/dev/random 和 /dev/urandom 的原理

/dev/random 和 /dev/urandom 是 Linux 上的字符设备文件，它们是随机数生成器，为系统提供随机数。

随机数在计算中非常重要，例如 TCP/IP 序列号、密码盐和 DNS 源端口号都依赖于随机数。在密码学中，随机性无处不在，从密钥生成到加密系统，甚至密码系统受到攻击的方式。没有随机性，所有加密操作都是可预测的，因此不安全。

为了尽可能地做到随机，随机数生成器会收集系统环境中各种数据，如鼠标的移动、键盘的输入、终端的连接和断开、音视频的播放、系统中断、内存和 CPU 的使用等。这些数据会被放入一个熵池中，然后进行去偏、漂白，目的是使数据更加无序，难以猜测。

有了大量的环境数据后，每次获取随机数时，从池子中读取指定的字节序列，这些字节序列就是生成器生成的随机数。

随机数生成器的结构分为收集器、主熵池、次熵池、urandom 熵池、计数器等部分。收集器收集系统中的环境噪音，如鼠标、键盘、中断事件、内存、CPU等，并进行批量去偏、漂白，进入主熵池中。主熵池为次熵池和 urandom 熵池提供随机数，大小为 512字节（4098二进制位）。

在 Linux 上，可以通过命令查看当前系统主熵池的大小，单位为二进制位的数量。

/dev/random 设备关联，大小为 128 字节，它是阻塞的。/dev/urandom 设备关联，大小也为 128 字节，它是非阻塞的。

主熵池、次熵池以及 urandom 熵池各自都有一个计数器，用于记录当前熵池中可用随机数的数量。当熵池中有新的随机数加入时，对应熵池的计数器计数增加；当熵池中随机数被取出时，熵池计数器计数减少。

生成器主要有 /dev/random、/dev/urandom、get_random_bytes() 这三个接口，可以从用户空间访问这两设备文件，即使是普通用户也有访问权限。它们返回指定请求数量的随机数。

请求随机数的流程如下：urandom 熵池计数器计数减去 N，如果结果大于等于 0，直接从 urandom 熵池中取出 N 个随机二进制位并返回；如果结果小于 0，请求不会阻塞，返回的是 N 个伪随机二进制位。次熵池计数器减去 N，如果结果大于等于 0，直接从次熵池中取出 N 个随机二进制位并返回；如果结果小于 0，先从主熵池提取剩余所需的随机二进制位，主熵池计数器减去相应的值，同时返回 N 个随机二进制位。如果这时主熵池和次熵池两者计数器之和都不够 N 的话，读取随机二进制位的动作会被阻塞，直到次熵池中有足够的随机二进制位。

/dev/random 和 /dev/urandom 的区别在于，/dev/urandom 返回指定请求数量的随机数，如果请求的数量非常庞大，返回的随机数可能是伪随机数，随机数质量稍差。/dev/random 也是返回指定请求数量的随机数，但产生的随机数质量很高，是真随机数，主要用于需要高质量随机数的地方，如生成加密密钥。

为了保证随机数的质量，/dev/random 只能返回熵池当前最大可用的随机二进制位，当请求超过这个值，就会阻塞，直到熵池中有足够的随机二进制位。

/dev/random 和 /dev/urandom 都是 Linux 上的随机数生成器，应用中选择哪一个取决于具体的使用场景。/dev/random 产生的随机数质量高，主要用于安全方面，但它是阻塞的，对于大部分应用来说，这是不能接受的。/dev/urandom 当熵池计数器足够时，产生真随机数；计数不够时，产生伪随机数。最重要的是，它不会阻塞，对于绝大多数应用来说，伪随机数也能很好地满足需求。

本文主要介绍了 Linux 下 /dev/random 和 /dev/urandom 两种随机数生成器的原理以及区别。更多细节知识，请自行查阅 man 文档或参考相关链接。

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