random: move initialization out of reseeding hot path
[linux-2.6-microblaze.git] / drivers / char / random.c
1 // SPDX-License-Identifier: (GPL-2.0 OR BSD-3-Clause)
2 /*
3  * Copyright (C) 2017-2022 Jason A. Donenfeld <Jason@zx2c4.com>. All Rights Reserved.
4  * Copyright Matt Mackall <mpm@selenic.com>, 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 <crypto/chacha.h>
57 #include <crypto/blake2s.h>
58 #include <asm/processor.h>
59 #include <asm/irq.h>
60 #include <asm/irq_regs.h>
61 #include <asm/io.h>
62
63 /*********************************************************************
64  *
65  * Initialization and readiness waiting.
66  *
67  * Much of the RNG infrastructure is devoted to various dependencies
68  * being able to wait until the RNG has collected enough entropy and
69  * is ready for safe consumption.
70  *
71  *********************************************************************/
72
73 /*
74  * crng_init is protected by base_crng->lock, and only increases
75  * its value (from empty->early->ready).
76  */
77 static enum {
78         CRNG_EMPTY = 0, /* Little to no entropy collected */
79         CRNG_EARLY = 1, /* At least POOL_EARLY_BITS collected */
80         CRNG_READY = 2  /* Fully initialized with POOL_READY_BITS collected */
81 } crng_init = CRNG_EMPTY;
82 #define crng_ready() (likely(crng_init >= CRNG_READY))
83 /* Various types of waiters for crng_init->CRNG_READY transition. */
84 static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(crng_init_wait);
85 static struct fasync_struct *fasync;
86 static DEFINE_SPINLOCK(random_ready_chain_lock);
87 static RAW_NOTIFIER_HEAD(random_ready_chain);
88
89 /* Control how we warn userspace. */
90 static struct ratelimit_state unseeded_warning =
91         RATELIMIT_STATE_INIT("warn_unseeded_randomness", HZ, 3);
92 static struct ratelimit_state urandom_warning =
93         RATELIMIT_STATE_INIT("warn_urandom_randomness", HZ, 3);
94 static int ratelimit_disable __read_mostly;
95 module_param_named(ratelimit_disable, ratelimit_disable, int, 0644);
96 MODULE_PARM_DESC(ratelimit_disable, "Disable random ratelimit suppression");
97
98 /*
99  * Returns whether or not the input pool has been seeded and thus guaranteed
100  * to supply cryptographically secure random numbers. This applies to: the
101  * /dev/urandom device, the get_random_bytes function, and the get_random_{u32,
102  * ,u64,int,long} family of functions.
103  *
104  * Returns: true if the input pool has been seeded.
105  *          false if the input pool has not been seeded.
106  */
107 bool rng_is_initialized(void)
108 {
109         return crng_ready();
110 }
111 EXPORT_SYMBOL(rng_is_initialized);
112
113 /* Used by wait_for_random_bytes(), and considered an entropy collector, below. */
114 static void try_to_generate_entropy(void);
115
116 /*
117  * Wait for the input pool to be seeded and thus guaranteed to supply
118  * cryptographically secure random numbers. This applies to: the /dev/urandom
119  * device, the get_random_bytes function, and the get_random_{u32,u64,int,long}
120  * family of functions. Using any of these functions without first calling
121  * this function forfeits the guarantee of security.
122  *
123  * Returns: 0 if the input pool has been seeded.
124  *          -ERESTARTSYS if the function was interrupted by a signal.
125  */
126 int wait_for_random_bytes(void)
127 {
128         while (!crng_ready()) {
129                 int ret;
130
131                 try_to_generate_entropy();
132                 ret = wait_event_interruptible_timeout(crng_init_wait, crng_ready(), HZ);
133                 if (ret)
134                         return ret > 0 ? 0 : ret;
135         }
136         return 0;
137 }
138 EXPORT_SYMBOL(wait_for_random_bytes);
139
140 /*
141  * Add a callback function that will be invoked when the input
142  * pool is initialised.
143  *
144  * returns: 0 if callback is successfully added
145  *          -EALREADY if pool is already initialised (callback not called)
146  */
147 int register_random_ready_notifier(struct notifier_block *nb)
148 {
149         unsigned long flags;
150         int ret = -EALREADY;
151
152         if (crng_ready())
153                 return ret;
154
155         spin_lock_irqsave(&random_ready_chain_lock, flags);
156         if (!crng_ready())
157                 ret = raw_notifier_chain_register(&random_ready_chain, nb);
158         spin_unlock_irqrestore(&random_ready_chain_lock, flags);
159         return ret;
160 }
161
162 /*
163  * Delete a previously registered readiness callback function.
164  */
165 int unregister_random_ready_notifier(struct notifier_block *nb)
166 {
167         unsigned long flags;
168         int ret;
169
170         spin_lock_irqsave(&random_ready_chain_lock, flags);
171         ret = raw_notifier_chain_unregister(&random_ready_chain, nb);
172         spin_unlock_irqrestore(&random_ready_chain_lock, flags);
173         return ret;
174 }
175
176 static void process_random_ready_list(void)
177 {
178         unsigned long flags;
179
180         spin_lock_irqsave(&random_ready_chain_lock, flags);
181         raw_notifier_call_chain(&random_ready_chain, 0, NULL);
182         spin_unlock_irqrestore(&random_ready_chain_lock, flags);
183 }
184
185 #define warn_unseeded_randomness(previous) \
186         _warn_unseeded_randomness(__func__, (void *)_RET_IP_, (previous))
187
188 static void _warn_unseeded_randomness(const char *func_name, void *caller, void **previous)
189 {
190 #ifdef CONFIG_WARN_ALL_UNSEEDED_RANDOM
191         const bool print_once = false;
192 #else
193         static bool print_once __read_mostly;
194 #endif
195
196         if (print_once || crng_ready() ||
197             (previous && (caller == READ_ONCE(*previous))))
198                 return;
199         WRITE_ONCE(*previous, caller);
200 #ifndef CONFIG_WARN_ALL_UNSEEDED_RANDOM
201         print_once = true;
202 #endif
203         if (__ratelimit(&unseeded_warning))
204                 printk_deferred(KERN_NOTICE "random: %s called from %pS with crng_init=%d\n",
205                                 func_name, caller, crng_init);
206 }
207
208
209 /*********************************************************************
210  *
211  * Fast key erasure RNG, the "crng".
212  *
213  * These functions expand entropy from the entropy extractor into
214  * long streams for external consumption using the "fast key erasure"
215  * RNG described at <https://blog.cr.yp.to/20170723-random.html>.
216  *
217  * There are a few exported interfaces for use by other drivers:
218  *
219  *      void get_random_bytes(void *buf, size_t nbytes)
220  *      u32 get_random_u32()
221  *      u64 get_random_u64()
222  *      unsigned int get_random_int()
223  *      unsigned long get_random_long()
224  *
225  * These interfaces will return the requested number of random bytes
226  * into the given buffer or as a return value. This is equivalent to
227  * a read from /dev/urandom. The u32, u64, int, and long family of
228  * functions may be higher performance for one-off random integers,
229  * because they do a bit of buffering and do not invoke reseeding
230  * until the buffer is emptied.
231  *
232  *********************************************************************/
233
234 enum {
235         CRNG_RESEED_START_INTERVAL = HZ,
236         CRNG_RESEED_INTERVAL = 60 * HZ
237 };
238
239 static struct {
240         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE] __aligned(__alignof__(long));
241         unsigned long birth;
242         unsigned long generation;
243         spinlock_t lock;
244 } base_crng = {
245         .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(base_crng.lock)
246 };
247
248 struct crng {
249         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE];
250         unsigned long generation;
251         local_lock_t lock;
252 };
253
254 static DEFINE_PER_CPU(struct crng, crngs) = {
255         .generation = ULONG_MAX,
256         .lock = INIT_LOCAL_LOCK(crngs.lock),
257 };
258
259 /* Used by crng_reseed() and crng_make_state() to extract a new seed from the input pool. */
260 static void extract_entropy(void *buf, size_t nbytes);
261
262 /* This extracts a new crng key from the input pool. */
263 static void crng_reseed(void)
264 {
265         unsigned long flags;
266         unsigned long next_gen;
267         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE];
268
269         extract_entropy(key, sizeof(key));
270
271         /*
272          * We copy the new key into the base_crng, overwriting the old one,
273          * and update the generation counter. We avoid hitting ULONG_MAX,
274          * because the per-cpu crngs are initialized to ULONG_MAX, so this
275          * forces new CPUs that come online to always initialize.
276          */
277         spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
278         memcpy(base_crng.key, key, sizeof(base_crng.key));
279         next_gen = base_crng.generation + 1;
280         if (next_gen == ULONG_MAX)
281                 ++next_gen;
282         WRITE_ONCE(base_crng.generation, next_gen);
283         WRITE_ONCE(base_crng.birth, jiffies);
284         if (!crng_ready())
285                 crng_init = CRNG_READY;
286         spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
287         memzero_explicit(key, sizeof(key));
288 }
289
290 /*
291  * This generates a ChaCha block using the provided key, and then
292  * immediately overwites that key with half the block. It returns
293  * the resultant ChaCha state to the user, along with the second
294  * half of the block containing 32 bytes of random data that may
295  * be used; random_data_len may not be greater than 32.
296  *
297  * The returned ChaCha state contains within it a copy of the old
298  * key value, at index 4, so the state should always be zeroed out
299  * immediately after using in order to maintain forward secrecy.
300  * If the state cannot be erased in a timely manner, then it is
301  * safer to set the random_data parameter to &chacha_state[4] so
302  * that this function overwrites it before returning.
303  */
304 static void crng_fast_key_erasure(u8 key[CHACHA_KEY_SIZE],
305                                   u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS],
306                                   u8 *random_data, size_t random_data_len)
307 {
308         u8 first_block[CHACHA_BLOCK_SIZE];
309
310         BUG_ON(random_data_len > 32);
311
312         chacha_init_consts(chacha_state);
313         memcpy(&chacha_state[4], key, CHACHA_KEY_SIZE);
314         memset(&chacha_state[12], 0, sizeof(u32) * 4);
315         chacha20_block(chacha_state, first_block);
316
317         memcpy(key, first_block, CHACHA_KEY_SIZE);
318         memcpy(random_data, first_block + CHACHA_KEY_SIZE, random_data_len);
319         memzero_explicit(first_block, sizeof(first_block));
320 }
321
322 /*
323  * Return whether the crng seed is considered to be sufficiently old
324  * that a reseeding is needed. This happens if the last reseeding
325  * was CRNG_RESEED_INTERVAL ago, or during early boot, at an interval
326  * proportional to the uptime.
327  */
328 static bool crng_has_old_seed(void)
329 {
330         static bool early_boot = true;
331         unsigned long interval = CRNG_RESEED_INTERVAL;
332
333         if (unlikely(READ_ONCE(early_boot))) {
334                 time64_t uptime = ktime_get_seconds();
335                 if (uptime >= CRNG_RESEED_INTERVAL / HZ * 2)
336                         WRITE_ONCE(early_boot, false);
337                 else
338                         interval = max_t(unsigned int, CRNG_RESEED_START_INTERVAL,
339                                          (unsigned int)uptime / 2 * HZ);
340         }
341         return time_after(jiffies, READ_ONCE(base_crng.birth) + interval);
342 }
343
344 /*
345  * This function returns a ChaCha state that you may use for generating
346  * random data. It also returns up to 32 bytes on its own of random data
347  * that may be used; random_data_len may not be greater than 32.
348  */
349 static void crng_make_state(u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS],
350                             u8 *random_data, size_t random_data_len)
351 {
352         unsigned long flags;
353         struct crng *crng;
354
355         BUG_ON(random_data_len > 32);
356
357         /*
358          * For the fast path, we check whether we're ready, unlocked first, and
359          * then re-check once locked later. In the case where we're really not
360          * ready, we do fast key erasure with the base_crng directly, extracting
361          * when crng_init is CRNG_EMPTY.
362          */
363         if (!crng_ready()) {
364                 bool ready;
365
366                 spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
367                 ready = crng_ready();
368                 if (!ready) {
369                         if (crng_init == CRNG_EMPTY)
370                                 extract_entropy(base_crng.key, sizeof(base_crng.key));
371                         crng_fast_key_erasure(base_crng.key, chacha_state,
372                                               random_data, random_data_len);
373                 }
374                 spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
375                 if (!ready)
376                         return;
377         }
378
379         /*
380          * If the base_crng is old enough, we reseed, which in turn bumps the
381          * generation counter that we check below.
382          */
383         if (unlikely(crng_has_old_seed()))
384                 crng_reseed();
385
386         local_lock_irqsave(&crngs.lock, flags);
387         crng = raw_cpu_ptr(&crngs);
388
389         /*
390          * If our per-cpu crng is older than the base_crng, then it means
391          * somebody reseeded the base_crng. In that case, we do fast key
392          * erasure on the base_crng, and use its output as the new key
393          * for our per-cpu crng. This brings us up to date with base_crng.
394          */
395         if (unlikely(crng->generation != READ_ONCE(base_crng.generation))) {
396                 spin_lock(&base_crng.lock);
397                 crng_fast_key_erasure(base_crng.key, chacha_state,
398                                       crng->key, sizeof(crng->key));
399                 crng->generation = base_crng.generation;
400                 spin_unlock(&base_crng.lock);
401         }
402
403         /*
404          * Finally, when we've made it this far, our per-cpu crng has an up
405          * to date key, and we can do fast key erasure with it to produce
406          * some random data and a ChaCha state for the caller. All other
407          * branches of this function are "unlikely", so most of the time we
408          * should wind up here immediately.
409          */
410         crng_fast_key_erasure(crng->key, chacha_state, random_data, random_data_len);
411         local_unlock_irqrestore(&crngs.lock, flags);
412 }
413
414 static void _get_random_bytes(void *buf, size_t nbytes)
415 {
416         u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS];
417         u8 tmp[CHACHA_BLOCK_SIZE];
418         size_t len;
419
420         if (!nbytes)
421                 return;
422
423         len = min_t(size_t, 32, nbytes);
424         crng_make_state(chacha_state, buf, len);
425         nbytes -= len;
426         buf += len;
427
428         while (nbytes) {
429                 if (nbytes < CHACHA_BLOCK_SIZE) {
430                         chacha20_block(chacha_state, tmp);
431                         memcpy(buf, tmp, nbytes);
432                         memzero_explicit(tmp, sizeof(tmp));
433                         break;
434                 }
435
436                 chacha20_block(chacha_state, buf);
437                 if (unlikely(chacha_state[12] == 0))
438                         ++chacha_state[13];
439                 nbytes -= CHACHA_BLOCK_SIZE;
440                 buf += CHACHA_BLOCK_SIZE;
441         }
442
443         memzero_explicit(chacha_state, sizeof(chacha_state));
444 }
445
446 /*
447  * This function is the exported kernel interface.  It returns some
448  * number of good random numbers, suitable for key generation, seeding
449  * TCP sequence numbers, etc.  It does not rely on the hardware random
450  * number generator.  For random bytes direct from the hardware RNG
451  * (when available), use get_random_bytes_arch(). In order to ensure
452  * that the randomness provided by this function is okay, the function
453  * wait_for_random_bytes() should be called and return 0 at least once
454  * at any point prior.
455  */
456 void get_random_bytes(void *buf, size_t nbytes)
457 {
458         static void *previous;
459
460         warn_unseeded_randomness(&previous);
461         _get_random_bytes(buf, nbytes);
462 }
463 EXPORT_SYMBOL(get_random_bytes);
464
465 static ssize_t get_random_bytes_user(void __user *buf, size_t nbytes)
466 {
467         size_t len, left, ret = 0;
468         u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS];
469         u8 output[CHACHA_BLOCK_SIZE];
470
471         if (!nbytes)
472                 return 0;
473
474         /*
475          * Immediately overwrite the ChaCha key at index 4 with random
476          * bytes, in case userspace causes copy_to_user() below to sleep
477          * forever, so that we still retain forward secrecy in that case.
478          */
479         crng_make_state(chacha_state, (u8 *)&chacha_state[4], CHACHA_KEY_SIZE);
480         /*
481          * However, if we're doing a read of len <= 32, we don't need to
482          * use chacha_state after, so we can simply return those bytes to
483          * the user directly.
484          */
485         if (nbytes <= CHACHA_KEY_SIZE) {
486                 ret = nbytes - copy_to_user(buf, &chacha_state[4], nbytes);
487                 goto out_zero_chacha;
488         }
489
490         for (;;) {
491                 chacha20_block(chacha_state, output);
492                 if (unlikely(chacha_state[12] == 0))
493                         ++chacha_state[13];
494
495                 len = min_t(size_t, nbytes, CHACHA_BLOCK_SIZE);
496                 left = copy_to_user(buf, output, len);
497                 if (left) {
498                         ret += len - left;
499                         break;
500                 }
501
502                 buf += len;
503                 ret += len;
504                 nbytes -= len;
505                 if (!nbytes)
506                         break;
507
508                 BUILD_BUG_ON(PAGE_SIZE % CHACHA_BLOCK_SIZE != 0);
509                 if (ret % PAGE_SIZE == 0) {
510                         if (signal_pending(current))
511                                 break;
512                         cond_resched();
513                 }
514         }
515
516         memzero_explicit(output, sizeof(output));
517 out_zero_chacha:
518         memzero_explicit(chacha_state, sizeof(chacha_state));
519         return ret ? ret : -EFAULT;
520 }
521
522 /*
523  * Batched entropy returns random integers. The quality of the random
524  * number is good as /dev/urandom. In order to ensure that the randomness
525  * provided by this function is okay, the function wait_for_random_bytes()
526  * should be called and return 0 at least once at any point prior.
527  */
528 struct batched_entropy {
529         union {
530                 /*
531                  * We make this 1.5x a ChaCha block, so that we get the
532                  * remaining 32 bytes from fast key erasure, plus one full
533                  * block from the detached ChaCha state. We can increase
534                  * the size of this later if needed so long as we keep the
535                  * formula of (integer_blocks + 0.5) * CHACHA_BLOCK_SIZE.
536                  */
537                 u64 entropy_u64[CHACHA_BLOCK_SIZE * 3 / (2 * sizeof(u64))];
538                 u32 entropy_u32[CHACHA_BLOCK_SIZE * 3 / (2 * sizeof(u32))];
539         };
540         local_lock_t lock;
541         unsigned long generation;
542         unsigned int position;
543 };
544
545
546 static DEFINE_PER_CPU(struct batched_entropy, batched_entropy_u64) = {
547         .lock = INIT_LOCAL_LOCK(batched_entropy_u64.lock),
548         .position = UINT_MAX
549 };
550
551 u64 get_random_u64(void)
552 {
553         u64 ret;
554         unsigned long flags;
555         struct batched_entropy *batch;
556         static void *previous;
557         unsigned long next_gen;
558
559         warn_unseeded_randomness(&previous);
560
561         if  (!crng_ready()) {
562                 _get_random_bytes(&ret, sizeof(ret));
563                 return ret;
564         }
565
566         local_lock_irqsave(&batched_entropy_u64.lock, flags);
567         batch = raw_cpu_ptr(&batched_entropy_u64);
568
569         next_gen = READ_ONCE(base_crng.generation);
570         if (batch->position >= ARRAY_SIZE(batch->entropy_u64) ||
571             next_gen != batch->generation) {
572                 _get_random_bytes(batch->entropy_u64, sizeof(batch->entropy_u64));
573                 batch->position = 0;
574                 batch->generation = next_gen;
575         }
576
577         ret = batch->entropy_u64[batch->position];
578         batch->entropy_u64[batch->position] = 0;
579         ++batch->position;
580         local_unlock_irqrestore(&batched_entropy_u64.lock, flags);
581         return ret;
582 }
583 EXPORT_SYMBOL(get_random_u64);
584
585 static DEFINE_PER_CPU(struct batched_entropy, batched_entropy_u32) = {
586         .lock = INIT_LOCAL_LOCK(batched_entropy_u32.lock),
587         .position = UINT_MAX
588 };
589
590 u32 get_random_u32(void)
591 {
592         u32 ret;
593         unsigned long flags;
594         struct batched_entropy *batch;
595         static void *previous;
596         unsigned long next_gen;
597
598         warn_unseeded_randomness(&previous);
599
600         if  (!crng_ready()) {
601                 _get_random_bytes(&ret, sizeof(ret));
602                 return ret;
603         }
604
605         local_lock_irqsave(&batched_entropy_u32.lock, flags);
606         batch = raw_cpu_ptr(&batched_entropy_u32);
607
608         next_gen = READ_ONCE(base_crng.generation);
609         if (batch->position >= ARRAY_SIZE(batch->entropy_u32) ||
610             next_gen != batch->generation) {
611                 _get_random_bytes(batch->entropy_u32, sizeof(batch->entropy_u32));
612                 batch->position = 0;
613                 batch->generation = next_gen;
614         }
615
616         ret = batch->entropy_u32[batch->position];
617         batch->entropy_u32[batch->position] = 0;
618         ++batch->position;
619         local_unlock_irqrestore(&batched_entropy_u32.lock, flags);
620         return ret;
621 }
622 EXPORT_SYMBOL(get_random_u32);
623
624 #ifdef CONFIG_SMP
625 /*
626  * This function is called when the CPU is coming up, with entry
627  * CPUHP_RANDOM_PREPARE, which comes before CPUHP_WORKQUEUE_PREP.
628  */
629 int random_prepare_cpu(unsigned int cpu)
630 {
631         /*
632          * When the cpu comes back online, immediately invalidate both
633          * the per-cpu crng and all batches, so that we serve fresh
634          * randomness.
635          */
636         per_cpu_ptr(&crngs, cpu)->generation = ULONG_MAX;
637         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u32, cpu)->position = UINT_MAX;
638         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u64, cpu)->position = UINT_MAX;
639         return 0;
640 }
641 #endif
642
643 /**
644  * randomize_page - Generate a random, page aligned address
645  * @start:      The smallest acceptable address the caller will take.
646  * @range:      The size of the area, starting at @start, within which the
647  *              random address must fall.
648  *
649  * If @start + @range would overflow, @range is capped.
650  *
651  * NOTE: Historical use of randomize_range, which this replaces, presumed that
652  * @start was already page aligned.  We now align it regardless.
653  *
654  * Return: A page aligned address within [start, start + range).  On error,
655  * @start is returned.
656  */
657 unsigned long randomize_page(unsigned long start, unsigned long range)
658 {
659         if (!PAGE_ALIGNED(start)) {
660                 range -= PAGE_ALIGN(start) - start;
661                 start = PAGE_ALIGN(start);
662         }
663
664         if (start > ULONG_MAX - range)
665                 range = ULONG_MAX - start;
666
667         range >>= PAGE_SHIFT;
668
669         if (range == 0)
670                 return start;
671
672         return start + (get_random_long() % range << PAGE_SHIFT);
673 }
674
675 /*
676  * This function will use the architecture-specific hardware random
677  * number generator if it is available. It is not recommended for
678  * use. Use get_random_bytes() instead. It returns the number of
679  * bytes filled in.
680  */
681 size_t __must_check get_random_bytes_arch(void *buf, size_t nbytes)
682 {
683         size_t left = nbytes;
684         u8 *p = buf;
685
686         while (left) {
687                 unsigned long v;
688                 size_t chunk = min_t(size_t, left, sizeof(unsigned long));
689
690                 if (!arch_get_random_long(&v))
691                         break;
692
693                 memcpy(p, &v, chunk);
694                 p += chunk;
695                 left -= chunk;
696         }
697
698         return nbytes - left;
699 }
700 EXPORT_SYMBOL(get_random_bytes_arch);
701
702
703 /**********************************************************************
704  *
705  * Entropy accumulation and extraction routines.
706  *
707  * Callers may add entropy via:
708  *
709  *     static void mix_pool_bytes(const void *in, size_t nbytes)
710  *
711  * After which, if added entropy should be credited:
712  *
713  *     static void credit_init_bits(size_t nbits)
714  *
715  * Finally, extract entropy via:
716  *
717  *     static void extract_entropy(void *buf, size_t nbytes)
718  *
719  **********************************************************************/
720
721 enum {
722         POOL_BITS = BLAKE2S_HASH_SIZE * 8,
723         POOL_READY_BITS = POOL_BITS, /* When crng_init->CRNG_READY */
724         POOL_EARLY_BITS = POOL_READY_BITS / 2 /* When crng_init->CRNG_EARLY */
725 };
726
727 static struct {
728         struct blake2s_state hash;
729         spinlock_t lock;
730         unsigned int init_bits;
731 } input_pool = {
732         .hash.h = { BLAKE2S_IV0 ^ (0x01010000 | BLAKE2S_HASH_SIZE),
733                     BLAKE2S_IV1, BLAKE2S_IV2, BLAKE2S_IV3, BLAKE2S_IV4,
734                     BLAKE2S_IV5, BLAKE2S_IV6, BLAKE2S_IV7 },
735         .hash.outlen = BLAKE2S_HASH_SIZE,
736         .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(input_pool.lock),
737 };
738
739 static void _mix_pool_bytes(const void *in, size_t nbytes)
740 {
741         blake2s_update(&input_pool.hash, in, nbytes);
742 }
743
744 /*
745  * This function adds bytes into the input pool. It does not
746  * update the initialization bit counter; the caller should call
747  * credit_init_bits if this is appropriate.
748  */
749 static void mix_pool_bytes(const void *in, size_t nbytes)
750 {
751         unsigned long flags;
752
753         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
754         _mix_pool_bytes(in, nbytes);
755         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
756 }
757
758 /*
759  * This is an HKDF-like construction for using the hashed collected entropy
760  * as a PRF key, that's then expanded block-by-block.
761  */
762 static void extract_entropy(void *buf, size_t nbytes)
763 {
764         unsigned long flags;
765         u8 seed[BLAKE2S_HASH_SIZE], next_key[BLAKE2S_HASH_SIZE];
766         struct {
767                 unsigned long rdseed[32 / sizeof(long)];
768                 size_t counter;
769         } block;
770         size_t i;
771
772         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(block.rdseed); ++i) {
773                 if (!arch_get_random_seed_long(&block.rdseed[i]) &&
774                     !arch_get_random_long(&block.rdseed[i]))
775                         block.rdseed[i] = random_get_entropy();
776         }
777
778         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
779
780         /* seed = HASHPRF(last_key, entropy_input) */
781         blake2s_final(&input_pool.hash, seed);
782
783         /* next_key = HASHPRF(seed, RDSEED || 0) */
784         block.counter = 0;
785         blake2s(next_key, (u8 *)&block, seed, sizeof(next_key), sizeof(block), sizeof(seed));
786         blake2s_init_key(&input_pool.hash, BLAKE2S_HASH_SIZE, next_key, sizeof(next_key));
787
788         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
789         memzero_explicit(next_key, sizeof(next_key));
790
791         while (nbytes) {
792                 i = min_t(size_t, nbytes, BLAKE2S_HASH_SIZE);
793                 /* output = HASHPRF(seed, RDSEED || ++counter) */
794                 ++block.counter;
795                 blake2s(buf, (u8 *)&block, seed, i, sizeof(block), sizeof(seed));
796                 nbytes -= i;
797                 buf += i;
798         }
799
800         memzero_explicit(seed, sizeof(seed));
801         memzero_explicit(&block, sizeof(block));
802 }
803
804 static void credit_init_bits(size_t nbits)
805 {
806         unsigned int new, orig, add;
807         unsigned long flags;
808
809         if (crng_ready() || !nbits)
810                 return;
811
812         add = min_t(size_t, nbits, POOL_BITS);
813
814         do {
815                 orig = READ_ONCE(input_pool.init_bits);
816                 new = min_t(unsigned int, POOL_BITS, orig + add);
817         } while (cmpxchg(&input_pool.init_bits, orig, new) != orig);
818
819         if (orig < POOL_READY_BITS && new >= POOL_READY_BITS) {
820                 crng_reseed(); /* Sets crng_init to CRNG_READY under base_crng.lock. */
821                 process_random_ready_list();
822                 wake_up_interruptible(&crng_init_wait);
823                 kill_fasync(&fasync, SIGIO, POLL_IN);
824                 pr_notice("crng init done\n");
825                 if (unseeded_warning.missed) {
826                         pr_notice("%d get_random_xx warning(s) missed due to ratelimiting\n",
827                                   unseeded_warning.missed);
828                         unseeded_warning.missed = 0;
829                 }
830                 if (urandom_warning.missed) {
831                         pr_notice("%d urandom warning(s) missed due to ratelimiting\n",
832                                   urandom_warning.missed);
833                         urandom_warning.missed = 0;
834                 }
835         } else if (orig < POOL_EARLY_BITS && new >= POOL_EARLY_BITS) {
836                 spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
837                 /* Check if crng_init is CRNG_EMPTY, to avoid race with crng_reseed(). */
838                 if (crng_init == CRNG_EMPTY) {
839                         extract_entropy(base_crng.key, sizeof(base_crng.key));
840                         crng_init = CRNG_EARLY;
841                 }
842                 spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
843         }
844 }
845
846
847 /**********************************************************************
848  *
849  * Entropy collection routines.
850  *
851  * The following exported functions are used for pushing entropy into
852  * the above entropy accumulation routines:
853  *
854  *      void add_device_randomness(const void *buf, size_t size);
855  *      void add_hwgenerator_randomness(const void *buffer, size_t count,
856  *                                      size_t entropy);
857  *      void add_bootloader_randomness(const void *buf, size_t size);
858  *      void add_vmfork_randomness(const void *unique_vm_id, size_t size);
859  *      void add_interrupt_randomness(int irq);
860  *      void add_input_randomness(unsigned int type, unsigned int code,
861  *                                unsigned int value);
862  *      void add_disk_randomness(struct gendisk *disk);
863  *
864  * add_device_randomness() adds data to the input pool that
865  * is likely to differ between two devices (or possibly even per boot).
866  * This would be things like MAC addresses or serial numbers, or the
867  * read-out of the RTC. This does *not* credit any actual entropy to
868  * the pool, but it initializes the pool to different values for devices
869  * that might otherwise be identical and have very little entropy
870  * available to them (particularly common in the embedded world).
871  *
872  * add_hwgenerator_randomness() is for true hardware RNGs, and will credit
873  * entropy as specified by the caller. If the entropy pool is full it will
874  * block until more entropy is needed.
875  *
876  * add_bootloader_randomness() is called by bootloader drivers, such as EFI
877  * and device tree, and credits its input depending on whether or not the
878  * configuration option CONFIG_RANDOM_TRUST_BOOTLOADER is set.
879  *
880  * add_vmfork_randomness() adds a unique (but not necessarily secret) ID
881  * representing the current instance of a VM to the pool, without crediting,
882  * and then force-reseeds the crng so that it takes effect immediately.
883  *
884  * add_interrupt_randomness() uses the interrupt timing as random
885  * inputs to the entropy pool. Using the cycle counters and the irq source
886  * as inputs, it feeds the input pool roughly once a second or after 64
887  * interrupts, crediting 1 bit of entropy for whichever comes first.
888  *
889  * add_input_randomness() uses the input layer interrupt timing, as well
890  * as the event type information from the hardware.
891  *
892  * add_disk_randomness() uses what amounts to the seek time of block
893  * layer request events, on a per-disk_devt basis, as input to the
894  * entropy pool. Note that high-speed solid state drives with very low
895  * seek times do not make for good sources of entropy, as their seek
896  * times are usually fairly consistent.
897  *
898  * The last two routines try to estimate how many bits of entropy
899  * to credit. They do this by keeping track of the first and second
900  * order deltas of the event timings.
901  *
902  **********************************************************************/
903
904 static bool trust_cpu __ro_after_init = IS_ENABLED(CONFIG_RANDOM_TRUST_CPU);
905 static bool trust_bootloader __ro_after_init = IS_ENABLED(CONFIG_RANDOM_TRUST_BOOTLOADER);
906 static int __init parse_trust_cpu(char *arg)
907 {
908         return kstrtobool(arg, &trust_cpu);
909 }
910 static int __init parse_trust_bootloader(char *arg)
911 {
912         return kstrtobool(arg, &trust_bootloader);
913 }
914 early_param("random.trust_cpu", parse_trust_cpu);
915 early_param("random.trust_bootloader", parse_trust_bootloader);
916
917 static int random_pm_notification(struct notifier_block *nb, unsigned long action, void *data)
918 {
919         unsigned long flags, entropy = random_get_entropy();
920
921         /*
922          * Encode a representation of how long the system has been suspended,
923          * in a way that is distinct from prior system suspends.
924          */
925         ktime_t stamps[] = { ktime_get(), ktime_get_boottime(), ktime_get_real() };
926
927         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
928         _mix_pool_bytes(&action, sizeof(action));
929         _mix_pool_bytes(stamps, sizeof(stamps));
930         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
931         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
932
933         if (crng_ready() && (action == PM_RESTORE_PREPARE ||
934             (action == PM_POST_SUSPEND &&
935              !IS_ENABLED(CONFIG_PM_AUTOSLEEP) && !IS_ENABLED(CONFIG_ANDROID)))) {
936                 crng_reseed();
937                 pr_notice("crng reseeded on system resumption\n");
938         }
939         return 0;
940 }
941
942 static struct notifier_block pm_notifier = { .notifier_call = random_pm_notification };
943
944 /*
945  * The first collection of entropy occurs at system boot while interrupts
946  * are still turned off. Here we push in RDSEED, a timestamp, and utsname().
947  * Depending on the above configuration knob, RDSEED may be considered
948  * sufficient for initialization. Note that much earlier setup may already
949  * have pushed entropy into the input pool by the time we get here.
950  */
951 int __init rand_initialize(void)
952 {
953         size_t i;
954         ktime_t now = ktime_get_real();
955         bool arch_init = true;
956         unsigned long rv;
957
958 #if defined(LATENT_ENTROPY_PLUGIN)
959         static const u8 compiletime_seed[BLAKE2S_BLOCK_SIZE] __initconst __latent_entropy;
960         _mix_pool_bytes(compiletime_seed, sizeof(compiletime_seed));
961 #endif
962
963         for (i = 0; i < BLAKE2S_BLOCK_SIZE; i += sizeof(rv)) {
964                 if (!arch_get_random_seed_long_early(&rv) &&
965                     !arch_get_random_long_early(&rv)) {
966                         rv = random_get_entropy();
967                         arch_init = false;
968                 }
969                 _mix_pool_bytes(&rv, sizeof(rv));
970         }
971         _mix_pool_bytes(&now, sizeof(now));
972         _mix_pool_bytes(utsname(), sizeof(*(utsname())));
973
974         if (crng_ready())
975                 crng_reseed();
976         else if (arch_init && trust_cpu)
977                 credit_init_bits(BLAKE2S_BLOCK_SIZE * 8);
978
979         if (ratelimit_disable) {
980                 urandom_warning.interval = 0;
981                 unseeded_warning.interval = 0;
982         }
983
984         WARN_ON(register_pm_notifier(&pm_notifier));
985
986         WARN(!random_get_entropy(), "Missing cycle counter and fallback timer; RNG "
987                                     "entropy collection will consequently suffer.");
988         return 0;
989 }
990
991 /*
992  * Add device- or boot-specific data to the input pool to help
993  * initialize it.
994  *
995  * None of this adds any entropy; it is meant to avoid the problem of
996  * the entropy pool having similar initial state across largely
997  * identical devices.
998  */
999 void add_device_randomness(const void *buf, size_t size)
1000 {
1001         unsigned long entropy = random_get_entropy();
1002         unsigned long flags;
1003
1004         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
1005         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
1006         _mix_pool_bytes(buf, size);
1007         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
1008 }
1009 EXPORT_SYMBOL(add_device_randomness);
1010
1011 /*
1012  * Interface for in-kernel drivers of true hardware RNGs.
1013  * Those devices may produce endless random bits and will be throttled
1014  * when our pool is full.
1015  */
1016 void add_hwgenerator_randomness(const void *buffer, size_t count,
1017                                 size_t entropy)
1018 {
1019         mix_pool_bytes(buffer, count);
1020         credit_init_bits(entropy);
1021
1022         /*
1023          * Throttle writing to once every CRNG_RESEED_INTERVAL, unless
1024          * we're not yet initialized.
1025          */
1026         if (!kthread_should_stop() && crng_ready())
1027                 schedule_timeout_interruptible(CRNG_RESEED_INTERVAL);
1028 }
1029 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_hwgenerator_randomness);
1030
1031 /*
1032  * Handle random seed passed by bootloader, and credit it if
1033  * CONFIG_RANDOM_TRUST_BOOTLOADER is set.
1034  */
1035 void add_bootloader_randomness(const void *buf, size_t size)
1036 {
1037         mix_pool_bytes(buf, size);
1038         if (trust_bootloader)
1039                 credit_init_bits(size * 8);
1040 }
1041 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_bootloader_randomness);
1042
1043 #if IS_ENABLED(CONFIG_VMGENID)
1044 static BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(vmfork_chain);
1045
1046 /*
1047  * Handle a new unique VM ID, which is unique, not secret, so we
1048  * don't credit it, but we do immediately force a reseed after so
1049  * that it's used by the crng posthaste.
1050  */
1051 void add_vmfork_randomness(const void *unique_vm_id, size_t size)
1052 {
1053         add_device_randomness(unique_vm_id, size);
1054         if (crng_ready()) {
1055                 crng_reseed();
1056                 pr_notice("crng reseeded due to virtual machine fork\n");
1057         }
1058         blocking_notifier_call_chain(&vmfork_chain, 0, NULL);
1059 }
1060 #if IS_MODULE(CONFIG_VMGENID)
1061 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_vmfork_randomness);
1062 #endif
1063
1064 int register_random_vmfork_notifier(struct notifier_block *nb)
1065 {
1066         return blocking_notifier_chain_register(&vmfork_chain, nb);
1067 }
1068 EXPORT_SYMBOL_GPL(register_random_vmfork_notifier);
1069
1070 int unregister_random_vmfork_notifier(struct notifier_block *nb)
1071 {
1072         return blocking_notifier_chain_unregister(&vmfork_chain, nb);
1073 }
1074 EXPORT_SYMBOL_GPL(unregister_random_vmfork_notifier);
1075 #endif
1076
1077 struct fast_pool {
1078         struct work_struct mix;
1079         unsigned long pool[4];
1080         unsigned long last;
1081         unsigned int count;
1082 };
1083
1084 static DEFINE_PER_CPU(struct fast_pool, irq_randomness) = {
1085 #ifdef CONFIG_64BIT
1086 #define FASTMIX_PERM SIPHASH_PERMUTATION
1087         .pool = { SIPHASH_CONST_0, SIPHASH_CONST_1, SIPHASH_CONST_2, SIPHASH_CONST_3 }
1088 #else
1089 #define FASTMIX_PERM HSIPHASH_PERMUTATION
1090         .pool = { HSIPHASH_CONST_0, HSIPHASH_CONST_1, HSIPHASH_CONST_2, HSIPHASH_CONST_3 }
1091 #endif
1092 };
1093
1094 /*
1095  * This is [Half]SipHash-1-x, starting from an empty key. Because
1096  * the key is fixed, it assumes that its inputs are non-malicious,
1097  * and therefore this has no security on its own. s represents the
1098  * four-word SipHash state, while v represents a two-word input.
1099  */
1100 static void fast_mix(unsigned long s[4], unsigned long v1, unsigned long v2)
1101 {
1102         s[3] ^= v1;
1103         FASTMIX_PERM(s[0], s[1], s[2], s[3]);
1104         s[0] ^= v1;
1105         s[3] ^= v2;
1106         FASTMIX_PERM(s[0], s[1], s[2], s[3]);
1107         s[0] ^= v2;
1108 }
1109
1110 #ifdef CONFIG_SMP
1111 /*
1112  * This function is called when the CPU has just come online, with
1113  * entry CPUHP_AP_RANDOM_ONLINE, just after CPUHP_AP_WORKQUEUE_ONLINE.
1114  */
1115 int random_online_cpu(unsigned int cpu)
1116 {
1117         /*
1118          * During CPU shutdown and before CPU onlining, add_interrupt_
1119          * randomness() may schedule mix_interrupt_randomness(), and
1120          * set the MIX_INFLIGHT flag. However, because the worker can
1121          * be scheduled on a different CPU during this period, that
1122          * flag will never be cleared. For that reason, we zero out
1123          * the flag here, which runs just after workqueues are onlined
1124          * for the CPU again. This also has the effect of setting the
1125          * irq randomness count to zero so that new accumulated irqs
1126          * are fresh.
1127          */
1128         per_cpu_ptr(&irq_randomness, cpu)->count = 0;
1129         return 0;
1130 }
1131 #endif
1132
1133 static void mix_interrupt_randomness(struct work_struct *work)
1134 {
1135         struct fast_pool *fast_pool = container_of(work, struct fast_pool, mix);
1136         /*
1137          * The size of the copied stack pool is explicitly 2 longs so that we
1138          * only ever ingest half of the siphash output each time, retaining
1139          * the other half as the next "key" that carries over. The entropy is
1140          * supposed to be sufficiently dispersed between bits so on average
1141          * we don't wind up "losing" some.
1142          */
1143         unsigned long pool[2];
1144         unsigned int count;
1145
1146         /* Check to see if we're running on the wrong CPU due to hotplug. */
1147         local_irq_disable();
1148         if (fast_pool != this_cpu_ptr(&irq_randomness)) {
1149                 local_irq_enable();
1150                 return;
1151         }
1152
1153         /*
1154          * Copy the pool to the stack so that the mixer always has a
1155          * consistent view, before we reenable irqs again.
1156          */
1157         memcpy(pool, fast_pool->pool, sizeof(pool));
1158         count = fast_pool->count;
1159         fast_pool->count = 0;
1160         fast_pool->last = jiffies;
1161         local_irq_enable();
1162
1163         mix_pool_bytes(pool, sizeof(pool));
1164         credit_init_bits(max(1u, (count & U16_MAX) / 64));
1165
1166         memzero_explicit(pool, sizeof(pool));
1167 }
1168
1169 void add_interrupt_randomness(int irq)
1170 {
1171         enum { MIX_INFLIGHT = 1U << 31 };
1172         unsigned long entropy = random_get_entropy();
1173         struct fast_pool *fast_pool = this_cpu_ptr(&irq_randomness);
1174         struct pt_regs *regs = get_irq_regs();
1175         unsigned int new_count;
1176
1177         fast_mix(fast_pool->pool, entropy,
1178                  (regs ? instruction_pointer(regs) : _RET_IP_) ^ swab(irq));
1179         new_count = ++fast_pool->count;
1180
1181         if (new_count & MIX_INFLIGHT)
1182                 return;
1183
1184         if (new_count < 64 && !time_is_before_jiffies(fast_pool->last + HZ))
1185                 return;
1186
1187         if (unlikely(!fast_pool->mix.func))
1188                 INIT_WORK(&fast_pool->mix, mix_interrupt_randomness);
1189         fast_pool->count |= MIX_INFLIGHT;
1190         queue_work_on(raw_smp_processor_id(), system_highpri_wq, &fast_pool->mix);
1191 }
1192 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_interrupt_randomness);
1193
1194 /* There is one of these per entropy source */
1195 struct timer_rand_state {
1196         unsigned long last_time;
1197         long last_delta, last_delta2;
1198 };
1199
1200 /*
1201  * This function adds entropy to the entropy "pool" by using timing
1202  * delays. It uses the timer_rand_state structure to make an estimate
1203  * of how many bits of entropy this call has added to the pool. The
1204  * value "num" is also added to the pool; it should somehow describe
1205  * the type of event that just happened.
1206  */
1207 static void add_timer_randomness(struct timer_rand_state *state, unsigned int num)
1208 {
1209         unsigned long entropy = random_get_entropy(), now = jiffies, flags;
1210         long delta, delta2, delta3;
1211         unsigned int bits;
1212
1213         /*
1214          * If we're in a hard IRQ, add_interrupt_randomness() will be called
1215          * sometime after, so mix into the fast pool.
1216          */
1217         if (in_hardirq()) {
1218                 fast_mix(this_cpu_ptr(&irq_randomness)->pool, entropy, num);
1219         } else {
1220                 spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
1221                 _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
1222                 _mix_pool_bytes(&num, sizeof(num));
1223                 spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
1224         }
1225
1226         if (crng_ready())
1227                 return;
1228
1229         /*
1230          * Calculate number of bits of randomness we probably added.
1231          * We take into account the first, second and third-order deltas
1232          * in order to make our estimate.
1233          */
1234         delta = now - READ_ONCE(state->last_time);
1235         WRITE_ONCE(state->last_time, now);
1236
1237         delta2 = delta - READ_ONCE(state->last_delta);
1238         WRITE_ONCE(state->last_delta, delta);
1239
1240         delta3 = delta2 - READ_ONCE(state->last_delta2);
1241         WRITE_ONCE(state->last_delta2, delta2);
1242
1243         if (delta < 0)
1244                 delta = -delta;
1245         if (delta2 < 0)
1246                 delta2 = -delta2;
1247         if (delta3 < 0)
1248                 delta3 = -delta3;
1249         if (delta > delta2)
1250                 delta = delta2;
1251         if (delta > delta3)
1252                 delta = delta3;
1253
1254         /*
1255          * delta is now minimum absolute delta. Round down by 1 bit
1256          * on general principles, and limit entropy estimate to 11 bits.
1257          */
1258         bits = min(fls(delta >> 1), 11);
1259
1260         /*
1261          * As mentioned above, if we're in a hard IRQ, add_interrupt_randomness()
1262          * will run after this, which uses a different crediting scheme of 1 bit
1263          * per every 64 interrupts. In order to let that function do accounting
1264          * close to the one in this function, we credit a full 64/64 bit per bit,
1265          * and then subtract one to account for the extra one added.
1266          */
1267         if (in_hardirq())
1268                 this_cpu_ptr(&irq_randomness)->count += max(1u, bits * 64) - 1;
1269         else
1270                 credit_init_bits(bits);
1271 }
1272
1273 void add_input_randomness(unsigned int type, unsigned int code,
1274                           unsigned int value)
1275 {
1276         static unsigned char last_value;
1277         static struct timer_rand_state input_timer_state = { INITIAL_JIFFIES };
1278
1279         /* Ignore autorepeat and the like. */
1280         if (value == last_value)
1281                 return;
1282
1283         last_value = value;
1284         add_timer_randomness(&input_timer_state,
1285                              (type << 4) ^ code ^ (code >> 4) ^ value);
1286 }
1287 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_input_randomness);
1288
1289 #ifdef CONFIG_BLOCK
1290 void add_disk_randomness(struct gendisk *disk)
1291 {
1292         if (!disk || !disk->random)
1293                 return;
1294         /* First major is 1, so we get >= 0x200 here. */
1295         add_timer_randomness(disk->random, 0x100 + disk_devt(disk));
1296 }
1297 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_disk_randomness);
1298
1299 void rand_initialize_disk(struct gendisk *disk)
1300 {
1301         struct timer_rand_state *state;
1302
1303         /*
1304          * If kzalloc returns null, we just won't use that entropy
1305          * source.
1306          */
1307         state = kzalloc(sizeof(struct timer_rand_state), GFP_KERNEL);
1308         if (state) {
1309                 state->last_time = INITIAL_JIFFIES;
1310                 disk->random = state;
1311         }
1312 }
1313 #endif
1314
1315 struct entropy_timer_state {
1316         unsigned long entropy;
1317         struct timer_list timer;
1318         unsigned int samples, samples_per_bit;
1319 };
1320
1321 /*
1322  * Each time the timer fires, we expect that we got an unpredictable
1323  * jump in the cycle counter. Even if the timer is running on another
1324  * CPU, the timer activity will be touching the stack of the CPU that is
1325  * generating entropy..
1326  *
1327  * Note that we don't re-arm the timer in the timer itself - we are
1328  * happy to be scheduled away, since that just makes the load more
1329  * complex, but we do not want the timer to keep ticking unless the
1330  * entropy loop is running.
1331  *
1332  * So the re-arming always happens in the entropy loop itself.
1333  */
1334 static void entropy_timer(struct timer_list *timer)
1335 {
1336         struct entropy_timer_state *state = container_of(timer, struct entropy_timer_state, timer);
1337
1338         if (++state->samples == state->samples_per_bit) {
1339                 credit_init_bits(1);
1340                 state->samples = 0;
1341         }
1342 }
1343
1344 /*
1345  * If we have an actual cycle counter, see if we can
1346  * generate enough entropy with timing noise
1347  */
1348 static void try_to_generate_entropy(void)
1349 {
1350         enum { NUM_TRIAL_SAMPLES = 8192, MAX_SAMPLES_PER_BIT = 32 };
1351         struct entropy_timer_state stack;
1352         unsigned int i, num_different = 0;
1353         unsigned long last = random_get_entropy();
1354
1355         for (i = 0; i < NUM_TRIAL_SAMPLES - 1; ++i) {
1356                 stack.entropy = random_get_entropy();
1357                 if (stack.entropy != last)
1358                         ++num_different;
1359                 last = stack.entropy;
1360         }
1361         stack.samples_per_bit = DIV_ROUND_UP(NUM_TRIAL_SAMPLES, num_different + 1);
1362         if (stack.samples_per_bit > MAX_SAMPLES_PER_BIT)
1363                 return;
1364
1365         stack.samples = 0;
1366         timer_setup_on_stack(&stack.timer, entropy_timer, 0);
1367         while (!crng_ready() && !signal_pending(current)) {
1368                 if (!timer_pending(&stack.timer))
1369                         mod_timer(&stack.timer, jiffies + 1);
1370                 mix_pool_bytes(&stack.entropy, sizeof(stack.entropy));
1371                 schedule();
1372                 stack.entropy = random_get_entropy();
1373         }
1374
1375         del_timer_sync(&stack.timer);
1376         destroy_timer_on_stack(&stack.timer);
1377         mix_pool_bytes(&stack.entropy, sizeof(stack.entropy));
1378 }
1379
1380
1381 /**********************************************************************
1382  *
1383  * Userspace reader/writer interfaces.
1384  *
1385  * getrandom(2) is the primary modern interface into the RNG and should
1386  * be used in preference to anything else.
1387  *
1388  * Reading from /dev/random has the same functionality as calling
1389  * getrandom(2) with flags=0. In earlier versions, however, it had
1390  * vastly different semantics and should therefore be avoided, to
1391  * prevent backwards compatibility issues.
1392  *
1393  * Reading from /dev/urandom has the same functionality as calling
1394  * getrandom(2) with flags=GRND_INSECURE. Because it does not block
1395  * waiting for the RNG to be ready, it should not be used.
1396  *
1397  * Writing to either /dev/random or /dev/urandom adds entropy to
1398  * the input pool but does not credit it.
1399  *
1400  * Polling on /dev/random indicates when the RNG is initialized, on
1401  * the read side, and when it wants new entropy, on the write side.
1402  *
1403  * Both /dev/random and /dev/urandom have the same set of ioctls for
1404  * adding entropy, getting the entropy count, zeroing the count, and
1405  * reseeding the crng.
1406  *
1407  **********************************************************************/
1408
1409 SYSCALL_DEFINE3(getrandom, char __user *, buf, size_t, count, unsigned int,
1410                 flags)
1411 {
1412         if (flags & ~(GRND_NONBLOCK | GRND_RANDOM | GRND_INSECURE))
1413                 return -EINVAL;
1414
1415         /*
1416          * Requesting insecure and blocking randomness at the same time makes
1417          * no sense.
1418          */
1419         if ((flags & (GRND_INSECURE | GRND_RANDOM)) == (GRND_INSECURE | GRND_RANDOM))
1420                 return -EINVAL;
1421
1422         if (count > INT_MAX)
1423                 count = INT_MAX;
1424
1425         if (!(flags & GRND_INSECURE) && !crng_ready()) {
1426                 int ret;
1427
1428                 if (flags & GRND_NONBLOCK)
1429                         return -EAGAIN;
1430                 ret = wait_for_random_bytes();
1431                 if (unlikely(ret))
1432                         return ret;
1433         }
1434         return get_random_bytes_user(buf, count);
1435 }
1436
1437 static __poll_t random_poll(struct file *file, poll_table *wait)
1438 {
1439         poll_wait(file, &crng_init_wait, wait);
1440         return crng_ready() ? EPOLLIN | EPOLLRDNORM : EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
1441 }
1442
1443 static int write_pool(const char __user *ubuf, size_t count)
1444 {
1445         size_t len;
1446         int ret = 0;
1447         u8 block[BLAKE2S_BLOCK_SIZE];
1448
1449         while (count) {
1450                 len = min(count, sizeof(block));
1451                 if (copy_from_user(block, ubuf, len)) {
1452                         ret = -EFAULT;
1453                         goto out;
1454                 }
1455                 count -= len;
1456                 ubuf += len;
1457                 mix_pool_bytes(block, len);
1458                 cond_resched();
1459         }
1460
1461 out:
1462         memzero_explicit(block, sizeof(block));
1463         return ret;
1464 }
1465
1466 static ssize_t random_write(struct file *file, const char __user *buffer,
1467                             size_t count, loff_t *ppos)
1468 {
1469         int ret;
1470
1471         ret = write_pool(buffer, count);
1472         if (ret)
1473                 return ret;
1474
1475         return (ssize_t)count;
1476 }
1477
1478 static ssize_t urandom_read(struct file *file, char __user *buf, size_t nbytes,
1479                             loff_t *ppos)
1480 {
1481         static int maxwarn = 10;
1482
1483         /*
1484          * Opportunistically attempt to initialize the RNG on platforms that
1485          * have fast cycle counters, but don't (for now) require it to succeed.
1486          */
1487         if (!crng_ready())
1488                 try_to_generate_entropy();
1489
1490         if (!crng_ready() && maxwarn > 0) {
1491                 maxwarn--;
1492                 if (__ratelimit(&urandom_warning))
1493                         pr_notice("%s: uninitialized urandom read (%zd bytes read)\n",
1494                                   current->comm, nbytes);
1495         }
1496
1497         return get_random_bytes_user(buf, nbytes);
1498 }
1499
1500 static ssize_t random_read(struct file *file, char __user *buf, size_t nbytes,
1501                            loff_t *ppos)
1502 {
1503         int ret;
1504
1505         ret = wait_for_random_bytes();
1506         if (ret != 0)
1507                 return ret;
1508         return get_random_bytes_user(buf, nbytes);
1509 }
1510
1511 static long random_ioctl(struct file *f, unsigned int cmd, unsigned long arg)
1512 {
1513         int size, ent_count;
1514         int __user *p = (int __user *)arg;
1515         int retval;
1516
1517         switch (cmd) {
1518         case RNDGETENTCNT:
1519                 /* Inherently racy, no point locking. */
1520                 if (put_user(input_pool.init_bits, p))
1521                         return -EFAULT;
1522                 return 0;
1523         case RNDADDTOENTCNT:
1524                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1525                         return -EPERM;
1526                 if (get_user(ent_count, p))
1527                         return -EFAULT;
1528                 if (ent_count < 0)
1529                         return -EINVAL;
1530                 credit_init_bits(ent_count);
1531                 return 0;
1532         case RNDADDENTROPY:
1533                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1534                         return -EPERM;
1535                 if (get_user(ent_count, p++))
1536                         return -EFAULT;
1537                 if (ent_count < 0)
1538                         return -EINVAL;
1539                 if (get_user(size, p++))
1540                         return -EFAULT;
1541                 retval = write_pool((const char __user *)p, size);
1542                 if (retval < 0)
1543                         return retval;
1544                 credit_init_bits(ent_count);
1545                 return 0;
1546         case RNDZAPENTCNT:
1547         case RNDCLEARPOOL:
1548                 /* No longer has any effect. */
1549                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1550                         return -EPERM;
1551                 return 0;
1552         case RNDRESEEDCRNG:
1553                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1554                         return -EPERM;
1555                 if (!crng_ready())
1556                         return -ENODATA;
1557                 crng_reseed();
1558                 return 0;
1559         default:
1560                 return -EINVAL;
1561         }
1562 }
1563
1564 static int random_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
1565 {
1566         return fasync_helper(fd, filp, on, &fasync);
1567 }
1568
1569 const struct file_operations random_fops = {
1570         .read = random_read,
1571         .write = random_write,
1572         .poll = random_poll,
1573         .unlocked_ioctl = random_ioctl,
1574         .compat_ioctl = compat_ptr_ioctl,
1575         .fasync = random_fasync,
1576         .llseek = noop_llseek,
1577 };
1578
1579 const struct file_operations urandom_fops = {
1580         .read = urandom_read,
1581         .write = random_write,
1582         .unlocked_ioctl = random_ioctl,
1583         .compat_ioctl = compat_ptr_ioctl,
1584         .fasync = random_fasync,
1585         .llseek = noop_llseek,
1586 };
1587
1588
1589 /********************************************************************
1590  *
1591  * Sysctl interface.
1592  *
1593  * These are partly unused legacy knobs with dummy values to not break
1594  * userspace and partly still useful things. They are usually accessible
1595  * in /proc/sys/kernel/random/ and are as follows:
1596  *
1597  * - boot_id - a UUID representing the current boot.
1598  *
1599  * - uuid - a random UUID, different each time the file is read.
1600  *
1601  * - poolsize - the number of bits of entropy that the input pool can
1602  *   hold, tied to the POOL_BITS constant.
1603  *
1604  * - entropy_avail - the number of bits of entropy currently in the
1605  *   input pool. Always <= poolsize.
1606  *
1607  * - write_wakeup_threshold - the amount of entropy in the input pool
1608  *   below which write polls to /dev/random will unblock, requesting
1609  *   more entropy, tied to the POOL_READY_BITS constant. It is writable
1610  *   to avoid breaking old userspaces, but writing to it does not
1611  *   change any behavior of the RNG.
1612  *
1613  * - urandom_min_reseed_secs - fixed to the value CRNG_RESEED_INTERVAL.
1614  *   It is writable to avoid breaking old userspaces, but writing
1615  *   to it does not change any behavior of the RNG.
1616  *
1617  ********************************************************************/
1618
1619 #ifdef CONFIG_SYSCTL
1620
1621 #include <linux/sysctl.h>
1622
1623 static int sysctl_random_min_urandom_seed = CRNG_RESEED_INTERVAL / HZ;
1624 static int sysctl_random_write_wakeup_bits = POOL_READY_BITS;
1625 static int sysctl_poolsize = POOL_BITS;
1626 static u8 sysctl_bootid[UUID_SIZE];
1627
1628 /*
1629  * This function is used to return both the bootid UUID, and random
1630  * UUID. The difference is in whether table->data is NULL; if it is,
1631  * then a new UUID is generated and returned to the user.
1632  */
1633 static int proc_do_uuid(struct ctl_table *table, int write, void *buffer,
1634                         size_t *lenp, loff_t *ppos)
1635 {
1636         u8 tmp_uuid[UUID_SIZE], *uuid;
1637         char uuid_string[UUID_STRING_LEN + 1];
1638         struct ctl_table fake_table = {
1639                 .data = uuid_string,
1640                 .maxlen = UUID_STRING_LEN
1641         };
1642
1643         if (write)
1644                 return -EPERM;
1645
1646         uuid = table->data;
1647         if (!uuid) {
1648                 uuid = tmp_uuid;
1649                 generate_random_uuid(uuid);
1650         } else {
1651                 static DEFINE_SPINLOCK(bootid_spinlock);
1652
1653                 spin_lock(&bootid_spinlock);
1654                 if (!uuid[8])
1655                         generate_random_uuid(uuid);
1656                 spin_unlock(&bootid_spinlock);
1657         }
1658
1659         snprintf(uuid_string, sizeof(uuid_string), "%pU", uuid);
1660         return proc_dostring(&fake_table, 0, buffer, lenp, ppos);
1661 }
1662
1663 /* The same as proc_dointvec, but writes don't change anything. */
1664 static int proc_do_rointvec(struct ctl_table *table, int write, void *buffer,
1665                             size_t *lenp, loff_t *ppos)
1666 {
1667         return write ? 0 : proc_dointvec(table, 0, buffer, lenp, ppos);
1668 }
1669
1670 static struct ctl_table random_table[] = {
1671         {
1672                 .procname       = "poolsize",
1673                 .data           = &sysctl_poolsize,
1674                 .maxlen         = sizeof(int),
1675                 .mode           = 0444,
1676                 .proc_handler   = proc_dointvec,
1677         },
1678         {
1679                 .procname       = "entropy_avail",
1680                 .data           = &input_pool.init_bits,
1681                 .maxlen         = sizeof(int),
1682                 .mode           = 0444,
1683                 .proc_handler   = proc_dointvec,
1684         },
1685         {
1686                 .procname       = "write_wakeup_threshold",
1687                 .data           = &sysctl_random_write_wakeup_bits,
1688                 .maxlen         = sizeof(int),
1689                 .mode           = 0644,
1690                 .proc_handler   = proc_do_rointvec,
1691         },
1692         {
1693                 .procname       = "urandom_min_reseed_secs",
1694                 .data           = &sysctl_random_min_urandom_seed,
1695                 .maxlen         = sizeof(int),
1696                 .mode           = 0644,
1697                 .proc_handler   = proc_do_rointvec,
1698         },
1699         {
1700                 .procname       = "boot_id",
1701                 .data           = &sysctl_bootid,
1702                 .mode           = 0444,
1703                 .proc_handler   = proc_do_uuid,
1704         },
1705         {
1706                 .procname       = "uuid",
1707                 .mode           = 0444,
1708                 .proc_handler   = proc_do_uuid,
1709         },
1710         { }
1711 };
1712
1713 /*
1714  * rand_initialize() is called before sysctl_init(),
1715  * so we cannot call register_sysctl_init() in rand_initialize()
1716  */
1717 static int __init random_sysctls_init(void)
1718 {
1719         register_sysctl_init("kernel/random", random_table);
1720         return 0;
1721 }
1722 device_initcall(random_sysctls_init);
1723 #endif