libeap/src/crypto/random.c

   1 /*
   2  * Random number generator
   3  * Copyright (c) 2010-2011, Jouni Malinen <j@w1.fi>
   4  *
   5  * This software may be distributed under the terms of the BSD license.
   6  * See README for more details.
   7  *
   8  * This random number generator is used to provide additional entropy to the
   9  * one provided by the operating system (os_get_random()) for session key
  10  * generation. The os_get_random() output is expected to be secure and the
  11  * implementation here is expected to provide only limited protection against
  12  * cases where os_get_random() cannot provide strong randomness. This
  13  * implementation shall not be assumed to be secure as the sole source of
  14  * randomness. The random_get_bytes() function mixes in randomness from
  15  * os_get_random() and as such, calls to os_get_random() can be replaced with
  16  * calls to random_get_bytes() without reducing security.
  17  *
  18  * The design here follows partially the design used in the Linux
  19  * drivers/char/random.c, but the implementation here is simpler and not as
  20  * strong. This is a compromise to reduce duplicated CPU effort and to avoid
  21  * extra code/memory size. As pointed out above, os_get_random() needs to be
  22  * guaranteed to be secure for any of the security assumptions to hold.
  23  */
  24
  25 #include "utils/includes.h"
  26 #ifdef __linux__
  27 #include <fcntl.h>
  28 #endif /* __linux__ */
  29
  30 #include "utils/common.h"
  31 #include "utils/eloop.h"
  32 #include "crypto/crypto.h"
  33 #include "sha1.h"
  34 #include "random.h"
  35
  36 #define POOL_WORDS 32
  37 #define POOL_WORDS_MASK (POOL_WORDS - 1)
  38 #define POOL_TAP1 26
  39 #define POOL_TAP2 20
  40 #define POOL_TAP3 14
  41 #define POOL_TAP4 7
  42 #define POOL_TAP5 1
  43 #define EXTRACT_LEN 16
  44 #define MIN_READY_MARK 2
  45
  46 static u32 pool[POOL_WORDS];
  47 static unsigned int input_rotate = 0;
  48 static unsigned int pool_pos = 0;
  49 static u8 dummy_key[20];
  50 #ifdef __linux__
  51 static size_t dummy_key_avail = 0;
  52 static int random_fd = -1;
  53 #endif /* __linux__ */
  54 static unsigned int own_pool_ready = 0;
  55 #define RANDOM_ENTROPY_SIZE 20
  56 static char *random_entropy_file = NULL;
  57 static int random_entropy_file_read = 0;
  58
  59 #define MIN_COLLECT_ENTROPY 1000
  60 static unsigned int entropy = 0;
  61 static unsigned int total_collected = 0;
  62
  63
  64 static void random_write_entropy(void);
  65
  66
  67 static u32 __ROL32(u32 x, u32 y)
  68 {
  69         return (x << (y & 31)) | (x >> (32 - (y & 31)));
  70 }
  71
  72
  73 static void random_mix_pool(const void *buf, size_t len)
  74 {
  75         static const u32 twist[8] = {
  76                 0x00000000, 0x3b6e20c8, 0x76dc4190, 0x4db26158,
  77                 0xedb88320, 0xd6d6a3e8, 0x9b64c2b0, 0xa00ae278
  78         };
  79         const u8 *pos = buf;
  80         u32 w;
  81
  82         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "random_mix_pool", buf, len);
  83
  84         while (len--) {
  85                 w = __ROL32(*pos++, input_rotate & 31);
  86                 input_rotate += pool_pos ? 7 : 14;
  87                 pool_pos = (pool_pos - 1) & POOL_WORDS_MASK;
  88                 w ^= pool[pool_pos];
  89                 w ^= pool[(pool_pos + POOL_TAP1) & POOL_WORDS_MASK];
  90                 w ^= pool[(pool_pos + POOL_TAP2) & POOL_WORDS_MASK];
  91                 w ^= pool[(pool_pos + POOL_TAP3) & POOL_WORDS_MASK];
  92                 w ^= pool[(pool_pos + POOL_TAP4) & POOL_WORDS_MASK];
  93                 w ^= pool[(pool_pos + POOL_TAP5) & POOL_WORDS_MASK];
  94                 pool[pool_pos] = (w >> 3) ^ twist[w & 7];
  95         }
  96 }
  97
  98
  99 static void random_extract(u8 *out)
 100 {
 101         unsigned int i;
 102         u8 hash[SHA1_MAC_LEN];
 103         u32 *hash_ptr;
 104         u32 buf[POOL_WORDS / 2];
 105
 106         /* First, add hash back to pool to make backtracking more difficult. */
 107         hmac_sha1(dummy_key, sizeof(dummy_key), (const u8 *) pool,
 108                   sizeof(pool), hash);
 109         random_mix_pool(hash, sizeof(hash));
 110         /* Hash half the pool to extra data */
 111         for (i = 0; i < POOL_WORDS / 2; i++)
 112                 buf[i] = pool[(pool_pos - i) & POOL_WORDS_MASK];
 113         hmac_sha1(dummy_key, sizeof(dummy_key), (const u8 *) buf,
 114                   sizeof(buf), hash);
 115         /*
 116          * Fold the hash to further reduce any potential output pattern.
 117          * Though, compromise this to reduce CPU use for the most common output
 118          * length (32) and return 16 bytes from instead of only half.
 119          */
 120         hash_ptr = (u32 *) hash;
 121         hash_ptr[0] ^= hash_ptr[4];
 122         os_memcpy(out, hash, EXTRACT_LEN);
 123 }
 124
 125
 126 void random_add_randomness(const void *buf, size_t len)
 127 {
 128         struct os_time t;
 129         static unsigned int count = 0;
 130
 131         count++;
 132         if (entropy > MIN_COLLECT_ENTROPY && (count & 0x3ff) != 0) {
 133                 /*
 134                  * No need to add more entropy at this point, so save CPU and
 135                  * skip the update.
 136                  */
 137                 return;
 138         }
 139         wpa_printf(MSG_EXCESSIVE, "Add randomness: count=%u entropy=%u",
 140                    count, entropy);
 141
 142         os_get_time(&t);
 143         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "random pool",
 144                         (const u8 *) pool, sizeof(pool));
 145         random_mix_pool(&t, sizeof(t));
 146         random_mix_pool(buf, len);
 147         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "random pool",
 148                         (const u8 *) pool, sizeof(pool));
 149         entropy++;
 150         total_collected++;
 151 }
 152
 153
 154 int random_get_bytes(void *buf, size_t len)
 155 {
 156         int ret;
 157         u8 *bytes = buf;
 158         size_t left;
 159
 160         wpa_printf(MSG_MSGDUMP, "Get randomness: len=%u entropy=%u",
 161                    (unsigned int) len, entropy);
 162
 163         /* Start with assumed strong randomness from OS */
 164         ret = os_get_random(buf, len);
 165         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "random from os_get_random",
 166                         buf, len);
 167
 168         /* Mix in additional entropy extracted from the internal pool */
 169         left = len;
 170         while (left) {
 171                 size_t siz, i;
 172                 u8 tmp[EXTRACT_LEN];
 173                 random_extract(tmp);
 174                 wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "random from internal pool",
 175                                 tmp, sizeof(tmp));
 176                 siz = left > EXTRACT_LEN ? EXTRACT_LEN : left;
 177                 for (i = 0; i < siz; i++)
 178                         *bytes++ ^= tmp[i];
 179                 left -= siz;
 180         }
 181
 182 #ifdef CONFIG_FIPS
 183         /* Mix in additional entropy from the crypto module */
 184         bytes = buf;
 185         left = len;
 186         while (left) {
 187                 size_t siz, i;
 188                 u8 tmp[EXTRACT_LEN];
 189                 if (crypto_get_random(tmp, sizeof(tmp)) < 0) {
 190                         wpa_printf(MSG_ERROR, "random: No entropy available "
 191                                    "for generating strong random bytes");
 192                         return -1;
 193                 }
 194                 wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "random from crypto module",
 195                                 tmp, sizeof(tmp));
 196                 siz = left > EXTRACT_LEN ? EXTRACT_LEN : left;
 197                 for (i = 0; i < siz; i++)
 198                         *bytes++ ^= tmp[i];
 199                 left -= siz;
 200         }
 201 #endif /* CONFIG_FIPS */
 202
 203         wpa_hexdump_key(MSG_EXCESSIVE, "mixed random", buf, len);
 204
 205         if (entropy < len)
 206                 entropy = 0;
 207         else
 208                 entropy -= len;
 209
 210         return ret;
 211 }
 212
 213
 214 int random_pool_ready(void)
 215 {
 216 #ifdef __linux__
 217         int fd;
 218         ssize_t res;
 219
 220         /*
 221          * Make sure that there is reasonable entropy available before allowing
 222          * some key derivation operations to proceed.
 223          */
 224
 225         if (dummy_key_avail == sizeof(dummy_key))
 226                 return 1; /* Already initialized - good to continue */
 227
 228         /*
 229          * Try to fetch some more data from the kernel high quality
 230          * /dev/random. There may not be enough data available at this point,
 231          * so use non-blocking read to avoid blocking the application
 232          * completely.
 233          */
 234         fd = open("/dev/random", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
 235         if (fd < 0) {
 236                 wpa_printf(MSG_ERROR, "random: Cannot open /dev/random: %s",
 237                            strerror(errno));
 238                 return -1;
 239         }
 240
 241         res = read(fd, dummy_key + dummy_key_avail,
 242                    sizeof(dummy_key) - dummy_key_avail);
 243         if (res < 0) {
 244                 wpa_printf(MSG_ERROR, "random: Cannot read from /dev/random: "
 245                            "%s", strerror(errno));
 246                 res = 0;
 247         }
 248         wpa_printf(MSG_DEBUG, "random: Got %u/%u bytes from "
 249                    "/dev/random", (unsigned) res,
 250                    (unsigned) (sizeof(dummy_key) - dummy_key_avail));
 251         dummy_key_avail += res;
 252         close(fd);
 253
 254         if (dummy_key_avail == sizeof(dummy_key)) {
 255                 if (own_pool_ready < MIN_READY_MARK)
 256                         own_pool_ready = MIN_READY_MARK;
 257                 random_write_entropy();
 258                 return 1;
 259         }
 260
 261         wpa_printf(MSG_INFO, "random: Only %u/%u bytes of strong "
 262                    "random data available from /dev/random",
 263                    (unsigned) dummy_key_avail, (unsigned) sizeof(dummy_key));
 264
 265         if (own_pool_ready >= MIN_READY_MARK ||
 266             total_collected + 10 * own_pool_ready > MIN_COLLECT_ENTROPY) {
 267                 wpa_printf(MSG_INFO, "random: Allow operation to proceed "
 268                            "based on internal entropy");
 269                 return 1;
 270         }
 271
 272         wpa_printf(MSG_INFO, "random: Not enough entropy pool available for "
 273                    "secure operations");
 274         return 0;
 275 #else /* __linux__ */
 276         /* TODO: could do similar checks on non-Linux platforms */
 277         return 1;
 278 #endif /* __linux__ */
 279 }
 280
 281
 282 void random_mark_pool_ready(void)
 283 {
 284         own_pool_ready++;
 285         wpa_printf(MSG_DEBUG, "random: Mark internal entropy pool to be "
 286                    "ready (count=%u/%u)", own_pool_ready, MIN_READY_MARK);
 287         random_write_entropy();
 288 }
 289
 290
 291 #ifdef __linux__
 292
 293 static void random_close_fd(void)
 294 {
 295         if (random_fd >= 0) {
 296                 eloop_unregister_read_sock(random_fd);
 297                 close(random_fd);
 298                 random_fd = -1;
 299         }
 300 }
 301
 302
 303 static void random_read_fd(int sock, void *eloop_ctx, void *sock_ctx)
 304 {
 305         ssize_t res;
 306
 307         if (dummy_key_avail == sizeof(dummy_key)) {
 308                 random_close_fd();
 309                 return;
 310         }
 311
 312         res = read(sock, dummy_key + dummy_key_avail,
 313                    sizeof(dummy_key) - dummy_key_avail);
 314         if (res < 0) {
 315                 wpa_printf(MSG_ERROR, "random: Cannot read from /dev/random: "
 316                            "%s", strerror(errno));
 317                 return;
 318         }
 319
 320         wpa_printf(MSG_DEBUG, "random: Got %u/%u bytes from /dev/random",
 321                    (unsigned) res,
 322                    (unsigned) (sizeof(dummy_key) - dummy_key_avail));
 323         dummy_key_avail += res;
 324
 325         if (dummy_key_avail == sizeof(dummy_key)) {
 326                 random_close_fd();
 327                 if (own_pool_ready < MIN_READY_MARK)
 328                         own_pool_ready = MIN_READY_MARK;
 329                 random_write_entropy();
 330         }
 331 }
 332
 333 #endif /* __linux__ */
 334
 335
 336 static void random_read_entropy(void)
 337 {
 338         char *buf;
 339         size_t len;
 340
 341         if (!random_entropy_file)
 342                 return;
 343
 344         buf = os_readfile(random_entropy_file, &len);
 345         if (buf == NULL)
 346                 return; /* entropy file not yet available */
 347
 348         if (len != 1 + RANDOM_ENTROPY_SIZE) {
 349                 wpa_printf(MSG_DEBUG, "random: Invalid entropy file %s",
 350                            random_entropy_file);
 351                 os_free(buf);
 352                 return;
 353         }
 354
 355         own_pool_ready = (u8) buf[0];
 356         random_add_randomness(buf + 1, RANDOM_ENTROPY_SIZE);
 357         random_entropy_file_read = 1;
 358         os_free(buf);
 359         wpa_printf(MSG_DEBUG, "random: Added entropy from %s "
 360                    "(own_pool_ready=%u)",
 361                    random_entropy_file, own_pool_ready);
 362 }
 363
 364
 365 static void random_write_entropy(void)
 366 {
 367         char buf[RANDOM_ENTROPY_SIZE];
 368         FILE *f;
 369         u8 opr;
 370         int fail = 0;
 371
 372         if (!random_entropy_file)
 373                 return;
 374
 375         if (random_get_bytes(buf, RANDOM_ENTROPY_SIZE) < 0)
 376                 return;
 377
 378         f = fopen(random_entropy_file, "wb");
 379         if (f == NULL) {
 380                 wpa_printf(MSG_ERROR, "random: Could not open entropy file %s "
 381                            "for writing", random_entropy_file);
 382                 return;
 383         }
 384
 385         opr = own_pool_ready > 0xff ? 0xff : own_pool_ready;
 386         if (fwrite(&opr, 1, 1, f) != 1 ||
 387             fwrite(buf, RANDOM_ENTROPY_SIZE, 1, f) != 1)
 388                 fail = 1;
 389         fclose(f);
 390         if (fail) {
 391                 wpa_printf(MSG_ERROR, "random: Could not write entropy data "
 392                            "to %s", random_entropy_file);
 393                 return;
 394         }
 395
 396         wpa_printf(MSG_DEBUG, "random: Updated entropy file %s "
 397                    "(own_pool_ready=%u)",
 398                    random_entropy_file, own_pool_ready);
 399 }
 400
 401
 402 void random_init(const char *entropy_file)
 403 {
 404         os_free(random_entropy_file);
 405         if (entropy_file)
 406                 random_entropy_file = os_strdup(entropy_file);
 407         else
 408                 random_entropy_file = NULL;
 409         random_read_entropy();
 410
 411 #ifdef __linux__
 412         if (random_fd >= 0)
 413                 return;
 414
 415         random_fd = open("/dev/random", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
 416         if (random_fd < 0) {
 417                 wpa_printf(MSG_ERROR, "random: Cannot open /dev/random: %s",
 418                            strerror(errno));
 419                 return;
 420         }
 421         wpa_printf(MSG_DEBUG, "random: Trying to read entropy from "
 422                    "/dev/random");
 423
 424         eloop_register_read_sock(random_fd, random_read_fd, NULL, NULL);
 425 #endif /* __linux__ */
 426
 427         random_write_entropy();
 428 }
 429
 430
 431 void random_deinit(void)
 432 {
 433 #ifdef __linux__
 434         random_close_fd();
 435 #endif /* __linux__ */
 436         random_write_entropy();
 437         os_free(random_entropy_file);
 438         random_entropy_file = NULL;
 439 }