Linux - 驱动开发 - RNG框架

说明

  • 公司SOC上有一个新思的真随机数(TRNG)模块,Linux平台上需要提供接口给外部使用。
  • 早期方式是提供一个独立的TRNG驱动,实现比较简单的,但是使用方式不open,为了加入Linux生态环境,对接linux原生的随机数框架。

硬件随机数框架(hwrng)

  • 目录结构
drivers/char/hw_random/  // 框架根目录
core.c  //框架核心代码
omap-rng.c  // 各种类型的rng驱动
hisi-trng-v2.c 
...

驱动适配

  • 驱动结构体和需要实现接口定义如下:
// file: include/linux/hw_random.h
/*** struct hwrng - Hardware Random Number Generator driver* @name:       Unique RNG name.* @init:       Initialization callback (can be NULL).* @cleanup:        Cleanup callback (can be NULL).* @data_present:   Callback to determine if data is available*          on the RNG. If NULL, it is assumed that*          there is always data available.  *OBSOLETE** @data_read:      Read data from the RNG device.*          Returns the number of lower random bytes in "data".*          Must not be NULL.    *OBSOLETE** @read:       New API. drivers can fill up to max bytes of data*          into the buffer. The buffer is aligned for any type*          and max is a multiple of 4 and >= 32 bytes.* @priv:       Private data, for use by the RNG driver.* @quality:        Estimation of true entropy in RNG's bitstream*          (in bits of entropy per 1024 bits of input;*          valid values: 1 to 1024, or 0 for unknown).*/
struct hwrng {const char *name;int (*init)(struct hwrng *rng);void (*cleanup)(struct hwrng *rng);int (*data_present)(struct hwrng *rng, int wait);int (*data_read)(struct hwrng *rng, u32 *data);int (*read)(struct hwrng *rng, void *data, size_t max, bool wait);unsigned long priv;unsigned short quality;/* internal. */struct list_head list;struct kref ref;struct completion cleanup_done;
};
  • 驱动实现需要在probe中定义一个struct hwrng对象,并按需实现相关接口,最后使用以下接口,向框架注册该驱动。
// file: include/linux/hw_random.h
/** Register a new Hardware Random Number Generator driver. */
extern int hwrng_register(struct hwrng *rng);
extern int devm_hwrng_register(struct device *dev, struct hwrng *rng);
/** Unregister a Hardware Random Number Generator driver. */
extern void hwrng_unregister(struct hwrng *rng);
extern void devm_hwrng_unregister(struct device *dve, struct hwrng *rng);
/** Feed random bits into the pool. */
extern void add_hwgenerator_randomness(const char *buffer, size_t count, size_t entropy);
  • 具体实现比较简单,可以看下 hisi-trng-v2.c 实现。
  • 接口说明:
  1. init:初始化接口,可以为NULL
  2. cleanup:清理接口,可以为NULL
  3. data_present/data_read: 获取数据接口(已过时),根据core.c rng_get_data函数可知早期使用先调用data_present做些处理确认是否可以获取随机数,可以再调用data_read获取随机数。
  4. read:获取数据新接口。
  • 属性说明:
  1. name:设备名称(如果有多个,不能重复)
  2. priv:驱动私有数据,
  3. quality:返回随机数的质量评值,0表示未知;1~1024越大表示越随机。

框架核心(core.c)

  • 框架module init时会创建缓存和注册misc设备节点(/dev/hwrng)。
  • 设备节点(/dev/hwrng)一直存在,但是没有当前rng(current_rng)是不可用的。

hwrng注册

  1. 遍历rng链表(rng_list),如果rng name重复直接退出。
  2. 根据rng的quality值插入到的降序链表(rng_list)对应的位置。
  3. 若当前rng(current_rng)为空或者当前rng不为空(非用户设定),并且注册的rng quality大于当前rng,则将rng设置为current_rng, 并调用其init接口,做初始化等。
  • 详细请看hwrng_register实现。

用户操作

  • 用户可以通过以下文件节点,做些配置
~# ls -l /sys/devices/virtual/misc/hw_random/
total 0
-r--r--r--    1 root     root          4096 Jan  1 16:05 dev
-r--r--r--    1 root     root          4096 Jan  1 16:05 rng_available // 可选的rng,即rng list
-rw-r--r--    1 root     root          4096 Jan  1 16:05 rng_current // 当前rng设备名称,可以写入名称来选择指定rng设备
-r--r--r--    1 root     root          4096 Jan  1 16:05 rng_selected //是否由用户空间选择rng设备,1表示是
lrwxrwxrwx    1 root     root             0 Jan  1 16:05 subsystem -> ../../../../class/misc
-rw-r--r--    1 root     root          4096 Jan  1 16:05 uevent
  • 用户可以通过设备节点(/dev/hwrng)获取生成的随机数,如果当前rng为空,会返回错误(设备不存在)。

hwrng 初始化

  • hwrng注册或者用户选择rng时,会做hwrng初始化(hwrng init),启动一个内核线程(hwrng),每隔10s读取当前hwrng生成的随机数,保存到缓存中,通过函数(add_hwgenerator_randomness)将硬件产生的随机数添加到inpu_pool熵池中,给/dev/random和/dev/urandom使用。

/dev/random和/dev/urandom

  • 由于hwrng不一定可用,Linux提供了另外两个随机数发生器。

两者区别

  • 熵是一种可以体现随机性的值,充当生成随机数时使用的种子,熵越随机越好,hwrng添加到inpu_pool熵池中的随机数就是给/dev/random和/dev/urandom使用,当然还有别的熵来源(如硬件噪声),这两个设备文件都使用熵池(entropy pool)来收集熵。
  • /dev/random和/dev/urandom的区别主要在于它们如何收集并使用熵(entropy)。
  • /dev/random 使用一个阻塞式的熵池,当熵池的熵耗尽时,它会阻塞读取操作,直到收集到足够的熵。这种行为使得 /dev/random 更适合生成高质量的随机数,如密钥、证书等。
  • /dev/urandom 使用一个非阻塞式的熵池,当熵耗尽时,它不会阻塞,而是使用内部的伪随机数生成器(PRNG)继续生成随机数,这使得 /dev/urandom 在熵耗尽时仍能提供随机数,但生成的随机数可能没有 /dev/random 那么高的质量。

系统调用 getrandom()

  • 默认是返回 /dev/urandom 中的 entropy。

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