Разработка ядра Linux

for (p = mine->list->next; p != mine->list; p = p->next)

Кроме этого, макрос list_for_each также выполняет предварительную загрузку (prefetch) данных в память, если процессор поддерживает такую возможность, чтобы все данные следующих элементов списка гарантированно находились в памяти. Когда нет необходимости выполнять предварительную загрузку, можно использовать макрос __list_for_each, который работает в точности, как цикл for. Если нет гарантии, что список содержит очень мало элементов или пустой, то всегда необходимо использовать версию с предварительной загрузкой. Никогда нельзя программировать цикл вручную, необходимо всегда использовать макрос.

Если необходимо выполнить прохождение по спискам в обратном порядке, то следует использовать макрос list_for_each_prev, который использует для прохождения указатель prev, а не указатель next.

Обратите внимание, что при прохождении связанного списка ничто не мешает удалять элементы из этого списка. Обычно, чтобы предотвратить конкурентный доступ, следует использовать блокировки. Макрос list_for_each_safe использует временные переменные, чтобы сделать прохождение списка безопасным при одновременном удалении элементов.

struct list_head *p, *n;
struct my_struct *my;

list_for_each_safe(p, n, &mine->list) {
 my = list_entry(p, struct my_struct, list);
 /*
 * указатель my указывает на каждый экземпляр
 * структуры my_struct в списке
 */
}

Обратите внимание, что этот макрос защищен только от операций удаления узлов списка. Для защиты отдельных элементов списка от конкурентного доступа необходимо использовать блокировки.

Приложение Б Генератор случайных чисел ядра

В ядре Linux реализован генератор случайных чисел, который теоретически может генерировать истинно случайные числа. Генератор случайных чисел собирает в пул энтропии шумы внешней среды, которые поступают из драйверов устройств. Этот пул доступен как в ядре, так и для пользовательских процессов в качестве источника данных, которые не только случайны внутри системы, но и недетерминированы для внешних источников атак. Такие случайные числа используются различными внешними приложениями, особенно для целей криптографии.

Истинно случайные числа отличаются от псевдослучайных чисел, которые генерируются библиотечными функциями языка С. Псевдослучайные числа создаются с помощью детерминированных функций. Хотя такие функции и могут генерировать последовательности чисел, которые обладают некоторыми свойствами истинно случайных чисел, тем не менее такие числа только статистически случайны. Псевдослучайные числа являются детерминированными, потому что если известно хотя бы одно число последовательности, то можно определить и все остальные. Если известно так называемое порождающее число последовательности (seed), то обычно по нему определяется и вся последовательность. Для приложений, которые требуют истинно случайных чисел, как, например, криптография, псевдослучайные числа обычно не подходят.

В отличие от псевдослучайных чисел, истинно случайные числа не зависят от той функции, которая используется для их генерации. Более того, если известен некоторый член последовательности истинно случайных чисел, то внешний наблюдатель не сможет определить, какие числа будет выдавать генератор в будущем, т.е. такой генератор — недетерминированный.

Физический термин энтропия — это мера беспорядка и случайности в любой системе. Энтропия измеряется в единицах энергии на единицу температуры (Джоуль на градус Кельвина). Когда Клод Шеннон (Claude Shennon) [98] , создатель информационной теории, искал термин для представления случайности информации, великий математик Джон фон Нейман (John von Neumann) [99] предложил ему использовать термин энтропия, потому что никто толком не понимает, что за этим понятием кроется. Шеннон согласился, и сегодня это звучит как энтропия Шеннона. Некоторые ученые считают, что такое двойное название только вносит путаницу, и когда речь идет об информации, то используют термин неопределенность. Разработчики ядра, наоборот, считают, что "энтропия" — это "круто", и поддерживают использование данного термина.

98

Клод Шеннон (30 апреля 1916–24 февраля 2001) работал инженером в компании Bell Labs. В его наиболее известной работе Математическая теории связи, опубликованной в 1948 году, впервые были разработаны основы информационной теории и было введено понятие энтропии Шеннона. Шеннон также любил кататься на одноколесном велосипеде.

99

Джон фон Нейман (28 декабря 1903–8 февраля 1957) работал в Институте специальных исследований в Принстоне (Institute for Advanced Study; Princeton). Он внес большой вклад в математические, экономические и компьютерные науки. Среди наиболее значительных его разработок — теория игр, фон-неймановские алгебры и фон-неймановская проблема узких мест.

При рассмотрении генераторов случайных чисел понятие энтропии Шеннона является очень важным. Эта характеристика измеряется в битах на символ. Высокое значение энтропии означает, что в последовательности символов мало полезной (точнее, предсказуемой) информации и много случайного "мусора". Ядро поддерживает пул энтропии, который пополняется данными, возникающими в результате недетерминированных событий, связанных с аппаратными устройствами. В идеале, этот пул содержит полностью случайные данные. Для того чтобы иметь представление о значении энтропии пула, ядро постоянно вычисляет меру неопределенности данных в пуле. По мере того как ядро добавляет данные в пул, оно оценивает меру случайности добавляемых данных. И наоборот, по мере того как данные извлекаются из пула, ядро уменьшает значение оценки энтропии. Соответствующая количественная характеристика называется оценкой энтропии. Если значение оценки энтропии становится равным нулю, то ядро может отказаться выполнять запрос по считыванию данных из пула.

Генератор случайных чисел ядра был предложен в версии 1.3.30 и находится в файле drivers/char/random.c.

Принцип работы и реализация

Компьютеры — это предсказуемые устройства. Действительно, трудно найти случайное поведение в системе, поведение которой можно практически полностью программировать. Однако окружающая среда, где находится машина, полна различных шумов, которые недетерминированы и которые можно измерить. Источники таких шумов включают моменты времени, в которые возникают события, связанные с аппаратными устройствами, а также события, связанные с взаимодействием пользователей и компьютера. Например, интервалы времени между нажатиями клавиш, перемещения мыши, интервалы времени между некоторыми типами прерываний и время выполнения запроса блочного ввода-вывода являются недетерминированными, и, кроме того, их не может измерить внешний злоумышленник. Случайная информация, которая получается из этих событий, записывается в пул энтропии. Пул растет и заполняется случайными и непредсказуемыми шумовыми данными. По мере добавления данных в пул вычисляется оценка энтропии, и итоговое значение запоминается. Это позволяет всегда иметь информацию о значении энтропии в пуле. На рис. Б. 1 показана диаграмма прохождения потока энтропии в пул и из пула.

Рис. Б.1. Прохождение энтропии через пул энтропии ядра

Для доступа к пулу энтропии, как из пространства ядра, так и из пространства пользователя, ядро предоставляет набор интерфейсов. Когда выполняется обращение к этим интерфейсам, ядро вначале вычисляет хеш-значение SHA данных из пула. Алгоритм SHA (Secure Hash Algorithm, алгоритм вычисления безопасного хеш- значения) — это алгоритм вычисления дайджеста сообщения (профиля сообщения, message digest), который был разработан Агентством национальной безопасности (National Security Agency, NSA) и утвержден в качестве федерального стандарта США Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) (федеральный стандарт по обработке информации, FIPS 186). Вычисление дайджеста сообщения выполняется с помощью специального алгоритма, который принимает сообщение переменного размера (большое или маленькое) и выдает на выходе хеш-значение фиксированного размера (обычно размером 128 или 160 байт). Это фиксированное значение и представляет собой дайджест. Входное сообщение не может быть реконструировано по его хеш-значению. Более того, простое изменение входного сообщения (например, изменение одного символа) приведет к радикальному изменению хеш-значения. Алгоритмы вычисления дайджестов сообщений могут использоваться по-разному, включая проверку подлинности данных и дактилоскопию. Другие алгоритмы вычисления дайджестов — это MD4 и MD5. Пользователю возвращается хеш-значение SHA пула, к содержимому пула энтропии непосредственно обращаться нельзя. Считается, что по хеш-значению невозможно получить никакую информацию о состоянии пула. Поэтому если известно несколько значений из пула, то это не дает никакой информации о прошлых и будущих значениях. Ядро может использовать оценку энтропии и отказаться выполнить запрос на считывание данных из пула, если значение энтропии равно нулю. По мере того как из пула считываются данные, оценка энтропии уменьшается. Это реакция на то, что о пуле становится известно больше информации.

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.

Почему это реализовано в ядре?

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.