chiark / gitweb /
cleanup: Big pile of whitespace fixes, all at once.
[catacomb] / rand.h
1 /* -*-c-*-
2  *
3  * $Id$
4  *
5  * Secure random number generator
6  *
7  * (c) 1999 Straylight/Edgeware
8  */
9
10 /*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
11  *
12  * This file is part of Catacomb.
13  *
14  * Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
15  * it under the terms of the GNU Library General Public License as
16  * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
17  * License, or (at your option) any later version.
18  *
19  * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
20  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
21  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
22  * GNU Library General Public License for more details.
23  *
24  * You should have received a copy of the GNU Library General Public
25  * License along with Catacomb; if not, write to the Free
26  * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
27  * MA 02111-1307, USA.
28  */
29
30 /*----- Notes on the random number generator ------------------------------*
31  *
32  * The algorithm is one of the author's own devising.  It may therefore be
33  * worth a certain amount of skepticism.  However, I've thought about this
34  * method for over a year before actually considering it worth implementing.
35  * With a little bit of luck, it should have received some peer review by the
36  * time this code is actually properly released, and it'll be worth a bit
37  * more confidence.  My earlier generator was very similar in structure to
38  * the Linux /dev/random device.  This generator is intended to address
39  * concerns I expressed about the Linux generator in a Usenet article to
40  * sci.crypt.
41  *
42  * The generator is divided into two parts: an input pool and an output
43  * buffer.  New random data is placed into the pool in the way described
44  * below, which is shamelessly stolen from the Linux /dev/random generator.
45  * The only interaction that the pool has on the output buffer is through the
46  * keyed `gating' operation, which mixes up and redistributes all of the
47  * generator's state in an irreversible manner.  Random bytes, when
48  * requested, are extracted from the output buffer in a linear fashion.
49  *
50  * The input pool is best seen as being eight shift registers in parallel.
51  * Data is added to the pool one octet at a time.  Each bit of a new octet is
52  * added to a different shift register, by adding it (mod 2) with other bits
53  * according to the coefficients of a primitive polynomial.  Each new byte is
54  * rotated before being added into the pool, in a half-hearted attempt to
55  * protect against biases in the input data (e.g., top bits being clear on
56  * ASCII text).
57  *
58  * The gating operation takes a keyed hash of the entire generator state,
59  * uses it as the key for a symmetric cipher, and encrypts the state.  The
60  * key is then discarded.  The result is that every ouptut bit of the
61  * operation depends in a complex way on every input bit, but the operation
62  * cannot be reversed.
63  *
64  * As an added wrinkle, 160 bits of the output buffer are never actually
65  * output.  They are used in the gating operation only, as an extra item that
66  * an adversary has to guess before predicting generator output.
67  */
68
69 #ifndef CATACOMB_RAND_H
70 #define CATACOMB_RAND_H
71
72 #ifdef __cplusplus
73   extern "C" {
74 #endif
75
76 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
77
78 #include <stddef.h>
79
80 #ifndef CATACOMB_GRAND_H
81 #  include "grand.h"
82 #endif
83
84 #ifndef CATACOMB_RMD160_HMAC_H
85 #  include "rmd160-hmac.h"
86 #endif
87
88 /*----- Magic numbers -----------------------------------------------------*/
89
90 #define RAND_POOLSZ 128                 /* Input pool size in bytes */
91 #define RAND_BUFSZ 512                  /* Output buffer size in bytes */
92 #define RAND_SECSZ 20                   /* Secret octets in output buffer */
93
94 #define RAND_IBITS (RAND_POOLSZ * 8)
95 #define RAND_OBITS (RAND_BUFSZ * 8)
96
97 /*----- Data structures ---------------------------------------------------*/
98
99 /* --- A random number generator pool --- */
100
101 typedef struct rand_pool {
102   octet pool[RAND_POOLSZ];              /* Actual contents of the pool */
103   unsigned i;                           /* Current index into pool */
104   unsigned irot;                        /* Current rotation applied */
105   unsigned ibits;                       /* Number of good bits in pool */
106   octet buf[RAND_BUFSZ];                /* Random octet output buffer */
107   unsigned o;                           /* Current index into buffer */
108   unsigned obits;                       /* Number of good bits in buffer */
109   rmd160_mackey k;                      /* Secret key for this pool */
110   const struct rand_source *s;          /* System-specific noise source */
111 } rand_pool;
112
113 #define RAND_GLOBAL ((rand_pool *)0)    /* The global randomness pool */
114
115 /* --- A noise source --- */
116
117 typedef struct rand_source {
118   void (*getnoise)(rand_pool */*r*/);   /* Acquire more noise */
119   int (*timer)(rand_pool */*r*/);       /* Get noise from current time */
120 } rand_source;
121
122 /*----- Functions provided ------------------------------------------------*/
123
124 /* --- @rand_init@ --- *
125  *
126  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
127  *
128  * Returns:     ---
129  *
130  * Use:         Initializes a randomness pool.  The pool doesn't start out
131  *              very random: that's your job to sort out.
132  */
133
134 extern void rand_init(rand_pool */*r*/);
135
136 /* --- @rand_noisesrc@ --- *
137  *
138  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
139  *              @const rand_source *s@ = pointer to source definition
140  *
141  * Returns:     ---
142  *
143  * Use:         Sets a noise source for a randomness pool.  When the pool's
144  *              estimate of good random bits falls to zero, the @getnoise@
145  *              function is called, passing the pool handle as an argument.
146  *              It is expected to increase the number of good bits by at
147  *              least one, because it'll be called over and over again until
148  *              there are enough bits to satisfy the caller.  The @timer@
149  *              function is called frequently throughout the generator's
150  *              operation.
151  */
152
153 extern void rand_noisesrc(rand_pool */*r*/, const rand_source */*s*/);
154
155 /* --- @rand_seed@ --- *
156  *
157  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
158  *              @unsigned bits@ = number of bits to ensure
159  *
160  * Returns:     ---
161  *
162  * Use:         Ensures that there are at least @bits@ good bits of entropy
163  *              in the pool.  It is recommended that you call this after
164  *              initializing a new pool.  Requesting @bits > RAND_IBITS@ is
165  *              doomed to failure (and is an error).
166  */
167
168 extern void rand_seed(rand_pool */*r*/, unsigned /*bits*/);
169
170 /* --- @rand_key@ --- *
171  *
172  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
173  *              @const void *k@ = pointer to key data
174  *              @size_t sz@ = size of key data
175  *
176  * Returns:     ---
177  *
178  * Use:         Sets the secret key for a randomness pool.  The key is used
179  *              when mixing in new random bits.
180  */
181
182 extern void rand_key(rand_pool */*r*/, const void */*k*/, size_t /*sz*/);
183
184 /* --- @rand_add@ --- *
185  *
186  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
187  *              @const void *p@ = pointer a buffer of data to add
188  *              @size_t sz@ = size of the data buffer
189  *              @unsigned goodbits@ = number of good bits estimated in buffer
190  *
191  * Returns:     ---
192  *
193  * Use:         Mixes the data in the buffer with the contents of the
194  *              pool.  The estimate of the number of good bits is added to
195  *              the pool's own count.  The mixing operation is not
196  *              cryptographically strong.  However, data in the input pool
197  *              isn't output directly, only through the one-way gating
198  *              operation, so that shouldn't matter.
199  */
200
201 extern void rand_add(rand_pool */*r*/,
202                      const void */*p*/, size_t /*sz*/,
203                      unsigned /*goodbits*/);
204
205 /* --- @rand_goodbits@ --- *
206  *
207  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
208  *
209  * Returns:     Estimate of the number of good bits remaining in the pool.
210  */
211
212 extern unsigned rand_goodbits(rand_pool */*r*/);
213
214 /* --- @rand_gate@ --- *
215  *
216  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
217  *
218  * Returns:     ---
219  *
220  * Use:         Mixes up the entire state of the generator in a nonreversible
221  *              way.
222  */
223
224 extern void rand_gate(rand_pool */*r*/);
225
226 /* --- @rand_stretch@ --- *
227  *
228  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
229  *
230  * Returns:     ---
231  *
232  * Use:         Stretches the contents of the output buffer by transforming
233  *              it in a nonreversible way.  This doesn't add any entropy
234  *              worth speaking about, but it works well enough when the
235  *              caller doesn't care about that sort of thing.
236  */
237
238 extern void rand_stretch(rand_pool */*r*/);
239
240 /* --- @rand_get@ --- *
241  *
242  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
243  *              @void *p@ = pointer to output buffer
244  *              @size_t sz@ = size of output buffer
245  *
246  * Returns:     ---
247  *
248  * Use:         Gets random data from the pool.  The pool's contents can't be
249  *              determined from the output of this function; nor can the
250  *              output data be determined from a knowledge of the data input
251  *              to the pool without also having knowledge of the secret key.
252  *              The good bits counter is decremented, although no special
253  *              action is taken if it reaches zero.
254  */
255
256 extern void rand_get(rand_pool */*r*/, void */*p*/, size_t /*sz*/);
257
258 /* --- @rand_getgood@ --- *
259  *
260  * Arguments:   @rand_pool *r@ = pointer to a randomness pool
261  *              @void *p@ = pointer to output buffer
262  *              @size_t sz@ = size of output buffer
263  *
264  * Returns:     ---
265  *
266  * Use:         Gets random data from the pool.  The pool's contents can't be
267  *              determined from the output of this function; nor can the
268  *              output data be determined from a knowledge of the data input
269  *              to the pool wihtout also having knowledge of the secret key.
270  *              If a noise source is attached to the pool in question, it is
271  *              called to replenish the supply of good bits in the pool;
272  *              otherwise this call is equivalent to @rand_get@.
273  */
274
275 extern void rand_getgood(rand_pool */*r*/, void */*p*/, size_t /*sz*/);
276
277 /*----- Generic random number generator interface -------------------------*/
278
279 /* --- Miscellaneous operations --- */
280
281 enum {
282   RAND_GATE = GRAND_SPECIFIC('R'),      /* No args */
283   RAND_STRETCH,                         /* No args */
284   RAND_KEY,                             /* @const void *k, size_t sz@ */
285   RAND_NOISESRC,                        /* @const rand_source *s@ */
286   RAND_SEED,                            /* @unsigned bits@ */
287   RAND_TIMER,                           /* No args */
288   RAND_GOODBITS,                        /* No args */
289   RAND_ADD                              /* @const void *p, size_t sz,@
290                                          * @unsigned goodbits */
291 };
292
293 /* --- Default random number generator --- */
294
295 extern grand rand_global;
296
297 /* --- @rand_create@ --- *
298  *
299  * Arguments:   ---
300  *
301  * Returns:     Pointer to a generic generator.
302  *
303  * Use:         Constructs a generic generator interface over a Catacomb
304  *              entropy pool generator.
305  */
306
307 extern grand *rand_create(void);
308
309 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/
310
311 #ifdef __cplusplus
312   }
313 #endif
314
315 #endif