]> git.ipfire.org Git - thirdparty/systemd.git/blobdiff - src/basic/random-util.c
Merge pull request #12392 from poettering/firstboot-salt
[thirdparty/systemd.git] / src / basic / random-util.c
index 071a41f1863a9bf77e50c0eafc495950f3af4054..3af6f271f0e38eba268378052ee965c5828778d4 100644 (file)
@@ -1,13 +1,12 @@
 /* SPDX-License-Identifier: LGPL-2.1+ */
 
-#ifdef __x86_64__
+#if defined(__i386__) || defined(__x86_64__)
 #include <cpuid.h>
 #endif
 
 #include <elf.h>
 #include <errno.h>
 #include <fcntl.h>
-#include <linux/random.h>
 #include <stdbool.h>
 #include <stdint.h>
 #include <stdlib.h>
 #  include <linux/random.h>
 #endif
 
+#include "alloc-util.h"
 #include "fd-util.h"
 #include "io-util.h"
 #include "missing.h"
 #include "random-util.h"
+#include "siphash24.h"
 #include "time-util.h"
 
-
-int rdrand64(uint64_t *ret) {
-
-#ifdef __x86_64__
+int rdrand(unsigned long *ret) {
+
+        /* So, you are a "security researcher", and you wonder why we bother with using raw RDRAND here,
+         * instead of sticking to /dev/urandom or getrandom()?
+         *
+         * Here's why: early boot. On Linux, during early boot the random pool that backs /dev/urandom and
+         * getrandom() is generally not initialized yet. It is very common that initialization of the random
+         * pool takes a longer time (up to many minutes), in particular on embedded devices that have no
+         * explicit hardware random generator, as well as in virtualized environments such as major cloud
+         * installations that do not provide virtio-rng or a similar mechanism.
+         *
+         * In such an environment using getrandom() synchronously means we'd block the entire system boot-up
+         * until the pool is initialized, i.e. *very* long. Using getrandom() asynchronously (GRND_NONBLOCK)
+         * would mean acquiring randomness during early boot would simply fail. Using /dev/urandom would mean
+         * generating many kmsg log messages about our use of it before the random pool is properly
+         * initialized. Neither of these outcomes is desirable.
+         *
+         * Thus, for very specific purposes we use RDRAND instead of either of these three options. RDRAND
+         * provides us quickly and relatively reliably with random values, without having to delay boot,
+         * without triggering warning messages in kmsg.
+         *
+         * Note that we use RDRAND only under very specific circumstances, when the requirements on the
+         * quality of the returned entropy permit it. Specifically, here are some cases where we *do* use
+         * RDRAND:
+         *
+         *         • UUID generation: UUIDs are supposed to be universally unique but are not cryptographic
+         *           key material. The quality and trust level of RDRAND should hence be OK: UUIDs should be
+         *           generated in a way that is reliably unique, but they do not require ultimate trust into
+         *           the entropy generator. systemd generates a number of UUIDs during early boot, including
+         *           'invocation IDs' for every unit spawned that identify the specific invocation of the
+         *           service globally, and a number of others. Other alternatives for generating these UUIDs
+         *           have been considered, but don't really work: for example, hashing uuids from a local
+         *           system identifier combined with a counter falls flat because during early boot disk
+         *           storage is not yet available (think: initrd) and thus a system-specific ID cannot be
+         *           stored or retrieved yet.
+         *
+         *         • Hash table seed generation: systemd uses many hash tables internally. Hash tables are
+         *           generally assumed to have O(1) access complexity, but can deteriorate to prohibitive
+         *           O(n) access complexity if an attacker manages to trigger a large number of hash
+         *           collisions. Thus, systemd (as any software employing hash tables should) uses seeded
+         *           hash functions for its hash tables, with a seed generated randomly. The hash tables
+         *           systemd employs watch the fill level closely and reseed if necessary. This allows use of
+         *           a low quality RNG initially, as long as it improves should a hash table be under attack:
+         *           the attacker after all needs to to trigger many collisions to exploit it for the purpose
+         *           of DoS, but if doing so improves the seed the attack surface is reduced as the attack
+         *           takes place.
+         *
+         * Some cases where we do NOT use RDRAND are:
+         *
+         *         • Generation of cryptographic key material 🔑
+         *
+         *         • Generation of cryptographic salt values 🧂
+         *
+         * This function returns:
+         *
+         *         -EOPNOTSUPP → RDRAND is not available on this system 😔
+         *         -EAGAIN     → The operation failed this time, but is likely to work if you try again a few
+         *                       times ♻
+         *         -EUCLEAN    → We got some random value, but it looked strange, so we refused using it.
+         *                       This failure might or might not be temporary. 😕
+         */
+
+#if defined(__i386__) || defined(__x86_64__)
         static int have_rdrand = -1;
-        unsigned char err;
+        unsigned long v;
+        uint8_t success;
 
         if (have_rdrand < 0) {
                 uint32_t eax, ebx, ecx, edx;
@@ -46,7 +107,12 @@ int rdrand64(uint64_t *ret) {
                         return -EOPNOTSUPP;
                 }
 
-                have_rdrand = !!(ecx & (1U << 30));
+/* Compat with old gcc where bit_RDRND didn't exist yet */
+#ifndef bit_RDRND
+#define bit_RDRND (1U << 30)
+#endif
+
+                have_rdrand = !!(ecx & bit_RDRND);
         }
 
         if (have_rdrand == 0)
@@ -54,88 +120,159 @@ int rdrand64(uint64_t *ret) {
 
         asm volatile("rdrand %0;"
                      "setc %1"
-                     : "=r" (*ret),
-                       "=qm" (err));
-        if (!err)
+                     : "=r" (v),
+                       "=qm" (success));
+        msan_unpoison(&success, sizeof(success));
+        if (!success)
                 return -EAGAIN;
 
+        /* Apparently on some AMD CPUs RDRAND will sometimes (after a suspend/resume cycle?) report success
+         * via the carry flag but nonetheless return the same fixed value -1 in all cases. This appears to be
+         * a bad bug in the CPU or firmware. Let's deal with that and work-around this by explicitly checking
+         * for this special value (and also 0, just to be sure) and filtering it out. This is a work-around
+         * only however and something AMD really should fix properly. The Linux kernel should probably work
+         * around this issue by turning off RDRAND altogether on those CPUs. See:
+         * https://github.com/systemd/systemd/issues/11810 */
+        if (v == 0 || v == ULONG_MAX)
+                return log_debug_errno(SYNTHETIC_ERRNO(EUCLEAN),
+                                       "RDRAND returned suspicious value %lx, assuming bad hardware RNG, not using value.", v);
+
+        *ret = v;
         return 0;
 #else
         return -EOPNOTSUPP;
 #endif
 }
 
-int acquire_random_bytes(void *p, size_t n, bool high_quality_required) {
+int genuine_random_bytes(void *p, size_t n, RandomFlags flags) {
         static int have_syscall = -1;
-
         _cleanup_close_ int fd = -1;
-        size_t already_done = 0;
+        bool got_some = false;
         int r;
 
-        /* Gathers some randomness from the kernel. This call will never block. If
-         * high_quality_required, it will always return some data from the kernel,
-         * regardless of whether the random pool is fully initialized or not.
-         * Otherwise, it will return success if at least some random bytes were
-         * successfully acquired, and an error if the kernel has no entropy whatsover
-         * for us. */
+        /* Gathers some high-quality randomness from the kernel (or potentially mid-quality randomness from
+         * the CPU if the RANDOM_ALLOW_RDRAND flag is set). This call won't block, unless the RANDOM_BLOCK
+         * flag is set. If RANDOM_MAY_FAIL is set, an error is returned if the random pool is not
+         * initialized. Otherwise it will always return some data from the kernel, regardless of whether the
+         * random pool is fully initialized or not. If RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO is set, and some but not
+         * enough better quality randomness could be acquired, the rest is filled up with low quality
+         * randomness.
+         *
+         * Of course, when creating cryptographic key material you really shouldn't use RANDOM_ALLOW_DRDRAND
+         * or even RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO.
+         *
+         * When generating UUIDs it's fine to use RANDOM_ALLOW_RDRAND but not OK to use
+         * RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO. In fact RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO is only really fine when invoked via
+         * an "all bets are off" wrapper, such as random_bytes(), see below. */
+
+        if (n == 0)
+                return 0;
+
+        if (FLAGS_SET(flags, RANDOM_ALLOW_RDRAND))
+                /* Try x86-64' RDRAND intrinsic if we have it. We only use it if high quality randomness is
+                 * not required, as we don't trust it (who does?). Note that we only do a single iteration of
+                 * RDRAND here, even though the Intel docs suggest calling this in a tight loop of 10
+                 * invocations or so. That's because we don't really care about the quality here. We
+                 * generally prefer using RDRAND if the caller allows us to, since this way we won't upset
+                 * the kernel's random subsystem by accessing it before the pool is initialized (after all it
+                 * will kmsg log about every attempt to do so)..*/
+                for (;;) {
+                        unsigned long u;
+                        size_t m;
+
+                        if (rdrand(&u) < 0) {
+                                if (got_some && FLAGS_SET(flags, RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO)) {
+                                        /* Fill in the remaining bytes using pseudo-random values */
+                                        pseudo_random_bytes(p, n);
+                                        return 0;
+                                }
+
+                                /* OK, this didn't work, let's go to getrandom() + /dev/urandom instead */
+                                break;
+                        }
+
+                        m = MIN(sizeof(u), n);
+                        memcpy(p, &u, m);
+
+                        p = (uint8_t*) p + m;
+                        n -= m;
+
+                        if (n == 0)
+                                return 0; /* Yay, success! */
+
+                        got_some = true;
+                }
 
         /* Use the getrandom() syscall unless we know we don't have it. */
         if (have_syscall != 0 && !HAS_FEATURE_MEMORY_SANITIZER) {
-                r = getrandom(p, n, GRND_NONBLOCK);
-                if (r > 0) {
-                        have_syscall = true;
-                        if ((size_t) r == n)
-                                return 0;
-                        if (!high_quality_required) {
-                                /* Fill in the remaining bytes using pseudorandom values */
-                                pseudorandom_bytes((uint8_t*) p + r, n - r);
-                                return 0;
-                        }
 
-                        already_done = r;
-                } else if (errno == ENOSYS)
-                          /* We lack the syscall, continue with reading from /dev/urandom. */
-                          have_syscall = false;
-                else if (errno == EAGAIN) {
-                        /* The kernel has no entropy whatsoever. Let's remember to
-                         * use the syscall the next time again though.
-                         *
-                         * If high_quality_required is false, return an error so that
-                         * random_bytes() can produce some pseudorandom
-                         * bytes. Otherwise, fall back to /dev/urandom, which we know
-                         * is empty, but the kernel will produce some bytes for us on
-                         * a best-effort basis. */
-                        have_syscall = true;
-
-                        if (!high_quality_required) {
-                                uint64_t u;
-                                size_t k;
-
-                                /* Try x86-64' RDRAND intrinsic if we have it. We only use it if high quality
-                                 * randomness is not required, as we don't trust it (who does?). Note that we only do a
-                                 * single iteration of RDRAND here, even though the Intel docs suggest calling this in
-                                 * a tight loop of 10 invocatins or so. That's because we don't really care about the
-                                 * quality here. */
-
-                                if (rdrand64(&u) < 0)
+                for (;;) {
+                        r = getrandom(p, n, FLAGS_SET(flags, RANDOM_BLOCK) ? 0 : GRND_NONBLOCK);
+                        if (r > 0) {
+                                have_syscall = true;
+
+                                if ((size_t) r == n)
+                                        return 0; /* Yay, success! */
+
+                                assert((size_t) r < n);
+                                p = (uint8_t*) p + r;
+                                n -= r;
+
+                                if (FLAGS_SET(flags, RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO)) {
+                                        /* Fill in the remaining bytes using pseudo-random values */
+                                        pseudo_random_bytes(p, n);
+                                        return 0;
+                                }
+
+                                got_some = true;
+
+                                /* Hmm, we didn't get enough good data but the caller insists on good data? Then try again */
+                                if (FLAGS_SET(flags, RANDOM_BLOCK))
+                                        continue;
+
+                                /* Fill in the rest with /dev/urandom */
+                                break;
+
+                        } else if (r == 0) {
+                                have_syscall = true;
+                                return -EIO;
+
+                        } else if (errno == ENOSYS) {
+                                /* We lack the syscall, continue with reading from /dev/urandom. */
+                                have_syscall = false;
+                                break;
+
+                        } else if (errno == EAGAIN) {
+                                /* The kernel has no entropy whatsoever. Let's remember to use the syscall
+                                 * the next time again though.
+                                 *
+                                 * If RANDOM_MAY_FAIL is set, return an error so that random_bytes() can
+                                 * produce some pseudo-random bytes instead. Otherwise, fall back to
+                                 * /dev/urandom, which we know is empty, but the kernel will produce some
+                                 * bytes for us on a best-effort basis. */
+                                have_syscall = true;
+
+                                if (got_some && FLAGS_SET(flags, RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO)) {
+                                        /* Fill in the remaining bytes using pseudorandom values */
+                                        pseudo_random_bytes(p, n);
+                                        return 0;
+                                }
+
+                                if (FLAGS_SET(flags, RANDOM_MAY_FAIL))
                                         return -ENODATA;
 
-                                k = MIN(n, sizeof(u));
-                                memcpy(p, &u, k);
-
-                                /* We only get 64bit out of RDRAND, the rest let's fill up with pseudo-random crap. */
-                                pseudorandom_bytes((uint8_t*) p + k, n - k);
-                                return 0;
-                        }
-                } else
-                        return -errno;
+                                /* Use /dev/urandom instead */
+                                break;
+                        } else
+                                return -errno;
+                }
         }
 
         fd = open("/dev/urandom", O_RDONLY|O_CLOEXEC|O_NOCTTY);
         if (fd < 0)
                 return errno == ENOENT ? -ENOSYS : -errno;
 
-        return loop_read_exact(fd, (uint8_t*) p + already_done, n - already_done, true);
+        return loop_read_exact(fd, p, n, true);
 }
 
 void initialize_srand(void) {
@@ -144,20 +281,25 @@ void initialize_srand(void) {
 #if HAVE_SYS_AUXV_H
         const void *auxv;
 #endif
-        uint64_t k;
+        unsigned long k;
 
         if (srand_called)
                 return;
 
 #if HAVE_SYS_AUXV_H
-        /* The kernel provides us with 16 bytes of entropy in auxv, so let's
-         * try to make use of that to seed the pseudo-random generator. It's
-         * better than nothing... */
+        /* The kernel provides us with 16 bytes of entropy in auxv, so let's try to make use of that to seed
+         * the pseudo-random generator. It's better than nothing... But let's first hash it to make it harder
+         * to recover the original value by watching any pseudo-random bits we generate. After all the
+         * AT_RANDOM data might be used by other stuff too (in particular: ASLR), and we probably shouldn't
+         * leak the seed for that. */
 
-        auxv = (const void*) getauxval(AT_RANDOM);
+        auxv = ULONG_TO_PTR(getauxval(AT_RANDOM));
         if (auxv) {
-                assert_cc(sizeof(x) <= 16);
-                memcpy(&x, auxv, sizeof(x));
+                static const uint8_t auxval_hash_key[16] = {
+                        0x92, 0x6e, 0xfe, 0x1b, 0xcf, 0x00, 0x52, 0x9c, 0xcc, 0x42, 0xcf, 0xdc, 0x94, 0x1f, 0x81, 0x0f
+                };
+
+                x = (unsigned) siphash24(auxv, 16, auxval_hash_key);
         } else
 #endif
                 x = 0;
@@ -165,7 +307,7 @@ void initialize_srand(void) {
         x ^= (unsigned) now(CLOCK_REALTIME);
         x ^= (unsigned) gettid();
 
-        if (rdrand64(&k) >= 0)
+        if (rdrand(&k) >= 0)
                 x ^= (unsigned) k;
 
         srand(x);
@@ -180,9 +322,14 @@ void initialize_srand(void) {
 #  define RAND_STEP 1
 #endif
 
-void pseudorandom_bytes(void *p, size_t n) {
+void pseudo_random_bytes(void *p, size_t n) {
         uint8_t *q;
 
+        /* This returns pseudo-random data using libc's rand() function. You probably never want to call this
+         * directly, because why would you use this if you can get better stuff cheaply? Use random_bytes()
+         * instead, see below: it will fall back to this function if there's nothing better to get, but only
+         * then. */
+
         initialize_srand();
 
         for (q = p; q < (uint8_t*) p + n; q += RAND_STEP) {
@@ -203,13 +350,42 @@ void pseudorandom_bytes(void *p, size_t n) {
 }
 
 void random_bytes(void *p, size_t n) {
-        int r;
 
-        r = acquire_random_bytes(p, n, false);
-        if (r >= 0)
+        /* This returns high quality randomness if we can get it cheaply. If we can't because for some reason
+         * it is not available we'll try some crappy fallbacks.
+         *
+         * What this function will do:
+         *
+         *         • This function will preferably use the CPU's RDRAND operation, if it is available, in
+         *           order to return "mid-quality" random values cheaply.
+         *
+         *         • Use getrandom() with GRND_NONBLOCK, to return high-quality random values if they are
+         *           cheaply available.
+         *
+         *         • This function will return pseudo-random data, generated via libc rand() if nothing
+         *           better is available.
+         *
+         *         • This function will work fine in early boot
+         *
+         *         • This function will always succeed
+         *
+         * What this function won't do:
+         *
+         *         • This function will never fail: it will give you randomness no matter what. It might not
+         *           be high quality, but it will return some, possibly generated via libc's rand() call.
+         *
+         *         • This function will never block: if the only way to get good randomness is a blocking,
+         *           synchronous getrandom() we'll instead provide you with pseudo-random data.
+         *
+         * This function is hence great for things like seeding hash tables, generating random numeric UNIX
+         * user IDs (that are checked for collisions before use) and such.
+         *
+         * This function is hence not useful for generating UUIDs or cryptographic key material.
+         */
+
+        if (genuine_random_bytes(p, n, RANDOM_EXTEND_WITH_PSEUDO|RANDOM_MAY_FAIL|RANDOM_ALLOW_RDRAND) >= 0)
                 return;
 
-        /* If some idiot made /dev/urandom unavailable to us, or the
-         * kernel has no entropy, use a PRNG instead. */
-        return pseudorandom_bytes(p, n);
+        /* If for some reason some user made /dev/urandom unavailable to us, or the kernel has no entropy, use a PRNG instead. */
+        pseudo_random_bytes(p, n);
 }