigned long seed,             /* seed for R.N.G. */
350         char *arg_state,                /* pointer to state array */
351         long n                          /* # bytes of state info */
352         )
353 {
354         register char *ostate = (char *)(&state[-1]);
355         register long *long_arg_state = (long *) arg_state;
356
357         if (rand_type == TYPE_0)
358                 state[-1] = rand_type;
359         else
360                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
361         if (n < BREAK_0) {
362                 (void)fprintf(stderr,
363                     "random: not enough state (%ld bytes); ignored.\n", n);
364                 return(0);
365         }
366         if (n < BREAK_1) {
367                 rand_type = TYPE_0;
368                 rand_deg = DEG_0;
369                 rand_sep = SEP_0;
370         } else if (n < BREAK_2) {
371                 rand_type = TYPE_1;
372                 rand_deg = DEG_1;
373                 rand_sep = SEP_1;
374         } else if (n < BREAK_3) {
375                 rand_type = TYPE_2;
376                 rand_deg = DEG_2;
377                 rand_sep = SEP_2;
378         } else if (n < BREAK_4) {
379                 rand_type = TYPE_3;
380                 rand_deg = DEG_3;
381                 rand_sep = SEP_3;
382         } else {
383                 rand_type = TYPE_4;
384                 rand_deg = DEG_4;
385                 rand_sep = SEP_4;
386         }
387         state = (unsigned long *) (long_arg_state + 1); /* first location */
388         end_ptr = &state[rand_deg];     /* must set end_ptr before srandom */
389         ntp_srandom(seed);
390         if (rand_type == TYPE_0)
391                 long_arg_state[0] = rand_type;
392         else
393                 long_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
394         return(ostate);
395 }
396
397 /*
398  * setstate:
399  *
400  * Restore the state from the given state array.
401  *
402  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
403  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
404  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
405  * location into the zeroeth word of the state information.
406  *
407  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
408  * setstate() with the same state as the current state.
409  *
410  * Returns a pointer to the old state information.
411  *
412  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
413  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
414  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
415  */
416 char *
417 ntp_setstate(
418         char *arg_state                 /* pointer to state array */
419         )
420 {
421         register unsigned long *new_state = (unsigned long *) arg_state;
422         register long type = new_state[0] % MAX_TYPES;
423         register long rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
424         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
425
426         if (rand_type == TYPE_0)
427                 state[-1] = rand_type;
428         else
429                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
430         switch(type) {
431         case TYPE_0:
432         case TYPE_1:
433         case TYPE_2:
434         case TYPE_3:
435         case TYPE_4:
436                 rand_type = type;
437                 rand_deg = degrees[type];
438                 rand_sep = seps[type];
439                 break;
440         default:
441                 (void)fprintf(stderr,
442                     "random: state info corrupted; not changed.\n");
443         }
444         state = (new_state + 1);
445         if (rand_type != TYPE_0) {
446                 rptr = &state[rear];
447                 fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
448         }
449         end_ptr = &state[rand_deg];             /* set end_ptr too */
450         return(ostate);
451 }
452 #endif  /* COMPILE_UNUSED_FUNCTIONS */
453
454
455 /*
456  * random:
457  *
458  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
459  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
460  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
461  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
462  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
463  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
464  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
465  *
466  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
467  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
468  * pointer if the front one has wrapped.
469  *
470  * Returns a 31-bit random number.
471  */
472 long
473 ntp_random( void )
474 {
475         register long i;
476         register unsigned long *f, *r;
477
478         if (rand_type == TYPE_0) {
479                 i = state[0];
480                 state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
481         } else {
482                 /*
483                  * Use local variables rather than static variables for speed.
484                  */
485                 f = fptr; r = rptr;
486                 *f += *r;
487                 i = (*f >> 1) & 0x7fffffff;     /* chucking least random bit */
488                 if (++f >= end_ptr) {
489                         f = state;
490                         ++r;
491                 }
492                 else if (++r >= end_ptr) {
493                         r = state;
494                 }
495
496                 fptr = f; rptr = r;
497         }
498         return(i);
499 }