]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/releng/9.2.git/blob - contrib/ntp/libntp/ntp_random.c
- Copy stable/9 to releng/9.2 as part of the 9.2-RELEASE cycle.
[FreeBSD/releng/9.2.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 #ifdef HAVE_SYS_TYPES_H
43 # include <sys/types.h>
44 #endif
45 #ifdef HAVE_UNISTD_H
46 # include <unistd.h>
47 #endif
48 #include <stdio.h>
49
50 #include <ntp_types.h>
51 #include <ntp_random.h>
52 #include <ntp_unixtime.h>
53
54 /*
55  * random.c:
56  *
57  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
58  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
59  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
60  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
61  * then initialized to contain information for random number generation with
62  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
63  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
64  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
65  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
66  * information and generates far better random numbers than a linear
67  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
68  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
69  *
70  * Internally, the state information is treated as an array of longs; the
71  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
72  * integer); the remainder of the array is the state information for the
73  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
74  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
75  * the zeroeth word of state information also has some other information
76  * stored in it -- see setstate() for details).
77  *
78  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
79  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
80  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
81  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
82  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
83  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
84  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
85  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
86  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
87  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
88  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
89  * large deg, when the period of the shift register is the dominant factor.
90  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
91  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
92  *
93  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
94  * The following changes have been made:
95  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
96  * All references to type int have been changed to type long.  Other
97  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
98  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
99  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
100  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
101  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
102  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
103  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
104  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
105  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
106  * state information and generates far better random numbers than a linear
107  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
108  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
109  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
110  * byte buffer it is about 5 percent faster.
111  */
112
113 /*
114  * For each of the currently supported random number generators, we have a
115  * break value on the amount of state information (you need at least this
116  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
117  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
118  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
119  */
120 #define TYPE_0          0               /* linear congruential */
121 #define BREAK_0         8
122 #define DEG_0           0
123 #define SEP_0           0
124
125 #define TYPE_1          1               /* x**7 + x**3 + 1 */
126 #define BREAK_1         32
127 #define DEG_1           7
128 #define SEP_1           3
129
130 #define TYPE_2          2               /* x**15 + x + 1 */
131 #define BREAK_2         64
132 #define DEG_2           15
133 #define SEP_2           1
134
135 #define TYPE_3          3               /* x**31 + x**3 + 1 */
136 #define BREAK_3         128
137 #define DEG_3           31
138 #define SEP_3           3
139
140 #define TYPE_4          4               /* x**63 + x + 1 */
141 #define BREAK_4         256
142 #define DEG_4           63
143 #define SEP_4           1
144
145 /*
146  * Array versions of the above information to make code run faster --
147  * relies on fact that TYPE_i == i.
148  */
149 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
150
151 static long degrees[MAX_TYPES] =        { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
152 static long seps [MAX_TYPES] =  { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
153
154 /*
155  * Initially, everything is set up as if from:
156  *
157  *      initstate(1, randtbl, 128);
158  *
159  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
160  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
161  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
162  * element of the state information, which contains info about the current
163  * position of the rear pointer is just
164  *
165  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
166  */
167
168 static long randtbl[DEG_3 + 1] = {
169         TYPE_3,
170 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
171 /* Historic implementation compatibility */
172 /* The random sequences do not vary much with the seed */
173         0x9a319039, 0x32d9c024, 0x9b663182, 0x5da1f342, 0xde3b81e0, 0xdf0a6fb5,
174         0xf103bc02, 0x48f340fb, 0x7449e56b, 0xbeb1dbb0, 0xab5c5918, 0x946554fd,
175         0x8c2e680f, 0xeb3d799f, 0xb11ee0b7, 0x2d436b86, 0xda672e2a, 0x1588ca88,
176         0xe369735d, 0x904f35f7, 0xd7158fd6, 0x6fa6f051, 0x616e6b96, 0xac94efdc,
177         0x36413f93, 0xc622c298, 0xf5a42ab8, 0x8a88d77b, 0xf5ad9d0e, 0x8999220b,
178         0x27fb47b9,
179 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
180         0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
181         0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
182         0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
183         0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
184         0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
185         0xf3bec5da
186 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
187 };
188
189 /*
190  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
191  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
192  * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
193  * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
194  * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
195  * from the call
196  *
197  *      initstate(1, randtbl, 128);
198  *
199  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
200  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
201  * to point to randtbl[1] (as explained below).
202  */
203 static long *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
204 static long *rptr = &randtbl[1];
205
206 /*
207  * The following things are the pointer to the state information table, the
208  * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
209  * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
210  * of random(), we remember the first location of the state information, not
211  * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
212  * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
213  * this is more efficient than indexing every time to find the address of
214  * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
215  */
216 static long *state = &randtbl[1];
217 static long rand_type = TYPE_3;
218 static long rand_deg = DEG_3;
219 static long rand_sep = SEP_3;
220 static long *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
221
222 static inline long good_rand P((long));
223
224 static inline long
225 good_rand (
226         register long x
227         )
228 {
229 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
230 /*
231  * Historic implementation compatibility.
232  * The random sequences do not vary much with the seed,
233  * even with overflowing.
234  */
235         return (1103515245 * x + 12345);
236 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
237 /*
238  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
239  * wihout overflowing 31 bits:
240  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
241  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
242  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
243  * October 1988, p. 1195.
244  */
245         register long hi, lo;
246
247         hi = x / 127773;
248         lo = x % 127773;
249         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
250         if (x <= 0)
251                 x += 0x7fffffff;
252         return (x);
253 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
254 }
255
256 /*
257  * srandom:
258  *
259  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
260  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
261  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
262  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
263  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
264  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
265  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
266  * for default usage relies on values produced by this routine.
267  */
268 void
269 ntp_srandom(
270         unsigned long x
271         )
272 {
273         register long i;
274
275         if (rand_type == TYPE_0)
276                 state[0] = x;
277         else {
278                 state[0] = x;
279                 for (i = 1; i < rand_deg; i++)
280                         state[i] = good_rand(state[i - 1]);
281                 fptr = &state[rand_sep];
282                 rptr = &state[0];
283                 for (i = 0; i < 10 * rand_deg; i++)
284                         (void)ntp_random();
285         }
286 }
287
288 /*
289  * srandomdev:
290  *
291  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
292  * This often causes problems.  We seed the generator using the much more
293  * secure urandom(4) interface.  Note that this particular seeding
294  * procedure can generate states which are impossible to reproduce by
295  * calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
296  * state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
297  * a fixed seed.
298  */
299 #ifdef NEED_SRANDOMDEV
300 void
301 ntp_srandomdev( void )
302 {
303         struct timeval tv;
304         unsigned long junk;     /* Purposely used uninitialized */
305
306         GETTIMEOFDAY(&tv, NULL);
307         ntp_srandom(getpid() ^ tv.tv_sec ^ tv.tv_usec ^ junk);
308         return;
309 }
310 #endif
311
312 /*
313  * initstate:
314  *
315  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
316  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
317  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
318  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
319  * initialize the state information.
320  *
321  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
322  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
323  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be
324  * able to restart with setstate().
325  *
326  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
327  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
328  *
329  * Returns a pointer to the old state.
330  *
331  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
332  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
333  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
334  */
335 char *
336 ntp_initstate(
337         unsigned long seed,             /* seed for R.N.G. */
338         char *arg_state,                /* pointer to state array */
339         long n                          /* # bytes of state info */
340         )
341 {
342         register char *ostate = (char *)(&state[-1]);
343         register long *long_arg_state = (long *) arg_state;
344
345         if (rand_type == TYPE_0)
346                 state[-1] = rand_type;
347         else
348                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
349         if (n < BREAK_0) {
350                 (void)fprintf(stderr,
351                     "random: not enough state (%ld bytes); ignored.\n", n);
352                 return(0);
353         }
354         if (n < BREAK_1) {
355                 rand_type = TYPE_0;
356                 rand_deg = DEG_0;
357                 rand_sep = SEP_0;
358         } else if (n < BREAK_2) {
359                 rand_type = TYPE_1;
360                 rand_deg = DEG_1;
361                 rand_sep = SEP_1;
362         } else if (n < BREAK_3) {
363                 rand_type = TYPE_2;
364                 rand_deg = DEG_2;
365                 rand_sep = SEP_2;
366         } else if (n < BREAK_4) {
367                 rand_type = TYPE_3;
368                 rand_deg = DEG_3;
369                 rand_sep = SEP_3;
370         } else {
371                 rand_type = TYPE_4;
372                 rand_deg = DEG_4;
373                 rand_sep = SEP_4;
374         }
375         state = (long *) (long_arg_state + 1); /* first location */
376         end_ptr = &state[rand_deg];     /* must set end_ptr before srandom */
377         ntp_srandom(seed);
378         if (rand_type == TYPE_0)
379                 long_arg_state[0] = rand_type;
380         else
381                 long_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
382         return(ostate);
383 }
384
385 /*
386  * setstate:
387  *
388  * Restore the state from the given state array.
389  *
390  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
391  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
392  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
393  * location into the zeroeth word of the state information.
394  *
395  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
396  * setstate() with the same state as the current state.
397  *
398  * Returns a pointer to the old state information.
399  *
400  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
401  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
402  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
403  */
404 char *
405 ntp_setstate(
406         char *arg_state                 /* pointer to state array */
407         )
408 {
409         register long *new_state = (long *) arg_state;
410         register long type = new_state[0] % MAX_TYPES;
411         register long rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
412         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
413
414         if (rand_type == TYPE_0)
415                 state[-1] = rand_type;
416         else
417                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
418         switch(type) {
419         case TYPE_0:
420         case TYPE_1:
421         case TYPE_2:
422         case TYPE_3:
423         case TYPE_4:
424                 rand_type = type;
425                 rand_deg = degrees[type];
426                 rand_sep = seps[type];
427                 break;
428         default:
429                 (void)fprintf(stderr,
430                     "random: state info corrupted; not changed.\n");
431         }
432         state = (long *) (new_state + 1);
433         if (rand_type != TYPE_0) {
434                 rptr = &state[rear];
435                 fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
436         }
437         end_ptr = &state[rand_deg];             /* set end_ptr too */
438         return(ostate);
439 }
440
441 /*
442  * random:
443  *
444  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
445  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
446  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
447  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
448  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
449  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
450  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
451  *
452  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
453  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
454  * pointer if the front one has wrapped.
455  *
456  * Returns a 31-bit random number.
457  */
458 long
459 ntp_random( void )
460 {
461         register long i;
462         register long *f, *r;
463
464         if (rand_type == TYPE_0) {
465                 i = state[0];
466                 state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
467         } else {
468                 /*
469                  * Use local variables rather than static variables for speed.
470                  */
471                 f = fptr; r = rptr;
472                 *f += *r;
473                 i = (*f >> 1) & 0x7fffffff;     /* chucking least random bit */
474                 if (++f >= end_ptr) {
475                         f = state;
476                         ++r;
477                 }
478                 else if (++r >= end_ptr) {
479                         r = state;
480                 }
481
482                 fptr = f; rptr = r;
483         }
484         return(i);
485 }