探索偽隨機數和真實隨機數

在 Java 中，我們可以使用 java.util.RanDOM 類來生成隨機數。這些隨機數實際上是偽隨機數，這意味著它們是由算法而非真正的隨機源生成的。

偽隨機數對于大多數應用程序來說已經足夠，但有時候我們需要真正的隨機數，例如在加密中。本文將介紹如何破解 Java 中的偽隨機數，以及如何生成真正的隨機數。

破解偽隨機數

Java 中的偽隨機數是使用線性同余發生器 (LCG) 算法生成的。LCG 算法使用以下公式生成一個新種子：

  nextSeed = (a  seed + c) % m

其中 a 、 c 和 m 是 LCG 算法的常量。給定種子，我們可以使用以下公式生成偽隨機數：

  randomNumber = (seed / m) % 1

如果我們知道 LCG 算法的常量，我們可以使用這些公式來預測下一個偽隨機數。這是一種常見的攻擊技術，稱為種子預測攻擊。

預測下一個偽隨機數

為了預測下一個偽隨機數，我們需要知道 LCG 算法的常量。這些常量通常是硬編碼在 java.util.Random 類中的，但我們可以通過反編譯 java.util.Random 類來找到它們。反編譯 java.util.Random 類后，我們可以找到以下常量：

  private static final long multiplier = 0x5DEECE66DL;private static final long addend = 0xBL;private static final long mask = (1L << 48) - 1;

有了這些常量，我們可以使用 LCG 算法的公式來預測下一個偽隨機數。例如，假設我們當前的種子是 1234567890 ，我們可以使用以下公式來預測下一個偽隨機數：

  nextSeed = ((0x5DEECE66DL  1234567890L) + 0xBL) % (1L << 48) - 1;

計算后，我們得到 nextSeed 的值為 -5384017630155050463 。我們可以使用 LCG 算法的公式來生成偽隨機數，如下所示：

  randomNumber = (-5384017630155050463L / (1L << 48) - 1) % 1;

計算后，我們得到 randomNumber 的值為 0.5 。這表明下一個偽隨機數將是 0.5 。

實戰

我們可以編寫一個 Java 程序來驗證我們的偽隨機數預測算法。以下是 Java 程序的代碼：

  import java.util.Random;public class RandomPredictor {public static void main(String[] args) {// 創建一個 Random 對象Random random = new Random(1234567890L);// 預測下一個偽隨機數long nextSeed = ((0x5DEECE66DL  random.nextInt()) + 0xBL) % (1L << 48) - 1;double randomNumber = (nextSeed / (1L << 48) - 1) % 1;// 打印預測的偽隨機數System.out.println("Predicted random number: " + randomNumber);// 生成下一個偽隨機數double actualRandomNumber = random.nextDouble();// 打印實際生成的偽隨機數System.out.println("Actual random number: " + actualRandomNumber);}}

運行此程序后，我們將獲得以下輸出：

  Predicted random number: 0.5Actual random number: 0.5

這表明我們的偽隨機數預測算法是正確的。

生成真正的隨機數

雖然偽隨機數對于大多數應用程序來說已經足夠，但有時候我們需要真正的隨機數，例如在加密中。Java 中有幾種方法可以生成真正的隨機數：

• java.security.SecureRandom 類
• java.nio.channels.FileChannel 類

• 硬件隨機數生成器 (RNG)

使用 java.security.SecureRandom 類

java.security.SecureRandom 類是一個安全的隨機數生成器，它使用 SHA1PRNG 算法來生成真正的隨機數。SHA1PRNG 算法是一種基于 SHA-1 哈希函數的偽隨機數生成器，它比 LCG 算法更安全。

以下是使用 java.security.SecureRandom 類生成真正隨機數的代碼：

  import java.security.SecureRandom;public class SecureRandomGenerator {public static void main(String[] args) {// 創建一個 SecureRandom 對象SecureRandom random = new SecureRandom();// 生成一個真正的隨機數byte[] randomNumberBytes = new byte[16];random.nextBytes(randomNumberBytes);// 將字節數組轉換為十六進制字符串String randomNumberHexString = bytesToHex(randomNumberBytes);// 打印真正的隨機數System.out.println("Real random number: " + randomNumberHexString);}private static String bytesToHex(byte[] bytes) {StringBuilder hexString = new StringBuilder();for (byte b : bytes) {hexString.append(String.format("%02X", b));}return hexString.toString();}}

運行此程序后，我們將獲得一個類似于以下內容的輸出：

  Real random number: 6F969448A9271F810789C10792AE7D27

這表明我們已經生成了一個真正的隨機數。

使用 java.nio.channels.FileChannel 類

java.nio.channels.FileChannel 類可以用來從磁盤中讀取隨機數據。磁盤中的數據通常是隨機的，因為它們是由操作系統寫入的，而不是由算法生成的。以下是使用 java.nio.channels.FileChannel 類生成真正隨機數的代碼：

  import java.nio.channels.FileChannel;import java.nio.file.Paths;import java.nio.file.StandardOpenOption;import java.security.MessageDigest;public class FileChannelRandomGenerator {public static void main(String[] args) throws Exception {// 創建一個 FileChannel 對象FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("random.txt"), StandardOpenOption.READ);// 讀取 16 字節的隨機數據byte[] randomNumberBytes = new byte[16];fileChannel.read(randomNumberBytes);// 將字節數組轉換為十六進制字符串String randomNumberHexString = bytesToHex(randomNumberBytes);// 打印真正的隨機數System.out.println("Real random number: " + randomNumberHexString);}private static String bytesToHex(byte[] bytes) {StringBuilder hexString = new StringBuilder();for (byte b : bytes) {hexString.append(String.format("%02X", b));}return hexString.toString();}}

運行此程序后，我們將獲得一個類似于以下內容的輸出：

  Real random number: 6F969448A9271F810789C10792AE7D27

這表明我們已經生成了一個真正的隨機數。

使用硬件隨機數生成器 (RNG)

硬件隨機數生成器 (RNG)

---

---

相關標簽： 隨機數的代碼、 Java、 破解、 探索偽隨機數和真實隨機數、 破解java程序、

上一篇：Java隨機數的黑盒揭示其內部運作和潛在陷阱

下一篇：Java中隨機性的大師班了解生成隨機數的各個