Merge tag 'soundwire-6.5-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/vkoul...
[platform/kernel/linux-starfive.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 <linux/sched/isolation.h>
57 #include <crypto/chacha.h>
58 #include <crypto/blake2s.h>
59 #include <asm/archrandom.h>
60 #include <asm/processor.h>
61 #include <asm/irq.h>
62 #include <asm/irq_regs.h>
63 #include <asm/io.h>
64
65 /*********************************************************************
66  *
67  * Initialization and readiness waiting.
68  *
69  * Much of the RNG infrastructure is devoted to various dependencies
70  * being able to wait until the RNG has collected enough entropy and
71  * is ready for safe consumption.
72  *
73  *********************************************************************/
74
75 /*
76  * crng_init is protected by base_crng->lock, and only increases
77  * its value (from empty->early->ready).
78  */
79 static enum {
80         CRNG_EMPTY = 0, /* Little to no entropy collected */
81         CRNG_EARLY = 1, /* At least POOL_EARLY_BITS collected */
82         CRNG_READY = 2  /* Fully initialized with POOL_READY_BITS collected */
83 } crng_init __read_mostly = CRNG_EMPTY;
84 static DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(crng_is_ready);
85 #define crng_ready() (static_branch_likely(&crng_is_ready) || crng_init >= CRNG_READY)
86 /* Various types of waiters for crng_init->CRNG_READY transition. */
87 static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(crng_init_wait);
88 static struct fasync_struct *fasync;
89 static ATOMIC_NOTIFIER_HEAD(random_ready_notifier);
90
91 /* Control how we warn userspace. */
92 static struct ratelimit_state urandom_warning =
93         RATELIMIT_STATE_INIT_FLAGS("urandom_warning", HZ, 3, RATELIMIT_MSG_ON_RELEASE);
94 static int ratelimit_disable __read_mostly =
95         IS_ENABLED(CONFIG_WARN_ALL_UNSEEDED_RANDOM);
96 module_param_named(ratelimit_disable, ratelimit_disable, int, 0644);
97 MODULE_PARM_DESC(ratelimit_disable, "Disable random ratelimit suppression");
98
99 /*
100  * Returns whether or not the input pool has been seeded and thus guaranteed
101  * to supply cryptographically secure random numbers. This applies to: the
102  * /dev/urandom device, the get_random_bytes function, and the get_random_{u8,
103  * u16,u32,u64,long} family of functions.
104  *
105  * Returns: true if the input pool has been seeded.
106  *          false if the input pool has not been seeded.
107  */
108 bool rng_is_initialized(void)
109 {
110         return crng_ready();
111 }
112 EXPORT_SYMBOL(rng_is_initialized);
113
114 static void __cold crng_set_ready(struct work_struct *work)
115 {
116         static_branch_enable(&crng_is_ready);
117 }
118
119 /* Used by wait_for_random_bytes(), and considered an entropy collector, below. */
120 static void try_to_generate_entropy(void);
121
122 /*
123  * Wait for the input pool to be seeded and thus guaranteed to supply
124  * cryptographically secure random numbers. This applies to: the /dev/urandom
125  * device, the get_random_bytes function, and the get_random_{u8,u16,u32,u64,
126  * long} family of functions. Using any of these functions without first
127  * calling this function forfeits the guarantee of security.
128  *
129  * Returns: 0 if the input pool has been seeded.
130  *          -ERESTARTSYS if the function was interrupted by a signal.
131  */
132 int wait_for_random_bytes(void)
133 {
134         while (!crng_ready()) {
135                 int ret;
136
137                 try_to_generate_entropy();
138                 ret = wait_event_interruptible_timeout(crng_init_wait, crng_ready(), HZ);
139                 if (ret)
140                         return ret > 0 ? 0 : ret;
141         }
142         return 0;
143 }
144 EXPORT_SYMBOL(wait_for_random_bytes);
145
146 /*
147  * Add a callback function that will be invoked when the crng is initialised,
148  * or immediately if it already has been. Only use this is you are absolutely
149  * sure it is required. Most users should instead be able to test
150  * `rng_is_initialized()` on demand, or make use of `get_random_bytes_wait()`.
151  */
152 int __cold execute_with_initialized_rng(struct notifier_block *nb)
153 {
154         unsigned long flags;
155         int ret = 0;
156
157         spin_lock_irqsave(&random_ready_notifier.lock, flags);
158         if (crng_ready())
159                 nb->notifier_call(nb, 0, NULL);
160         else
161                 ret = raw_notifier_chain_register((struct raw_notifier_head *)&random_ready_notifier.head, nb);
162         spin_unlock_irqrestore(&random_ready_notifier.lock, flags);
163         return ret;
164 }
165
166 #define warn_unseeded_randomness() \
167         if (IS_ENABLED(CONFIG_WARN_ALL_UNSEEDED_RANDOM) && !crng_ready()) \
168                 printk_deferred(KERN_NOTICE "random: %s called from %pS with crng_init=%d\n", \
169                                 __func__, (void *)_RET_IP_, crng_init)
170
171
172 /*********************************************************************
173  *
174  * Fast key erasure RNG, the "crng".
175  *
176  * These functions expand entropy from the entropy extractor into
177  * long streams for external consumption using the "fast key erasure"
178  * RNG described at <https://blog.cr.yp.to/20170723-random.html>.
179  *
180  * There are a few exported interfaces for use by other drivers:
181  *
182  *      void get_random_bytes(void *buf, size_t len)
183  *      u8 get_random_u8()
184  *      u16 get_random_u16()
185  *      u32 get_random_u32()
186  *      u32 get_random_u32_below(u32 ceil)
187  *      u32 get_random_u32_above(u32 floor)
188  *      u32 get_random_u32_inclusive(u32 floor, u32 ceil)
189  *      u64 get_random_u64()
190  *      unsigned long get_random_long()
191  *
192  * These interfaces will return the requested number of random bytes
193  * into the given buffer or as a return value. This is equivalent to
194  * a read from /dev/urandom. The u8, u16, u32, u64, long family of
195  * functions may be higher performance for one-off random integers,
196  * because they do a bit of buffering and do not invoke reseeding
197  * until the buffer is emptied.
198  *
199  *********************************************************************/
200
201 enum {
202         CRNG_RESEED_START_INTERVAL = HZ,
203         CRNG_RESEED_INTERVAL = 60 * HZ
204 };
205
206 static struct {
207         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE] __aligned(__alignof__(long));
208         unsigned long generation;
209         spinlock_t lock;
210 } base_crng = {
211         .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(base_crng.lock)
212 };
213
214 struct crng {
215         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE];
216         unsigned long generation;
217         local_lock_t lock;
218 };
219
220 static DEFINE_PER_CPU(struct crng, crngs) = {
221         .generation = ULONG_MAX,
222         .lock = INIT_LOCAL_LOCK(crngs.lock),
223 };
224
225 /*
226  * Return the interval until the next reseeding, which is normally
227  * CRNG_RESEED_INTERVAL, but during early boot, it is at an interval
228  * proportional to the uptime.
229  */
230 static unsigned int crng_reseed_interval(void)
231 {
232         static bool early_boot = true;
233
234         if (unlikely(READ_ONCE(early_boot))) {
235                 time64_t uptime = ktime_get_seconds();
236                 if (uptime >= CRNG_RESEED_INTERVAL / HZ * 2)
237                         WRITE_ONCE(early_boot, false);
238                 else
239                         return max_t(unsigned int, CRNG_RESEED_START_INTERVAL,
240                                      (unsigned int)uptime / 2 * HZ);
241         }
242         return CRNG_RESEED_INTERVAL;
243 }
244
245 /* Used by crng_reseed() and crng_make_state() to extract a new seed from the input pool. */
246 static void extract_entropy(void *buf, size_t len);
247
248 /* This extracts a new crng key from the input pool. */
249 static void crng_reseed(struct work_struct *work)
250 {
251         static DECLARE_DELAYED_WORK(next_reseed, crng_reseed);
252         unsigned long flags;
253         unsigned long next_gen;
254         u8 key[CHACHA_KEY_SIZE];
255
256         /* Immediately schedule the next reseeding, so that it fires sooner rather than later. */
257         if (likely(system_unbound_wq))
258                 queue_delayed_work(system_unbound_wq, &next_reseed, crng_reseed_interval());
259
260         extract_entropy(key, sizeof(key));
261
262         /*
263          * We copy the new key into the base_crng, overwriting the old one,
264          * and update the generation counter. We avoid hitting ULONG_MAX,
265          * because the per-cpu crngs are initialized to ULONG_MAX, so this
266          * forces new CPUs that come online to always initialize.
267          */
268         spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
269         memcpy(base_crng.key, key, sizeof(base_crng.key));
270         next_gen = base_crng.generation + 1;
271         if (next_gen == ULONG_MAX)
272                 ++next_gen;
273         WRITE_ONCE(base_crng.generation, next_gen);
274         if (!static_branch_likely(&crng_is_ready))
275                 crng_init = CRNG_READY;
276         spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
277         memzero_explicit(key, sizeof(key));
278 }
279
280 /*
281  * This generates a ChaCha block using the provided key, and then
282  * immediately overwrites that key with half the block. It returns
283  * the resultant ChaCha state to the user, along with the second
284  * half of the block containing 32 bytes of random data that may
285  * be used; random_data_len may not be greater than 32.
286  *
287  * The returned ChaCha state contains within it a copy of the old
288  * key value, at index 4, so the state should always be zeroed out
289  * immediately after using in order to maintain forward secrecy.
290  * If the state cannot be erased in a timely manner, then it is
291  * safer to set the random_data parameter to &chacha_state[4] so
292  * that this function overwrites it before returning.
293  */
294 static void crng_fast_key_erasure(u8 key[CHACHA_KEY_SIZE],
295                                   u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS],
296                                   u8 *random_data, size_t random_data_len)
297 {
298         u8 first_block[CHACHA_BLOCK_SIZE];
299
300         BUG_ON(random_data_len > 32);
301
302         chacha_init_consts(chacha_state);
303         memcpy(&chacha_state[4], key, CHACHA_KEY_SIZE);
304         memset(&chacha_state[12], 0, sizeof(u32) * 4);
305         chacha20_block(chacha_state, first_block);
306
307         memcpy(key, first_block, CHACHA_KEY_SIZE);
308         memcpy(random_data, first_block + CHACHA_KEY_SIZE, random_data_len);
309         memzero_explicit(first_block, sizeof(first_block));
310 }
311
312 /*
313  * This function returns a ChaCha state that you may use for generating
314  * random data. It also returns up to 32 bytes on its own of random data
315  * that may be used; random_data_len may not be greater than 32.
316  */
317 static void crng_make_state(u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS],
318                             u8 *random_data, size_t random_data_len)
319 {
320         unsigned long flags;
321         struct crng *crng;
322
323         BUG_ON(random_data_len > 32);
324
325         /*
326          * For the fast path, we check whether we're ready, unlocked first, and
327          * then re-check once locked later. In the case where we're really not
328          * ready, we do fast key erasure with the base_crng directly, extracting
329          * when crng_init is CRNG_EMPTY.
330          */
331         if (!crng_ready()) {
332                 bool ready;
333
334                 spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
335                 ready = crng_ready();
336                 if (!ready) {
337                         if (crng_init == CRNG_EMPTY)
338                                 extract_entropy(base_crng.key, sizeof(base_crng.key));
339                         crng_fast_key_erasure(base_crng.key, chacha_state,
340                                               random_data, random_data_len);
341                 }
342                 spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
343                 if (!ready)
344                         return;
345         }
346
347         local_lock_irqsave(&crngs.lock, flags);
348         crng = raw_cpu_ptr(&crngs);
349
350         /*
351          * If our per-cpu crng is older than the base_crng, then it means
352          * somebody reseeded the base_crng. In that case, we do fast key
353          * erasure on the base_crng, and use its output as the new key
354          * for our per-cpu crng. This brings us up to date with base_crng.
355          */
356         if (unlikely(crng->generation != READ_ONCE(base_crng.generation))) {
357                 spin_lock(&base_crng.lock);
358                 crng_fast_key_erasure(base_crng.key, chacha_state,
359                                       crng->key, sizeof(crng->key));
360                 crng->generation = base_crng.generation;
361                 spin_unlock(&base_crng.lock);
362         }
363
364         /*
365          * Finally, when we've made it this far, our per-cpu crng has an up
366          * to date key, and we can do fast key erasure with it to produce
367          * some random data and a ChaCha state for the caller. All other
368          * branches of this function are "unlikely", so most of the time we
369          * should wind up here immediately.
370          */
371         crng_fast_key_erasure(crng->key, chacha_state, random_data, random_data_len);
372         local_unlock_irqrestore(&crngs.lock, flags);
373 }
374
375 static void _get_random_bytes(void *buf, size_t len)
376 {
377         u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS];
378         u8 tmp[CHACHA_BLOCK_SIZE];
379         size_t first_block_len;
380
381         if (!len)
382                 return;
383
384         first_block_len = min_t(size_t, 32, len);
385         crng_make_state(chacha_state, buf, first_block_len);
386         len -= first_block_len;
387         buf += first_block_len;
388
389         while (len) {
390                 if (len < CHACHA_BLOCK_SIZE) {
391                         chacha20_block(chacha_state, tmp);
392                         memcpy(buf, tmp, len);
393                         memzero_explicit(tmp, sizeof(tmp));
394                         break;
395                 }
396
397                 chacha20_block(chacha_state, buf);
398                 if (unlikely(chacha_state[12] == 0))
399                         ++chacha_state[13];
400                 len -= CHACHA_BLOCK_SIZE;
401                 buf += CHACHA_BLOCK_SIZE;
402         }
403
404         memzero_explicit(chacha_state, sizeof(chacha_state));
405 }
406
407 /*
408  * This returns random bytes in arbitrary quantities. The quality of the
409  * random bytes is good as /dev/urandom. In order to ensure that the
410  * randomness provided by this function is okay, the function
411  * wait_for_random_bytes() should be called and return 0 at least once
412  * at any point prior.
413  */
414 void get_random_bytes(void *buf, size_t len)
415 {
416         warn_unseeded_randomness();
417         _get_random_bytes(buf, len);
418 }
419 EXPORT_SYMBOL(get_random_bytes);
420
421 static ssize_t get_random_bytes_user(struct iov_iter *iter)
422 {
423         u32 chacha_state[CHACHA_STATE_WORDS];
424         u8 block[CHACHA_BLOCK_SIZE];
425         size_t ret = 0, copied;
426
427         if (unlikely(!iov_iter_count(iter)))
428                 return 0;
429
430         /*
431          * Immediately overwrite the ChaCha key at index 4 with random
432          * bytes, in case userspace causes copy_to_iter() below to sleep
433          * forever, so that we still retain forward secrecy in that case.
434          */
435         crng_make_state(chacha_state, (u8 *)&chacha_state[4], CHACHA_KEY_SIZE);
436         /*
437          * However, if we're doing a read of len <= 32, we don't need to
438          * use chacha_state after, so we can simply return those bytes to
439          * the user directly.
440          */
441         if (iov_iter_count(iter) <= CHACHA_KEY_SIZE) {
442                 ret = copy_to_iter(&chacha_state[4], CHACHA_KEY_SIZE, iter);
443                 goto out_zero_chacha;
444         }
445
446         for (;;) {
447                 chacha20_block(chacha_state, block);
448                 if (unlikely(chacha_state[12] == 0))
449                         ++chacha_state[13];
450
451                 copied = copy_to_iter(block, sizeof(block), iter);
452                 ret += copied;
453                 if (!iov_iter_count(iter) || copied != sizeof(block))
454                         break;
455
456                 BUILD_BUG_ON(PAGE_SIZE % sizeof(block) != 0);
457                 if (ret % PAGE_SIZE == 0) {
458                         if (signal_pending(current))
459                                 break;
460                         cond_resched();
461                 }
462         }
463
464         memzero_explicit(block, sizeof(block));
465 out_zero_chacha:
466         memzero_explicit(chacha_state, sizeof(chacha_state));
467         return ret ? ret : -EFAULT;
468 }
469
470 /*
471  * Batched entropy returns random integers. The quality of the random
472  * number is good as /dev/urandom. In order to ensure that the randomness
473  * provided by this function is okay, the function wait_for_random_bytes()
474  * should be called and return 0 at least once at any point prior.
475  */
476
477 #define DEFINE_BATCHED_ENTROPY(type)                                            \
478 struct batch_ ##type {                                                          \
479         /*                                                                      \
480          * We make this 1.5x a ChaCha block, so that we get the                 \
481          * remaining 32 bytes from fast key erasure, plus one full              \
482          * block from the detached ChaCha state. We can increase                \
483          * the size of this later if needed so long as we keep the              \
484          * formula of (integer_blocks + 0.5) * CHACHA_BLOCK_SIZE.               \
485          */                                                                     \
486         type entropy[CHACHA_BLOCK_SIZE * 3 / (2 * sizeof(type))];               \
487         local_lock_t lock;                                                      \
488         unsigned long generation;                                               \
489         unsigned int position;                                                  \
490 };                                                                              \
491                                                                                 \
492 static DEFINE_PER_CPU(struct batch_ ##type, batched_entropy_ ##type) = {        \
493         .lock = INIT_LOCAL_LOCK(batched_entropy_ ##type.lock),                  \
494         .position = UINT_MAX                                                    \
495 };                                                                              \
496                                                                                 \
497 type get_random_ ##type(void)                                                   \
498 {                                                                               \
499         type ret;                                                               \
500         unsigned long flags;                                                    \
501         struct batch_ ##type *batch;                                            \
502         unsigned long next_gen;                                                 \
503                                                                                 \
504         warn_unseeded_randomness();                                             \
505                                                                                 \
506         if  (!crng_ready()) {                                                   \
507                 _get_random_bytes(&ret, sizeof(ret));                           \
508                 return ret;                                                     \
509         }                                                                       \
510                                                                                 \
511         local_lock_irqsave(&batched_entropy_ ##type.lock, flags);               \
512         batch = raw_cpu_ptr(&batched_entropy_##type);                           \
513                                                                                 \
514         next_gen = READ_ONCE(base_crng.generation);                             \
515         if (batch->position >= ARRAY_SIZE(batch->entropy) ||                    \
516             next_gen != batch->generation) {                                    \
517                 _get_random_bytes(batch->entropy, sizeof(batch->entropy));      \
518                 batch->position = 0;                                            \
519                 batch->generation = next_gen;                                   \
520         }                                                                       \
521                                                                                 \
522         ret = batch->entropy[batch->position];                                  \
523         batch->entropy[batch->position] = 0;                                    \
524         ++batch->position;                                                      \
525         local_unlock_irqrestore(&batched_entropy_ ##type.lock, flags);          \
526         return ret;                                                             \
527 }                                                                               \
528 EXPORT_SYMBOL(get_random_ ##type);
529
530 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u8)
531 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u16)
532 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u32)
533 DEFINE_BATCHED_ENTROPY(u64)
534
535 u32 __get_random_u32_below(u32 ceil)
536 {
537         /*
538          * This is the slow path for variable ceil. It is still fast, most of
539          * the time, by doing traditional reciprocal multiplication and
540          * opportunistically comparing the lower half to ceil itself, before
541          * falling back to computing a larger bound, and then rejecting samples
542          * whose lower half would indicate a range indivisible by ceil. The use
543          * of `-ceil % ceil` is analogous to `2^32 % ceil`, but is computable
544          * in 32-bits.
545          */
546         u32 rand = get_random_u32();
547         u64 mult;
548
549         /*
550          * This function is technically undefined for ceil == 0, and in fact
551          * for the non-underscored constant version in the header, we build bug
552          * on that. But for the non-constant case, it's convenient to have that
553          * evaluate to being a straight call to get_random_u32(), so that
554          * get_random_u32_inclusive() can work over its whole range without
555          * undefined behavior.
556          */
557         if (unlikely(!ceil))
558                 return rand;
559
560         mult = (u64)ceil * rand;
561         if (unlikely((u32)mult < ceil)) {
562                 u32 bound = -ceil % ceil;
563                 while (unlikely((u32)mult < bound))
564                         mult = (u64)ceil * get_random_u32();
565         }
566         return mult >> 32;
567 }
568 EXPORT_SYMBOL(__get_random_u32_below);
569
570 #ifdef CONFIG_SMP
571 /*
572  * This function is called when the CPU is coming up, with entry
573  * CPUHP_RANDOM_PREPARE, which comes before CPUHP_WORKQUEUE_PREP.
574  */
575 int __cold random_prepare_cpu(unsigned int cpu)
576 {
577         /*
578          * When the cpu comes back online, immediately invalidate both
579          * the per-cpu crng and all batches, so that we serve fresh
580          * randomness.
581          */
582         per_cpu_ptr(&crngs, cpu)->generation = ULONG_MAX;
583         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u8, cpu)->position = UINT_MAX;
584         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u16, cpu)->position = UINT_MAX;
585         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u32, cpu)->position = UINT_MAX;
586         per_cpu_ptr(&batched_entropy_u64, cpu)->position = UINT_MAX;
587         return 0;
588 }
589 #endif
590
591
592 /**********************************************************************
593  *
594  * Entropy accumulation and extraction routines.
595  *
596  * Callers may add entropy via:
597  *
598  *     static void mix_pool_bytes(const void *buf, size_t len)
599  *
600  * After which, if added entropy should be credited:
601  *
602  *     static void credit_init_bits(size_t bits)
603  *
604  * Finally, extract entropy via:
605  *
606  *     static void extract_entropy(void *buf, size_t len)
607  *
608  **********************************************************************/
609
610 enum {
611         POOL_BITS = BLAKE2S_HASH_SIZE * 8,
612         POOL_READY_BITS = POOL_BITS, /* When crng_init->CRNG_READY */
613         POOL_EARLY_BITS = POOL_READY_BITS / 2 /* When crng_init->CRNG_EARLY */
614 };
615
616 static struct {
617         struct blake2s_state hash;
618         spinlock_t lock;
619         unsigned int init_bits;
620 } input_pool = {
621         .hash.h = { BLAKE2S_IV0 ^ (0x01010000 | BLAKE2S_HASH_SIZE),
622                     BLAKE2S_IV1, BLAKE2S_IV2, BLAKE2S_IV3, BLAKE2S_IV4,
623                     BLAKE2S_IV5, BLAKE2S_IV6, BLAKE2S_IV7 },
624         .hash.outlen = BLAKE2S_HASH_SIZE,
625         .lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(input_pool.lock),
626 };
627
628 static void _mix_pool_bytes(const void *buf, size_t len)
629 {
630         blake2s_update(&input_pool.hash, buf, len);
631 }
632
633 /*
634  * This function adds bytes into the input pool. It does not
635  * update the initialization bit counter; the caller should call
636  * credit_init_bits if this is appropriate.
637  */
638 static void mix_pool_bytes(const void *buf, size_t len)
639 {
640         unsigned long flags;
641
642         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
643         _mix_pool_bytes(buf, len);
644         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
645 }
646
647 /*
648  * This is an HKDF-like construction for using the hashed collected entropy
649  * as a PRF key, that's then expanded block-by-block.
650  */
651 static void extract_entropy(void *buf, size_t len)
652 {
653         unsigned long flags;
654         u8 seed[BLAKE2S_HASH_SIZE], next_key[BLAKE2S_HASH_SIZE];
655         struct {
656                 unsigned long rdseed[32 / sizeof(long)];
657                 size_t counter;
658         } block;
659         size_t i, longs;
660
661         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(block.rdseed);) {
662                 longs = arch_get_random_seed_longs(&block.rdseed[i], ARRAY_SIZE(block.rdseed) - i);
663                 if (longs) {
664                         i += longs;
665                         continue;
666                 }
667                 longs = arch_get_random_longs(&block.rdseed[i], ARRAY_SIZE(block.rdseed) - i);
668                 if (longs) {
669                         i += longs;
670                         continue;
671                 }
672                 block.rdseed[i++] = random_get_entropy();
673         }
674
675         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
676
677         /* seed = HASHPRF(last_key, entropy_input) */
678         blake2s_final(&input_pool.hash, seed);
679
680         /* next_key = HASHPRF(seed, RDSEED || 0) */
681         block.counter = 0;
682         blake2s(next_key, (u8 *)&block, seed, sizeof(next_key), sizeof(block), sizeof(seed));
683         blake2s_init_key(&input_pool.hash, BLAKE2S_HASH_SIZE, next_key, sizeof(next_key));
684
685         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
686         memzero_explicit(next_key, sizeof(next_key));
687
688         while (len) {
689                 i = min_t(size_t, len, BLAKE2S_HASH_SIZE);
690                 /* output = HASHPRF(seed, RDSEED || ++counter) */
691                 ++block.counter;
692                 blake2s(buf, (u8 *)&block, seed, i, sizeof(block), sizeof(seed));
693                 len -= i;
694                 buf += i;
695         }
696
697         memzero_explicit(seed, sizeof(seed));
698         memzero_explicit(&block, sizeof(block));
699 }
700
701 #define credit_init_bits(bits) if (!crng_ready()) _credit_init_bits(bits)
702
703 static void __cold _credit_init_bits(size_t bits)
704 {
705         static struct execute_work set_ready;
706         unsigned int new, orig, add;
707         unsigned long flags;
708
709         if (!bits)
710                 return;
711
712         add = min_t(size_t, bits, POOL_BITS);
713
714         orig = READ_ONCE(input_pool.init_bits);
715         do {
716                 new = min_t(unsigned int, POOL_BITS, orig + add);
717         } while (!try_cmpxchg(&input_pool.init_bits, &orig, new));
718
719         if (orig < POOL_READY_BITS && new >= POOL_READY_BITS) {
720                 crng_reseed(NULL); /* Sets crng_init to CRNG_READY under base_crng.lock. */
721                 if (static_key_initialized)
722                         execute_in_process_context(crng_set_ready, &set_ready);
723                 atomic_notifier_call_chain(&random_ready_notifier, 0, NULL);
724                 wake_up_interruptible(&crng_init_wait);
725                 kill_fasync(&fasync, SIGIO, POLL_IN);
726                 pr_notice("crng init done\n");
727                 if (urandom_warning.missed)
728                         pr_notice("%d urandom warning(s) missed due to ratelimiting\n",
729                                   urandom_warning.missed);
730         } else if (orig < POOL_EARLY_BITS && new >= POOL_EARLY_BITS) {
731                 spin_lock_irqsave(&base_crng.lock, flags);
732                 /* Check if crng_init is CRNG_EMPTY, to avoid race with crng_reseed(). */
733                 if (crng_init == CRNG_EMPTY) {
734                         extract_entropy(base_crng.key, sizeof(base_crng.key));
735                         crng_init = CRNG_EARLY;
736                 }
737                 spin_unlock_irqrestore(&base_crng.lock, flags);
738         }
739 }
740
741
742 /**********************************************************************
743  *
744  * Entropy collection routines.
745  *
746  * The following exported functions are used for pushing entropy into
747  * the above entropy accumulation routines:
748  *
749  *      void add_device_randomness(const void *buf, size_t len);
750  *      void add_hwgenerator_randomness(const void *buf, size_t len, size_t entropy, bool sleep_after);
751  *      void add_bootloader_randomness(const void *buf, size_t len);
752  *      void add_vmfork_randomness(const void *unique_vm_id, size_t len);
753  *      void add_interrupt_randomness(int irq);
754  *      void add_input_randomness(unsigned int type, unsigned int code, unsigned int value);
755  *      void add_disk_randomness(struct gendisk *disk);
756  *
757  * add_device_randomness() adds data to the input pool that
758  * is likely to differ between two devices (or possibly even per boot).
759  * This would be things like MAC addresses or serial numbers, or the
760  * read-out of the RTC. This does *not* credit any actual entropy to
761  * the pool, but it initializes the pool to different values for devices
762  * that might otherwise be identical and have very little entropy
763  * available to them (particularly common in the embedded world).
764  *
765  * add_hwgenerator_randomness() is for true hardware RNGs, and will credit
766  * entropy as specified by the caller. If the entropy pool is full it will
767  * block until more entropy is needed.
768  *
769  * add_bootloader_randomness() is called by bootloader drivers, such as EFI
770  * and device tree, and credits its input depending on whether or not the
771  * command line option 'random.trust_bootloader'.
772  *
773  * add_vmfork_randomness() adds a unique (but not necessarily secret) ID
774  * representing the current instance of a VM to the pool, without crediting,
775  * and then force-reseeds the crng so that it takes effect immediately.
776  *
777  * add_interrupt_randomness() uses the interrupt timing as random
778  * inputs to the entropy pool. Using the cycle counters and the irq source
779  * as inputs, it feeds the input pool roughly once a second or after 64
780  * interrupts, crediting 1 bit of entropy for whichever comes first.
781  *
782  * add_input_randomness() uses the input layer interrupt timing, as well
783  * as the event type information from the hardware.
784  *
785  * add_disk_randomness() uses what amounts to the seek time of block
786  * layer request events, on a per-disk_devt basis, as input to the
787  * entropy pool. Note that high-speed solid state drives with very low
788  * seek times do not make for good sources of entropy, as their seek
789  * times are usually fairly consistent.
790  *
791  * The last two routines try to estimate how many bits of entropy
792  * to credit. They do this by keeping track of the first and second
793  * order deltas of the event timings.
794  *
795  **********************************************************************/
796
797 static bool trust_cpu __initdata = true;
798 static bool trust_bootloader __initdata = true;
799 static int __init parse_trust_cpu(char *arg)
800 {
801         return kstrtobool(arg, &trust_cpu);
802 }
803 static int __init parse_trust_bootloader(char *arg)
804 {
805         return kstrtobool(arg, &trust_bootloader);
806 }
807 early_param("random.trust_cpu", parse_trust_cpu);
808 early_param("random.trust_bootloader", parse_trust_bootloader);
809
810 static int random_pm_notification(struct notifier_block *nb, unsigned long action, void *data)
811 {
812         unsigned long flags, entropy = random_get_entropy();
813
814         /*
815          * Encode a representation of how long the system has been suspended,
816          * in a way that is distinct from prior system suspends.
817          */
818         ktime_t stamps[] = { ktime_get(), ktime_get_boottime(), ktime_get_real() };
819
820         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
821         _mix_pool_bytes(&action, sizeof(action));
822         _mix_pool_bytes(stamps, sizeof(stamps));
823         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
824         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
825
826         if (crng_ready() && (action == PM_RESTORE_PREPARE ||
827             (action == PM_POST_SUSPEND && !IS_ENABLED(CONFIG_PM_AUTOSLEEP) &&
828              !IS_ENABLED(CONFIG_PM_USERSPACE_AUTOSLEEP)))) {
829                 crng_reseed(NULL);
830                 pr_notice("crng reseeded on system resumption\n");
831         }
832         return 0;
833 }
834
835 static struct notifier_block pm_notifier = { .notifier_call = random_pm_notification };
836
837 /*
838  * This is called extremely early, before time keeping functionality is
839  * available, but arch randomness is. Interrupts are not yet enabled.
840  */
841 void __init random_init_early(const char *command_line)
842 {
843         unsigned long entropy[BLAKE2S_BLOCK_SIZE / sizeof(long)];
844         size_t i, longs, arch_bits;
845
846 #if defined(LATENT_ENTROPY_PLUGIN)
847         static const u8 compiletime_seed[BLAKE2S_BLOCK_SIZE] __initconst __latent_entropy;
848         _mix_pool_bytes(compiletime_seed, sizeof(compiletime_seed));
849 #endif
850
851         for (i = 0, arch_bits = sizeof(entropy) * 8; i < ARRAY_SIZE(entropy);) {
852                 longs = arch_get_random_seed_longs(entropy, ARRAY_SIZE(entropy) - i);
853                 if (longs) {
854                         _mix_pool_bytes(entropy, sizeof(*entropy) * longs);
855                         i += longs;
856                         continue;
857                 }
858                 longs = arch_get_random_longs(entropy, ARRAY_SIZE(entropy) - i);
859                 if (longs) {
860                         _mix_pool_bytes(entropy, sizeof(*entropy) * longs);
861                         i += longs;
862                         continue;
863                 }
864                 arch_bits -= sizeof(*entropy) * 8;
865                 ++i;
866         }
867
868         _mix_pool_bytes(init_utsname(), sizeof(*(init_utsname())));
869         _mix_pool_bytes(command_line, strlen(command_line));
870
871         /* Reseed if already seeded by earlier phases. */
872         if (crng_ready())
873                 crng_reseed(NULL);
874         else if (trust_cpu)
875                 _credit_init_bits(arch_bits);
876 }
877
878 /*
879  * This is called a little bit after the prior function, and now there is
880  * access to timestamps counters. Interrupts are not yet enabled.
881  */
882 void __init random_init(void)
883 {
884         unsigned long entropy = random_get_entropy();
885         ktime_t now = ktime_get_real();
886
887         _mix_pool_bytes(&now, sizeof(now));
888         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
889         add_latent_entropy();
890
891         /*
892          * If we were initialized by the cpu or bootloader before jump labels
893          * are initialized, then we should enable the static branch here, where
894          * it's guaranteed that jump labels have been initialized.
895          */
896         if (!static_branch_likely(&crng_is_ready) && crng_init >= CRNG_READY)
897                 crng_set_ready(NULL);
898
899         /* Reseed if already seeded by earlier phases. */
900         if (crng_ready())
901                 crng_reseed(NULL);
902
903         WARN_ON(register_pm_notifier(&pm_notifier));
904
905         WARN(!entropy, "Missing cycle counter and fallback timer; RNG "
906                        "entropy collection will consequently suffer.");
907 }
908
909 /*
910  * Add device- or boot-specific data to the input pool to help
911  * initialize it.
912  *
913  * None of this adds any entropy; it is meant to avoid the problem of
914  * the entropy pool having similar initial state across largely
915  * identical devices.
916  */
917 void add_device_randomness(const void *buf, size_t len)
918 {
919         unsigned long entropy = random_get_entropy();
920         unsigned long flags;
921
922         spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
923         _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
924         _mix_pool_bytes(buf, len);
925         spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
926 }
927 EXPORT_SYMBOL(add_device_randomness);
928
929 /*
930  * Interface for in-kernel drivers of true hardware RNGs. Those devices
931  * may produce endless random bits, so this function will sleep for
932  * some amount of time after, if the sleep_after parameter is true.
933  */
934 void add_hwgenerator_randomness(const void *buf, size_t len, size_t entropy, bool sleep_after)
935 {
936         mix_pool_bytes(buf, len);
937         credit_init_bits(entropy);
938
939         /*
940          * Throttle writing to once every reseed interval, unless we're not yet
941          * initialized or no entropy is credited.
942          */
943         if (sleep_after && !kthread_should_stop() && (crng_ready() || !entropy))
944                 schedule_timeout_interruptible(crng_reseed_interval());
945 }
946 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_hwgenerator_randomness);
947
948 /*
949  * Handle random seed passed by bootloader, and credit it depending
950  * on the command line option 'random.trust_bootloader'.
951  */
952 void __init add_bootloader_randomness(const void *buf, size_t len)
953 {
954         mix_pool_bytes(buf, len);
955         if (trust_bootloader)
956                 credit_init_bits(len * 8);
957 }
958
959 #if IS_ENABLED(CONFIG_VMGENID)
960 static BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(vmfork_chain);
961
962 /*
963  * Handle a new unique VM ID, which is unique, not secret, so we
964  * don't credit it, but we do immediately force a reseed after so
965  * that it's used by the crng posthaste.
966  */
967 void __cold add_vmfork_randomness(const void *unique_vm_id, size_t len)
968 {
969         add_device_randomness(unique_vm_id, len);
970         if (crng_ready()) {
971                 crng_reseed(NULL);
972                 pr_notice("crng reseeded due to virtual machine fork\n");
973         }
974         blocking_notifier_call_chain(&vmfork_chain, 0, NULL);
975 }
976 #if IS_MODULE(CONFIG_VMGENID)
977 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_vmfork_randomness);
978 #endif
979
980 int __cold register_random_vmfork_notifier(struct notifier_block *nb)
981 {
982         return blocking_notifier_chain_register(&vmfork_chain, nb);
983 }
984 EXPORT_SYMBOL_GPL(register_random_vmfork_notifier);
985
986 int __cold unregister_random_vmfork_notifier(struct notifier_block *nb)
987 {
988         return blocking_notifier_chain_unregister(&vmfork_chain, nb);
989 }
990 EXPORT_SYMBOL_GPL(unregister_random_vmfork_notifier);
991 #endif
992
993 struct fast_pool {
994         unsigned long pool[4];
995         unsigned long last;
996         unsigned int count;
997         struct timer_list mix;
998 };
999
1000 static void mix_interrupt_randomness(struct timer_list *work);
1001
1002 static DEFINE_PER_CPU(struct fast_pool, irq_randomness) = {
1003 #ifdef CONFIG_64BIT
1004 #define FASTMIX_PERM SIPHASH_PERMUTATION
1005         .pool = { SIPHASH_CONST_0, SIPHASH_CONST_1, SIPHASH_CONST_2, SIPHASH_CONST_3 },
1006 #else
1007 #define FASTMIX_PERM HSIPHASH_PERMUTATION
1008         .pool = { HSIPHASH_CONST_0, HSIPHASH_CONST_1, HSIPHASH_CONST_2, HSIPHASH_CONST_3 },
1009 #endif
1010         .mix = __TIMER_INITIALIZER(mix_interrupt_randomness, 0)
1011 };
1012
1013 /*
1014  * This is [Half]SipHash-1-x, starting from an empty key. Because
1015  * the key is fixed, it assumes that its inputs are non-malicious,
1016  * and therefore this has no security on its own. s represents the
1017  * four-word SipHash state, while v represents a two-word input.
1018  */
1019 static void fast_mix(unsigned long s[4], unsigned long v1, unsigned long v2)
1020 {
1021         s[3] ^= v1;
1022         FASTMIX_PERM(s[0], s[1], s[2], s[3]);
1023         s[0] ^= v1;
1024         s[3] ^= v2;
1025         FASTMIX_PERM(s[0], s[1], s[2], s[3]);
1026         s[0] ^= v2;
1027 }
1028
1029 #ifdef CONFIG_SMP
1030 /*
1031  * This function is called when the CPU has just come online, with
1032  * entry CPUHP_AP_RANDOM_ONLINE, just after CPUHP_AP_WORKQUEUE_ONLINE.
1033  */
1034 int __cold random_online_cpu(unsigned int cpu)
1035 {
1036         /*
1037          * During CPU shutdown and before CPU onlining, add_interrupt_
1038          * randomness() may schedule mix_interrupt_randomness(), and
1039          * set the MIX_INFLIGHT flag. However, because the worker can
1040          * be scheduled on a different CPU during this period, that
1041          * flag will never be cleared. For that reason, we zero out
1042          * the flag here, which runs just after workqueues are onlined
1043          * for the CPU again. This also has the effect of setting the
1044          * irq randomness count to zero so that new accumulated irqs
1045          * are fresh.
1046          */
1047         per_cpu_ptr(&irq_randomness, cpu)->count = 0;
1048         return 0;
1049 }
1050 #endif
1051
1052 static void mix_interrupt_randomness(struct timer_list *work)
1053 {
1054         struct fast_pool *fast_pool = container_of(work, struct fast_pool, mix);
1055         /*
1056          * The size of the copied stack pool is explicitly 2 longs so that we
1057          * only ever ingest half of the siphash output each time, retaining
1058          * the other half as the next "key" that carries over. The entropy is
1059          * supposed to be sufficiently dispersed between bits so on average
1060          * we don't wind up "losing" some.
1061          */
1062         unsigned long pool[2];
1063         unsigned int count;
1064
1065         /* Check to see if we're running on the wrong CPU due to hotplug. */
1066         local_irq_disable();
1067         if (fast_pool != this_cpu_ptr(&irq_randomness)) {
1068                 local_irq_enable();
1069                 return;
1070         }
1071
1072         /*
1073          * Copy the pool to the stack so that the mixer always has a
1074          * consistent view, before we reenable irqs again.
1075          */
1076         memcpy(pool, fast_pool->pool, sizeof(pool));
1077         count = fast_pool->count;
1078         fast_pool->count = 0;
1079         fast_pool->last = jiffies;
1080         local_irq_enable();
1081
1082         mix_pool_bytes(pool, sizeof(pool));
1083         credit_init_bits(clamp_t(unsigned int, (count & U16_MAX) / 64, 1, sizeof(pool) * 8));
1084
1085         memzero_explicit(pool, sizeof(pool));
1086 }
1087
1088 void add_interrupt_randomness(int irq)
1089 {
1090         enum { MIX_INFLIGHT = 1U << 31 };
1091         unsigned long entropy = random_get_entropy();
1092         struct fast_pool *fast_pool = this_cpu_ptr(&irq_randomness);
1093         struct pt_regs *regs = get_irq_regs();
1094         unsigned int new_count;
1095
1096         fast_mix(fast_pool->pool, entropy,
1097                  (regs ? instruction_pointer(regs) : _RET_IP_) ^ swab(irq));
1098         new_count = ++fast_pool->count;
1099
1100         if (new_count & MIX_INFLIGHT)
1101                 return;
1102
1103         if (new_count < 1024 && !time_is_before_jiffies(fast_pool->last + HZ))
1104                 return;
1105
1106         fast_pool->count |= MIX_INFLIGHT;
1107         if (!timer_pending(&fast_pool->mix)) {
1108                 fast_pool->mix.expires = jiffies;
1109                 add_timer_on(&fast_pool->mix, raw_smp_processor_id());
1110         }
1111 }
1112 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_interrupt_randomness);
1113
1114 /* There is one of these per entropy source */
1115 struct timer_rand_state {
1116         unsigned long last_time;
1117         long last_delta, last_delta2;
1118 };
1119
1120 /*
1121  * This function adds entropy to the entropy "pool" by using timing
1122  * delays. It uses the timer_rand_state structure to make an estimate
1123  * of how many bits of entropy this call has added to the pool. The
1124  * value "num" is also added to the pool; it should somehow describe
1125  * the type of event that just happened.
1126  */
1127 static void add_timer_randomness(struct timer_rand_state *state, unsigned int num)
1128 {
1129         unsigned long entropy = random_get_entropy(), now = jiffies, flags;
1130         long delta, delta2, delta3;
1131         unsigned int bits;
1132
1133         /*
1134          * If we're in a hard IRQ, add_interrupt_randomness() will be called
1135          * sometime after, so mix into the fast pool.
1136          */
1137         if (in_hardirq()) {
1138                 fast_mix(this_cpu_ptr(&irq_randomness)->pool, entropy, num);
1139         } else {
1140                 spin_lock_irqsave(&input_pool.lock, flags);
1141                 _mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
1142                 _mix_pool_bytes(&num, sizeof(num));
1143                 spin_unlock_irqrestore(&input_pool.lock, flags);
1144         }
1145
1146         if (crng_ready())
1147                 return;
1148
1149         /*
1150          * Calculate number of bits of randomness we probably added.
1151          * We take into account the first, second and third-order deltas
1152          * in order to make our estimate.
1153          */
1154         delta = now - READ_ONCE(state->last_time);
1155         WRITE_ONCE(state->last_time, now);
1156
1157         delta2 = delta - READ_ONCE(state->last_delta);
1158         WRITE_ONCE(state->last_delta, delta);
1159
1160         delta3 = delta2 - READ_ONCE(state->last_delta2);
1161         WRITE_ONCE(state->last_delta2, delta2);
1162
1163         if (delta < 0)
1164                 delta = -delta;
1165         if (delta2 < 0)
1166                 delta2 = -delta2;
1167         if (delta3 < 0)
1168                 delta3 = -delta3;
1169         if (delta > delta2)
1170                 delta = delta2;
1171         if (delta > delta3)
1172                 delta = delta3;
1173
1174         /*
1175          * delta is now minimum absolute delta. Round down by 1 bit
1176          * on general principles, and limit entropy estimate to 11 bits.
1177          */
1178         bits = min(fls(delta >> 1), 11);
1179
1180         /*
1181          * As mentioned above, if we're in a hard IRQ, add_interrupt_randomness()
1182          * will run after this, which uses a different crediting scheme of 1 bit
1183          * per every 64 interrupts. In order to let that function do accounting
1184          * close to the one in this function, we credit a full 64/64 bit per bit,
1185          * and then subtract one to account for the extra one added.
1186          */
1187         if (in_hardirq())
1188                 this_cpu_ptr(&irq_randomness)->count += max(1u, bits * 64) - 1;
1189         else
1190                 _credit_init_bits(bits);
1191 }
1192
1193 void add_input_randomness(unsigned int type, unsigned int code, unsigned int value)
1194 {
1195         static unsigned char last_value;
1196         static struct timer_rand_state input_timer_state = { INITIAL_JIFFIES };
1197
1198         /* Ignore autorepeat and the like. */
1199         if (value == last_value)
1200                 return;
1201
1202         last_value = value;
1203         add_timer_randomness(&input_timer_state,
1204                              (type << 4) ^ code ^ (code >> 4) ^ value);
1205 }
1206 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_input_randomness);
1207
1208 #ifdef CONFIG_BLOCK
1209 void add_disk_randomness(struct gendisk *disk)
1210 {
1211         if (!disk || !disk->random)
1212                 return;
1213         /* First major is 1, so we get >= 0x200 here. */
1214         add_timer_randomness(disk->random, 0x100 + disk_devt(disk));
1215 }
1216 EXPORT_SYMBOL_GPL(add_disk_randomness);
1217
1218 void __cold rand_initialize_disk(struct gendisk *disk)
1219 {
1220         struct timer_rand_state *state;
1221
1222         /*
1223          * If kzalloc returns null, we just won't use that entropy
1224          * source.
1225          */
1226         state = kzalloc(sizeof(struct timer_rand_state), GFP_KERNEL);
1227         if (state) {
1228                 state->last_time = INITIAL_JIFFIES;
1229                 disk->random = state;
1230         }
1231 }
1232 #endif
1233
1234 struct entropy_timer_state {
1235         unsigned long entropy;
1236         struct timer_list timer;
1237         atomic_t samples;
1238         unsigned int samples_per_bit;
1239 };
1240
1241 /*
1242  * Each time the timer fires, we expect that we got an unpredictable jump in
1243  * the cycle counter. Even if the timer is running on another CPU, the timer
1244  * activity will be touching the stack of the CPU that is generating entropy.
1245  *
1246  * Note that we don't re-arm the timer in the timer itself - we are happy to be
1247  * scheduled away, since that just makes the load more complex, but we do not
1248  * want the timer to keep ticking unless the entropy loop is running.
1249  *
1250  * So the re-arming always happens in the entropy loop itself.
1251  */
1252 static void __cold entropy_timer(struct timer_list *timer)
1253 {
1254         struct entropy_timer_state *state = container_of(timer, struct entropy_timer_state, timer);
1255         unsigned long entropy = random_get_entropy();
1256
1257         mix_pool_bytes(&entropy, sizeof(entropy));
1258         if (atomic_inc_return(&state->samples) % state->samples_per_bit == 0)
1259                 credit_init_bits(1);
1260 }
1261
1262 /*
1263  * If we have an actual cycle counter, see if we can generate enough entropy
1264  * with timing noise.
1265  */
1266 static void __cold try_to_generate_entropy(void)
1267 {
1268         enum { NUM_TRIAL_SAMPLES = 8192, MAX_SAMPLES_PER_BIT = HZ / 15 };
1269         u8 stack_bytes[sizeof(struct entropy_timer_state) + SMP_CACHE_BYTES - 1];
1270         struct entropy_timer_state *stack = PTR_ALIGN((void *)stack_bytes, SMP_CACHE_BYTES);
1271         unsigned int i, num_different = 0;
1272         unsigned long last = random_get_entropy();
1273         int cpu = -1;
1274
1275         for (i = 0; i < NUM_TRIAL_SAMPLES - 1; ++i) {
1276                 stack->entropy = random_get_entropy();
1277                 if (stack->entropy != last)
1278                         ++num_different;
1279                 last = stack->entropy;
1280         }
1281         stack->samples_per_bit = DIV_ROUND_UP(NUM_TRIAL_SAMPLES, num_different + 1);
1282         if (stack->samples_per_bit > MAX_SAMPLES_PER_BIT)
1283                 return;
1284
1285         atomic_set(&stack->samples, 0);
1286         timer_setup_on_stack(&stack->timer, entropy_timer, 0);
1287         while (!crng_ready() && !signal_pending(current)) {
1288                 /*
1289                  * Check !timer_pending() and then ensure that any previous callback has finished
1290                  * executing by checking try_to_del_timer_sync(), before queueing the next one.
1291                  */
1292                 if (!timer_pending(&stack->timer) && try_to_del_timer_sync(&stack->timer) >= 0) {
1293                         struct cpumask timer_cpus;
1294                         unsigned int num_cpus;
1295
1296                         /*
1297                          * Preemption must be disabled here, both to read the current CPU number
1298                          * and to avoid scheduling a timer on a dead CPU.
1299                          */
1300                         preempt_disable();
1301
1302                         /* Only schedule callbacks on timer CPUs that are online. */
1303                         cpumask_and(&timer_cpus, housekeeping_cpumask(HK_TYPE_TIMER), cpu_online_mask);
1304                         num_cpus = cpumask_weight(&timer_cpus);
1305                         /* In very bizarre case of misconfiguration, fallback to all online. */
1306                         if (unlikely(num_cpus == 0)) {
1307                                 timer_cpus = *cpu_online_mask;
1308                                 num_cpus = cpumask_weight(&timer_cpus);
1309                         }
1310
1311                         /* Basic CPU round-robin, which avoids the current CPU. */
1312                         do {
1313                                 cpu = cpumask_next(cpu, &timer_cpus);
1314                                 if (cpu >= nr_cpu_ids)
1315                                         cpu = cpumask_first(&timer_cpus);
1316                         } while (cpu == smp_processor_id() && num_cpus > 1);
1317
1318                         /* Expiring the timer at `jiffies` means it's the next tick. */
1319                         stack->timer.expires = jiffies;
1320
1321                         add_timer_on(&stack->timer, cpu);
1322
1323                         preempt_enable();
1324                 }
1325                 mix_pool_bytes(&stack->entropy, sizeof(stack->entropy));
1326                 schedule();
1327                 stack->entropy = random_get_entropy();
1328         }
1329         mix_pool_bytes(&stack->entropy, sizeof(stack->entropy));
1330
1331         del_timer_sync(&stack->timer);
1332         destroy_timer_on_stack(&stack->timer);
1333 }
1334
1335
1336 /**********************************************************************
1337  *
1338  * Userspace reader/writer interfaces.
1339  *
1340  * getrandom(2) is the primary modern interface into the RNG and should
1341  * be used in preference to anything else.
1342  *
1343  * Reading from /dev/random has the same functionality as calling
1344  * getrandom(2) with flags=0. In earlier versions, however, it had
1345  * vastly different semantics and should therefore be avoided, to
1346  * prevent backwards compatibility issues.
1347  *
1348  * Reading from /dev/urandom has the same functionality as calling
1349  * getrandom(2) with flags=GRND_INSECURE. Because it does not block
1350  * waiting for the RNG to be ready, it should not be used.
1351  *
1352  * Writing to either /dev/random or /dev/urandom adds entropy to
1353  * the input pool but does not credit it.
1354  *
1355  * Polling on /dev/random indicates when the RNG is initialized, on
1356  * the read side, and when it wants new entropy, on the write side.
1357  *
1358  * Both /dev/random and /dev/urandom have the same set of ioctls for
1359  * adding entropy, getting the entropy count, zeroing the count, and
1360  * reseeding the crng.
1361  *
1362  **********************************************************************/
1363
1364 SYSCALL_DEFINE3(getrandom, char __user *, ubuf, size_t, len, unsigned int, flags)
1365 {
1366         struct iov_iter iter;
1367         struct iovec iov;
1368         int ret;
1369
1370         if (flags & ~(GRND_NONBLOCK | GRND_RANDOM | GRND_INSECURE))
1371                 return -EINVAL;
1372
1373         /*
1374          * Requesting insecure and blocking randomness at the same time makes
1375          * no sense.
1376          */
1377         if ((flags & (GRND_INSECURE | GRND_RANDOM)) == (GRND_INSECURE | GRND_RANDOM))
1378                 return -EINVAL;
1379
1380         if (!crng_ready() && !(flags & GRND_INSECURE)) {
1381                 if (flags & GRND_NONBLOCK)
1382                         return -EAGAIN;
1383                 ret = wait_for_random_bytes();
1384                 if (unlikely(ret))
1385                         return ret;
1386         }
1387
1388         ret = import_single_range(ITER_DEST, ubuf, len, &iov, &iter);
1389         if (unlikely(ret))
1390                 return ret;
1391         return get_random_bytes_user(&iter);
1392 }
1393
1394 static __poll_t random_poll(struct file *file, poll_table *wait)
1395 {
1396         poll_wait(file, &crng_init_wait, wait);
1397         return crng_ready() ? EPOLLIN | EPOLLRDNORM : EPOLLOUT | EPOLLWRNORM;
1398 }
1399
1400 static ssize_t write_pool_user(struct iov_iter *iter)
1401 {
1402         u8 block[BLAKE2S_BLOCK_SIZE];
1403         ssize_t ret = 0;
1404         size_t copied;
1405
1406         if (unlikely(!iov_iter_count(iter)))
1407                 return 0;
1408
1409         for (;;) {
1410                 copied = copy_from_iter(block, sizeof(block), iter);
1411                 ret += copied;
1412                 mix_pool_bytes(block, copied);
1413                 if (!iov_iter_count(iter) || copied != sizeof(block))
1414                         break;
1415
1416                 BUILD_BUG_ON(PAGE_SIZE % sizeof(block) != 0);
1417                 if (ret % PAGE_SIZE == 0) {
1418                         if (signal_pending(current))
1419                                 break;
1420                         cond_resched();
1421                 }
1422         }
1423
1424         memzero_explicit(block, sizeof(block));
1425         return ret ? ret : -EFAULT;
1426 }
1427
1428 static ssize_t random_write_iter(struct kiocb *kiocb, struct iov_iter *iter)
1429 {
1430         return write_pool_user(iter);
1431 }
1432
1433 static ssize_t urandom_read_iter(struct kiocb *kiocb, struct iov_iter *iter)
1434 {
1435         static int maxwarn = 10;
1436
1437         /*
1438          * Opportunistically attempt to initialize the RNG on platforms that
1439          * have fast cycle counters, but don't (for now) require it to succeed.
1440          */
1441         if (!crng_ready())
1442                 try_to_generate_entropy();
1443
1444         if (!crng_ready()) {
1445                 if (!ratelimit_disable && maxwarn <= 0)
1446                         ++urandom_warning.missed;
1447                 else if (ratelimit_disable || __ratelimit(&urandom_warning)) {
1448                         --maxwarn;
1449                         pr_notice("%s: uninitialized urandom read (%zu bytes read)\n",
1450                                   current->comm, iov_iter_count(iter));
1451                 }
1452         }
1453
1454         return get_random_bytes_user(iter);
1455 }
1456
1457 static ssize_t random_read_iter(struct kiocb *kiocb, struct iov_iter *iter)
1458 {
1459         int ret;
1460
1461         if (!crng_ready() &&
1462             ((kiocb->ki_flags & (IOCB_NOWAIT | IOCB_NOIO)) ||
1463              (kiocb->ki_filp->f_flags & O_NONBLOCK)))
1464                 return -EAGAIN;
1465
1466         ret = wait_for_random_bytes();
1467         if (ret != 0)
1468                 return ret;
1469         return get_random_bytes_user(iter);
1470 }
1471
1472 static long random_ioctl(struct file *f, unsigned int cmd, unsigned long arg)
1473 {
1474         int __user *p = (int __user *)arg;
1475         int ent_count;
1476
1477         switch (cmd) {
1478         case RNDGETENTCNT:
1479                 /* Inherently racy, no point locking. */
1480                 if (put_user(input_pool.init_bits, p))
1481                         return -EFAULT;
1482                 return 0;
1483         case RNDADDTOENTCNT:
1484                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1485                         return -EPERM;
1486                 if (get_user(ent_count, p))
1487                         return -EFAULT;
1488                 if (ent_count < 0)
1489                         return -EINVAL;
1490                 credit_init_bits(ent_count);
1491                 return 0;
1492         case RNDADDENTROPY: {
1493                 struct iov_iter iter;
1494                 struct iovec iov;
1495                 ssize_t ret;
1496                 int len;
1497
1498                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1499                         return -EPERM;
1500                 if (get_user(ent_count, p++))
1501                         return -EFAULT;
1502                 if (ent_count < 0)
1503                         return -EINVAL;
1504                 if (get_user(len, p++))
1505                         return -EFAULT;
1506                 ret = import_single_range(ITER_SOURCE, p, len, &iov, &iter);
1507                 if (unlikely(ret))
1508                         return ret;
1509                 ret = write_pool_user(&iter);
1510                 if (unlikely(ret < 0))
1511                         return ret;
1512                 /* Since we're crediting, enforce that it was all written into the pool. */
1513                 if (unlikely(ret != len))
1514                         return -EFAULT;
1515                 credit_init_bits(ent_count);
1516                 return 0;
1517         }
1518         case RNDZAPENTCNT:
1519         case RNDCLEARPOOL:
1520                 /* No longer has any effect. */
1521                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1522                         return -EPERM;
1523                 return 0;
1524         case RNDRESEEDCRNG:
1525                 if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
1526                         return -EPERM;
1527                 if (!crng_ready())
1528                         return -ENODATA;
1529                 crng_reseed(NULL);
1530                 return 0;
1531         default:
1532                 return -EINVAL;
1533         }
1534 }
1535
1536 static int random_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
1537 {
1538         return fasync_helper(fd, filp, on, &fasync);
1539 }
1540
1541 const struct file_operations random_fops = {
1542         .read_iter = random_read_iter,
1543         .write_iter = random_write_iter,
1544         .poll = random_poll,
1545         .unlocked_ioctl = random_ioctl,
1546         .compat_ioctl = compat_ptr_ioctl,
1547         .fasync = random_fasync,
1548         .llseek = noop_llseek,
1549         .splice_read = copy_splice_read,
1550         .splice_write = iter_file_splice_write,
1551 };
1552
1553 const struct file_operations urandom_fops = {
1554         .read_iter = urandom_read_iter,
1555         .write_iter = random_write_iter,
1556         .unlocked_ioctl = random_ioctl,
1557         .compat_ioctl = compat_ptr_ioctl,
1558         .fasync = random_fasync,
1559         .llseek = noop_llseek,
1560         .splice_read = copy_splice_read,
1561         .splice_write = iter_file_splice_write,
1562 };
1563
1564
1565 /********************************************************************
1566  *
1567  * Sysctl interface.
1568  *
1569  * These are partly unused legacy knobs with dummy values to not break
1570  * userspace and partly still useful things. They are usually accessible
1571  * in /proc/sys/kernel/random/ and are as follows:
1572  *
1573  * - boot_id - a UUID representing the current boot.
1574  *
1575  * - uuid - a random UUID, different each time the file is read.
1576  *
1577  * - poolsize - the number of bits of entropy that the input pool can
1578  *   hold, tied to the POOL_BITS constant.
1579  *
1580  * - entropy_avail - the number of bits of entropy currently in the
1581  *   input pool. Always <= poolsize.
1582  *
1583  * - write_wakeup_threshold - the amount of entropy in the input pool
1584  *   below which write polls to /dev/random will unblock, requesting
1585  *   more entropy, tied to the POOL_READY_BITS constant. It is writable
1586  *   to avoid breaking old userspaces, but writing to it does not
1587  *   change any behavior of the RNG.
1588  *
1589  * - urandom_min_reseed_secs - fixed to the value CRNG_RESEED_INTERVAL.
1590  *   It is writable to avoid breaking old userspaces, but writing
1591  *   to it does not change any behavior of the RNG.
1592  *
1593  ********************************************************************/
1594
1595 #ifdef CONFIG_SYSCTL
1596
1597 #include <linux/sysctl.h>
1598
1599 static int sysctl_random_min_urandom_seed = CRNG_RESEED_INTERVAL / HZ;
1600 static int sysctl_random_write_wakeup_bits = POOL_READY_BITS;
1601 static int sysctl_poolsize = POOL_BITS;
1602 static u8 sysctl_bootid[UUID_SIZE];
1603
1604 /*
1605  * This function is used to return both the bootid UUID, and random
1606  * UUID. The difference is in whether table->data is NULL; if it is,
1607  * then a new UUID is generated and returned to the user.
1608  */
1609 static int proc_do_uuid(struct ctl_table *table, int write, void *buf,
1610                         size_t *lenp, loff_t *ppos)
1611 {
1612         u8 tmp_uuid[UUID_SIZE], *uuid;
1613         char uuid_string[UUID_STRING_LEN + 1];
1614         struct ctl_table fake_table = {
1615                 .data = uuid_string,
1616                 .maxlen = UUID_STRING_LEN
1617         };
1618
1619         if (write)
1620                 return -EPERM;
1621
1622         uuid = table->data;
1623         if (!uuid) {
1624                 uuid = tmp_uuid;
1625                 generate_random_uuid(uuid);
1626         } else {
1627                 static DEFINE_SPINLOCK(bootid_spinlock);
1628
1629                 spin_lock(&bootid_spinlock);
1630                 if (!uuid[8])
1631                         generate_random_uuid(uuid);
1632                 spin_unlock(&bootid_spinlock);
1633         }
1634
1635         snprintf(uuid_string, sizeof(uuid_string), "%pU", uuid);
1636         return proc_dostring(&fake_table, 0, buf, lenp, ppos);
1637 }
1638
1639 /* The same as proc_dointvec, but writes don't change anything. */
1640 static int proc_do_rointvec(struct ctl_table *table, int write, void *buf,
1641                             size_t *lenp, loff_t *ppos)
1642 {
1643         return write ? 0 : proc_dointvec(table, 0, buf, lenp, ppos);
1644 }
1645
1646 static struct ctl_table random_table[] = {
1647         {
1648                 .procname       = "poolsize",
1649                 .data           = &sysctl_poolsize,
1650                 .maxlen         = sizeof(int),
1651                 .mode           = 0444,
1652                 .proc_handler   = proc_dointvec,
1653         },
1654         {
1655                 .procname       = "entropy_avail",
1656                 .data           = &input_pool.init_bits,
1657                 .maxlen         = sizeof(int),
1658                 .mode           = 0444,
1659                 .proc_handler   = proc_dointvec,
1660         },
1661         {
1662                 .procname       = "write_wakeup_threshold",
1663                 .data           = &sysctl_random_write_wakeup_bits,
1664                 .maxlen         = sizeof(int),
1665                 .mode           = 0644,
1666                 .proc_handler   = proc_do_rointvec,
1667         },
1668         {
1669                 .procname       = "urandom_min_reseed_secs",
1670                 .data           = &sysctl_random_min_urandom_seed,
1671                 .maxlen         = sizeof(int),
1672                 .mode           = 0644,
1673                 .proc_handler   = proc_do_rointvec,
1674         },
1675         {
1676                 .procname       = "boot_id",
1677                 .data           = &sysctl_bootid,
1678                 .mode           = 0444,
1679                 .proc_handler   = proc_do_uuid,
1680         },
1681         {
1682                 .procname       = "uuid",
1683                 .mode           = 0444,
1684                 .proc_handler   = proc_do_uuid,
1685         },
1686         { }
1687 };
1688
1689 /*
1690  * random_init() is called before sysctl_init(),
1691  * so we cannot call register_sysctl_init() in random_init()
1692  */
1693 static int __init random_sysctls_init(void)
1694 {
1695         register_sysctl_init("kernel/random", random_table);
1696         return 0;
1697 }
1698 device_initcall(random_sysctls_init);
1699 #endif