Quelle  getrandom.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * Copyright (C) 2022-2024 Jason A. Donenfeld <Jason@zx2c4.com>. All Rights Reserved.
 */

#include <linux/array_size.h>
#include <linux/minmax.h>
#include <vdso/datapage.h>
#include <vdso/getrandom.h>
#include <vdso/unaligned.h>
#include <asm/vdso/getrandom.h>
#include <uapi/linux/mman.h>
#include <uapi/linux/random.h>

/* Bring in default accessors */
#include <vdso/vsyscall.h>

#undef PAGE_SIZE
#undef PAGE_MASK
#define PAGE_SIZE (1UL << CONFIG_PAGE_SHIFT)
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE - 1))

#define MEMCPY_AND_ZERO_SRC(type, dst, src, len) do {    \
 while (len >= sizeof(type)) {      \
  __put_unaligned_t(type, __get_unaligned_t(type, src), dst); \
  __put_unaligned_t(type, 0, src);    \
  dst += sizeof(type);      \
  src += sizeof(type);      \
  len -= sizeof(type);      \
 }         \
} while (0)

static void memcpy_and_zero_src(void *dst, void *src, size_t len)
{
 if (IS_ENABLED(CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS)) {
  if (IS_ENABLED(CONFIG_64BIT))
   MEMCPY_AND_ZERO_SRC(u64, dst, src, len);
  MEMCPY_AND_ZERO_SRC(u32, dst, src, len);
  MEMCPY_AND_ZERO_SRC(u16, dst, src, len);
 }
 MEMCPY_AND_ZERO_SRC(u8, dst, src, len);
}

/**
 * __cvdso_getrandom_data - Generic vDSO implementation of getrandom() syscall.
 * @rng_info:  Describes state of kernel RNG, memory shared with kernel.
 * @buffer:  Destination buffer to fill with random bytes.
 * @len:  Size of @buffer in bytes.
 * @flags:  Zero or more GRND_* flags.
 * @opaque_state: Pointer to an opaque state area.
 * @opaque_len:  Length of opaque state area.
 *
 * This implements a "fast key erasure" RNG using ChaCha20, in the same way that the kernel's
 * getrandom() syscall does. It periodically reseeds its key from the kernel's RNG, at the same
 * schedule that the kernel's RNG is reseeded. If the kernel's RNG is not ready, then this always
 * calls into the syscall.
 *
 * If @buffer, @len, and @flags are 0, and @opaque_len is ~0UL, then @opaque_state is populated
 * with a struct vgetrandom_opaque_params and the function returns 0; if it does not return 0,
 * this function should not be used.
 *
 * @opaque_state *must* be allocated by calling mmap(2) using the mmap_prot and mmap_flags fields
 * from the struct vgetrandom_opaque_params, and states must not straddle pages. Unless external
 * locking is used, one state must be allocated per thread, as it is not safe to call this function
 * concurrently with the same @opaque_state. However, it is safe to call this using the same
 * @opaque_state that is shared between main code and signal handling code, within the same thread.
 *
 * Returns: The number of random bytes written to @buffer, or a negative value indicating an error.
 */
static __always_inline ssize_t
__cvdso_getrandom_data(const struct vdso_rng_data *rng_info, void *buffer, size_t len,
         unsigned int flags, void *opaque_state, size_t opaque_len)
{
 ssize_t ret = min_t(size_t, INT_MAX & PAGE_MASK /* = MAX_RW_COUNT */, len);
 struct vgetrandom_state *state = opaque_state;
 size_t batch_len, nblocks, orig_len = len;
 bool in_use, have_retried = false;
 void *orig_buffer = buffer;
 u64 current_generation;
 u32 counter[2] = { 0 };

 if (unlikely(opaque_len == ~0UL && !buffer && !len && !flags)) {
  struct vgetrandom_opaque_params *params = opaque_state;
  params->size_of_opaque_state = sizeof(*state);
  params->mmap_prot = PROT_READ | PROT_WRITE;
  params->mmap_flags = MAP_DROPPABLE | MAP_ANONYMOUS;
  for (size_t i = 0; i < ARRAY_SIZE(params->reserved); ++i)
   params->reserved[i] = 0;
  return 0;
 }

 /* The state must not straddle a page, since pages can be zeroed at any time. */
 if (unlikely(((unsigned long)opaque_state & ~PAGE_MASK) + sizeof(*state) > PAGE_SIZE))
  return -EFAULT;

 /* Handle unexpected flags by falling back to the kernel. */
 if (unlikely(flags & ~(GRND_NONBLOCK | GRND_RANDOM | GRND_INSECURE)))
  goto fallback_syscall;

 /* If the caller passes the wrong size, which might happen due to CRIU, fallback. */
 if (unlikely(opaque_len != sizeof(*state)))
  goto fallback_syscall;

 /*
  * If the kernel's RNG is not yet ready, then it's not possible to provide random bytes from
  * userspace, because A) the various @flags require this to block, or not, depending on
  * various factors unavailable to userspace, and B) the kernel's behavior before the RNG is
  * ready is to reseed from the entropy pool at every invocation.
 */
 if (unlikely(!READ_ONCE(rng_info->is_ready)))
  goto fallback_syscall;

 /*
  * This condition is checked after @rng_info->is_ready, because before the kernel's RNG is
  * initialized, the @flags parameter may require this to block or return an error, even when
  * len is zero.
 */
 if (unlikely(!len))
  return 0;

 /*
  * @state->in_use is basic reentrancy protection against this running in a signal handler
  * with the same @opaque_state, but obviously not atomic wrt multiple CPUs or more than one
  * level of reentrancy. If a signal interrupts this after reading @state->in_use, but before
  * writing @state->in_use, there is still no race, because the signal handler will run to
  * its completion before returning execution.
 */
 in_use = READ_ONCE(state->in_use);
 if (unlikely(in_use))
  /* The syscall simply fills the buffer and does not touch @state, so fallback. */
  goto fallback_syscall;
 WRITE_ONCE(state->in_use, true);

retry_generation:
 /*
  * @rng_info->generation must always be read here, as it serializes @state->key with the
  * kernel's RNG reseeding schedule.
 */
 current_generation = READ_ONCE(rng_info->generation);

 /*
  * If @state->generation doesn't match the kernel RNG's generation, then it means the
  * kernel's RNG has reseeded, and so @state->key is reseeded as well.
 */
 if (unlikely(state->generation != current_generation)) {
  /*
   * Write the generation before filling the key, in case of fork. If there is a fork
   * just after this line, the parent and child will get different random bytes from
   * the syscall, which is good. However, were this line to occur after the getrandom
   * syscall, then both child and parent could have the same bytes and the same
   * generation counter, so the fork would not be detected. Therefore, write
   * @state->generation before the call to the getrandom syscall.
 */
  WRITE_ONCE(state->generation, current_generation);

  /*
   * Prevent the syscall from being reordered wrt current_generation. Pairs with the
   * smp_store_release(&vdso_k_rng_data->generation) in random.c.
 */
  smp_rmb();

  /* Reseed @state->key using fresh bytes from the kernel. */
  if (getrandom_syscall(state->key, sizeof(state->key), 0) != sizeof(state->key)) {
   /*
    * If the syscall failed to refresh the key, then @state->key is now
    * invalid, so invalidate the generation so that it is not used again, and
    * fallback to using the syscall entirely.
 */
   WRITE_ONCE(state->generation, 0);

   /*
    * Set @state->in_use to false only after the last write to @state in the
    * line above.
 */
   WRITE_ONCE(state->in_use, false);

   goto fallback_syscall;
  }

  /*
   * Set @state->pos to beyond the end of the batch, so that the batch is refilled
   * using the new key.
 */
  state->pos = sizeof(state->batch);
 }

 /* Set len to the total amount of bytes that this function is allowed to read, ret. */
 len = ret;
more_batch:
 /*
  * First use bytes out of @state->batch, which may have been filled by the last call to this
  * function.
 */
 batch_len = min_t(size_t, sizeof(state->batch) - state->pos, len);
 if (batch_len) {
  /* Zeroing at the same time as memcpying helps preserve forward secrecy. */
  memcpy_and_zero_src(buffer, state->batch + state->pos, batch_len);
  state->pos += batch_len;
  buffer += batch_len;
  len -= batch_len;
 }

 if (!len) {
  /* Prevent the loop from being reordered wrt ->generation. */
  barrier();

  /*
   * Since @rng_info->generation will never be 0, re-read @state->generation, rather
   * than using the local current_generation variable, to learn whether a fork
   * occurred or if @state was zeroed due to memory pressure. Primarily, though, this
   * indicates whether the kernel's RNG has reseeded, in which case generate a new key
   * and start over.
 */
  if (unlikely(READ_ONCE(state->generation) != READ_ONCE(rng_info->generation))) {
   /*
    * Prevent this from looping forever in case of low memory or racing with a
    * user force-reseeding the kernel's RNG using the ioctl.
 */
   if (have_retried) {
    WRITE_ONCE(state->in_use, false);
    goto fallback_syscall;
   }

   have_retried = true;
   buffer = orig_buffer;
   goto retry_generation;
  }

  /*
   * Set @state->in_use to false only when there will be no more reads or writes of
   * @state.
 */
  WRITE_ONCE(state->in_use, false);
  return ret;
 }

 /* Generate blocks of RNG output directly into @buffer while there's enough room left. */
 nblocks = len / CHACHA_BLOCK_SIZE;
 if (nblocks) {
  __arch_chacha20_blocks_nostack(buffer, state->key, counter, nblocks);
  buffer += nblocks * CHACHA_BLOCK_SIZE;
  len -= nblocks * CHACHA_BLOCK_SIZE;
 }

 BUILD_BUG_ON(sizeof(state->batch_key) % CHACHA_BLOCK_SIZE != 0);

 /* Refill the batch and overwrite the key, in order to preserve forward secrecy. */
 __arch_chacha20_blocks_nostack(state->batch_key, state->key, counter,
           sizeof(state->batch_key) / CHACHA_BLOCK_SIZE);

 /* Since the batch was just refilled, set the position back to 0 to indicate a full batch. */
 state->pos = 0;
 goto more_batch;

fallback_syscall:
 return getrandom_syscall(orig_buffer, orig_len, flags);
}

static __always_inline ssize_t
__cvdso_getrandom(void *buffer, size_t len, unsigned int flags, void *opaque_state, size_t opaque_len)
{
 return __cvdso_getrandom_data(__arch_get_vdso_u_rng_data(), buffer, len, flags,
          opaque_state, opaque_len);
}