Come i computer generano numeri casuali

I computer generano numeri casuali per qualsiasi cosa, dalla crittografia ai videogiochi e al gioco d'azzardo. Esistono due categorie di numeri casuali - numeri casuali "veri" e numeri pseudocasuali - e la differenza è importante per la sicurezza dei sistemi di crittografia.

I computer possono generare numeri veramente casuali osservando alcuni dati esterni, come i movimenti del mouse o il rumore della ventola, che non è prevedibile e creando dati da esso. Questo è noto come entropia. Altre volte, generano numeri "pseudocasuali" usando un algoritmo in modo che i risultati appaiano casuali, anche se non lo sono.

Questo argomento è diventato più controverso di recente, con molte persone che si chiedono se il chip del generatore di numeri casuali dell'hardware integrato di Intel sia affidabile. Per capire perché potrebbe non essere affidabile, dovrai capire in che modo i numeri casuali vengono generati in primo luogo e a cosa servono.

Per quali numeri casuali vengono utilizzati

I numeri casuali sono stati usati per molte migliaia di anni. Che si tratti di lanciare una moneta o lanciare un dado, l'obiettivo è di lasciare il risultato finale in una possibilità casuale. I generatori di numeri casuali in un computer sono simili - sono un tentativo di ottenere un risultato casuale imprevedibile.

I generatori di numeri casuali sono utili per molti scopi diversi. A parte le applicazioni ovvie come la generazione di numeri casuali ai fini del gioco d'azzardo o la creazione di risultati imprevedibili in un gioco per computer, la casualità è importante per la crittografia.

La crittografia richiede numeri che gli aggressori non possono indovinare. Non possiamo semplicemente usare gli stessi numeri più e più volte. Vogliamo generare questi numeri in un modo molto imprevedibile in modo che gli attaccanti non possano indovinarli. Questi numeri casuali sono essenziali per la crittografia sicura, sia che tu stia crittografando i tuoi file o semplicemente utilizzando un sito Web HTTPS su Internet.

Veri numeri casuali

Ci si potrebbe chiedere come un computer possa effettivamente generare un numero casuale. Da dove viene questa "casualità". Se è solo un pezzo di codice del computer, non è possibile che i numeri generati dal computer possano essere prevedibili?

Generalmente raggruppiamo i numeri casuali che i computer generano in due tipi, a seconda di come vengono generati: numeri casuali "veri" e numeri pseudo-casuali.

Per generare un numero casuale "vero", il computer misura un tipo di fenomeno fisico che avviene al di fuori del computer. Ad esempio, il computer potrebbe misurare il decadimento radioattivo di un atomo. Secondo la teoria quantistica, non c'è modo di sapere con certezza quando si verificherà il decadimento radioattivo, quindi questa è essenzialmente "pura casualità" dall'universo. Un utente malintenzionato non sarebbe in grado di prevedere quando si verificherà il decadimento radioattivo, quindi non conoscerà il valore casuale.

Per un esempio più quotidiano, il computer potrebbe fare affidamento sul rumore atmosferico o semplicemente utilizzare l'ora esatta in cui si premono i tasti della tastiera come fonte di dati imprevedibili o entropia. Ad esempio, il tuo computer potrebbe notare che hai premuto un tasto esattamente a 0.23423523 secondi dopo le 14.00 ... Prendi abbastanza dei tempi specifici associati a questi tasti e avrai una fonte di entropia che puoi usare per generare un "vero" casuale numero. Non sei una macchina prevedibile, quindi un attaccante non può indovinare il momento preciso in cui premi questi tasti. Il dispositivo / dev / random su Linux, che genera numeri casuali, "blocchi" e non restituisce un risultato finché non raccoglie abbastanza entropia per restituire un numero veramente casuale.

Numeri pseudocasuali

I numeri pseudocasuali sono un'alternativa ai numeri casuali "veri". Un computer potrebbe utilizzare un valore di inizializzazione e un algoritmo per generare numeri che sembrano casuali, ma che in realtà sono prevedibili. Il computer non raccoglie dati casuali dall'ambiente.

Questo non è necessariamente una brutta cosa in ogni situazione. Ad esempio, se stai giocando a un videogioco, non importa se gli eventi che si verificano in quel gioco sono costituiti da numeri casuali "veri" o numeri pseudocasuali. D'altra parte, se si utilizza la crittografia, non si desidera utilizzare numeri pseudocasuali che un utente malintenzionato potrebbe indovinare.

Ad esempio, supponiamo che un utente malintenzionato conosca l'algoritmo e il valore di inizializzazione utilizzati da un generatore di numeri pseudocasuali. Supponiamo che un algoritmo di crittografia ottenga un numero pseudocasuale da questo algoritmo e lo utilizzi per generare una chiave di crittografia senza aggiungere alcuna casualità aggiuntiva. Se un utente malintenzionato ne sa abbastanza, potrebbe lavorare all'indietro e determinare il numero pseudocasuale che l'algoritmo di crittografia deve aver scelto in quel caso, interrompendo la crittografia.

L'NSA e il generatore di numeri casuali dell'hardware di Intel

Per rendere le cose più facili agli sviluppatori e aiutare a generare numeri casuali sicuri, i chip Intel includono un generatore di numeri casuali basato su hardware noto come RdRand. Questo chip utilizza una fonte di entropia sul processore e fornisce numeri casuali al software quando il software li richiede.

Il problema qui è che il generatore di numeri casuali è essenzialmente una scatola nera e non sappiamo cosa sta succedendo al suo interno. Se RdRand contenesse una backdoor NSA, il governo sarebbe in grado di interrompere le chiavi di crittografia generate con i soli dati forniti da quel generatore di numeri casuali.

Questa è una seria preoccupazione. Nel dicembre 2013, gli sviluppatori di FreeBSD hanno rimosso il supporto per l'utilizzo di RdRand direttamente come fonte di casualità, dicendo che non potevano fidarsi di esso. [Fonte] L'output del dispositivo RdRand verrà inserito in un altro algoritmo che aggiunge ulteriore entropia, assicurando che qualsiasi backdoor nel generatore di numeri casuali non sia rilevante. Linux funzionava già in questo modo, randomizzando ulteriormente i dati casuali provenienti da RdRand in modo che non fosse prevedibile anche se esistesse una backdoor. [Fonte] In un recente AMA ("Ask Me Anything") su Reddit, il CEO di Intel, Brian Krzanich, non ha risposto a domande su queste preoccupazioni. [Fonte]

Ovviamente, questo probabilmente non è solo un problema con i chip Intel. Gli sviluppatori di FreeBSD hanno chiamato anche i chip di Via per nome. Questa controversia mostra perché la generazione di numeri casuali veramente casuali e non prevedibili è così importante.

Per generare numeri casuali "veri", i generatori di numeri casuali raccolgono "entropia" o dati apparentemente casuali dal mondo fisico che li circonda. Per numeri casuali che non lo fanno veramente devono essere casuali, possono semplicemente usare un algoritmo e un valore di seed.

Immagine di credito: rekre89 su Flickr, Lisa Brewster su Flickr, Ryan Somma su Flickr, huangjiahui su Flickr