RDSEED和RDRAND之间的性能差异可以忽略不计

Question

最近的英特尔芯片(Ivy Bridge及其上)具有生成(伪)随机位的指令.RDSEED输出从芯片上的传感器收集的熵产生的"真实"随机位.RDRAND输出由真随机数发生器播种的伪随机数发生器产生的比特.根据英特尔的文档,RDSEED速度较慢,因为收集熵是昂贵的.因此,RDRAND作为更便宜的替代方案提供,并且其输出对于大多数加密应用来说足够安全.(这类似于Unix系统上的/dev/random对比/dev/urandom.)

我很好奇两个指令之间的性能差异,所以我写了一些代码来比较它们.令我惊讶的是,我发现性能几乎没有差异.任何人都可以提供解释吗？代码和系统详细信息如下.

基准

/* Compare the performance of RDSEED and RDRAND.
 *
 * Compute the CPU time used to fill a buffer with (pseudo) random bits 
 * using each instruction.
 *
 * Compile with: gcc -mdrnd -mdseed
 */
#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <x86intrin.h>

#define BUFSIZE (1<<24)

int main() {

  unsigned int ok, i;
  unsigned long long *rand = malloc(BUFSIZE*sizeof(unsigned long long)), 
                     *seed = malloc(BUFSIZE*sizeof(unsigned long long)); 

  clock_t start, end, bm;

  // RDRAND (the benchmark)
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    ok  = _rdrand64_step(&rand[i]);
  }
  bm = clock() - start;
  printf("RDRAND: %li\n", bm);

  // RDSEED
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    ok = _rdseed64_step(&seed[i]);
  }
  end = clock();
  printf("RDSEED: %li, %.2lf\n", end - start, (double)(end-start)/bm);

  free(rand);
  free(seed);
  return 0;
}

系统细节

• 英特尔酷睿i7-6700 CPU @ 3.40GHz
• Ubuntu 16.04
• gcc 5.4.0

Answer 1

您没有检查返回值,因此您不会生成多少实际随机数.随着重试,为弗洛里安建议的RDSEED版本是比较慢的3倍以上:

RDRAND: 1989817
RDSEED: 6636792, 3.34 

在封面下,硬件熵源可能仅以有限的速率生成,并且RDSEED当以比熵可以再生的速率更快的速率调用时,这导致失败.RDRAND另一方面,仅基于周期性重新种子生成伪随机序列,因此不太可能失败.

以下是修改后的代码摘录:

  // RDRAND (the benchmark)
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    while (!_rdrand64_step(&rand[i]))
        ;
  }
  bm = clock() - start;
  printf("RDRAND: %li\n", bm);

  // RDSEED
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    while (!_rdseed64_step(&seed[i]))
        ;
  }
  end = clock();