Что такое генератор случайных чисел и как он работает
Что такое ГСЧ – как работает генератор случайных чисел
Алгоритм генератора случайных чисел часто используется в видеоиграх, где он устанавливает разные результаты каждый раз, когда его запускают. Возможно, вы заметили, что даже если вы играете на одном уровне в игре, каждый раз, когда вы пытаетесь выполнить миссию, он не будет одинаковым. Различия не будут наблюдаться в локации или требованиях к миссии, но они будут наблюдаться в количестве приближающихся врагов и областях их появления, изменениях климата и различных препятствиях, которые встречаются между ними. Это делает игру более захватывающей и интересной.
В противном случае, после нескольких попыток игра покажется скучной, так как вы сможете предсказать события, которые произойдут дальше. Это может показаться простым, но для компьютера – генерировать случайные числа – это сложная задача, требующая следовать точным инструкциям, закодированным в нём.
Истинный ГСЧ против псевдо ГСЧ
Есть два типа генераторов случайных чисел: истинные и псевдо.
Какие приложения используют ГСЧ
Не во всех играх используется генератор случайных чисел, что делает их менее конкурентоспособными и часто утомительными, однако, новые игры почти всегда идут с генератором случайных чисел. Многие приложения и игры выигрывают от случайности, поскольку они могут приносить интерес и прибыль только в том случае, если они случайны:
Помимо игровых приложений, есть код случайных чисел в JavaScript, используемый разработчиками и кодировщиками во всём мире для включения генератора случайных чисел в их программы. У Google есть свой очень интересный инструмент, который также основан на теории случайных чисел JavaScript и может генерировать случайные числа. Этот инструмент может пригодиться, когда вы играете в игры с друзьями и семьей. Чтобы посмотреть ГСЧ Google, нажмите здесь.
Манипуляции с ГСЧ
Я уже обсуждал различия между истинным ГСЧ и псевдо ГСЧ и тот факт, что в играх используется псевдо ГСЧ, основанный на алгоритме. Некоторые увлеченные геймеры используют утилиты эмуляции для анализа игр и выявления лазеек, которые можно использовать для управления результатами, даже если используется алгоритм генератора случайных чисел.
ГСЧ на основе алгоритма использует начальное число, которое представляет собой комбинацию определенных факторов и генерирует результат в игре. Это применяемые законы математики, и поскольку 1+1 всегда равно 2, аналогично, если известны факторы в игре, которые приносят желаемый результат, то вы всегда можете достичь того же результата.
Например, если игра требует от игрока выбрать определенного персонажа с определенными усилениями, и результатом будет легкая битва с боссом, то этот шаблон будет постоянным, и все, кто выберет одни и те же варианты, будут иметь одинаковые результаты. Но, для обычного игрока это было бы невозможно, и псевдо-ГСЧ всегда казался бы истинным ГСЧ.
Почему геймеры ненавидят ГСЧ
Геймеров можно разделить на соревнующихся игроков, спидраннеров и средних игроков. Любой конкурентоспособный игрок, овладевший техникой игры и движениями, захочет бросить вызов другим игрокам и побеждать на основе навыков и, несомненно, возненавидит игру, если на результат повлияет генератор случайных чисел. Точно так же спидраннер хотел бы завершить игру как можно скорее, но алгоритм генератора случайных чисел включает тормоза, создавая каждый раз неизвестные и неожиданные сценарии в игре.
В идеале геймеры хотели бы уменьшить количество случаев, когда они сталкиваются со средством генерации случайных чисел в игре, чтобы держать весь игровой процесс и результат под своим контролем. Но, это возможно лишь до определенной степени. И когда геймер часами осваивает игрового персонажа и его движения, он больше всего расстраивается, когда случается что-то случайное, и вся стратегия нарушается. Иногда это тоже действует как благословение, но обычно это проклятие.
Кто такой RNGesus?
Обычные игроки, которые играют только для того, чтобы развлечься или скоротать время, не заботятся о результате игры. Но, опытные профессиональные игроки ненавидят проигрывать только потому, что удача была не в их пользу.
Игроки, которые проигрывают, часто винят в своих поражениях злой ГСЧ, который выгоден их противникам. Там где зло, должен быть Бог – RNGesus.
Среди геймеров во всем мире появился новый термин, RNGesus, который больше соответствует игре слов с «Иисусом». Поскольку Иисус Христос считается нашим спасителем в реальном мире, RNGesus – это вообразимая сущность, созданная для спасения игроков от пагубных последствий ГСЧ. Это нигде не доказывается, но началось как миф, а теперь распространилось по игровому сообществу, как лесной пожар.
Окончательный вердикт по ГСЧ – хорошо или плохо?
На этот вопрос сложно ответить, и определенно не может быть одного и того же ответа для всех. В то время как среднестатистические геймеры утверждают, что это хорошо, другим нравится соревновательный дух.
Алгоритм генератора случайных чисел действительно сохраняет непредсказуемость и интересность каждый раз, когда вы играете на одном уровне. Он стал важной частью многих игр, предлагая разнообразие, например, головоломки, карточные игры, ролевые игры и многие другие. Но, для геймеров, которые верят в навыки как в единственный способ пройти игру, ГСЧ подрывает их потенциал, когда вытаскивает что-то случайное из коробки.
Игры предназначены для развлечения и удовольствия. Если у вас хороший ГСЧ, вы сможете получить лучшие варианты, несмотря на низкие шансы. В случае плохого ГСЧ, вы получите худший результат, даже если вы играли в игру именно так, как должно. Правда в том, что это не то, что можно воспринимать так серьёзно, особенно если оно основано на алгоритме генератора случайных чисел.
Как компьютер генерирует случайные числа
Что такое случайность в компьютере? Как происходит генерация случайных чисел? В этой статье мы постарались дать простые ответы на эти вопросы.
В программном обеспечении, да и в технике в целом существует необходимость в воспроизводимой случайности: числа и картинки, которые кажутся случайными, на самом деле сгенерированы определённым алгоритмом. Это называется псевдослучайностью, и мы рассмотрим простые способы создания псевдослучайных чисел. В конце статьи мы сформулируем простую теорему для создания этих, казалось бы, случайных чисел.
Определение того, что именно является случайностью, может быть довольно сложной задачей. Существуют тесты (например, колмогоровская сложность), которые могут дать вам точное значение того, насколько случайна та или иная последовательность. Но мы не будем заморачиваться, а просто попробуем создать последовательность чисел, которые будут казаться несвязанными между собой.
Часто требуется не просто одно число, а несколько случайных чисел, генерируюемых непрерывно. Следовательно, учитывая начальное значение, нам нужно создать другие случайные числа. Это начальное значение называется семенем, и позже мы увидим, как его получить. А пока давайте сконцентрируемся на создании других случайных значений.
Создание случайных чисел из семени
Один из подходов может заключаться в том, чтобы применить какую-то безумную математическую формулу к семени, а затем исказить её настолько, что число на выходе будет казаться непредсказуемым, а после взять его как семя для следующей итерации. Вопрос только в том, как должна выглядеть эта функция искажения.
Давайте поэкспериментируем с этой идеей и посмотрим, куда она нас приведёт.
Функция искажения будет принимать одно значение, а возвращать другое. Назовём её R.
Числовой круг
Посмотрим на циферблат часов: наш ряд начинается с 1 и идёт по кругу до 12. Но поскольку мы работаем с компьютером, пусть вместо 12 будет 0.
Теперь начиная с 1 снова будем прибавлять 7. Прогресс! Мы видим, что после 12 наш ряд начинает повторяться, независимо от того, с какого числа начать.
Здесь мы получаем очень важно свойство: если наш цикл состоит из n элементов, то максимальное число элементов, которые мы можем получить перед тем, как они начнут повторяться это n.
Теперь давайте переделаем функцию R так, чтобы она соответствовала нашей логике. Ограничить длину цикла можно с помощью оператора модуля или оператора остатка от деления.
Если вы попробуете несколько разных значений, то сможете увидеть одно свойство: m и с должны быть взаимно простыми.
До сих пор мы делали «прыжки» за счёт добавления, но что если использовать умножение? Умножим х на константу a.
Свойства, которым должно подчиняться а, чтобы образовался полный цикл, немного более специфичны. Чтобы создать верный цикл:
Эти свойства вместе с правилом, что m и с должны быть взаимно простыми составляют теорему Халла-Добелла. Мы не будем рассматривать её доказательство, но если бы вы взяли кучу разных значений для разных констант, то могли бы прийти к тому же выводу.
Выбор семени
Настало время поговорить о самом интересном: выборе первоначального семени. Мы могли бы сделать его константой. Это может пригодиться в тех случаях, когда вам нужны случайные числа, но при этом нужно, чтобы при каждом запуске программы они были одинаковые. Например, создание одинаковой карты для каждой игры.
Конечный результат
Когда мы применяем функцию к её результату несколько раз, мы получаем рекуррентное соотношение. Давайте запишем нашу формулу с использованием рекурсии:
То, что мы сделали, называется линейным конгруэнтным методом. Он очень часто используется, потому что он прост в реализации и вычисления выполняются быстро.
В разных языках программирования реализация линейного конгруэнтного метода отличается, то есть меняются значения констант. Например, функция случайных чисел в libc (стандартная библиотека С для Linux) использует m = 2 ^ 32, a = 1664525 и c = 1013904223. Такие компиляторы, как gcc, обычно используют эти значения.
Заключительные замечания
Существуют и другие алгоритмы генерации случайных чисел, но линейный конгруэнтный метод считается классическим и лёгким для понимания. Если вы хотите глубже изучить данную тему, то обратите внимание на книгу Random Numbers Generators, в которой приведены элегантные доказательства линейного конгруэнтного метода.
Генерация случайных чисел имеет множество приложений в области информатики и особенно важна для криптографии.
Случайности не случайны, Или как компьютеры генерируют случайные числа
Генератор случайных чисел — это намного сложнее, чем кажется.
Как думаете, что общего в компьютерных гонках, азартных играх и криптографии? На первый взгляд кажется, что ничего. Но на самом деле все они зависят от случайных чисел. От прослушивания музыки до шифрования всего Интернета — случайные числа являются важной частью жизни современного человека. И чаще всего мы полагаемся на компьютеры, которые генерируют их для нас.
Это заставляет задуматься: а как именно компьютеры генерируют случайные числа?
Если вы занимались программированием, то наверняка использовали в своем коде генератор случайных чисел. Для этого в Ruby достаточно вызвать «rand», а в Python — «random ()». Создание ряда случайных чисел может показаться простым. В конце концов числа на компьютере — это набор единиц и нулей. Машине просто нужно случайным образом выбрать 1 или 0 и повторить это столько раз, сколько нужно. Даже мы, люди, можем сделать это легко и просто на листе бумаги.
Однако если копнуть глубже, то мы создали компьютеры, чтобы стать теми, кем не являемся — полностью логическими устройствами. Получается, случайность противоречит их природе. Ну кто захочет, чтобы сервер спонтанно решил не следовать логике приложения?
По своей сути компьютеры — это простые машины, которые принимают данные и выводят их обратно. И чтобы эти машины могли генерировать случайные числа, им нужен внешний источник случайности. Этот источник будет зависеть от того, какой генератор случайных чисел вы захотите использовать. Таких генераторов два — конечно, если говорить об основных.
Первый и самый распространенный тип называется «генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ)». Как следует из названия, он не создает «истинных» случайных чисел. Чтобы сгенерировать с помощью него число, понадобится единственное начальное значение, откуда последует псевдослучайность. Алгоритмы генерации, используемые для ГПСЧ, включают в себя «метод извлечения квадратов», «линейный конгруэнтный метод», «регистр сдвига с линейной обратной связью» и «вихрь Мерсенна».
ГПСЧ автоматически создает длинные серии чисел с хорошими случайными свойствами и делает это быстро и дешево — в этом его преимущества. Но есть и очевидный минус: с ограниченными ресурсами любой ГПСЧ рано или поздно зацикливается и начинает повторять одну и ту же последовательность чисел. Однако чаще всего этот шаблон не воспринимается людьми, что делает ГПСЧ подходящим для использования в видеоиграх и программировании.
Нельзя не сказать о том, что слабым местом ГПСЧ все-таки пользуются: например, любители гонок, которые манипулируют ГСЧ и заставляют игру работать предсказуемо, чтобы пройти ее как можно скорее. Есть случаи, когда предсказание случайных чисел имеет более серьезные последствия. Зная начальное значение, злоумышленник может угадать сгенерированный пароль и получить доступ к личным данным пользователя.
Второй тип генератора — генератор «истинно» случайных чисел (ГИСЧ или TRNG). В качестве внешнего источника случайности он использует энтропию. Не углубляясь в теорию хаоса и термодинамику, отметим, что энтропия — это чистый нефильтрованный хаос. И лучший источник этого хаоса — сам компьютер. Компьютер не может работать случайным образом, чего не скажешь о его составляющих.
Компьютер — это сложная система со множеством движущихся частей и непостоянством, где регулярно возникают тепловой шум, фотоэффект и другие квантовые явления. В конце концов инженеры по аппаратному обеспечению выяснили, что, используя сложную схему аппаратных микросхем и компонентов, компьютеры могут преобразовывать физический шум в цифровые единицы и нули.
Чаще всего ГИСЧ используют в цифровых азартных играх: бросание костей, тасование карт, рулетка — все это завязано на неопределенности. А еще в общественных вопросах, военных призывах и выборе присяжных, где случайность выступает в качестве метода справедливости.
Однако на самом деле спектр использования ГИСЧ тоже ограничен, ведь у него есть свои недостатки. Во-первых, для генерации чисел требуется много времени. А еще ГИСЧ не всегда надежны. Компьютерам требуется достаточное количество энтропии для создания истинных случайных чисел, но случайность заключается в том, что она возникает… случайно! Неактивный или новый сервер не сможет создавать номера такого же высокого качества, как активный.
Поскольку и ГПСЧ, и ГИСЧ имеют свои недостатки, их можно без проблем использовать в гейм-сфере и азартных играх, но нельзя — в криптографии, которая требует высокой безопасности. По этой причине появился гибридный тип — «криптографически стойкий генератор псевдослучайных чисел (КСГПЧ или CSPRNG)», который обладает скоростью ГПСЧ и безопасностью ГИСЧ.
КСГПЧ — это генератор, использующий высококачественный источник энтропии для создания начального числа. Затем оно вводится в алгоритм, который производит случайные и безопасные числа. Проще говоря, он использует ГИСЧ для создания начального числа для ГПСЧ. Если все сделано правильно, КСГПЧ гарантирует, что начальное число действительно случайно, а полученный результат нельзя взломать или реконструировать. Обычно его используют в операционных системах вроде Unix и Linux.
Тем не менее, даже несмотря на преимущества КСГПЧ, как и всего остального в технологической индустрии, абсолютная безопасность недостижима.
Теперь, когда в следующий раз вы будете играть в видеоигру, слушать музыку в случайном порядке или просто генерировать случайное число в своем коде, вы осознаете всю магию, которая творится «под капотом».
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.
Как устроены генераторы чисел?
Чтобы понять, как действует генератор случайных чисел, нужно разобраться в его устройстве и в том, на чем он основывается. Генератор чисел создает определенный порядок абсолютно независящих друг от друга чисел, основываясь на определенных параметрах рассматриваемого элемента, процесса, действия и так далее. В связи с тем, что речь идет о случайных числах, то и параметры изменяются хаотично.
Существует много распространенных и достаточно примитивных примеров, на которых можно рассмотреть его устройство: подкидывание любой монеты, бросок игрального кубика и так далее.
Принцип устройства
В работе генератора случайных чисел активно задействован ряд теорий (в частности, теория хаоса). С этим и связана абсолютная непредсказуемость выпадения того или иного шарика в лототроне, определенной грани игральной кости, загаданной до броска стороны монетки. Однако стоит отметить, что и в науке такой аппарат играет важную роль: в первую очередь для статистических исследований.
Что такое случайность и как её создать?
Основным условием, крайне важным для соблюдения правильных и честных принципов работы системы ГСЧ, является абсолютно равная вероятность на выпадение любого из возможных чисел, которые только могут выпасть в созданной системе. При этом соблюдается полная независимость от того фактора, какие еще числа выпали до или после этого.
Это можно объяснить более простым языком: в генераторе истинно случайных чисел просто нельзя выстроить порядок и зависимость выпадающих цифр. Допустим, если вы бросаете первый раз шестигранную игральную кость, то у вас может выпасть абсолютно любое число от 1 до 6 с одинаковой вероятностью 16,(6)%. И независимо от того, какая цифра выпала, она с аналогичной вероятностью может повторно выпасть при втором, сотом, тысячном бросках.
Псевдослучайность
Также существует генератор псевдослучайных последовательностей. Несмотря на то, что на первый взгляд в нем тоже очевидно отсутствие закономерностей, подобный генератор с конечным числом внутренних состояний повторится, хотя это может произойти после очень длительной цепочки чисел.