что такое псевдослучайные числа
Подробно о генераторах случайных и псевдослучайных чисел
Введение
Как отличить случайную последовательность чисел от неслучайной?
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.
Уязвимости ГПСЧ
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:
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.
Экспоненциальное распределение
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.
Псевдослучайное число
Генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ, англ. Pseudorandom number generator, PRNG ) — алгоритм, генерирующий последовательность чисел, элементы которой почти независимы друг от друга и подчиняются заданному распределению (обычно равномерному).
Современная информатика широко использует псевдослучайные числа в самых разных приложениях — от метода Монте-Карло и имитационного моделирования до криптографии. При этом от качества используемых ГПСЧ напрямую зависит качество получаемых результатов. Это обстоятельство подчёркивает известный афоризм Роберта Р. Кавью из ORNL (англ.): «генерация случайных чисел слишком важна, чтобы оставлять её на волю случая».
Содержание
Детерминированные ГПСЧ
Никакой детерминированный алгоритм не может генерировать полностью случайные числа, он может только аппроксимировать некоторые свойства случайных чисел. Как сказал Джон фон Нейман, «всякий, кто питает слабость к арифметическим методам получения случайных чисел, грешен вне всяких сомнений».
Большинство простых арифметических генераторов хотя и обладают большой скоростью, но страдают от многих серьёзных недостатков:
ГПСЧ с источником энтропии или ГСЧ
Наравне с существующей необходимостью генерировать легко воспроизводимые последовательности случайных чисел, также существует необходимость генерировать совершенно непредсказуемые или попросту абсолютно случайные числа. Такие генераторы называются генераторами случайных чисел (ГСЧ — англ. random number generator, RNG ). Так как такие генераторы чаще всего применяются для генерации уникальных симметричных и асимметричных ключей для шифрования, они чаще всего строятся из комбинации криптостойкого ГПСЧ и внешнего источника энтропии (и именно такую комбинацию теперь и принято понимать под ГСЧ).
Почти все крупные производители микрочипов поставляют аппаратные ГСЧ с различными источниками энтропии, используя различные методы для их очистки от неизбежной предсказуемости. Однако на данный момент скорость сбора случайных чисел всеми существующими микрочипами (несколько тысяч бит в секунду) не соответствует быстродействию современных процессоров.
Примеры ГСЧ и источников энтропии
Несколько примеров ГСЧ с их источниками энтропии и генераторами:
ГПСЧ в криптографии
Разновидностью ГПСЧ являются ГПСБ (PRBG) — генераторы псевдо-случайных бит, а так же различных поточных шифров. ГПСЧ, как и поточные шифры, состоят из внутреннего состояния (обычно размером от 16 бит до нескольких мегабайт), функции инициализации внутреннего состояния ключом или семенем (англ. seed ), функции обновления внутреннего состояния и функции вывода. ГПСЧ подразделяются на простые арифметические, сломанные криптографические и криптостойкие. Их общее предназначение — генерация последовательностей чисел, которые невозможно отличить от случайных вычислительными методами.
Хотя многие криптостойкие ГПСЧ или поточные шифры предлагают гораздо более «случайные» числа, такие генераторы гораздо медленнее обычных арифметических и могут быть непригодны во всякого рода исследованиях, требующих, чтобы процессор был свободен для более полезных вычислений.
В военных целях и в полевых условиях применяются только засекреченные синхронные криптостойкие ГПСЧ (поточные шифры), блочные шифры не используются. Примерами известных криптостойких ГПСЧ являются ISAAC, SEAL, Snow, совсем медленный теоретический алгоритм Блюма, Блюма и Шуба, а так же счётчики с криптографическими хеш-функциями или криптостойкими блочными шифрами вместо функции вывода.
Аппаратные ГПСЧ
Кроме устаревших, хорошо известных LFSR-генераторов, широко применявшихся в качестве аппаратных ГПСЧ в XX веке, к сожалению, очень мало известно о современных аппаратных ГПСЧ (поточных шифрах), так как большинство из них разработано для военных целей и держатся в секрете. Почти все существующие коммерческие аппаратные ГПСЧ запатентованы и также держатся в секрете. Аппаратные ГПСЧ ограничены строгими требованиями к расходуемой памяти (чаще всего использование памяти запрещено), быстродействию (1-2 такта) и площади (несколько сотен FPGA- или
Из-за недостатка хороших аппаратных ГПСЧ производители вынуждены применять имеющиеся под рукой гораздо более медленные, но широко известные блочные шифры (
Примечания
См. также
Ссылки
Литература
Полезное
Смотреть что такое «Псевдослучайное число» в других словарях:
псевдослучайное число — Число, извлеченное из псевдослучайной последовательности. [[http://www.rfcmd.ru/glossword/1.8/index.php?a=index d=23]] Тематики защита информации EN pseudo random number … Справочник технического переводчика
псевдослучайное число — pseudoatsitiktinis skaičius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. pseudorandom number vok. Pseudozufallszahl, f rus. псевдослучайное число, n pranc. nombre pseudo aléatoire, m … Automatikos terminų žodynas
Число — У этого термина существуют и другие значения, см. Число (значения). Число основное понятие математики[1], используемое для количественной характеристики, сравнения и нумерации объектов. Возникнув ещё в первобытном обществе из потребностей… … Википедия
Генератор псевдослучайных чисел — (ГПСЧ, англ. Pseudorandom number generator, PRNG) алгоритм, порождающий последовательность чисел, элементы которой почти независимы друг от друга и подчиняются заданному распределению (обычно равномерному). Современная информатика… … Википедия
HDCP — Не следует путать с DHCP. У этого термина существуют и другие значения, см. HD. Работа с оптическими дисками Оптический диск Образ оптического диска, ISO образ Эмулятор оптических дисководов Программное обеспечение для работы с файловыми… … Википедия
Атака на основе подобранного шифротекста — (англ. Chosen ciphertext attack) криптографическая атака, при которой криптоаналитик собирает информацию о шифре путем подбора зашифрованного текста и получения его расшифровки при неизвестном ключе. Как правило, криптоаналитик может… … Википедия
Теорема Вольстенхольма — (англ. Wolstenholme s theorem) утверждает, что для любого простого числа выполняется сравнение где средний биномиальный коэффициент. Эквивалентное сравнение Неизвестны составные числа, удовлетворяющие теореме Вольстенхол … Википедия
IPv6 — Название: Internet Protocol version 6 Уровень (по модели OSI): Сетевой Семейство: TCP/IP Назначение протокола: Адресация Спецификация: RFC 2460 Основные реализации (клиенты) … Википедия
Оказия — Оказия случай (заимств. в XVII в. из польск. яз., где okazja «случай» (от лат. occasio суф. производного от occidere «падать»)). 1. Удобный, благоприятный случай. Послать письмо с оказией. Хоть раненько задумал ты жениться, да… … Википедия
Псевдослучайная последовательность — (ПСП) последовательность чисел, которая была вычислена по некоторому определённому арифметическому правилу, но имеет все свойства случайной последовательности чисел в рамках решаемой задачи. Хотя псевдослучайная последовательность в этом смысле… … Википедия
Краеугольный камень псевдослучайности: с чего начинается поиск чисел
(с)
Случайные числа постоянно генерируются каждой машиной, которая может обмениваться данными. И даже если она не обменивается данными, каждый компьютер нуждается в случайности для распределения программ в памяти. При этом, конечно, компьютер, как детерминированная система, не может создавать истинные случайные числа.
Когда речь заходит о генераторах случайных (или псевдослучайных) чисел, рассказ всегда строится вокруг поиска истинной случайности. Пока серьезные математики десятилетиями ведут дискуссии о том, что считать случайностью, в практическом отношении мы давно научились использовать «правильную» энтропию. Впрочем, «шум» — это лишь вершина айсберга.
С чего начать, если мы хотим распутать клубок самых сильных алгоритмов PRNG и TRNG? На самом деле, с какими бы алгоритмами вы не имели дело, все сводится к трем китам: seed, таблица предопределенных констант и математические формулы.
Каким бы ни был seed, еще есть алгоритмы, участвующие в генераторах истинных случайных чисел, и такие алгоритмы никогда не бывают случайными.
Что такое случайность
Первое подходящее определение случайной последовательности дал в 1966 году шведский статистик Пер Мартин-Лёф, ученик одного из крупнейших математиков XX века Андрея Колмогорова. Ранее исследователи пытались определить случайную последовательность как последовательность, которая проходила все тесты на случайность.
Основная идея Мартина-Лёфа заключалась в том, чтобы использовать теорию вычислимости для формального определения понятия теста случайности. Это контрастирует с идеей случайности в вероятности; в этой теории ни один конкретный элемент пространства выборки не может быть назван случайным.
«Случайная последовательность» в представлениях Мартина-Лёфа должна быть типичной, т.е. не должна обладать индивидуальными отличительными особенностями.
Было показано, что случайность Мартина-Лёфа допускает много эквивалентных характеристик, каждая из которых удовлетворяет нашему интуитивному представлению о свойствах, которые должны иметь случайные последовательности:
Существование множественных определений рандомизации Мартина-Лёфа и устойчивость этих определений при разных моделях вычислений свидетельствуют о том, что случайность Мартина-Лёфа является фундаментальным свойством математики.
Seed: основа псевдослучайных алгоритмов
Первые алгоритмы формирования случайных чисел выполняли ряд основных арифметических действий: умножить, разделить, добавить, вычесть, взять средние числа и т.д. Сегодня такие мощные алгоритмы, как Fortuna и Yarrow (используется в FreeBSD, AIX, Mac OS X, NetBSD) выглядят как генераторы случайных чисел для параноиков. Fortuna, например, это криптографический генератор, в котором для защиты от дискредитации после выполнения каждого запроса на случайные данные в размере 220 байт генерируются еще 256 бит псевдослучайных данных и используются в качестве нового ключа шифрования — старый ключ при этом каждый раз уничтожается.
Прошли годы, прежде чем простейшие алгоритмы эволюционировали до криптографически стойких генераторов псевдослучайных чисел. Частично этот процесс можно проследить на примере работы одной математической функции в языке С.
Функция rand () является простейшей из функций генерации случайных чисел в C.
В этом примере рандома используется вложенный цикл для отображения 100 случайных значений. Функция rand () хороша при создании множества случайных значений, но они являются предсказуемыми. Чтобы сделать вывод менее предсказуемым, вам нужно добавить seed в генератор случайных чисел — это делается с помощью функции srand ().
Seed — это стартовое число, точка, с которой начинается последовательность псевдослучайных чисел. Генератор псевдослучайных чисел использует единственное начальное значение, откуда и следует его псевдослучайность. Генератор истинных случайных чисел всегда имеет в начале высококачественную случайную величину, предоставленную различными источниками энтропии.
srand() принимает число и ставит его в качестве отправной точки. Если seed не выставить, то при каждом запуске программы мы будем получать одинаковые случайные числа.
Вот пример простой формулы случайного числа из «классики» — книги «Язык программирования C» Кернигана и Ричи, первое издание которой вышло аж в 1978 году:
Эта формула предполагает существование переменной, называемой random_seed, изначально заданной некоторым числом. Переменная random_seed умножается на 1 103 535 245, а затем 12 345 добавляется к результату; random_seed затем заменяется этим новым значением. Это на самом деле довольно хороший генератор псевдослучайных чисел. Если вы используете его для создания случайных чисел от 0 до 9, то первые 20 значений, которые он вернет при seed = 10, будут такими:
Если у вас есть 10 000 значений от 0 до 9, то распределение будет следующим:
0 — 10151 — 10242 — 10483 — 9964 — 9885 — 10016 — 9967 — 10068 — 9659 — 961
Любая формула псевдослучайных чисел зависит от начального значения. Если вы предоставите функции rand() seed 10 на одном компьютере, и посмотрите на поток чисел, которые она производит, то результат будет идентичен «случайной последовательности», созданной на любом другом компьютере с seed 10.
К сожалению, у генератора случайных чисел есть и другая слабость: вы всегда можете предсказать, что будет дальше, основываясь на том, что было раньше. Чтобы получить следующее число в последовательности, мы должны всегда помнить последнее внутреннее состояние генератора — так называемый state. Без state мы будем снова делать одну и ту же математическую операцию с одинаковыми числами, чтобы получить тот же ответ.
Как сделать seed уникальным для каждого случая? Самое очевидное решение — добавить в вычисления текущее системное время. Сделать это можно с помощью функции time().
Функция time() возвращает информацию о текущем времени суток, значение, которое постоянно изменяется. При этом метод typecasting гарантирует, что значение, возвращаемое функцией time(), является целым числом.
Итак, в результате добавления «случайного» системного времени функция rand() генерирует значения, которые являются более случайными, чем мы получили в первом примере.
Однако в этом случае seed можно угадать, зная системное время или время запуска приложения. Как правило, для приложений, где случайные числа являются абсолютно критичными, лучше всего найти альтернативное решение.
Но опять же, все эти числа не случайны.
Лучшее, что вы можете сделать с детерминированными генераторами псевдослучайных чисел — добавить энтропию физических явлений.
Период (цикл) генератора
Одними из наиболее часто используемых методов генерации псевдослучайных чисел являются различные модификации линейного конгруэнтного метода, схема которого была предложена Дерриком Лемером еще в 1949 году:
Рассмотрим случай, когда seed равен 1, а период — 100 (на языке Haskell):
В результате мы получим следующий ответ:
Это лишь пример и подобную структуру в реальной жизни не используют. В Haskell, если вы хотите построить случайную последовательность, можно воспользоваться следующим кодом:
Выбор случайного Int дает вам обратно Int и новый StdGen, который вы можете использовать для получения более псевдослучайных чисел. Многие языки программирования, включая Haskell, имеют генераторы случайных чисел, которые автоматически запоминают свое состояние (в Haskell это randomIO).
Чем больше величина периода, тем выше надежность создания хороших случайных значений, однако даже с миллиардами циклов крайне важно использовать надежный seed. Реальные генераторы случайных чисел обычно используют атмосферный шум (поставьте сюда любое физическое явление — от движения мыши пользователя до радиоактивного распада), но мы можем и схитрить программным методом, добавив в seed асинхронные потоки различного мусора, будь то длины интервалов между последними heartbeat потоками или временем ожидания mutual exclusion (а лучше добавить все вместе).
Истинная случайность бит
Итак, получив seed с примесью данных от реальных физических явлений (либо максимально усложнив жизнь будущему взломщику самым большим набором потоков программного мусора, который только сможем придумать), установив state для защиты от ошибки повтора значений и добавив криптографических алгоритмов (или сложных математических задач), мы получим некоторый набор данных, который будем считать случайной последовательностью. Что дальше?
Дальше мы возвращаемся к самому началу, к одному из фундаментальных требований — тестам.
Национальный институт стандартов и технологий США вложил в «Пакет статистических тестов для случайных и псевдослучайных генераторов чисел для криптографических приложений» 15 базовых проверок. Ими можно и ограничиться, но этот пакет вовсе не является «вершиной» проверки случайности.
Одни из самых строгих статистических тестов предложил профессор Джордж Марсалья из Университета штата Флорида. «Тесты diehard» включают 17 различных проверок, некоторые из них требуют очень длинных последовательностей: минимум 268 мегабайт.
Случайность можно проверить с помощью библиотеки TestU01, представленной Пьером Л’Экуйе и Ричардом Симардом из Монреальского университета, включающей классические тесты и некоторые оригинальные, а также посредством общедоступной библиотеки SPRNG.
Еще один полезный сервис для количественного измерения случайности.