1冈涧、概念

有兩個最主要的方法來生成隨機數(shù)：

a) 通過測量某些隨機的物理現(xiàn)象茂附，然后補償測量過程中可能出現(xiàn)的偏差。比如大氣噪聲督弓、熱噪聲和其他外部電磁以及量子現(xiàn)象逻锐。從自然資源中獲取熵的速度取決于被測量的潛在物理現(xiàn)象伸辟，因此它們的速率是有限的哟楷，往往比較慢爱沟。
b) 使用計算算法，可以產(chǎn)生明顯隨機結果的長序列奸攻，實際上由較短的初始值（稱為種子）確定蒜危。結果是，如果種子的值是已知的睹耐，整個看似隨機的序列可以被重復產(chǎn)生辐赞。這類隨機數(shù)生成器被稱為偽隨機數(shù)生成器。這類生成器類型是非阻塞的硝训，可以大量產(chǎn)生數(shù)據(jù)响委。

2新思、不同的隨機數(shù)生成方法

• 類Linux系統(tǒng)下的 /dev/random

/dev/random 可以用作隨機數(shù)生成器或者偽隨機數(shù)生成器，取決于不同的實現(xiàn)赘风。
在linux下夹囚，隨機數(shù)生成器有一個容納噪聲數(shù)據(jù)的熵池，在讀取時邀窃，/dev/random設備會返回小于熵池噪聲總數(shù)的隨機字節(jié)荸哟。/dev/random可生成高隨機性的公鑰或一次性密碼本。若熵池空了瞬捕，對/dev/random的讀操作將會被阻塞鞍历，直到收集到了足夠的環(huán)境噪聲為止。這樣的設計使得/dev/random是真正的隨機數(shù)發(fā)生器肪虎，提供了最大可能的隨機數(shù)據(jù)熵劣砍，建議在需要生成高強度的密鑰時使用。

/dev/urandom（“unblocked”扇救，非阻塞的隨機數(shù)發(fā)生器）刑枝，它會重復使用熵池中的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生偽隨機數(shù)據(jù)。這表示對/dev/urandom的讀取操作不會產(chǎn)生阻塞爵政，但其輸出的熵可能小于/dev/random的。它可以作為生成較低強度密碼的偽隨機數(shù)生成器陶缺，不建議用于生成高強度長期密碼钾挟。

FreeBSD操作系統(tǒng)實現(xiàn)了256位的Yarrow算法變體，以提供偽隨機數(shù)流饱岸。與Linux的/dev/random不同掺出，F(xiàn)reeBSD的/dev/random不會產(chǎn)生阻塞，與Linux的/dev/urandom相似苫费，提供了密碼學安全的偽隨機數(shù)發(fā)生器汤锨，而不是基于熵池。而FreeBSD的/dev/urandom則只是簡單的鏈接到了/dev/random百框。

void GetDevURandom(unsigned char *ent32)
{
    int f = open("/dev/urandom", O_RDONLY);
    if (f == -1) {
        RandFailure();
    }
    int have = 0;
    do {
        ssize_t n = read(f, ent32 + have, NUM_OS_RANDOM_BYTES - have);
        if (n <= 0 || n + have > NUM_OS_RANDOM_BYTES) {
            close(f);
            RandFailure();
        }
        have += n;
    } while (have < NUM_OS_RANDOM_BYTES);
    close(f);
}

• 類Linux系統(tǒng)其他獲取隨機數(shù)方法

• Linux下的SYS_getrandom

int rv = syscall(SYS_getrandom, ent32, NUM_OS_RANDOM_BYTES, 0);

• OpenBSD下的getentropy

getentropy(ent32, NUM_OS_RANDOM_BYTES)

• FreeBSD下的sysctl

    static const int name[2] = {CTL_KERN, KERN_ARND};
    int have = 0;
    do {
        size_t len = NUM_OS_RANDOM_BYTES - have;
        if (sysctl(name, ARRAYLEN(name), ent32 + have, &len, nullptr, 0) != 0) {
            RandFailure();
        }
        have += len;
    } while (have < NUM_OS_RANDOM_BYTES);

• OpenSSL的隨機數(shù)生成

OpenSSL的提供了RAND_bytes方法生成隨機數(shù)闲礼。在使用之前需要使用RAND_add向PRNG中添加種子及熵值。種子可以通過TSC生成铐维。

void RandAddSeed()
{
    // Seed with CPU performance counter
    int64_t nCounter = GetPerformanceCounter();
    RAND_add(&nCounter, sizeof(nCounter), 1.5);
    memory_cleanse((void*)&nCounter, sizeof(nCounter));
}

void GetRandBytes(unsigned char* buf, int num)
{
    if (RAND_bytes(buf, num) != 1) {
        RandFailure();
    }
}

• Windows平臺

CryptoAPI提供了CryptGenRandom方法產(chǎn)生隨機數(shù)柬泽。CryptGenRandom已經(jīng)被廢棄，應該使用新版CNG API：BCryptGenRandom

    HCRYPTPROV hProvider;
    int ret = CryptAcquireContextW(&hProvider, nullptr, nullptr, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT);
    if (!ret) {
        RandFailure();
    }
    ret = CryptGenRandom(hProvider, NUM_OS_RANDOM_BYTES, ent32);
    if (!ret) {
        RandFailure();
    }
    CryptReleaseContext(hProvider, 0);

• 硬件方法：

CPU指令rdrand從芯片的硬件隨機數(shù)生成器中獲取隨機數(shù)

    uint32_t eax, ebx, ecx, edx;
    if (__get_cpuid(1, &eax, &ebx, &ecx, &edx) && (ecx & CPUID_F1_ECX_RDRAND)) {
    }

32位：

            uint32_t r1, r2;
            __asm__ volatile (".byte 0x0f, 0xc7, 0xf0;" // rdrand %eax
                              ".byte 0x0f, 0xc7, 0xf2;" // rdrand %edx
                              "setc %2" :
                              "=a"(r1), "=d"(r2), "=q"(ok) :: "cc");
            if (!ok) return false;
            WriteLE32(ent32 + 8 * iter, r1);
            WriteLE32(ent32 + 8 * iter + 4, r2);
        }

64位：

        uint64_t r1, r2, r3, r4;
        __asm__ volatile (".byte 0x48, 0x0f, 0xc7, 0xf0, " // rdrand %rax
                                "0x48, 0x0f, 0xc7, 0xf3, " // rdrand %rbx
                                "0x48, 0x0f, 0xc7, 0xf1, " // rdrand %rcx
                                "0x48, 0x0f, 0xc7, 0xf2; " // rdrand %rdx
                          "setc %4" :
                          "=a"(r1), "=b"(r2), "=c"(r3), "=d"(r4), "=q"(ok) :: "cc");
        if (!ok) return false;
        WriteLE64(ent32, r1);
        WriteLE64(ent32 + 8, r2);
        WriteLE64(ent32 + 16, r3);
        WriteLE64(ent32 + 24, r4);

3嫁蛇、BTC生成隨機數(shù)的方法

BTC采用了多種方式混合的形式锨并，將OpenSSL隨機數(shù)生成、OS隨機數(shù)生成睬棚、硬件隨機數(shù)生成再混淆隨機數(shù)發(fā)生器的狀態(tài)來生成強隨機數(shù)第煮。

void GetStrongRandBytes(unsigned char* out, int num)
{
    assert(num <= 32);
    CSHA512 hasher;
    unsigned char buf[64];

    // First source: OpenSSL's RNG
    RandAddSeedPerfmon();
    GetRandBytes(buf, 32);
    hasher.Write(buf, 32);

    // Second source: OS RNG
    GetOSRand(buf);
    hasher.Write(buf, 32);

    // Third source: HW RNG, if available.
    if (GetHWRand(buf)) {
        hasher.Write(buf, 32);
    }

    // Combine with and update state
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(cs_rng_state);
        hasher.Write(rng_state, sizeof(rng_state));
        hasher.Write((const unsigned char*)&rng_counter, sizeof(rng_counter));
        ++rng_counter;
        hasher.Finalize(buf);
        memcpy(rng_state, buf + 32, 32);
    }

    // Produce output
    memcpy(out, buf, num);
    memory_cleanse(buf, 64);
}

參考文檔：

https://en.wikipedia.org/wiki/Random_number_generation#%22True%22_vs._pseudo-random_numbers

https://zh.wikipedia.org/wiki//dev/random

https://www.openssl.org/docs/man1.0.2/crypto/RAND_seed.html

https://zh.wikipedia.org/zh-hans/RdRand

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