Как работают генераторы случайных чисел? Принцип функционирования.

Современный технологический мир, в котором мы живем, основан на цифрах. Будь то двоичные цифры из единиц и нулей, которые используются центральными процессорами ПК и ноутбуков, или сложные коды, используемые для шифрования данных, отправляемых и получаемых через интернет-инфраструктуру планеты, числа являются невероятно важной частью нашей жизни, которая часто остаются незамеченными.

Генераторы случайных чисел, или ГСЧ, являются неотъемлемой частью большинства компьютерных систем, сетей и программного обеспечения, настолько, что компании-производители микропроцессоров, такие как Intel и AMD, часто производят специальные микросхемы ГСЧ для своих систем, чтобы помочь компьютерным системам удовлетворить спрос. для случайно сгенерированных чисел для шифрования и обработки данных.

Но как работают генераторы случайных чисел и для чего они используются? Здесь мы собираемся более подробно рассмотреть эту важную, малоизученную, но важную часть устройств, сетей и систем, которые мы все используем каждый день.

Генерация случайных чисел имеет долгую историю

Спрос на генераторы случайных чисел возник задолго до появления современных технологий, еще в древней вавилонской цивилизации, которая использовала случайные числа для лотерей. В азартных играх и лотереях использовалась некоторая форма генератора случайных чисел, чтобы создать случайное число совершенно случайно. Самая основная форма ГСЧ – это, вероятно, игральные кости. Бросок кости дает результат, который был получен случайно, и люди делают ставки на эти результаты на протяжении тысячелетий.

По мере того, как наши цивилизации становятся более сложными, появляются и генераторы случайных чисел, что приводит к созданию сложных ГСЧ, которые могут генерировать длинные строки чисел для использования в играх, азартных играх и даже для высокоуровневого шифрования данных.

Какие методы используются сегодня для генерации случайных чисел?

Существует два основных метода генерации случайных чисел: физические методы, такие как бросание кости; и «псевдослучайные» методы, основанные на сложных компьютерных алгоритмах для генерации чисел. Оба метода могут включать очень сложные процессы. Генерация физических случайных чисел может использовать распад радиоактивных элементов или космического фонового излучения для генерации чисел вне компьютера. Эти методы невероятно дороги и иногда представляют опасность для операторов и используются в основном вооруженными силами, правительствами и некоторыми крупными корпорациями.

Наиболее распространенной формой ГСЧ является генератор псевдослучайных чисел, который полагается на сложные компьютерные алгоритмы и числа, известные как начальные числа или ключевые значения, для создания кажущихся или псевдослучайных чисел. Полученные числа будут казаться наблюдателю полностью случайными, но для воспроизведения этого точного числа можно также использовать начальные числа или ключевые значения и алгоритмы.

Зачем использовать генераторы псевдослучайных чисел?

Эти типы генераторов чисел относительно просты в создании и не зависят от внешних факторов, таких как распад радиоактивного изотопа или фотоэлектрический эффект, для создания чисел. Это делает их более дешевыми в производстве и, что более важно, дешевыми в массовом производстве.

Однако числа, генерируемые генераторами псевдослучайных чисел, более уязвимы для воспроизведения, поскольку начальные или ключевые значения и алгоритмы могут быть воспроизведены третьей стороной для создания того же числа. Это не проблема для большинства приложений, но при шифровании это может сделать зашифрованные данные доступными для третьих лиц.

Многие протоколы шифрования, использующие псевдо-RNG, будут использовать начальные значения или ключевые значения с большим количеством цифр или «битов» и использовать тщательно охраняемые алгоритмы, чтобы значительно усложнить взлом кода. Дело в том, что любое шифрование, созданное с использованием ГСЧ, потенциально может быть взломано, если у хакера или третьей стороны будет достаточно времени и копий исходных начальных значений и алгоритмов для работы. Если вы видите программу шифрования, которая, например, использует 256-битное шифрование, это означает, что начальное значение – это число, состоящее из 256 цифр. Это невероятно высокое значение, которое делает шифрование более безопасным и трудным для взлома, но при наличии достаточного времени, решимости и мощности компьютера любой код можно расшифровать.

Использование ГСЧ стало гораздо более распространенным по мере развития технологий. Везде, где используется шифрование, от спутникового и кабельного телевидения до вашего банковского приложения на вашем телефоне, генераторы случайных чисел сыграли свою роль в обеспечении безопасности ваших данных.

По мере того как создается все больше и больше конфиденциальных данных, генераторы случайных чисел становятся все более изощренными и используют все более и более ценные исходные значения, чтобы помочь компаниям и правительствам защитить себя от конкурентов и противников. По мере того, как мы идем дальше в будущее, ГСЧ станут еще более важными и сложными, чтобы защитить нас от всех, от киберпреступников до террористических организаций.