]> Git Repo - linux.git/blob - drivers/char/random.c
x86/kaslr: Expose and use the end of the physical memory address space
[linux.git] / drivers / char / random.c
1 // SPDX-License-Identifier: (GPL-2.0 OR BSD-3-Clause)
2 /*
3  * Copyright (C) 2017-2024 Jason A. Donenfeld <[email protected]>. All Rights Reserved.
4  * Copyright Matt Mackall <[email protected]>, 2003, 2004, 2005
5  * Copyright Theodore Ts'o, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999. All rights reserved.
6  *
7  * This driver produces cryptographically secure pseudorandom data. It is divided
8  * into roughly six sections, each with a section header:
9  *
10  *   - Initialization and readiness waiting.
11  *   - Fast key erasure RNG, the "crng".
12  *   - Entropy accumulation and extraction routines.
13  *   - Entropy collection routines.
14  *   - Userspace reader/writer interfaces.
15  *   - Sysctl interface.
16  *
17  * The high level overview is that there is one input pool, into which
18  * various pieces of data are hashed. Prior to initialization, some of that
19  * data is then "credited" as having a certain number of bits of entropy.
20  * When enough bits of entropy are available, the hash is finalized and
21  * handed as a key to a stream cipher that expands it indefinitely for
22  * various consumers. This key is periodically refreshed as the various
23  * entropy collectors, described below, add data to the input pool.
24  */
25
26 #define pr_fmt(fmt) KBUILD_MODNAME ": " fmt
27
28 #include <linux/utsname.h>
29 #include <linux/module.h>
30 #include <linux/kernel.h>
31 #include <linux/major.h>
32 #include <linux/string.h>
33 #include <linux/fcntl.h>
34 #include <linux/slab.h>
35 #include <linux/random.h>
36 #include <linux/poll.h>
37 #include <linux/init.h>
38 #include <linux/fs.h>
39 #include <linux/blkdev.h>
40 #include <linux/interrupt.h>
41 #include <linux/mm.h>
42 #include <linux/nodemask.h>
43 #include <linux/spinlock.h>
44 #include <linux/kthread.h>
45 #include <linux/percpu.h>
46 #include <linux/ptrace.h>
47 #include <linux/workqueue.h>
48 #include <linux/irq.h>
49 #include <linux/ratelimit.h>
50 #include <linux/syscalls.h>
51 #include <linux/completion.h>
52 #include <linux/uuid.h>
53 #include <linux/uaccess.h>
54 #include <linux/suspend.h>
55 #include <linux/siphash.h>
56 #include <linux/sched/isolation.h>
57 #include <crypto/chacha.h>
58 #include <crypto/blake2s.h>
59 #ifdef CONFIG_VDSO_GETRANDOM
60 #include <vdso/getrandom.h>
61 #include <vdso/datapage.h>
62 #endif
63 #include <asm/archrandom.h>
64 #include <asm/processor.h>
65 #include <asm/irq.h>
66 #include <asm/irq_regs.h>
67 #include <asm/io.h>
68
69 /*********************************************************************
70  *
71  * Initialization and readiness waiting.
72  *
73  * Much of the RNG infrastructure is devoted to various dependencies
74  * being able to wait until the RNG has collected enough entropy and
75  * is ready for safe consumption.
76  *
77  *********************************************************************/
78
79 /*
80  * crng_init is protected by base_crng->lock, and only increases
81  * its value (from empty->early->ready).
82  */
83 static enum {
84         CRNG_EMPTY = 0, /* Little to no entropy collected */
85         CRNG_EARLY = 1, /* At least POOL_EARLY_BITS collected */
86         CRNG_READY = 2  /* Fully initialized with POOL_READY_BITS collected */
87 } crng_init __read_mostly = CRNG_EMPTY;
88 static DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(crng_is_ready);
89 #define crng_ready() (static_branch_likely(&crng_is_ready) || crng_init >= CRNG_READY)
90 /* Various types of waiters for crng_init->CRNG_READY transition. */
91 static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(crng_init_wait);
92 static struct fasync_struct *fasync;
93 static ATOMIC_NOTIFIER_HEAD(random_ready_notifier);
94
95 /* Control how we warn userspace. */
96 static struct ratelimit_state urandom_warning =
97         RATELIMIT_STATE_INIT_FLAGS("urandom_warning", HZ, 3, RATELIMIT_MSG_ON_RELEASE);
98 static int ratelimit_disable __read_mostly =
99         IS_ENABLED(CONFIG_WARN_ALL_UNSEEDED_RANDOM);
100 module_param_named(ratelimit_disable, ratelimit_disable, int, 0644);
101 MODULE_PARM_DESC(ratelimit_disable, "Disable random ratelimit suppression");
102
103 /*
104  * Returns whether or not the input pool has been seeded and thus guaranteed
105  * to supply cryptographically secure random numbers. This applies to: the
106  * /dev/urandom device, the get_random_bytes function, and the get_random_{u8,
107  * u16,u32,u64,long} family of functions.
108  *
109  * Returns: true if the input pool has been seeded.
110  *          false if the input pool has not been seeded.
111  */
112 bool rng_is_initialized(void)
113 {
114         return crng_ready();
115 }
116 EXPORT_SYMBOL(rng_is_initialized);
117
118 static void __cold crng_set_ready(struct work_struct *work)
119 {
120         static_branch_enable(&crng_is_ready);
121 }
122
123 /* Used by wait_for_random_bytes(), and considered an entropy collector, below. */
124 static void try_to_generate_entropy(void);
125
126 /*
127  * Wait for the input pool to be seeded and thus guaranteed to supply
128  * cryptographically secure random numbers. This applies to: the /dev/urandom
129  * device, the get_random_bytes function, and the get_random_{u8,u16,u32,u64,
130  * long} family of functions. Using any of these functions without first
131  * calling this function forfeits the guarantee of security.
132  *
133  * Returns: 0 if the input pool has been seeded.
134  *          -ERESTARTSYS if the function was interrupted by a signal.
135  */
136 int wait_for_random_bytes(void)
137 {
138         while (!crng_ready()) {
139                 int ret;
140
141                 try_to_generate_entropy();
142                 ret = wait_event_interruptible_timeout(crng_init_wait, crng_ready(), HZ);
143                 if (ret)
144                         return ret > 0 ? 0 : ret;
145         }
146         return 0;
147 }
148 EXPORT_SYMBOL(wait_for_random_bytes);
149
150 /*
151  * Add a callback function that will be invoked when the crng is initialised,
152  * or immediately if it already has been. Only use this is you are absolutely
153  * sure it is required. Most users should instead be able to test
154  * `rng_is_initialized()` on demand, or make use of `get_random_bytes_wait()`.
155  */
156 int __cold execute_with_initialized_rng(struct notifier_block *nb)
157 {
158         unsigned long flags;
159         int ret = 0;
160
161         spin_lock_irqsave(&random_ready_notifier.lock, flags);
162         if (crng_ready())
163                 nb->notifier_call(nb, 0, NULL);
164         else
165                 ret = raw_notifier_chain_register((struct raw_notifier_head *)&random_ready_notifier.head, nb);
166         spin_unlock_irqrestore(&random_ready_notifier.lock, flags);
167         return ret;
168 }
169
170 #define warn_unseeded_randomness() \
171         if (IS_ENABLED(CONFIG_WARN_ALL_UNSEEDED_RANDOM) && !crng_ready()) \
172                 printk_deferred(KERN_NOTICE "random: %s called from %pS with crng_init=%d\n", \
173                                 __func__, (void *)_RET_IP_, crng_init)
174
175
176 /*********************************************************************
177  *
178  * Fast key erasure RNG, the "crng".
179  *
180  * These functions expand entropy from the entropy extractor into
181  * long streams for external consumption using the "fast key erasure"
182  * RNG described at <https://blog.cr.yp.to/20170723-random.html>.
183  *
184  * There are a few exported interfaces for use by other drivers:
185  *
186  *      void get_random_bytes(void *buf, size_t len)
187  *      u8 get_random_u8()
188  *      u16 get_random_u16()
189  *      u32 get_random_u32()
190  *      u32 get_random_u32_below(u32 ceil)
191  *      u32 get_random_u32_above(u32 floor)
192  *      u32 get_random_u32_inclusive(u32 floor, u32 ceil)
193  *      u64 get_random_u64()
194  *      unsigned long get_random_long()
195  *
196  * These interfaces will return the requested number of random bytes
197  * into the given buffer or as a return value. This is equivalent to
198  * a read from /dev/urandom. The u8, u16, u32, u64, long family of
199  * functions may be higher performance for one-off random integers,
200  * because they do a bit of buffering and do not invoke reseeding
201  * until the buffer is emptied.
202  *
203  *********************************************************************/
204
205 enum {
206         CRNG_RESEED_START_INTERVAL = HZ,
207         CRNG_RESEED_INTERVAL = 60 * HZ
208 };
209
210 static struct {
211         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE] __aligned(__alignof__(long));
212         unsigned long generation;
213         spinlock_t lock;
214 } base_crng = {
215         .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(base_crng.lock)
216 };
217
218 struct crng {
219         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE];
220         unsigned long generation;
221         local_lock_t lock;
222 };
223
224 static DEFINE_PER_CPU(struct crng, crngs) = {
225         .generation = ULONG_MAX,
226         .lock = INIT_LOCAL_LOCK(crngs.lock),
227 };
228
229 /*
230  * Return the interval until the next reseeding, which is normally
231  * CRNG_RESEED_INTERVAL, but during early boot, it is at an interval
232  * proportional to the uptime.
233  */
234 static unsigned int crng_reseed_interval(void)
235 {
236         static bool early_boot = true;
237
238         if (unlikely(READ_ONCE(early_boot))) {
239                 time64_t uptime = ktime_get_seconds();
240                 if (uptime >= CRNG_RESEED_INTERVAL / HZ * 2)
241                         WRITE_ONCE(early_boot, false);
242                 else
243                         return max_t(unsigned int, CRNG_RESEED_START_INTERVAL,
244                                      (unsigned int)uptime / 2 * HZ);
245         }
246         return CRNG_RESEED_INTERVAL;
247 }
248
249 /* Used by crng_reseed() and crng_make_state() to extract a new seed from the input pool. */
250 static void extract_entropy(void *buf, size_t len);
251
252 /* This extracts a new crng key from the input pool. */
253 static void crng_reseed(struct work_struct *work)
254 {
255         static DECLARE_DELAYED_WORK(next_reseed, crng_reseed);
256         unsigned long flags;
257         unsigned long next_gen;
258         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE];
259
260         /* Immediately schedule the next reseeding, so that it fires sooner rather than later. */
261         if (likely(system_unbound_wq))
262                 queue_delayed_work(system_unbound_wq, &next_reseed, crng_reseed_interval());
263
264         extract_entropy(key, sizeof(key));
265
266         /*
267          * We copy the new key into the base_crng, overwriting the old one,
268          * and update the generation counter. We avoid hitting ULONG_MAX,
269          * because the per-cpu crngs are initialized to ULONG_MAX, so this
270          * forces new CPUs that come online to always initialize.
271          */
272         spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
273         memcpy(base_crng.key, key, sizeof(base_crng.key));
274         next_gen = base_crng.generation + 1;
275         if (next_gen == ULONG_MAX)
276                 ++next_gen;
277         WRITE_ONCE(base_crng.generation, next_gen);
278 #ifdef CONFIG_VDSO_GETRANDOM
279         /* base_crng.generation's invalid value is ULONG_MAX, while
280          * _vdso_rng_data.generation's invalid value is 0, so add one to the
281          * former to arrive at the latter. Use smp_store_release so that this
282          * is ordered with the write above to base_crng.generation. Pairs with
283          * the smp_rmb() before the syscall in the vDSO code.
284          */
285         smp_store_release(&_vdso_rng_data.generation, next_gen + 1);
286 #endif
287         if (!static_branch_likely(&crng_is_ready))
288                 crng_init = CRNG_READY;
289         spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
290         memzero_explicit(key, sizeof(key));
291 }
292
293 /*
294  * This generates a ChaCha block using the provided key, and then
295  * immediately overwrites that key with half the block. It returns
296  * the resultant ChaCha state to the user, along with the second
297  * half of the block containing 32 bytes of random data that may
298  * be used; random_data_len may not be greater than 32.
299  *
300  * The returned ChaCha state contains within it a copy of the old
301  * key value, at index 4, so the state should always be zeroed out
302  * immediately after using in order to maintain forward secrecy.
303  * If the state cannot be erased in a timely manner, then it is
304  * safer to set the random_data parameter to &chacha_state[4] so
305  * that this function overwrites it before returning.
306  */
307 static void crng_fast_key_erasure(u8 key[CHACHA_KEY_SIZE],
308                                   u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS],
309                                   u8 *random_data, size_t random_data_len)
310 {
311         u8 first_block[CHACHA_BLOCK_SIZE];
312
313         BUG_ON(random_data_len > 32);
314
315         chacha_init_consts(chacha_state);
316         memcpy(&chacha_state[4], key, CHACHA_KEY_SIZE);
317         memset(&chacha_state[12], 0, sizeof(u32) * 4);
318         chacha20_block(chacha_state, first_block);
319
320         memcpy(key, first_block, CHACHA_KEY_SIZE);
321         memcpy(random_data, first_block + CHACHA_KEY_SIZE, random_data_len);
322         memzero_explicit(first_block, sizeof(first_block));
323 }
324
325 /*
326  * This function returns a ChaCha state that you may use for generating
327  * random data. It also returns up to 32 bytes on its own of random data
328  * that may be used; random_data_len may not be greater than 32.
329  */
330 static void crng_make_state(u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS],
331                             u8 *random_data, size_t random_data_len)
332 {
333         unsigned long flags;
334         struct crng *crng;
335
336         BUG_ON(random_data_len > 32);
337
338         /*
339          * For the fast path, we check whether we're ready, unlocked first, and
340          * then re-check once locked later. In the case where we're really not
341          * ready, we do fast key erasure with the base_crng directly, extracting
342          * when crng_init is CRNG_EMPTY.
343          */
344         if (!crng_ready()) {
345                 bool ready;
346
347                 spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
348                 ready = crng_ready();
349                 if (!ready) {
350                         if (crng_init == CRNG_EMPTY)
351                                 extract_entropy(base_crng.key, sizeof(base_crng.key));
352                         crng_fast_key_erasure(base_crng.key, chacha_state,
353                                               random_data, random_data_len);
354                 }
355                 spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
356                 if (!ready)
357                         return;
358         }
359
360         local_lock_irqsave(&crngs.lock, flags);
361         crng = raw_cpu_ptr(&crngs);
362
363         /*
364          * If our per-cpu crng is older than the base_crng, then it means
365          * somebody reseeded the base_crng. In that case, we do fast key
366          * erasure on the base_crng, and use its output as the new key
367          * for our per-cpu crng. This brings us up to date with base_crng.
368          */
369         if (unlikely(crng->generation != READ_ONCE(base_crng.generation))) {
370                 spin_lock(&base_crng.lock);
371                 crng_fast_key_erasure(base_crng.key, chacha_state,
372                                       crng->key, sizeof(crng->key));
373                 crng->generation = base_crng.generation;
374                 spin_unlock(&base_crng.lock);
375         }
376
377         /*
378          * Finally, when we've made it this far, our per-cpu crng has an up
379          * to date key, and we can do fast key erasure with it to produce
380          * some random data and a ChaCha state for the caller. All other
381          * branches of this function are "unlikely", so most of the time we
382          * should wind up here immediately.
383          */
384         crng_fast_key_erasure(crng->key, chacha_state, random_data, random_data_len);
385         local_unlock_irqrestore(&crngs.lock, flags);
386 }
387
388 static void _get_random_bytes(void *buf, size_t len)
389 {
390         u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS];
391         u8 tmp[CHACHA_BLOCK_SIZE];
392         size_t first_block_len;
393
394         if (!len)
395                 return;
396
397         first_block_len = min_t(size_t, 32, len);
398         crng_make_state(chacha_state, buf, first_block_len);
399         len -= first_block_len;
400         buf += first_block_len;
401
402         while (len) {
403                 if (len < CHACHA_BLOCK_SIZE) {
404                         chacha20_block(chacha_state, tmp);
405                         memcpy(buf, tmp, len);
406                         memzero_explicit(tmp, sizeof(tmp));
407                         break;
408                 }
409
410                 chacha20_block(chacha_state, buf);
411                 if (unlikely(chacha_state[12] == 0))
412                         ++chacha_state[13];
413                 len -= CHACHA_BLOCK_SIZE;
414                 buf += CHACHA_BLOCK_SIZE;
415         }
416
417         memzero_explicit(chacha_state, sizeof(chacha_state));
418 }
419
420 /*
421  * This returns random bytes in arbitrary quantities. The quality of the
422  * random bytes is good as /dev/urandom. In order to ensure that the
423  * randomness provided by this function is okay, the function
424  * wait_for_random_bytes() should be called and return 0 at least once
425  * at any point prior.
426  */
427 void get_random_bytes(void *buf, size_t len)
428 {
429         warn_unseeded_randomness();
430         _get_random_bytes(buf, len);
431 }
432 EXPORT_SYMBOL(get_random_bytes);
433
434 static ssize_t get_random_bytes_user(struct iov_iter *iter)
435 {
436         u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS];
437         u8 block[CHACHA_BLOCK_SIZE];
438         size_t ret = 0, copied;
439
440         if (unlikely(!iov_iter_count(iter)))
441                 return 0;
442
443         /*
444          * Immediately overwrite the ChaCha key at index 4 with random
445          * bytes, in case userspace causes copy_to_iter() below to sleep
446          * forever, so that we still retain forward secrecy in that case.
447          */
448         crng_make_state(chacha_state, (u8 *)&chacha_state[4], CHACHA_KEY_SIZE);
449         /*
450          * However, if we're doing a read of len <= 32, we don't need to
451          * use chacha_state after, so we can simply return those bytes to
452          * the user directly.
453          */
454         if (iov_iter_count(iter) <= CHACHA_KEY_SIZE) {
455                 ret = copy_to_iter(&chacha_state[4], CHACHA_KEY_SIZE, iter);
456                 goto out_zero_chacha;
457         }
458
459         for (;;) {
460                 chacha20_block(chacha_state, block);
461                 if (unlikely(chacha_state[12] == 0))
462                         ++chacha_state[13];
463
464                 copied = copy_to_iter(block, sizeof(block), iter);
465                 ret += copied;
466                 if (!iov_iter_count(iter) || copied != sizeof(block))
467                         break;
468
469                 BUILD_BUG_ON(PAGE_SIZE % sizeof(block) != 0);
470                 if (ret % PAGE_SIZE == 0) {
471                         if (signal_pending(current))
472                                 break;
473                         cond_resched();
474                 }
475         }
476
477         memzero_explicit(block, sizeof(block));
478 out_zero_chacha:
479         memzero_explicit(chacha_state, sizeof(chacha_state));
480         return ret ? ret : -EFAULT;
481 }
482
483 /*
484  * Batched entropy returns random integers. The quality of the random
485  * number is good as /dev/urandom. In order to ensure that the randomness
486  * provided by this function is okay, the function wait_for_random_bytes()
487  * should be called and return 0 at least once at any point prior.
488  */
489
490 #define DEFINE_BATCHED_ENTROPY(type)                                            \
491 struct batch_ ##type {                                                          \
492         /*                                                                      \
493          * We make this 1.5x a ChaCha block, so that we get the                 \
494          * remaining 32 bytes from fast key erasure, plus one full              \
495          * block from the detached ChaCha state. We can increase                \
496          * the size of this later if needed so long as we keep the              \
497          * formula of (integer_blocks + 0.5) * CHACHA_BLOCK_SIZE.               \
498          */                                                                     \
499         type entropy[CHACHA_BLOCK_SIZE * 3 / (2 * sizeof(type))];               \
500         local_lock_t lock;                                                      \
501         unsigned long generation;                                               \
502         unsigned int position;                                                  \
503 };                                                                              \
504                                                                                 \
505 static DEFINE_PER_CPU(struct batch_ ##type, batched_entropy_ ##type) = {        \
506         .lock = INIT_LOCAL_LOCK(batched_entropy_ ##type.lock),                  \
507         .position = UINT_MAX                                                    \
508 };                                                                              \
509                                                                                 \
510 type get_random_ ##type(void)                                                   \
511 {                                                                               \
512         type ret;                                                               \
513         unsigned long flags;                                                    \
514         struct batch_ ##type *batch;                                            \
515         unsigned long next_gen;                                                 \
516                                                                                 \
517         warn_unseeded_randomness();                                             \
518                                                                                 \
519         if  (!crng_ready()) {                                                   \
520                 _get_random_bytes(&ret, sizeof(ret));                           \
521                 return ret;                                                     \
522         }                                                                       \
523                                                                                 \
524         local_lock_irqsave(&batched_entropy_ ##type.lock, flags);               \
525         batch = raw_cpu_ptr(&batched_entropy_##type);                           \
526                                                                                 \
527         next_gen = READ_ONCE(base_crng.generation);                             \
528         if (batch->position >= ARRAY_SIZE(batch->entropy) ||                    \
529             next_gen != batch->generation) {                                    \
530                 _get_random_bytes(batch->entropy, sizeof(batch->entropy));      \
531                 batch->position = 0;                                            \
532                 batch->generation = next_gen;                                   \
533         }                                                                       \
534                                                                                 \
535         ret = batch->entropy[batch->position];                                  \
536         batch->entropy[batch->position] = 0;                                    \
537         ++batch->position;                                                      \
538         local_unlock_irqrestore(&batched_entropy_ ##type.lock, flags);          \
539         return ret;                                                             \
540 }                                                                               \
541 EXPORT_SYMBOL(get_random_ ##type);
542
543 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u8)
544 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u16)
545 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u32)
546 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u64)
547
548 u32 __get_random_u32_below(u32 ceil)
549 {
550         /*
551          * This is the slow path for variable ceil. It is still fast, most of
552          * the time, by doing traditional reciprocal multiplication and
553          * opportunistically comparing the lower half to ceil itself, before
554          * falling back to computing a larger bound, and then rejecting samples
555          * whose lower half would indicate a range indivisible by ceil. The use
556          * of `-ceil % ceil` is analogous to `2^32 % ceil`, but is computable
557          * in 32-bits.
558          */
559         u32 rand = get_random_u32();
560         u64 mult;
561
562         /*
563          * This function is technically undefined for ceil == 0, and in fact
564          * for the non-underscored constant version in the header, we build bug
565          * on that. But for the non-constant case, it's convenient to have that
566          * evaluate to being a straight call to get_random_u32(), so that
567          * get_random_u32_inclusive() can work over its whole range without
568          * undefined behavior.
569          */
570         if (unlikely(!ceil))
571                 return rand;
572
573         mult = (u64)ceil * rand;
574         if (unlikely((u32)mult < ceil)) {
575                 u32 bound = -ceil % ceil;
576                 while (unlikely((u32)mult < bound))
577                         mult = (u64)ceil * get_random_u32();
578         }
579         return mult >> 32;
580 }
581 EXPORT_SYMBOL(__get_random_u32_below);
582
583 #ifdef CONFIG_SMP
584 /*
585  * This function is called when the CPU is coming up, with entry
586  * CPUHP_RANDOM_PREPARE, which comes before CPUHP_WORKQUEUE_PREP.
587  */
588 int __cold random_prepare_cpu(unsigned int cpu)
589 {
590         /*
591          * When the cpu comes back online, immediately invalidate both
592          * the per-cpu crng and all batches, so that we serve fresh
593          * randomness.
594          */
595         per_cpu_ptr(&crngs, cpu)->generation = ULONG_MAX;
596         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u8, cpu)->position = UINT_MAX;
597         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u16, cpu)->position = UINT_MAX;
598         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u32, cpu)->position = UINT_MAX;
599         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u64, cpu)->position = UINT_MAX;
600         return 0;
601 }
602 #endif
603
604
605 /**********************************************************************
606  *
607  * Entropy accumulation and extraction routines.
608  *
609  * Callers may add entropy via:
610  *
611  *     static void mix_pool_bytes(const void *buf, size_t len)
612  *
613  * After which, if added entropy should be credited:
614  *
615  *     static void credit_init_bits(size_t bits)
616  *
617  * Finally, extract entropy via:
618  *
619  *     static void extract_entropy(void *buf, size_t len)
620  *
621  **********************************************************************/
622
623 enum {
624         POOL_BITS = BLAKE2S_HASH_SIZE * 8,
625         POOL_READY_BITS = POOL_BITS, /* When crng_init->CRNG_READY */
626         POOL_EARLY_BITS = POOL_READY_BITS / 2 /* When crng_init->CRNG_EARLY */
627 };
628
629 static struct {
630         struct blake2s_state hash;
631         spinlock_t lock;
632         unsigned int init_bits;
633 } input_pool = {
634         .hash.h = { BLAKE2S_IV0 ^ (0x01010000 | BLAKE2S_HASH_SIZE),
635                     BLAKE2S_IV1, BLAKE2S_IV2, BLAKE2S_IV3, BLAKE2S_IV4,
636                     BLAKE2S_IV5, BLAKE2S_IV6, BLAKE2S_IV7 },
637         .hash.outlen = BLAKE2S_HASH_SIZE,
638         .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(input_pool.lock),
639 };
640
641 static void _mix_pool_bytes(const void *buf, size_t len)
642 {
643         blake2s_update(&input_pool.hash, buf, len);
644 }
645
646 /*
647  * This function adds bytes into the input pool. It does not
648  * update the initialization bit counter; the caller should call
649  * credit_init_bits if this is appropriate.
650  */
651 static void mix_pool_bytes(const void *buf, size_t len)
652 {
653         unsigned long flags;
654
655         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
656         _mix_pool_bytes(buf, len);
657         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
658 }
659
660 /*
661  * This is an HKDF-like construction for using the hashed collected entropy
662  * as a PRF key, that's then expanded block-by-block.
663  */
664 static void extract_entropy(void *buf, size_t len)
665 {
666         unsigned long flags;
667         u8 seed[BLAKE2S_HASH_SIZE], next_key[BLAKE2S_HASH_SIZE];
668         struct {
669                 unsigned long rdseed[32 / sizeof(long)];
670                 size_t counter;
671         } block;
672         size_t i, longs;
673
674         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(block.rdseed);) {
675                 longs = arch_get_random_seed_longs(&block.rdseed[i], ARRAY_SIZE(block.rdseed) - i);
676                 if (longs) {
677                         i += longs;
678                         continue;
679                 }
680                 longs = arch_get_random_longs(&block.rdseed[i], ARRAY_SIZE(block.rdseed) - i);
681                 if (longs) {
682                         i += longs;
683                         continue;
684                 }
685                 block.rdseed[i++] = random_get_entropy();
686         }
687
688         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
689
690         /* seed = HASHPRF(last_key, entropy_input) */
691         blake2s_final(&input_pool.hash, seed);
692
693         /* next_key = HASHPRF(seed, RDSEED || 0) */
694         block.counter = 0;
695         blake2s(next_key, (u8 *)&block, seed, sizeof(next_key), sizeof(block), sizeof(seed));
696         blake2s_init_key(&input_pool.hash, BLAKE2S_HASH_SIZE, next_key, sizeof(next_key));
697
698         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
699         memzero_explicit(next_key, sizeof(next_key));
700
701         while (len) {
702                 i = min_t(size_t, len, BLAKE2S_HASH_SIZE);
703                 /* output = HASHPRF(seed, RDSEED || ++counter) */
704                 ++block.counter;
705                 blake2s(buf, (u8 *)&block, seed, i, sizeof(block), sizeof(seed));
706                 len -= i;
707                 buf += i;
708         }
709
710         memzero_explicit(seed, sizeof(seed));
711         memzero_explicit(&block, sizeof(block));
712 }
713
714 #define credit_init_bits(bits) if (!crng_ready()) _credit_init_bits(bits)
715
716 static void __cold _credit_init_bits(size_t bits)
717 {
718         static DECLARE_WORK(set_ready, crng_set_ready);
719         unsigned int new, orig, add;
720         unsigned long flags;
721
722         if (!bits)
723                 return;
724
725         add = min_t(size_t, bits, POOL_BITS);
726
727         orig = READ_ONCE(input_pool.init_bits);
728         do {
729                 new = min_t(unsigned int, POOL_BITS, orig + add);
730         } while (!try_cmpxchg(&input_pool.init_bits, &orig, new));
731
732         if (orig < POOL_READY_BITS && new >= POOL_READY_BITS) {
733                 crng_reseed(NULL); /* Sets crng_init to CRNG_READY under base_crng.lock. */
734                 if (static_key_initialized && system_unbound_wq)
735                         queue_work(system_unbound_wq, &set_ready);
736                 atomic_notifier_call_chain(&random_ready_notifier, 0, NULL);
737 #ifdef CONFIG_VDSO_GETRANDOM
738                 WRITE_ONCE(_vdso_rng_data.is_ready, true);
739 #endif
740                 wake_up_interruptible(&crng_init_wait);
741                 kill_fasync(&fasync, SIGIO, POLL_IN);
742                 pr_notice("crng init done\n");
743                 if (urandom_warning.missed)
744                         pr_notice("%d urandom warning(s) missed due to ratelimiting\n",
745                                   urandom_warning.missed);
746         } else if (orig < POOL_EARLY_BITS && new >= POOL_EARLY_BITS) {
747                 spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
748                 /* Check if crng_init is CRNG_EMPTY, to avoid race with crng_reseed(). */
749                 if (crng_init == CRNG_EMPTY) {
750                         extract_entropy(base_crng.key, sizeof(base_crng.key));
751                         crng_init = CRNG_EARLY;
752                 }
753                 spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
754         }
755 }
756
757
758 /**********************************************************************
759  *
760  * Entropy collection routines.
761  *
762  * The following exported functions are used for pushing entropy into
763  * the above entropy accumulation routines:
764  *
765  *      void add_device_randomness(const void *buf, size_t len);
766  *      void add_hwgenerator_randomness(const void *buf, size_t len, size_t entropy, bool sleep_after);
767  *      void add_bootloader_randomness(const void *buf, size_t len);
768  *      void add_vmfork_randomness(const void *unique_vm_id, size_t len);
769  *      void add_interrupt_randomness(int irq);
770  *      void add_input_randomness(unsigned int type, unsigned int code, unsigned int value);
771  *      void add_disk_randomness(struct gendisk *disk);
772  *
773  * add_device_randomness() adds data to the input pool that
774  * is likely to differ between two devices (or possibly even per boot).
775  * This would be things like MAC addresses or serial numbers, or the
776  * read-out of the RTC. This does *not* credit any actual entropy to
777  * the pool, but it initializes the pool to different values for devices
778  * that might otherwise be identical and have very little entropy
779  * available to them (particularly common in the embedded world).
780  *
781  * add_hwgenerator_randomness() is for true hardware RNGs, and will credit
782  * entropy as specified by the caller. If the entropy pool is full it will
783  * block until more entropy is needed.
784  *
785  * add_bootloader_randomness() is called by bootloader drivers, such as EFI
786  * and device tree, and credits its input depending on whether or not the
787  * command line option 'random.trust_bootloader'.
788  *
789  * add_vmfork_randomness() adds a unique (but not necessarily secret) ID
790  * representing the current instance of a VM to the pool, without crediting,
791  * and then force-reseeds the crng so that it takes effect immediately.
792  *
793  * add_interrupt_randomness() uses the interrupt timing as random
794  * inputs to the entropy pool. Using the cycle counters and the irq source
795  * as inputs, it feeds the input pool roughly once a second or after 64
796  * interrupts, crediting 1 bit of entropy for whichever comes first.
797  *
798  * add_input_randomness() uses the input layer interrupt timing, as well
799  * as the event type information from the hardware.
800  *
801  * add_disk_randomness() uses what amounts to the seek time of block
802  * layer request events, on a per-disk_devt basis, as input to the
803  * entropy pool. Note that high-speed solid state drives with very low
804  * seek times do not make for good sources of entropy, as their seek
805  * times are usually fairly consistent.
806  *
807  * The last two routines try to estimate how many bits of entropy
808  * to credit. They do this by keeping track of the first and second
809  * order deltas of the event timings.
810  *
811  **********************************************************************/
812
813 static bool trust_cpu __initdata = true;
814 static bool trust_bootloader __initdata = true;
815 static int __init parse_trust_cpu(char *arg)
816 {
817         return kstrtobool(arg, &trust_cpu);
818 }
819 static int __init parse_trust_bootloader(char *arg)
820 {
821         return kstrtobool(arg, &trust_bootloader);
822 }
823 early_param("random.trust_cpu", parse_trust_cpu);
824 early_param("random.trust_bootloader", parse_trust_bootloader);
825
826 static int random_pm_notification(struct notifier_block *nb, unsigned long action, void *data)
827 {
828         unsigned long flags, entropy = random_get_entropy();
829
830         /*
831          * Encode a representation of how long the system has been suspended,
832          * in a way that is distinct from prior system suspends.
833          */
834         ktime_t stamps[] = { ktime_get(), ktime_get_boottime(), ktime_get_real() };
835
836         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
837         _mix_pool_bytes(&action, sizeof(action));
838         _mix_pool_bytes(stamps, sizeof(stamps));
839         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
840         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
841
842         if (crng_ready() && (action == PM_RESTORE_PREPARE ||
843             (action == PM_POST_SUSPEND && !IS_ENABLED(CONFIG_PM_AUTOSLEEP) &&
844              !IS_ENABLED(CONFIG_PM_USERSPACE_AUTOSLEEP)))) {
845                 crng_reseed(NULL);
846                 pr_notice("crng reseeded on system resumption\n");
847         }
848         return 0;
849 }
850
851 static struct notifier_block pm_notifier = { .notifier_call = random_pm_notification };
852
853 /*
854  * This is called extremely early, before time keeping functionality is
855  * available, but arch randomness is. Interrupts are not yet enabled.
856  */
857 void __init random_init_early(const char *command_line)
858 {
859         unsigned long entropy[BLAKE2S_BLOCK_SIZE / sizeof(long)];
860         size_t i, longs, arch_bits;
861
862 #if defined(LATENT_ENTROPY_PLUGIN)
863         static const u8 compiletime_seed[BLAKE2S_BLOCK_SIZE] __initconst __latent_entropy;
864         _mix_pool_bytes(compiletime_seed, sizeof(compiletime_seed));
865 #endif
866
867         for (i = 0, arch_bits = sizeof(entropy) * 8; i < ARRAY_SIZE(entropy);) {
868                 longs = arch_get_random_seed_longs(entropy, ARRAY_SIZE(entropy) - i);
869                 if (longs) {
870                         _mix_pool_bytes(entropy, sizeof(*entropy) * longs);
871                         i += longs;
872                         continue;
873                 }
874                 longs = arch_get_random_longs(entropy, ARRAY_SIZE(entropy) - i);
875                 if (longs) {
876                         _mix_pool_bytes(entropy, sizeof(*entropy) * longs);
877                         i += longs;
878                         continue;
879                 }
880                 arch_bits -= sizeof(*entropy) * 8;
881                 ++i;
882         }
883
884         _mix_pool_bytes(init_utsname(), sizeof(*(init_utsname())));
885         _mix_pool_bytes(command_line, strlen(command_line));
886
887         /* Reseed if already seeded by earlier phases. */
888         if (crng_ready())
889                 crng_reseed(NULL);
890         else if (trust_cpu)
891                 _credit_init_bits(arch_bits);
892 }
893
894 /*
895  * This is called a little bit after the prior function, and now there is
896  * access to timestamps counters. Interrupts are not yet enabled.
897  */
898 void __init random_init(void)
899 {
900         unsigned long entropy = random_get_entropy();
901         ktime_t now = ktime_get_real();
902
903         _mix_pool_bytes(&now, sizeof(now));
904         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
905         add_latent_entropy();
906
907         /*
908          * If we were initialized by the cpu or bootloader before jump labels
909          * or workqueues are initialized, then we should enable the static
910          * branch here, where it's guaranteed that these have been initialized.
911          */
912         if (!static_branch_likely(&crng_is_ready) && crng_init >= CRNG_READY)
913                 crng_set_ready(NULL);
914
915         /* Reseed if already seeded by earlier phases. */
916         if (crng_ready())
917                 crng_reseed(NULL);
918
919         WARN_ON(register_pm_notifier(&pm_notifier));
920
921         WARN(!entropy, "Missing cycle counter and fallback timer; RNG "
922                        "entropy collection will consequently suffer.");
923 }
924
925 /*
926  * Add device- or boot-specific data to the input pool to help
927  * initialize it.
928  *
929  * None of this adds any entropy; it is meant to avoid the problem of
930  * the entropy pool having similar initial state across largely
931  * identical devices.
932  */
933 void add_device_randomness(const void *buf, size_t len)
934 {
935         unsigned long entropy = random_get_entropy();
936         unsigned long flags;
937
938         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
939         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
940         _mix_pool_bytes(buf, len);
941         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
942 }
943 EXPORT_SYMBOL(add_device_randomness);
944
945 /*
946  * Interface for in-kernel drivers of true hardware RNGs. Those devices
947  * may produce endless random bits, so this function will sleep for
948  * some amount of time after, if the sleep_after parameter is true.
949  */
950 void add_hwgenerator_randomness(const void *buf, size_t len, size_t entropy, bool sleep_after)
951 {
952         mix_pool_bytes(buf, len);
953         credit_init_bits(entropy);
954
955         /*
956          * Throttle writing to once every reseed interval, unless we're not yet
957          * initialized or no entropy is credited.
958          */
959         if (sleep_after && !kthread_should_stop() && (crng_ready() || !entropy))
960                 schedule_timeout_interruptible(crng_reseed_interval());
961 }
962 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_hwgenerator_randomness);
963
964 /*
965  * Handle random seed passed by bootloader, and credit it depending
966  * on the command line option 'random.trust_bootloader'.
967  */
968 void __init add_bootloader_randomness(const void *buf, size_t len)
969 {
970         mix_pool_bytes(buf, len);
971         if (trust_bootloader)
972                 credit_init_bits(len * 8);
973 }
974
975 #if IS_ENABLED(CONFIG_VMGENID)
976 static BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(vmfork_chain);
977
978 /*
979  * Handle a new unique VM ID, which is unique, not secret, so we
980  * don't credit it, but we do immediately force a reseed after so
981  * that it's used by the crng posthaste.
982  */
983 void __cold add_vmfork_randomness(const void *unique_vm_id, size_t len)
984 {
985         add_device_randomness(unique_vm_id, len);
986         if (crng_ready()) {
987                 crng_reseed(NULL);
988                 pr_notice("crng reseeded due to virtual machine fork\n");
989         }
990         blocking_notifier_call_chain(&vmfork_chain, 0, NULL);
991 }
992 #if IS_MODULE(CONFIG_VMGENID)
993 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_vmfork_randomness);
994 #endif
995
996 int __cold register_random_vmfork_notifier(struct notifier_block *nb)
997 {
998         return blocking_notifier_chain_register(&vmfork_chain, nb);
999 }
1000 EXPORT_SYMBOL_GPL(register_random_vmfork_notifier);
1001
1002 int __cold unregister_random_vmfork_notifier(struct notifier_block *nb)
1003 {
1004         return blocking_notifier_chain_unregister(&vmfork_chain, nb);
1005 }
1006 EXPORT_SYMBOL_GPL(unregister_random_vmfork_notifier);
1007 #endif
1008
1009 struct fast_pool {
1010         unsigned long pool[4];
1011         unsigned long last;
1012         unsigned int count;
1013         struct timer_list mix;
1014 };
1015
1016 static void mix_interrupt_randomness(struct timer_list *work);
1017
1018 static DEFINE_PER_CPU(struct fast_pool, irq_randomness) = {
1019 #ifdef CONFIG_64BIT
1020 #define FASTMIX_PERM SIPHASH_PERMUTATION
1021         .pool = { SIPHASH_CONST_0, SIPHASH_CONST_1, SIPHASH_CONST_2, SIPHASH_CONST_3 },
1022 #else
1023 #define FASTMIX_PERM HSIPHASH_PERMUTATION
1024         .pool = { HSIPHASH_CONST_0, HSIPHASH_CONST_1, HSIPHASH_CONST_2, HSIPHASH_CONST_3 },
1025 #endif
1026         .mix = __TIMER_INITIALIZER(mix_interrupt_randomness, 0)
1027 };
1028
1029 /*
1030  * This is [Half]SipHash-1-x, starting from an empty key. Because
1031  * the key is fixed, it assumes that its inputs are non-malicious,
1032  * and therefore this has no security on its own. s represents the
1033  * four-word SipHash state, while v represents a two-word input.
1034  */
1035 static void fast_mix(unsigned long s[4], unsigned long v1, unsigned long v2)
1036 {
1037         s[3] ^= v1;
1038         FASTMIX_PERM(s[0], s[1], s[2], s[3]);
1039         s[0] ^= v1;
1040         s[3] ^= v2;
1041         FASTMIX_PERM(s[0], s[1], s[2], s[3]);
1042         s[0] ^= v2;
1043 }
1044
1045 #ifdef CONFIG_SMP
1046 /*
1047  * This function is called when the CPU has just come online, with
1048  * entry CPUHP_AP_RANDOM_ONLINE, just after CPUHP_AP_WORKQUEUE_ONLINE.
1049  */
1050 int __cold random_online_cpu(unsigned int cpu)
1051 {
1052         /*
1053          * During CPU shutdown and before CPU onlining, add_interrupt_
1054          * randomness() may schedule mix_interrupt_randomness(), and
1055          * set the MIX_INFLIGHT flag. However, because the worker can
1056          * be scheduled on a different CPU during this period, that
1057          * flag will never be cleared. For that reason, we zero out
1058          * the flag here, which runs just after workqueues are onlined
1059          * for the CPU again. This also has the effect of setting the
1060          * irq randomness count to zero so that new accumulated irqs
1061          * are fresh.
1062          */
1063         per_cpu_ptr(&irq_randomness, cpu)->count = 0;
1064         return 0;
1065 }
1066 #endif
1067
1068 static void mix_interrupt_randomness(struct timer_list *work)
1069 {
1070         struct fast_pool *fast_pool = container_of(work, struct fast_pool, mix);
1071         /*
1072          * The size of the copied stack pool is explicitly 2 longs so that we
1073          * only ever ingest half of the siphash output each time, retaining
1074          * the other half as the next "key" that carries over. The entropy is
1075          * supposed to be sufficiently dispersed between bits so on average
1076          * we don't wind up "losing" some.
1077          */
1078         unsigned long pool[2];
1079         unsigned int count;
1080
1081         /* Check to see if we're running on the wrong CPU due to hotplug. */
1082         local_irq_disable();
1083         if (fast_pool != this_cpu_ptr(&irq_randomness)) {
1084                 local_irq_enable();
1085                 return;
1086         }
1087
1088         /*
1089          * Copy the pool to the stack so that the mixer always has a
1090          * consistent view, before we reenable irqs again.
1091          */
1092         memcpy(pool, fast_pool->pool, sizeof(pool));
1093         count = fast_pool->count;
1094         fast_pool->count = 0;
1095         fast_pool->last = jiffies;
1096         local_irq_enable();
1097
1098         mix_pool_bytes(pool, sizeof(pool));
1099         credit_init_bits(clamp_t(unsigned int, (count & U16_MAX) / 64, 1, sizeof(pool) * 8));
1100
1101         memzero_explicit(pool, sizeof(pool));
1102 }
1103
1104 void add_interrupt_randomness(int irq)
1105 {
1106         enum { MIX_INFLIGHT = 1U << 31 };
1107         unsigned long entropy = random_get_entropy();
1108         struct fast_pool *fast_pool = this_cpu_ptr(&irq_randomness);
1109         struct pt_regs *regs = get_irq_regs();
1110         unsigned int new_count;
1111
1112         fast_mix(fast_pool->pool, entropy,
1113                  (regs ? instruction_pointer(regs) : _RET_IP_) ^ swab(irq));
1114         new_count = ++fast_pool->count;
1115
1116         if (new_count & MIX_INFLIGHT)
1117                 return;
1118
1119         if (new_count < 1024 && !time_is_before_jiffies(fast_pool->last + HZ))
1120                 return;
1121
1122         fast_pool->count |= MIX_INFLIGHT;
1123         if (!timer_pending(&fast_pool->mix)) {
1124                 fast_pool->mix.expires = jiffies;
1125                 add_timer_on(&fast_pool->mix, raw_smp_processor_id());
1126         }
1127 }
1128 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_interrupt_randomness);
1129
1130 /* There is one of these per entropy source */
1131 struct timer_rand_state {
1132         unsigned long last_time;
1133         long last_delta, last_delta2;
1134 };
1135
1136 /*
1137  * This function adds entropy to the entropy "pool" by using timing
1138  * delays. It uses the timer_rand_state structure to make an estimate
1139  * of how many bits of entropy this call has added to the pool. The
1140  * value "num" is also added to the pool; it should somehow describe
1141  * the type of event that just happened.
1142  */
1143 static void add_timer_randomness(struct timer_rand_state *state, unsigned int num)
1144 {
1145         unsigned long entropy = random_get_entropy(), now = jiffies, flags;
1146         long delta, delta2, delta3;
1147         unsigned int bits;
1148
1149         /*
1150          * If we're in a hard IRQ, add_interrupt_randomness() will be called
1151          * sometime after, so mix into the fast pool.
1152          */
1153         if (in_hardirq()) {
1154                 fast_mix(this_cpu_ptr(&irq_randomness)->pool, entropy, num);
1155         } else {
1156                 spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
1157                 _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
1158                 _mix_pool_bytes(&num, sizeof(num));
1159                 spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
1160         }
1161
1162         if (crng_ready())
1163                 return;
1164
1165         /*
1166          * Calculate number of bits of randomness we probably added.
1167          * We take into account the first, second and third-order deltas
1168          * in order to make our estimate.
1169          */
1170         delta = now - READ_ONCE(state->last_time);
1171         WRITE_ONCE(state->last_time, now);
1172
1173         delta2 = delta - READ_ONCE(state->last_delta);
1174         WRITE_ONCE(state->last_delta, delta);
1175
1176         delta3 = delta2 - READ_ONCE(state->last_delta2);
1177         WRITE_ONCE(state->last_delta2, delta2);
1178
1179         if (delta < 0)
1180                 delta = -delta;
1181         if (delta2 < 0)
1182                 delta2 = -delta2;
1183         if (delta3 < 0)
1184                 delta3 = -delta3;
1185         if (delta > delta2)
1186                 delta = delta2;
1187         if (delta > delta3)
1188                 delta = delta3;
1189
1190         /*
1191          * delta is now minimum absolute delta. Round down by 1 bit
1192          * on general principles, and limit entropy estimate to 11 bits.
1193          */
1194         bits = min(fls(delta >> 1), 11);
1195
1196         /*
1197          * As mentioned above, if we're in a hard IRQ, add_interrupt_randomness()
1198          * will run after this, which uses a different crediting scheme of 1 bit
1199          * per every 64 interrupts. In order to let that function do accounting
1200          * close to the one in this function, we credit a full 64/64 bit per bit,
1201          * and then subtract one to account for the extra one added.
1202          */
1203         if (in_hardirq())
1204                 this_cpu_ptr(&irq_randomness)->count += max(1u, bits * 64) - 1;
1205         else
1206                 _credit_init_bits(bits);
1207 }
1208
1209 void add_input_randomness(unsigned int type, unsigned int code, unsigned int value)
1210 {
1211         static unsigned char last_value;
1212         static struct timer_rand_state input_timer_state = { INITIAL_JIFFIES };
1213
1214         /* Ignore autorepeat and the like. */
1215         if (value == last_value)
1216                 return;
1217
1218         last_value = value;
1219         add_timer_randomness(&input_timer_state,
1220                              (type << 4) ^ code ^ (code >> 4) ^ value);
1221 }
1222 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_input_randomness);
1223
1224 #ifdef CONFIG_BLOCK
1225 void add_disk_randomness(struct gendisk *disk)
1226 {
1227         if (!disk || !disk->random)
1228                 return;
1229         /* First major is 1, so we get >= 0x200 here. */
1230         add_timer_randomness(disk->random, 0x100 + disk_devt(disk));
1231 }
1232 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_disk_randomness);
1233
1234 void __cold rand_initialize_disk(struct gendisk *disk)
1235 {
1236         struct timer_rand_state *state;
1237
1238         /*
1239          * If kzalloc returns null, we just won't use that entropy
1240          * source.
1241          */
1242         state = kzalloc(sizeof(struct timer_rand_state), GFP_KERNEL);
1243         if (state) {
1244                 state->last_time = INITIAL_JIFFIES;
1245                 disk->random = state;
1246         }
1247 }
1248 #endif
1249
1250 struct entropy_timer_state {
1251         unsigned long entropy;
1252         struct timer_list timer;
1253         atomic_t samples;
1254         unsigned int samples_per_bit;
1255 };
1256
1257 /*
1258  * Each time the timer fires, we expect that we got an unpredictable jump in
1259  * the cycle counter. Even if the timer is running on another CPU, the timer
1260  * activity will be touching the stack of the CPU that is generating entropy.
1261  *
1262  * Note that we don't re-arm the timer in the timer itself - we are happy to be
1263  * scheduled away, since that just makes the load more complex, but we do not
1264  * want the timer to keep ticking unless the entropy loop is running.
1265  *
1266  * So the re-arming always happens in the entropy loop itself.
1267  */
1268 static void __cold entropy_timer(struct timer_list *timer)
1269 {
1270         struct entropy_timer_state *state = container_of(timer, struct entropy_timer_state, timer);
1271         unsigned long entropy = random_get_entropy();
1272
1273         mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
1274         if (atomic_inc_return(&state->samples) % state->samples_per_bit == 0)
1275                 credit_init_bits(1);
1276 }
1277
1278 /*
1279  * If we have an actual cycle counter, see if we can generate enough entropy
1280  * with timing noise.
1281  */
1282 static void __cold try_to_generate_entropy(void)
1283 {
1284         enum { NUM_TRIAL_SAMPLES = 8192, MAX_SAMPLES_PER_BIT = HZ / 15 };
1285         u8 stack_bytes[sizeof(struct entropy_timer_state) + SMP_CACHE_BYTES - 1];
1286         struct entropy_timer_state *stack = PTR_ALIGN((void *)stack_bytes, SMP_CACHE_BYTES);
1287         unsigned int i, num_different = 0;
1288         unsigned long last = random_get_entropy();
1289         int cpu = -1;
1290
1291         for (i = 0; i < NUM_TRIAL_SAMPLES - 1; ++i) {
1292                 stack->entropy = random_get_entropy();
1293                 if (stack->entropy != last)
1294                         ++num_different;
1295                 last = stack->entropy;
1296         }
1297         stack->samples_per_bit = DIV_ROUND_UP(NUM_TRIAL_SAMPLES, num_different + 1);
1298         if (stack->samples_per_bit > MAX_SAMPLES_PER_BIT)
1299                 return;
1300
1301         atomic_set(&stack->samples, 0);
1302         timer_setup_on_stack(&stack->timer, entropy_timer, 0);
1303         while (!crng_ready() && !signal_pending(current)) {
1304                 /*
1305                  * Check !timer_pending() and then ensure that any previous callback has finished
1306                  * executing by checking try_to_del_timer_sync(), before queueing the next one.
1307                  */
1308                 if (!timer_pending(&stack->timer) && try_to_del_timer_sync(&stack->timer) >= 0) {
1309                         struct cpumask timer_cpus;
1310                         unsigned int num_cpus;
1311
1312                         /*
1313                          * Preemption must be disabled here, both to read the current CPU number
1314                          * and to avoid scheduling a timer on a dead CPU.
1315                          */
1316                         preempt_disable();
1317
1318                         /* Only schedule callbacks on timer CPUs that are online. */
1319                         cpumask_and(&timer_cpus, housekeeping_cpumask(HK_TYPE_TIMER), cpu_online_mask);
1320                         num_cpus = cpumask_weight(&timer_cpus);
1321                         /* In very bizarre case of misconfiguration, fallback to all online. */
1322                         if (unlikely(num_cpus == 0)) {
1323                                 timer_cpus = *cpu_online_mask;
1324                                 num_cpus = cpumask_weight(&timer_cpus);
1325                         }
1326
1327                         /* Basic CPU round-robin, which avoids the current CPU. */
1328                         do {
1329                                 cpu = cpumask_next(cpu, &timer_cpus);
1330                                 if (cpu >= nr_cpu_ids)
1331                                         cpu = cpumask_first(&timer_cpus);
1332                         } while (cpu == smp_processor_id() && num_cpus > 1);
1333
1334                         /* Expiring the timer at `jiffies` means it's the next tick. */
1335                         stack->timer.expires = jiffies;
1336
1337                         add_timer_on(&stack->timer, cpu);
1338
1339                         preempt_enable();
1340                 }
1341                 mix_pool_bytes(&stack->entropy, sizeof(stack->entropy));
1342                 schedule();
1343                 stack->entropy = random_get_entropy();
1344         }
1345         mix_pool_bytes(&stack->entropy, sizeof(stack->entropy));
1346
1347         del_timer_sync(&stack->timer);
1348         destroy_timer_on_stack(&stack->timer);
1349 }
1350
1351
1352 /**********************************************************************
1353  *
1354  * Userspace reader/writer interfaces.
1355  *
1356  * getrandom(2) is the primary modern interface into the RNG and should
1357  * be used in preference to anything else.
1358  *
1359  * Reading from /dev/random has the same functionality as calling
1360  * getrandom(2) with flags=0. In earlier versions, however, it had
1361  * vastly different semantics and should therefore be avoided, to
1362  * prevent backwards compatibility issues.
1363  *
1364  * Reading from /dev/urandom has the same functionality as calling
1365  * getrandom(2) with flags=GRND_INSECURE. Because it does not block
1366  * waiting for the RNG to be ready, it should not be used.
1367  *
1368  * Writing to either /dev/random or /dev/urandom adds entropy to
1369  * the input pool but does not credit it.
1370  *
1371  * Polling on /dev/random indicates when the RNG is initialized, on
1372  * the read side, and when it wants new entropy, on the write side.
1373  *
1374  * Both /dev/random and /dev/urandom have the same set of ioctls for
1375  * adding entropy, getting the entropy count, zeroing the count, and
1376  * reseeding the crng.
1377  *
1378  **********************************************************************/
1379
1380 SYSCALL_DEFINE3(getrandom, char __user *, ubuf, size_t, len, unsigned int, flags)
1381 {
1382         struct iov_iter iter;
1383         int ret;
1384
1385         if (flags & ~(GRND_NONBLOCK | GRND_RANDOM | GRND_INSECURE))
1386                 return -EINVAL;
1387
1388         /*
1389          * Requesting insecure and blocking randomness at the same time makes
1390          * no sense.
1391          */
1392         if ((flags & (GRND_INSECURE | GRND_RANDOM)) == (GRND_INSECURE | GRND_RANDOM))
1393                 return -EINVAL;
1394
1395         if (!crng_ready() && !(flags & GRND_INSECURE)) {
1396                 if (flags & GRND_NONBLOCK)
1397                         return -EAGAIN;
1398                 ret = wait_for_random_bytes();
1399                 if (unlikely(ret))
1400                         return ret;
1401         }
1402
1403         ret = import_ubuf(ITER_DEST, ubuf, len, &iter);
1404         if (unlikely(ret))
1405                 return ret;
1406         return get_random_bytes_user(&iter);
1407 }
1408
1409 static __poll_t random_poll(struct file *file, poll_table *wait)
1410 {
1411         poll_wait(file, &crng_init_wait, wait);
1412         return crng_ready() ? EPOLLIN | EPOLLRDNORM : EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
1413 }
1414
1415 static ssize_t write_pool_user(struct iov_iter *iter)
1416 {
1417         u8 block[BLAKE2S_BLOCK_SIZE];
1418         ssize_t ret = 0;
1419         size_t copied;
1420
1421         if (unlikely(!iov_iter_count(iter)))
1422                 return 0;
1423
1424         for (;;) {
1425                 copied = copy_from_iter(block, sizeof(block), iter);
1426                 ret += copied;
1427                 mix_pool_bytes(block, copied);
1428                 if (!iov_iter_count(iter) || copied != sizeof(block))
1429                         break;
1430
1431                 BUILD_BUG_ON(PAGE_SIZE % sizeof(block) != 0);
1432                 if (ret % PAGE_SIZE == 0) {
1433                         if (signal_pending(current))
1434                                 break;
1435                         cond_resched();
1436                 }
1437         }
1438
1439         memzero_explicit(block, sizeof(block));
1440         return ret ? ret : -EFAULT;
1441 }
1442
1443 static ssize_t random_write_iter(struct kiocb *kiocb, struct iov_iter *iter)
1444 {
1445         return write_pool_user(iter);
1446 }
1447
1448 static ssize_t urandom_read_iter(struct kiocb *kiocb, struct iov_iter *iter)
1449 {
1450         static int maxwarn = 10;
1451
1452         /*
1453          * Opportunistically attempt to initialize the RNG on platforms that
1454          * have fast cycle counters, but don't (for now) require it to succeed.
1455          */
1456         if (!crng_ready())
1457                 try_to_generate_entropy();
1458
1459         if (!crng_ready()) {
1460                 if (!ratelimit_disable && maxwarn <= 0)
1461                         ++urandom_warning.missed;
1462                 else if (ratelimit_disable || __ratelimit(&urandom_warning)) {
1463                         --maxwarn;
1464                         pr_notice("%s: uninitialized urandom read (%zu bytes read)\n",
1465                                   current->comm, iov_iter_count(iter));
1466                 }
1467         }
1468
1469         return get_random_bytes_user(iter);
1470 }
1471
1472 static ssize_t random_read_iter(struct kiocb *kiocb, struct iov_iter *iter)
1473 {
1474         int ret;
1475
1476         if (!crng_ready() &&
1477             ((kiocb->ki_flags & (IOCB_NOWAIT | IOCB_NOIO)) ||
1478              (kiocb->ki_filp->f_flags & O_NONBLOCK)))
1479                 return -EAGAIN;
1480
1481         ret = wait_for_random_bytes();
1482         if (ret != 0)
1483                 return ret;
1484         return get_random_bytes_user(iter);
1485 }
1486
1487 static long random_ioctl(struct file *f, unsigned int cmd, unsigned long arg)
1488 {
1489         int __user *p = (int __user *)arg;
1490         int ent_count;
1491
1492         switch (cmd) {
1493         case RNDGETENTCNT:
1494                 /* Inherently racy, no point locking. */
1495                 if (put_user(input_pool.init_bits, p))
1496                         return -EFAULT;
1497                 return 0;
1498         case RNDADDTOENTCNT:
1499                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1500                         return -EPERM;
1501                 if (get_user(ent_count, p))
1502                         return -EFAULT;
1503                 if (ent_count < 0)
1504                         return -EINVAL;
1505                 credit_init_bits(ent_count);
1506                 return 0;
1507         case RNDADDENTROPY: {
1508                 struct iov_iter iter;
1509                 ssize_t ret;
1510                 int len;
1511
1512                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1513                         return -EPERM;
1514                 if (get_user(ent_count, p++))
1515                         return -EFAULT;
1516                 if (ent_count < 0)
1517                         return -EINVAL;
1518                 if (get_user(len, p++))
1519                         return -EFAULT;
1520                 ret = import_ubuf(ITER_SOURCE, p, len, &iter);
1521                 if (unlikely(ret))
1522                         return ret;
1523                 ret = write_pool_user(&iter);
1524                 if (unlikely(ret < 0))
1525                         return ret;
1526                 /* Since we're crediting, enforce that it was all written into the pool. */
1527                 if (unlikely(ret != len))
1528                         return -EFAULT;
1529                 credit_init_bits(ent_count);
1530                 return 0;
1531         }
1532         case RNDZAPENTCNT:
1533         case RNDCLEARPOOL:
1534                 /* No longer has any effect. */
1535                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1536                         return -EPERM;
1537                 return 0;
1538         case RNDRESEEDCRNG:
1539                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1540                         return -EPERM;
1541                 if (!crng_ready())
1542                         return -ENODATA;
1543                 crng_reseed(NULL);
1544                 return 0;
1545         default:
1546                 return -EINVAL;
1547         }
1548 }
1549
1550 static int random_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
1551 {
1552         return fasync_helper(fd, filp, on, &fasync);
1553 }
1554
1555 const struct file_operations random_fops = {
1556         .read_iter = random_read_iter,
1557         .write_iter = random_write_iter,
1558         .poll = random_poll,
1559         .unlocked_ioctl = random_ioctl,
1560         .compat_ioctl = compat_ptr_ioctl,
1561         .fasync = random_fasync,
1562         .llseek = noop_llseek,
1563         .splice_read = copy_splice_read,
1564         .splice_write = iter_file_splice_write,
1565 };
1566
1567 const struct file_operations urandom_fops = {
1568         .read_iter = urandom_read_iter,
1569         .write_iter = random_write_iter,
1570         .unlocked_ioctl = random_ioctl,
1571         .compat_ioctl = compat_ptr_ioctl,
1572         .fasync = random_fasync,
1573         .llseek = noop_llseek,
1574         .splice_read = copy_splice_read,
1575         .splice_write = iter_file_splice_write,
1576 };
1577
1578
1579 /********************************************************************
1580  *
1581  * Sysctl interface.
1582  *
1583  * These are partly unused legacy knobs with dummy values to not break
1584  * userspace and partly still useful things. They are usually accessible
1585  * in /proc/sys/kernel/random/ and are as follows:
1586  *
1587  * - boot_id - a UUID representing the current boot.
1588  *
1589  * - uuid - a random UUID, different each time the file is read.
1590  *
1591  * - poolsize - the number of bits of entropy that the input pool can
1592  *   hold, tied to the POOL_BITS constant.
1593  *
1594  * - entropy_avail - the number of bits of entropy currently in the
1595  *   input pool. Always <= poolsize.
1596  *
1597  * - write_wakeup_threshold - the amount of entropy in the input pool
1598  *   below which write polls to /dev/random will unblock, requesting
1599  *   more entropy, tied to the POOL_READY_BITS constant. It is writable
1600  *   to avoid breaking old userspaces, but writing to it does not
1601  *   change any behavior of the RNG.
1602  *
1603  * - urandom_min_reseed_secs - fixed to the value CRNG_RESEED_INTERVAL.
1604  *   It is writable to avoid breaking old userspaces, but writing
1605  *   to it does not change any behavior of the RNG.
1606  *
1607  ********************************************************************/
1608
1609 #ifdef CONFIG_SYSCTL
1610
1611 #include <linux/sysctl.h>
1612
1613 static int sysctl_random_min_urandom_seed = CRNG_RESEED_INTERVAL / HZ;
1614 static int sysctl_random_write_wakeup_bits = POOL_READY_BITS;
1615 static int sysctl_poolsize = POOL_BITS;
1616 static u8 sysctl_bootid[UUID_SIZE];
1617
1618 /*
1619  * This function is used to return both the bootid UUID, and random
1620  * UUID. The difference is in whether table->data is NULL; if it is,
1621  * then a new UUID is generated and returned to the user.
1622  */
1623 static int proc_do_uuid(const struct ctl_table *table, int write, void *buf,
1624                         size_t *lenp, loff_t *ppos)
1625 {
1626         u8 tmp_uuid[UUID_SIZE], *uuid;
1627         char uuid_string[UUID_STRING_LEN + 1];
1628         struct ctl_table fake_table = {
1629                 .data = uuid_string,
1630                 .maxlen = UUID_STRING_LEN
1631         };
1632
1633         if (write)
1634                 return -EPERM;
1635
1636         uuid = table->data;
1637         if (!uuid) {
1638                 uuid = tmp_uuid;
1639                 generate_random_uuid(uuid);
1640         } else {
1641                 static DEFINE_SPINLOCK(bootid_spinlock);
1642
1643                 spin_lock(&bootid_spinlock);
1644                 if (!uuid[8])
1645                         generate_random_uuid(uuid);
1646                 spin_unlock(&bootid_spinlock);
1647         }
1648
1649         snprintf(uuid_string, sizeof(uuid_string), "%pU", uuid);
1650         return proc_dostring(&fake_table, 0, buf, lenp, ppos);
1651 }
1652
1653 /* The same as proc_dointvec, but writes don't change anything. */
1654 static int proc_do_rointvec(const struct ctl_table *table, int write, void *buf,
1655                             size_t *lenp, loff_t *ppos)
1656 {
1657         return write ? 0 : proc_dointvec(table, 0, buf, lenp, ppos);
1658 }
1659
1660 static struct ctl_table random_table[] = {
1661         {
1662                 .procname       = "poolsize",
1663                 .data           = &sysctl_poolsize,
1664                 .maxlen         = sizeof(int),
1665                 .mode           = 0444,
1666                 .proc_handler   = proc_dointvec,
1667         },
1668         {
1669                 .procname       = "entropy_avail",
1670                 .data           = &input_pool.init_bits,
1671                 .maxlen         = sizeof(int),
1672                 .mode           = 0444,
1673                 .proc_handler   = proc_dointvec,
1674         },
1675         {
1676                 .procname       = "write_wakeup_threshold",
1677                 .data           = &sysctl_random_write_wakeup_bits,
1678                 .maxlen         = sizeof(int),
1679                 .mode           = 0644,
1680                 .proc_handler   = proc_do_rointvec,
1681         },
1682         {
1683                 .procname       = "urandom_min_reseed_secs",
1684                 .data           = &sysctl_random_min_urandom_seed,
1685                 .maxlen         = sizeof(int),
1686                 .mode           = 0644,
1687                 .proc_handler   = proc_do_rointvec,
1688         },
1689         {
1690                 .procname       = "boot_id",
1691                 .data           = &sysctl_bootid,
1692                 .mode           = 0444,
1693                 .proc_handler   = proc_do_uuid,
1694         },
1695         {
1696                 .procname       = "uuid",
1697                 .mode           = 0444,
1698                 .proc_handler   = proc_do_uuid,
1699         },
1700 };
1701
1702 /*
1703  * random_init() is called before sysctl_init(),
1704  * so we cannot call register_sysctl_init() in random_init()
1705  */
1706 static int __init random_sysctls_init(void)
1707 {
1708         register_sysctl_init("kernel/random", random_table);
1709         return 0;
1710 }
1711 device_initcall(random_sysctls_init);
1712 #endif
This page took 0.128831 seconds and 4 git commands to generate.