2.1절. 왜 RANDOM값이 중요한가

random 의 의미가 "임의의", "일정치 않는"의 뜻을 가진다는 것은 누구든지 알고 있을것이다. 가장 간단한 랜덤값의 예는 주사위가 던져질경우 나오는 눈의 수 가 될것이며, 던지는 사람이 아무 생각없이 던질경우 "임의의" 값이 나오게 될것이다.

이 "임의의" 값은 일상생활에서 자주 사용되며, 특히 "보안"을 필요로 하는곳에서 더욱 중요하게 다루어진다. 금고의 문을 열기 위한 6자리의 숫자를 조합한다고 했을때, 카드에서 현금서비스등을 서비스받기 위해 사용하는 4자리 숫자의 조합등 "임이의" 값이 사용되어야 할것이다. 흔히 이러한 숫자조합을 만들때 가장 문제시 되는게, "임의의" 값을 사용하지 않고 숫자조합을 만든다는 점이다. 자기 생일이라든지, 아는 사람의 전화번호등이 대표적인 예로, 이런 값들은 "임의의"값이 아니다. 임의의 값이 아니란 뜻은 유추가 가능함을 뜻하며, 유추가 가능하다는 것은 그만큼 헛점이 많아질수 있음을 뜻한다.

컴퓨팅 환경에서도 이러한 "임의의"값 을 선택할수 있어야 한다. 선택된 임의의 값은 여러가지 용도로 사용될것인데, 대표적으로 사용할수 있는게 사용자 확인을 위한 "password" 와 SSL 과 같은 라이브러리등에서 암호화및 복호화를 위한 key값등의 제작일 것이다.

이러한 "임의의"값들은 당연하지만 최대한 "임의의"값으로써, 가능한 유추될수 없는 값이 되어야 할것이다. 만약 우리가 "임의의"값 을 얻기 위한 어떤 함수를 만들었고, 이 함수를 통해서 1-9999 사이의 임의의 값을 얻어내려고 하는데, 함수를 사용했더니 5000 - 6000 사이의 값이 다른 값보다 특별히 많이 나온다면, 이 함수는 믿을수 없는 "결함이 있는" 함수가 될것이며, 이 함수를 사용하는 많은 프로그램은 보안 결함을 가지게 될것이다. 이상적으로 각각의 값이 선택될 확률은 모두 동일(1/값의범위)해야 할것이다-다른말로 표준편차 0-.

2.2절. 표준 C random 함수

표준 C 에서는 랜덤값의 계산을 위해서 random()와 srandom() 두개의 함수를 제공한다.

#include <stdlib.h>

long random(void);
void srandom(unsigned int seed);
			

srandom 에서의 random seed 는 아규먼트로 주어지는 seed에 의해서 생성된다.

random 함수가 srandom 에서 만들어내는 random seed 에 의해서 랜덤값을 만들어낸다는 것은 그리 좋지 않은 아이디어라고 생각된다. 왜냐하면 seed 에 임의의 int 값을 할당한다는게 생각처럼 쉬운게 아니기 때문이며(보통은 컴퓨터의 시간값을 사용한다), 이러한 값은 유추될수 있기 때문이다. 기본적으로 동일한 seed 값을 이용할경우 동일한 일련의 랜덤값을 얻을수 있기 때문이다.

또한 random 으로 생성되는 랜덤값의 범위는 16*((2**31)-1) 이다. 언뜻보면 매우 큰숫자인것 같다. 그러나 최근 ssl 등에서 key 의 크기가 128bit 인것을 감안하면 너무 작은 범위의 랜덤값만을 얻어올수 있어서, 현재 컴퓨팅 환경이 요구하는 수준에 크게 미달되고 있음을 알수 있다.

즉 그리 복잡하거나 중요하지 않은 어플리케이션에서의 랜덤값을 만들기 위해서는 간단하게 사용가능하지만, 그렇지 않은 실제 서비스환경에서 사용하기에는 부족한점이 있다.

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

struct mdata
{
    int count;
};

int main()
{
    int i = 0;
    struct mdata mydata[101];

    int sum = 0;
    int avg = 0;
    int dosu = 0;
    int dosu_p = 0;

    memset((void *)&mydata, 0x00, sizeof(struct mdata)*101);
    // srandom(100);

    // 100000번동안 0-99 사이의 랜덤값을 얻어온다. 
    // 얻어온 랜덤값은 counting 된다. 
    while( i < 100000)
    {
        mydata[random()%100].count++;
        i++;
    } 

    i = 0;

    // 카운팅된 랜덤값을 이용해서 
    // 평균,합,표준편차를 구해낸다. 
    while (i < 100) 
    {
        sum += mydata[i].count; 
        printf("%d %d\n", i, mydata[i].count);
        i++;
    }
    avg = sum/100;  
    printf("평균 : %d\n", avg);
    printf("합   : %d\n", sum);
    
    sum = 0;
    i = 0;
    while (i < 100)
    {
        sum += (mydata[i].count - avg)*(mydata[i].count - avg);
        i++;
    }
    // sqrt(sum/100) 을 하면 표준편차가 
    // 나온다.  
    printf("%d\n", sum/100);
}
				

96 1012
97 992
98 970
99 1008
평균 : 1000
합   : 100000
1303
				

2.3절. /dev/random 의 이용

Unix 에서는 좀더 범용적으로 사용할수 있는 방법을 제공한다. /dev/random 이라는 문자장치를 통한 랜덤값가져오기가 이 방법이다.

이 문자장치는 커널에서 제공하는데, int 형의 값을 이용해서 random seed 를 생성해내는 random 함수 와는 달리 다른 장치드라이버와 엔트로피풀안의 다른 소스 들로 부터 노이즈를 모으고 이러한 노이즈와 장치드라이버에 걸리는 인터럽트시간 간격등을 이용해서 난수를 생성시킨다.

간단히 생각해서 키보드, 마우스, 디스크 혹은 내부적으로 발생되는 다른 인터럽트등을 이용해서 난수를 발생시킨다고 보면 된다. 이들 인터럽트 값등은 예측하기가 매우 힘들기 때문에 근본적으로 random 함수를 이용하는것보다 매우 안전하게 랜덤값을 생성할수가 있다. 또한 난수의 범위를 매우 크게 잡을수 있기 때문에, 128bit 크기를 기본으로 사용하는 지금의 컴퓨팅 환경에 유용하게 사용할수 있다

실제 openssl 과 같은 라이브러리등은 암호화된 key의 생성을 위해서 /dev/random 을 사용한다. 다음은 128bit 크기의 난수를 생성하는 간단한 예제 프로그램이다.

예제 : dev_mem.c

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int i, fd;
    char key[16];
    if ((fd = open("/dev/random", O_RDONLY)) == -1)
    {
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    if ((read(fd, key, 16)) == -1)
    {
        perror("read error");
        exit(1);
    }

    for (i = 0; i < 16; i++)
    {
        printf("%c", key[i]);
    }
}
			

[root@localhost c_source]# ./dev_mem | mimencode 
6qK3AlTHc0nUUETnoL5LRA==
			

코드는 매우 간단하며, 실행시마다 서로 다른 랜덤값이 출력되는걸 확인할수 있을것이다. 또한 랜덤값의 크기 제한역시 매우 자유롭다. 위의 key 배열의 크기를 32 로 한다면 간단하게 256bit 크기를 가지는 함수를 생성할수 있다.

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

#define MAX_RND_SIZE 32 

int random_init()
{
    int fd;
    fd = open("/dev/random", O_RDONLY);
    return fd;
}

int random_get(int fd, void *buf, size_t size)
{
    int i = 0;
    int n = 0;

    // 주석 1. 
    while( n < size)
    {
        n += read(fd, buf, size - n);
    }
    return n;
}

int random_clear(int fd)
{
    close(fd);
}
int main()
{
    int fd;
    int n;
    unsigned int value;

    fd = random_init();
    sleep(5);
    while(1)
    {
        n = random_get(fd, (void *)&value, 4);
        printf("%d %lu\n", n, value);
    }
    random_clear(fd);
}
				

[root@localhost egd]# perl Makefile.PL 
...
[root@localhost egd]# make 
...
[root@localhost egd]# make install
...
					

[root@locaohost egd]# egd.pl /dev/random
...
					

	
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int sockfd;
    int clilen;
    int value;
    char de[36];
    struct sockaddr_un clientaddr;

    sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("exit : ");
        exit(0);
    }

    clientaddr.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(clientaddr.sun_path, "/dev/random");
    clilen = sizeof(clientaddr);
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, clilen) < 0)
    {
        perror("connect error : ");
        exit(0);
    }
    printf("OK READ\n");

    while(1)
    {
        memset(de, 0x01, 4);
        write(sockfd, de, 4);
        read(sockfd, (void *)&value, sizeof(int));
        printf("%d\n", value);
        sleep(1);
    }

    close(sockfd);
    exit(0);
}