Роберт Лав: Разработка ядра Linux

Когда значение оценки энтропии достигает нуля, то ядро все равно может возвращать случайные числа. Однако в этом случае теоретически появляется возможность того, что злоумышленник сможет предугадать результат вывода. Для этого требуются все результаты вывода из пула энтропии, а также чтобы злоумышленник смог выполнить криптографический анализ алгоритма SHA. Так как алгоритм SHA считается безопасным, то это невозможно. Для высоконадежной криптографии оценка энтропии позволяет гарантировать устойчивость случайных чисел. Для большинства пользователей такая дополнительная гарантия не нужна.

Критерием того, что какую-либо возможность необходимо реализовать в ядре, является сложность реализации этой возможности в пространстве пользователя. Недопустимо вводить что-либо в ядро только потому, что мы это можем сделать. Может показаться, что генератору случайных чисел и пулу энтропии не место в ядре. Однако существует, по крайней мере, три причины, по которым они должны быть в ядре. Во первых, генератору необходим доступ к системным событиям, таким как прерывания и ввод данных пользователями. Для обеспечения доступа к информации об этих событиях из пространства пользователя необходимо экспортировать специальные интерфейсы, чтобы информировать пространство пользователя о том, что эти события произошли. Даже если эти данные будут экспортироваться, то доступ к ним будет не простым и не быстрым. Во-вторых, генератор случайных чисел должен быть безопасным. Хотя такая система и может выполняться с правами пользователя root, тем не менее ядро является значительно более безопасным местом для пула энтропии. И наконец, самому ядру также необходимы случайные числа. Получать информацию о случайных числах, которая необходима ядру, из пространства пользователя — это не практично. В связи с этим генератор случайных чисел работает в ядре.

Когда ядро загружается, оно выполняет последовательность действий, которые гарантированно можно предугадать. Следовательно, злоумышленник может предсказать состояние пула энтропии на этапе загрузки. Еще хуже то, что каждая загрузка очень похожа на все остальные и пул инициализируется при каждой загрузке в очень близкие значения. Это уменьшает точность оценки энтропии, потому что нет никакого способа обеспечить, чтобы энтропия, которая добавляется на этапе загрузки, была менее предсказуема, чем энтропия, которая добавляется при такой же загрузке в другое время.

Для решения проблемы большинство Linux-систем сохраняет на диске содержимое части пула энтропии между перегрузками системы. При старте системы сохраненные данные считываются и записываются в пул энтропии. Загрузка предыдущего содержимого пула в текущий пул позволяет обойтись без увеличения оценки энтропии.

Таким образом, злоумышленник не может предугадать состояние пула энтропии, не зная одновременно предыдущего и текущего состояний системы.

Ядро экспортирует следующее семейство интерфейсов, которые могут использоваться драйверами и системами для ввода данных в пул энтропии.

void add_interrupt_randomness(int irq);

void add_keyboard_randomness(unsigned char scancode);

void add_mouse_randomness(__u32 mouse_data);

Функция add_interrupt_randomness()вызывается системой обработки прерываний, когда приходит прерывание, обработчик которого зарегистрирован с флагом SA_SAMPLE_RANDOM. Параметр irq— это номер прерывания. Генератор случайных чисел использует интервалы времени между прерываниями, как источник шума. Следует помнить, что не все устройства для этого подходят. Если устройства генерируют прерывания детерминированным образом (например, прерывания таймера) или на них может воздействовать внешний злоумышленник (например, сетевые устройства), то такие устройства нельзя использовать для ввода информации в пул. Подходящее устройство — жесткий диск, который генерирует прерывания с непредсказуемой частотой.

Функция add_keyboard_randomness()использует скан-коды и интервалы времени между нажатиями клавиш для ввода энтропии в пул. Интересно, что эта функция достаточно интеллектуальна и игнорирует повторение символов при постоянном нажатии клавиши, потому что повторяющиеся скан-коды и интервалы времени вносят мало энтропии.

Функция add_mouse_randomness()использует позицию указателя мыши и интервалы времени между прерываниями для заполнения пула. Параметр mouse_data — это позиция указателя, которая возвращается аппаратным обеспечением.