/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
随机数的重要性
随机数在计算中很重要。 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，从密钥的生成到加密系统，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。
随机数产生的原理
为了尽可能的做到随机，随机数生成器会收集系统环境中各种数据，比如：鼠标的移动，键盘的输入, 终端的连接以及断开，音视频的播放，系统中断，内存 CPU 的使用等等
生成器把收集到的各种环境数据放入一个池子 ( 熵池 ) 中，然后将这些数据进行去偏、漂白，主要目的也是使得数据更加无序，更加难以猜测或者预料得到
有了大量的环境数据之后，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
下图是随机数生成器的结构
整个生成器的结构分成 收集器、主熵池、次熵池、urandom熵池、计数器 几部分
- 收集器
收集器收集系统中的环境噪音，比如：鼠标、键盘、中断事件、内存、CPU等，收集之后进行批量去偏、漂白之后进入主熵池中
- 主熵池
主熵池接收收集器传递过来的环境数据，大小为 512字节( 4098二进制位) , 它为 次熵池 和 urandom 熵池提供随机数
在 Linux上，可以通过下面的命令查看当前系统主熵池大小, 单位是 二进制位的数量
[root@localhost ~]# cat /proc/sys/kernel/random/poolsize
4096
- 次熵池
/dev/random 设备关连的，大小为128字节，它是阻塞的
- urandom 熵池
和 /dev/urandom 设备关连的，大小为128字节，它是非阻塞的
- 计数器
主熵池 、次熵池 以及 urandom熵池各自都有一个计数器，用一个整数值来记录，表示当前熵池中可用随机数的数量，这是一个预估的值，它是生成器根据熵池中的环境数据估算出来的
当熵池中有新的随机数加入时，对应熵池的计数器计数会增加，当熵池中随机数被取出时，熵池计数器计数减少
输出接口
生成器主要有 /dev/random、/dev/urandom、get_random_bytes() 这三个接口
- /dev/random、/dev/urandom
可以从用户空间去访问这两设备文件，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
- get_random_bytes()
只供内核使用的接口, 返回指定请求数量的随机数，暂时不讨论这个接口
请求随机数流程
现假如应用层分别调用 /dev/random、/dev/urandom 请求 N 个随机二进制位，它们的处理流程如下:
- /dev/urandom
urandom 熵池计数器计数会减去 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，只不过返回的是 N 个伪随机二进制位，这里的伪随机二进制位是通过算法计算出来的，它的质量没有 urandom 熵池中提取出的随机二进制位高
- /dev/random
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， 则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、/dev/urandom 的区别
/dev/urandom 它返回指定请求数量的随机数，如果请求的数量非常庞大的话，返回的随机数可能是伪随机数，随机数质量稍差些，即使如此，它们对大多数应用来说已经足够了
/dev/random 也是返回指定请求数量的随机数，但是它产生的随机数质量很高, 是属于真随机数, 主要用于需要高质量的随机数的地方，比如：生成加密密钥等。
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
伪随机 和 真随机
上面提到了 伪随机 和 真随机，这里的 "真" 和 "伪" 是相对的
伪随机数 是通过算法计算出来，它只具有计算随机性
真随机数来自于系统中各种环境噪音数据，再利用算法混淆，可以认为是完全随机的了，具有真实的随机性和计算随机性
但是，对于一些微型的Linux系统，它的环境噪音很少，而且噪音种类也比较固定，能被猜测到的概率会大大增加，那么它真实的随机性就大打折扣了，这时它产生的随机数的随机性 和 伪随机数已经差不多了
使用哪个随机数生成器
/dev/random 和 /dev/urandom 都是 Linux 上两个随机数生成器，那我们应用中使用哪一个呢，按照怎样的原则去选呢 ?
首先要明确一点，/dev/random 和 /dev/urandom 产生的随机数都是从同一个熵池 ( 主熵池 ) 中提取的，只有当各自的熵池耗尽了，它们的行为才有所不同: /dev/random 阻塞，而 /dev/urandom 没有，但是此时它返回的是用算法计算出来的伪随机数
一般有个规则，/dev/random 产生的随机数质量高，主要用于一些安全方面，而且，它是阻塞的，对于大部分应用来说，这是不能接受的
对于 /dev/urandom ，当熵池计数器足够的时候，产生真随机数，计数不够的时候，产生伪随机数，最重要的是 它不会阻塞，而且，对于绝大多数的应用来说，伪随机数也能很好的满足需求了
小结
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，关于它们更细节的知识请自行查阅 man 文档 或 参考下面的链接
