openssl研发随机数（random）生成（含源码）

在 OpenSSL 中，随机数生成是一个非常重要的任务，用于生成密码学中的随机数，密钥和初始化向量等。在开发应用程序时，保证随机数的质量和随机性非常关键，因为弱的随机数可能导致密码学的弱点，使得应用程序容易受到攻击。

在 OpenSSL 中，你可以使用以下函数来生成随机数：

一、RAND_bytes() 函数（推荐）

1.1 底层原理

1. 系统随机性源： OpenSSL 首先会尝试获取系统提供的真随机数源，通常是操作系统的 /dev/random 或 /dev/urandom（在类 UNIX 系统中），或者是 Windows 的 CryptGenRandom 函数。这些源产生的数据是由系统硬件或操作系统的事件（例如用户的鼠标移动、键盘输入、硬件噪声等）产生的，具有高度的随机性。

2. 熵池（Entropy Pool）： OpenSSL 会维护一个称为熵池的数据结构，用于存储收集到的随机性源数据。这个熵池包含了足够的随机性数据，可以供 OpenSSL 的伪随机数生成器使用。

3. 伪随机数生成器（PRNG）： OpenSSL 使用一个伪随机数生成器（通常是一个加密安全的伪随机数生成器）来从熵池中生成更多的随机数据。这个 PRNG 的输出被 RAND_bytes() 函数返回给调用者。

4. Re-seeding： 如果熵池中的随机性数据用尽，或者达到一定的使用次数，OpenSSL 会重新从系统的随机性源获取新的随机性数据，然后再将它们混合到熵池中，以维持熵池的随机性。
   这个函数用于生成随机字节。它需要一个缓冲区和要生成的字节数作为参数。示例用法如下：

1.2 RAND_bytes函数说明

该函数的目的是填充指定长度的缓冲区 buf（以字节为单位），并返回一个表示操作成功与否的值。如果函数成功，它返回 1；如果函数失败，它返回 0。

• **buf：**用于存储生成的随机字节序列的缓冲区的指针。
• **num：**要生成的随机字节数。

unsigned char buffer[16]; // 16字节的缓冲区
RAND_bytes(buffer, sizeof(buffer));

这个函数会生成16个随机字节并存储在 buffer 中。
注意！！在使用 RAND_bytes() 函数之前，你应该确保 OpenSSL 库已经被正确初始化。通常，你需要在你的程序开始时调用 RAND_poll() 函数来初始化 OpenSSL 的随机数发生器。

1.3 RAND_bytes代码实例

需要注意的是我们随机数的生成有可能生成\0作为数据，因此如果想使用string进行存储有可能出错，因为string的结束符号以\0进行判断。

• 代码

#include 
#include 

int main() {
    const int numBytes = 16;  // 要生成的随机字节数
    unsigned char buffer[numBytes];

    // 初始化 OpenSSL 的随机数发生器
    RAND_poll();

    // 生成随机数
    int success = RAND_bytes(buffer, numBytes);

    if (success == 1) {
        // 打印生成的随机字节序列
        std::cout << "Random Bytes: ";
        for (int i = 0; i < numBytes; ++i) {
            std::cout << std::hex << static_cast<int>(buffer[i]);
        }
        std::cout << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Error generating random bytes." << std::endl;
    }

    return 0;
}

• 编译

g++ -o random_generator random_generator.cpp -lssl -lcrypto

• 运行

./random_generator

二、RAND_pseudo_bytes()`函数

2.1 RAND_pseudo_bytes()函数说明

RAND_pseudo_bytes() 函数是 OpenSSL 库中的一个函数，用于生成伪随机字节序列。与 RAND_bytes() 函数不同，RAND_pseudo_bytes() 并不保证生成的字节序列具有密码学安全性。它使用伪随机数生成器（PRNG）生成随机数据，通常用于不需要密码学安全性的场景。

RAND_pseudo_bytes() 函数的声明如下：

int RAND_pseudo_bytes(unsigned char *buf, int num);

• buf：用于存储生成的随机字节序列的缓冲区的指针。
• num：要生成的随机字节数。

函数返回值为 1 表示生成成功，为 0 表示失败。

2.2 RAND_pseudo_bytes()代码实例

与 RAND_bytes() 函数不同，RAND_pseudo_bytes() 不依赖于系统提供的真随机数源，而是仅依赖 OpenSSL 内部的伪随机数生成器。因此，它生成的随机数不适用于需要密码学安全性的场景。如果你的应用需要密码学安全的随机数，应该使用 RAND_bytes() 函数。

以下是一个使用 RAND_pseudo_bytes() 函数生成伪随机字节序列的示例代码：

#include 
#include 

int main() {
    const int numBytes = 16;  // 要生成的随机字节数
    unsigned char buffer[numBytes];

    // 生成伪随机数
    int success = RAND_pseudo_bytes(buffer, numBytes);

    if (success == 1) {
        // 打印生成的随机字节序列
        std::cout << "Pseudo-Random Bytes: ";
        for (int i = 0; i < numBytes; ++i) {
            std::cout << std::hex << static_cast<int>(buffer[i]);
        }
        std::cout << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Error generating pseudo-random bytes." << std::endl;
    }

    return 0;
}

g++ -o RAND_pseudo_bytes RAND_pseudo_bytes.cc -lssl -lcrypto

运行

在这个示例中，RAND_pseudo_bytes() 函数用于生成伪随机字节序列，结果存储在 buffer 中。请注意，生成的随机数是以十六进制形式显示的。

三、RAND_seed() 函数

3.1 RAND_seed() 函数说明

RAND_seed() 函数是 OpenSSL 库中的一个函数，用于增加 OpenSSL 随机数发生器的熵（entropy），提高随机性。熵是随机性的度量，可以看作是计算机系统中的随机性源。通过添加额外的随机性数据到 OpenSSL 的随机数发生器，可以增加生成的随机数的质量。

RAND_seed() 函数的声明如下：

void RAND_seed(const void *buf, int num);

• buf：包含随机性数据的缓冲区的指针。
• num：要添加的随机性数据的字节数。

3.2 RAND_seed() 代码实例

使用 RAND_seed() 函数，你可以提供自定义的随机性数据来增加 OpenSSL 的随机数发生器的熵。这通常用于增加系统随机性源不足的情况，或者在启动时向 OpenSSL 的随机数发生器注入额外的随机性。

以下是一个简单的示例，演示如何使用 RAND_seed() 函数：

#include 

int main() {
    unsigned char entropy_data[32];  // 32 字节的自定义随机性数据
    // 填充 entropy_data 缓冲区，可以使用系统的随机性源或其他安全随机方法
    // ...

    // 添加自定义的随机性数据到 OpenSSL 的随机数发生器
    RAND_seed(entropy_data, sizeof(entropy_data));

    // 现在 OpenSSL 的随机数发生器被增加了额外的随机性数据

    return 0;
}

在实际应用中，当系统提供的随机性源不足时，或者为了提高随机数质量，你可以使用 RAND_seed() 函数来添加额外的随机性数据。请确保提供的数据是足够随机的，以确保生成的随机数具有高质量的随机性。

四、总结

请注意，虽然 RAND_pseudo_bytes() 可以用于非安全目的，但如果你的应用程序需要密码学安全的随机数，你应该使用 RAND_bytes() 函数。并且，在生产环境中，你应该避免使用自定义的随机数种子，而依赖于系统提供的随机性源来确保更高的安全性。