usr.sbin/rndcontrol/random.4

   1 .\"
   2 .\" random.c -- A strong random number generator
   3 .\"
   4 .\" Version 0.92, last modified 21-Sep-95
   5 .\"
   6 .\" Copyright Theodore Ts'o, 1994, 1995.  All rights reserved.
   7 .\"
   8 .\" Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9 .\" modification, are permitted provided that the following conditions
  10 .\" are met:
  11 .\" 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12 .\"    notice, and the entire permission notice in its entirety,
  13 .\"    including the disclaimer of warranties.
  14 .\" 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  15 .\"    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  16 .\"    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  17 .\" 3. The name of the author may not be used to endorse or promote
  18 .\"    products derived from this software without specific prior
  19 .\"    written permission.
  20 .\"
  21 .\" ALTERNATIVELY, this product may be distributed under the terms of
  22 .\" the GNU Public License, in which case the provisions of the GPL are
  23 .\" required INSTEAD OF the above restrictions.  (This clause is
  24 .\" necessary due to a potential bad interaction between the GPL and
  25 .\" the restrictions contained in a BSD-style copyright.)
  26 .\"
  27 .\" THIS SOFTWARE IS PROVIDED ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED
  28 .\" WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES
  29 .\" OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE
  30 .\" DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY DIRECT,
  31 .\" INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES
  32 .\" (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR
  33 .\" SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  34 .\" HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT,
  35 .\" STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE)
  36 .\" ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED
  37 .\" OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  38 .\"
  39 .\" $FreeBSD: src/usr.sbin/rndcontrol/random.4,v 1.9.2.2 2001/11/24 16:14:18 dd Exp $
  40 .\"
  41 .Dd October 21, 1995
  42 .Dt RANDOM 4 i386
  43 .Os
  44 .Sh NAME
  45 .Nm random ,
  46 .Nm urandom
  47 .Nd random number devices
  48 .Sh DESCRIPTION
  49 This device gathers environmental noise from device drivers, etc.,
  50 and returns good random numbers, suitable for cryptographic use.
  51 Besides the obvious cryptographic uses, these numbers are also good
  52 for seeding TCP sequence numbers, and other places where it is
  53 desirable to have numbers which are not only random, but hard to
  54 predict by an attacker.
  55 .Ss Theory of operation
  56 Computers are very predictable devices.  Hence it is extremely hard
  57 to produce truly random numbers on a computer \(em as opposed to
  58 pseudo-random numbers, which can easily generated by using an
  59 algorithm.  Unfortunately, it is very easy for attackers to guess
  60 the sequence of pseudo-random number generators, and for some
  61 applications this is not acceptable.  So instead, we must try to
  62 gather "environmental noise" from the computer's environment, which
  63 must be hard for outside attackers to observe, and use that to
  64 generate random numbers.  In a Unix environment, this is best done
  65 from inside the kernel.
  66 .Pp
  67 Sources of randomness from the environment include inter-keyboard
  68 timings, inter-interrupt timings from some interrupts, and other
  69 events which are both (a) non-deterministic and (b) hard for an
  70 outside observer to measure.  Randomness from these sources are
  71 added to an "entropy pool", which is periodically mixed using the
  72 MD5 compression function in CBC mode.  As random bytes are mixed
  73 into the entropy pool, the routines keep an
  74 .Em estimate
  75 of how many bits of randomness have been stored into the random number
  76 generator's internal state.
  77 .Pp
  78 When random bytes are desired, they are obtained by taking the MD5
  79 hash of a counter plus the contents of the "entropy pool".  The
  80 reason for the MD5 hash is so that we can avoid exposing the
  81 internal state of random number generator.  Although the MD5 hash
  82 does protect the pool, each random byte which is generated from
  83 the pool reveals some information which was derived from the
  84 internal state, and thus increases the amount of information an
  85 outside attacker has available to try to make some guesses about
  86 the random number generator's internal state.  For this reason,
  87 the routine decreases its internal estimate of how many bits of
  88 "true randomness" are contained in the entropy pool as it outputs
  89 random numbers.
  90 .Pp
  91 If this estimate goes to zero, the routine can still generate random
  92 numbers; however it may now be possible for an attacker to analyze
  93 the output of the random number generator, and the MD5 algorithm,
  94 and thus have some success in guessing the output of the routine.
  95 Phil Karn (who devised this mechanism of using MD5 plus a counter
  96 to extract random numbers from an entropy pool) calls this
  97 "practical randomness", since in the worst case this is equivalent
  98 to hashing MD5 with a counter and an undisclosed secret.  If MD5 is
  99 a strong cryptographic hash, this should be fairly resistant to attack.
 100 .Ss Exported interfaces \(em output
 101 There are three exported interfaces; the first is one designed to
 102 be used from within the kernel:
 103 .Pp
 104 .Bl -tag -width Pa -compact
 105 .It Pa void get_random_bytes(void *buf, int nbytes);
 106 .El
 107 .Pp
 108 This interface will return the requested number of random bytes,
 109 and place it in the requested buffer.
 110 .Pp
 111 The two other interfaces are two character devices
 112 .Pa /dev/random
 113 and
 114 .Pa /dev/urandom .
 115 The
 116 .Pa /dev/random
 117 device is suitable for use when very high quality randomness is desired
 118 (e.g. for key generation), as it will only return a maximum
 119 of the number of bits of randomness (as estimated by the random number
 120 generator) contained in the entropy pool.
 121 .Pp
 122 The
 123 .Pa /dev/urandom
 124 device does not have this limit, and will return as many bytes as are
 125 requested.  As more and more random bytes are requested without giving
 126 time for the entropy pool to recharge, this will result in lower quality
 127 random numbers.  For many applications, however, this is acceptable.
 128 .Ss Exported interfaces \(em input
 129 The two current exported interfaces for gathering environmental
 130 noise from the devices are:
 131 .Pp
 132 .Bl -tag -width Pa -compact
 133 .It Pa void add_keyboard_randomness(unsigned char scancode);
 134 .It Pa void add_interrupt_randomness(int irq);
 135 .El
 136 .Pp
 137 The first function uses the inter-keypress timing, as well as the
 138 scancode as random inputs into the "entropy pool".
 139 .Pp
 140 The second function uses the inter-interrupt timing as random
 141 inputs to the entropy pool.  Note that not all interrupts are good
 142 sources of randomness!  For example, the timer interrupts is not a
 143 good choice, because the periodicity of the interrupts is too
 144 regular, and hence predictable to an attacker.  Disk interrupts are
 145 a better measure, since the timing of the disk interrupts are more
 146 unpredictable.  The routines try to estimate how many bits of
 147 randomness a particular interrupt channel offers, by keeping track
 148 of the first and second order deltas in the interrupt timings.
 149 .Sh ACKNOWLEDGEMENTS
 150 The original core code was written by
 151 .An Theodore Ts'o ,
 152 and was intended
 153 for the Linux platform.
 154 This was ported to
 155 .Fx
 156 by
 157 .An Mark Murray ,
 158 who also wrote the
 159 .Xr rndcontrol 8
 160 utility.
 161 .Pp
 162 Ideas for constructing this random number generator were derived
 163 from the Pretty Good Privacy's random number generator, and from
 164 private discussions with Phil Karn.  This design has been further
 165 modified by myself, so any flaws are solely my responsibility, and
 166 should not be attributed to the authors of PGP or to Phil.
 167 .Pp
 168 The code for MD5 transform was taken from Colin Plumb's
 169 implementation, which has been placed in the public domain.  The
 170 MD5 cryptographic checksum was devised by Ronald Rivest, and is
 171 documented in RFC 1321, "The MD5 Message Digest Algorithm".
 172 .Pp
 173 Further background information on this topic may be obtained from
 174 RFC 1750, "Randomness Recommendations for Security", by Donald
 175 Eastlake, Steve Crocker, and Jeff Schiller.
 176 .Sh "SEE ALSO"
 177 .Xr rndcontrol 8
 178 .Sh FILES
 179 .Bl -tag -width Pa -compact
 180 .It Pa /dev/random
 181 .It Pa /dev/urandom
 182 .El
 183 .Sh HISTORY
 184 The
 185 .Pa random ,
 186 .Pa urandom
 187 files appeared in
 188 .Fx 2.1.5 .