9 随机数

9.1 随机数

随机数是一种无规律的数，但是真正做到完全无规律也较困难，
所以一般将它称之为伪随机数。随机数在密码学用的很多，
比如ssl握手中的客户端hello和服务端hello消息中都有随机数；
ssl握手中的预主密钥是随机数；RSA密钥生成也用到随机数。
如果随机数有问题，会带来很大的安全隐患。

软件生成随机数一般预先设置随机数种子，再生成随机数。
设置随机数种子可以说是对生成随机数过程的一种扰乱，让产生的随机数更加无规律可循。

生成随机数有多种方法，可以是某种算法也可以根据某种或多种随机事件来生成。
比如，鼠标的位置、系统的当前时间、本进程/线程相关信息以及机器噪声等。

安全性高的应用一般都采用硬件方式(随机数发生器)来生成随机数。

9.2 OpenSSl 随机数数据结构与源码

openssl生成随机数的源码位于crypto/rand目录下。

rand.h定义了许多与随机数生成相关的函数。
openssl通过使用摘要算法来生成随机数，可用的摘要算法有：sha1、md5、mdc2和md2。具体采用那种摘要算法在crypto/rand_lcl.h中由宏来控制。Openssl维护一个内部随机状态数据(md_rand.c中定义的全局变量state和md)，通过对这些内部数据计算摘要来生成随机数。

       Openssl随机数相关的数据结构如下，定义在rand.h中：
       struct rand_meth_st
       {
              void (*seed)(const void *buf, int num);
              int (*bytes)(unsigned char *buf, int num);
              void (*cleanup)(void);
              void (*add)(const void *buf, int num, double entropy);
              int (*pseudorand)(unsigned char *buf, int num);
              int (*status)(void);
       };
       本结构主要定义了各种回调函数，如果用户需要实现自己的随机数生成函数，
       他需要实现本结构中的各个函数。

       Openssl给出了一个默认的基于摘要的rand_meth实现(crypto/md_rand.c)。各项意义如下：

       seed：种子函数，为了让openssl内部维护的随机数据更加无序，可使用本函数。
               buf为用户输入的随机数地址， num为其字节数。
               Openssl将用户提供的buf中的随机内容与其内部随机数据进行摘要计算，
               更新其内部随机数据。本函数无输出；

       bytes：生成随机数，openssl根据内部维护的随机数状态来生成结果。
              buf用于存放生成的随机数。num为输入参数，用来指明生成随机数的字节长度；
       cleanup：清除函数，本函数将内部维护的随机数据清除；
       add：与seed类似，也是为了让openssl内部随机数据更加无序，
            其中entropy(信息熵)可以看作用户本次加入的随机数的个数。
            Openssl默认的随机数熵为32字节，
            在rand_lcl.h中由ENTROPY_NEEDED定义。
            Openssl给出随机数之前，用户提供的所有的随机种子数之和必须达到32字节。
            在openssl实现的md_rand中，即使用户不调用种子函数来直接生成随机数，
            openssl也会调用RAND_poll函数来完成该操作。

       pseudorand：本函数与bytes类似也是来生成随机数。

        status：查看熵值是否达到预定值，openssl中为32字节，如果达到则返回1，否则返回0。
                在openssl实现的md_rand中该函数会调用RAND_poll函数来使熵值合格。
                如果本函数返回0，则说明此时用户不应生成随机数，需要调用seed和add函数来添加熵值。

cypto/rand目录下的主要源码有：
1)    md_rand.c
    它实现了基于摘要的随机数生成。
2)    rand_lib.c
    该文件中的源码简单调用了rand_meth中的回调函数。
3）  rand_win.c/rand_unix.c/rand_os2.c等
    这些源码主要提供了平台相关的RAND_poll函数实现和其他系统特有函数的实现。
    比如rand_win.c实现了RAND_screen函数，用户根据屏幕来设置随机数种子。
4）  randfile.c
    用于从随机文件中加载种子、生成随机数文件以及获取随机文件名。
    比如默认的随机数文件为.rnd文件，如果找不到该文件，
    openbsd可能会返回/dev/arandom。

9.3 主要函数

1) int RAND_load_file(const char *file, long bytes)

   本函数将file指定的随机数文件中的数据读取bytes字节(如果bytes大于1024，则读取1024字节),
   调用RAND_add进行计算，生成内部随机数。

2)  RAND_write_file

    生成一个随机数文件。

3)  const char *RAND_file_name(char *file,size_t num)

    获取随机数文件名，如果随机数文件长度小于num则返回空，否则返回文件名。

4)  RAND_poll

    用于计算内部随机数，各个平台有各自的实现。

5)  RAND_screen/RAND_event

    Windows特有函数，用来计算内部随机数，他们调用了RAND_seed。

6)  RAND_seed/RAND_add

    用来计算内部随机数。

7) RAND_bytes/RAND_pseudo_bytes

    用来计算随机数。

8) RAND_cleanup

    清除内部随机数。

10) RAND_set_rand_method

    用来设置rand_meth,
    当用户实现了自己的随机数生成函数时(实现rand_meth中的回调函数),
    调用该方法来替换openssl 所提供的随机数功能。

11) RAND_status

    用来查看内部随机数熵值是否已达到预定值,
    如果未达到,则不应该生成随机数。

9.4 编程示例

#include <stdio.h>
#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/rand.h>

int    main()
{
	char          buf[20],*p;
	unsigned char out[20],filename[50];
	int           ret,len;
	BIO           *print;

	//RAND_screen();
	strcpy(buf,"我的随机数");
	RAND_add(buf,20,strlen(buf));
	strcpy(buf,"23424d");
	RAND_seed(buf,20);
	while(1) {
		ret = RAND_status();
		if(ret==1) {
			printf("seeded enough!\n");
			break;
		}
		else {
			printf("not enough sedded!\n");
			RAND_poll();
		}
	}
	p = RAND_file_name(filename,50);
	if(p == NULL) {
		printf("can not get rand file\n");
		return -1;
	}
	ret = RAND_write_file(p);
	len = RAND_load_file(p,1024);
	ret = RAND_bytes(out, 20);
	if(ret != 1) {
		printf("err.\n");
		return -1;
	}
	print = BIO_new(BIO_s_file());
	BIO_set_fp(print,stdout,BIO_NOCLOSE);
	BIO_write(print,out,20);
	BIO_write(print,"\n",2);
	BIO_free(print);
	RAND_cleanup();
	return 0;
}