Принцип работы генератор случайных чисел

Читал про Генератор псевдослучайных чисел.

На самом деле, случайные числа нужны для нескольких целей, и алгоритма, подходящего для всех, нет и быть не может.
Для моделирования может быть важным нормальное распределение выпадающих чисел. Здесь и случайное число по формуле вполне прокатит.
Для игровых целей может быть важна именно высокая случайность числа (то есть, грубо говоря, вероятность выпадения 00000000, 0101010101 и 11111111 одинакова и не зависит от предыдущих выпадений).
Для безопасности обязательна невозможность выведения следующих чисел из предыдущих (или каких-то других условий).

Ну, а в идеале случайные числа вообще не должны вычисляться – если есть качественный поставщик энтропии. Это либо уже упомянутый аппаратный генератор, либо просто какие-то данные, которые невозможно восстановить или проанализировать одновременно с работой алгоритма. Зависит от конкретной задачи и условий.

качественный поставщик энтропии еще надо спроектировать доказать его случайность и т.д. и еще есть в нем есть физическое ограничение на скорость выдачи случайных чисел.

Обычно и не нужно таких сложностей, поэтому делается проще – ставится програмный генератор псевдослучайных чисел /dev/urandom, который периодически засеивается "абсолютно" случайным числом.
Кому нужно "абсолютно" случайное число может обращаться напрямую к /dev/random. Но он может исчерпаться и перестать выдавать числа.

Все случайные числа на самом деле псевдослучайные

3.2.1
The all-digital Entropy Source (ES), also known as a non-deterministic random bit generator (NRBG), provides a serial stream of entropic data in the form of zeroes and ones.

The ES runs asynchronously on a self-timed circuit and uses thermal noise within the silicon to output a random stream of bits at the rate of 3 GHz.

Рассказываю на пальцах.
Компьютер запомнил число (или кучу чисел), которое называется «случайная затравка» (random seed).
По команде «сгенерируй случайное число» он проводит два алгоритма.

1. Собственно генератор случайных чисел — преобразование seed → seed.
Например: seed := (37·seed + 234) mod 997.
(знаком :=, как в Паскале, я обозначил «переприсвоить»)

2. Интерпретация результатов: seed → Y*.
Например, y = seed/997.
Y — это [0…1), <1…6>или любое другое желаемое множество.
Y* — множество конечных последовательностей: каждый бросок генератора может не дать ни одного числа (и потребуется переброс), одно число, два числа… Например, наиболее известный генератор нормально распределённых чисел каждым броском даёт или ноль чисел (т.е. нужен переброс), или сразу два.

Затравку надо инициализировать чем-то действительно случайным, и для этого используют таймер, счётчик тактов и прочие труднопредсказуемые места. А ещё можно запомнить затравку и снова повторить ту же последовательность чисел (раньше это использовали для повторов и мультиплеера в играх).

Читайте также:  Мини рулетка

Если же нужны настоящие случайные числа, да в большом количестве — это откровенно тяжело. В ход идут…
• таймеры и счётчики команд — ну, это понятно;
• шум в звуковой плате;
• задержки ввода с клавиатуры и мыши;
• аппаратные датчики случайных чисел на диодном шуме, применяемые в некоторых процессорах.
MacOS, например, этим добром не пользуется; и в dev/random, и в dev/urandom идёт один и тот же криптостойкий псевдослучайных генератор Ярроу.

есть "псевдослучайные числа" – алгоритмы, выдающие некоторые числа, похожие на случайные. Настолько похожие, что не зная алгоритм и начальное значение невоможно их отличить.

таких алгоритмов – море. Например, древний (и плохой) метод середины квадрата. Берут число, скажем 16 бит, возводят в квадрат, получают 32 бита, выбирают из него средние 16 -и так далее.

или стандартный конгруентный типа:
следующее = 3141592621*прошлое + 907633385;

Введение

Генераторы случайных чисел — ключевая часть веб-безопасности. Небольшой список применений:

  • Генераторы сессий(PHPSESSID)
  • Генерация текста для капчи
  • Шифрование
  • Генерация соли для хранения паролей в необратимом виде
  • Генератор паролей
  • Порядок раздачи карт в интернет казино

Как отличить случайную последовательность чисел от неслучайной?

Пусть есть последовательность чисел: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 . Является ли она случайной? Есть строгое определение для случайной величины. Случайная величина — это величина, которая принимает в результате опыта одно из множества значений, причём появление того или иного значения этой величины до её измерения нельзя точно предсказать. Но оно не помогает ответить на наш вопрос, так как нам не хватает информации для ответа. Теперь скажем, что данные числа получились набором одной из верхних строк клавиатуры. «Конечно не случайная» — воскликните Вы и тут же назовете следующие число и будете абсолютно правы. Последовательность будет случайной только если между символами, нету зависимости. Например, если бы данные символы появились в результате вытягивания бочонков в лото, то последовательность была бы случайной.

Чуть более сложный пример или число Пи


Последовательность цифры в числе Пи считается случайной. Пусть генератор основывается на выводе бит представления числа Пи, начиная с какой-то неизвестной точки. Такой генератор, возможно и пройдет «тест на следующий бит», так как ПИ, видимо, является случайной последовательностью. Однако этот подход не является критографически надежным — если криптоаналитик определит, какой бит числа Пи используется в данный момент, он сможет вычислить и все предшествующие и последующие биты.
Данный пример накладывает ещё одно ограничение на генераторы случайных чисел. Криптоаналитик не должен иметь возможности предсказать работу генератора случайных чисел.

Отличие генератора псевдослучайных чисел (ГПСЧ) от генератора случайных чисел (ГСЧ)

Источники энтропии используются для накопления энтропии с последующим получением из неё начального значения (initial value, seed), необходимого генераторам случайных чисел (ГСЧ) для формирования случайных чисел. ГПСЧ использует единственное начальное значение, откуда и следует его псевдослучайность, а ГСЧ всегда формирует случайное число, имея в начале высококачественную случайную величину, предоставленную различными источниками энтропии.
Энтропия – это мера беспорядка. Информационная энтропия — мера неопределённости или непредсказуемости информации.
Можно сказать, что ГСЧ = ГПСЧ + источник энтропии.

Читайте также:  Промокоды для вулкана гранд

Уязвимости ГПСЧ

  • Предсказуемая зависимость между числами.
  • Предсказуемое начальное значение генератора.
  • Малая длина периода генерируемой последовательности случайных чисел, после которой генератор зацикливается.

Линейный конгруэнтный ГПСЧ(LCPRNG)

Распространённый метод для генерации псевдослучайных чисел, не обладающий криптографической стойкостью. Линейный конгруэнтный метод заключается в вычислении членов линейной рекуррентной последовательности по модулю некоторого натурального числа m, задаваемой следующей формулой:

где a(multiplier), c(addend), m(mask) — некоторые целочисленные коэффициенты. Получаемая последовательность зависит от выбора стартового числа (seed) X0 и при разных его значениях получаются различные последовательности случайных чисел.

Для выбора коэффициентов имеются свойства позволяющие максимизировать длину периода(максимальная длина равна m), то есть момент, с которого генератор зациклится [1].

Пусть генератор выдал несколько случайных чисел X0, X1, X2, X3. Получается система уравнений

Решив эту систему, можно определить коэффициенты a, c, m. Как утверждает википедия [8], эта система имеет решение, но решить самостоятельно или найти решение не получилось. Буду очень признателен за любую помощь в этом направлении.

Предсказание результатов линейно-конгруэнтного метода

Основным алгоритмом предсказания чисел для линейно-конгруэнтного метода является Plumstead’s — алгоритм, реализацию, которого можно найти здесь [4](есть онлайн запуск) и здесь [5]. Описание алгоритма можно найти в [9].
Простая реализация конгруэнтного метода на Java.

Отправив 20 чисел на сайт [4], можно с большой вероятностью получить следующие. Чем больше чисел, тем больше вероятность.

Взлом встроенного генератора случайных чисел в Java

Многие языки программирования, например C(rand), C++(rand) и Java используют LСPRNG. Рассмотрим, как можно провести взлом на примере java.utils.Random. Зайдя в исходный код(jdk1.7) данного класса можно увидеть используемые константы

Метод java.utils.Randon.nextInt() выглядит следующим образом (здесь bits == 32)

Результатом является nextseed сдвинутый вправо на 48-32=16 бит. Данный метод называется truncated-bits, особенно неприятен при black-box, приходится добавлять ещё один цикл в brute-force. Взлом будет происходить методом грубой силы(brute-force).

Пусть мы знаем два подряд сгенерированных числа x1 и x2. Тогда необходимо перебрать 2^16 = 65536 вариантов oldseed и применять к x1 формулу:

до тех пор, пока она не станет равной x2. Код для brute-force может выглядеть так

Вывод данной программы будет примерно таким:

Несложно понять, что мы нашли не самый первый seed, а seed, используемый при генерации второго числа. Для нахождения первоначального seed необходимо провести несколько операций, которые Java использовала для преобразования seed, в обратном порядке.

И теперь в исходном коде заменим
crackingSeed.set(seed);
на
crackingSeed.set(getPreviousSeed(seed));

И всё, мы успешно взломали ГПСЧ в Java.

Взлом ГПСЧ Mersenne twister в PHP

Рассмотрим ещё один не криптостойкий алгоритм генерации псевдослучайных чисел Mersenne Twister. Основные преимущества алгоритма — это скорость генерации и огромный период 2^19937 − 1, На этот раз будем анализировать реализацию алгоритма mt_srand() и mt_rand() в исходном коде php версии 5.4.6.

Можно заметить, что php_mt_reload вызывается при инициализации и после вызова php_mt_rand 624 раза. Начнем взлом с конца, обратим трансформации в конце функции php_mt_rand(). Рассмотрим (s1 ^ (s1 >> 18)). В бинарном представление операция выглядит так:

Читайте также:  Мобильные казино

10110111010111100111111001110010 s1
00000000000000000010110111010111100111111001110010 s1 >> 18
10110111010111100101001110100101 s1 ^ (s1 >> 18)
Видно, что первые 18 бит (выделены жирным) остались без изменений.
Напишем две функции для инвертирования битового сдвига и xor

Тогда код для инвертирования последних строк функции php_mt_rand() будет выглядеть так

Если у нас есть 624 последовательных числа сгенерированных Mersenne Twister, то применив этот алгоритм для этих последовательных чисел, мы получим полное состояние Mersenne Twister, и сможем легко определить каждое последующее значение, запустив php_mt_reload для известного набора значений.

Область для взлома

Если вы думаете, что уже нечего ломать, то Вы глубоко заблуждаетесь. Одним из интересных направлений является генератор случайных чисел Adobe Flash(Action Script 3.0). Его особенностью является закрытость исходного кода и отсутствие задания seed’а. Основной интерес к нему, это использование во многих онлайн-казино и онлайн-покере.
Есть много последовательностей чисел, начиная от курса доллара и заканчивая количеством времени проведенным в пробке каждый день. И найти закономерность в таких данных очень не простая задача.

Задание распределения для генератора псевдослучайных чисел

Для любой случайной величины можно задать распределение. Перенося на пример с картами, можно сделать так, чтобы тузы выпадали чаще, чем девятки. Далее представлены несколько примеров для треугольного распределения и экспоненциального распределения.

Треугольное распределение

Приведем пример генерации случайной величины с треугольным распределением [7] на языке C99.

В данном случае мы берем случайную величину rand() и задаем ей распределение, исходя из функции треугольного распределения. Для параметров a = -40, b = 100, c = 50 график 10000000 измерений будет выглядеть так

Экспоненциальное распределение

Пусть требуется получить датчик экспоненциально распределенных случайных величин. В этом случае F(x) = 1 – exp(-lambda * x). Тогда из решения уравнения y = 1 – exp(-lambda * x) получаем x = -log(1-y)/lambda.
Можно заметить, что выражение под знаком логарифма в последней формуле имеет равномерное распределение на отрезке [0,1), что позволяет получать другую, но так же распределённую последовательность по формуле: x = -log(y)/lambda, где y есть случайная величина(rand()).

Тесты ГПСЧ

Некоторые разработчики считают, что если они скроют используемый ими метод генерации или придумают свой, то этого достаточно для защиты. Это очень распространённое заблуждение. Следует помнить, что есть специальные методы и приемы для поиска зависимостей в последовательности чисел.

Одним из известных тестов является тест на следующий бит — тест, служащий для проверки генераторов псевдослучайных чисел на криптостойкость. Тест гласит, что не должно существовать полиномиального алгоритма, который, зная первые k битов случайной последовательности, сможет предсказать k+1 бит с вероятностью большей ½.

В теории криптографии отдельной проблемой является определение того, насколько последовательность чисел или бит, сгенерированных генератором, является случайной. Как правило, для этой цели используются различные статистические тесты, такие как DIEHARD или NIST. Эндрю Яо в 1982 году доказал, что генератор, прошедший «тест на следующий бит», пройдет и любые другие статистические тесты на случайность, выполнимые за полиномиальное время.
В интернете [10] можно пройти тесты DIEHARD и множество других, чтобы определить критостойкость алгоритма.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *