Pembangkit Bilangan

Pembangkit bilangan acak adalah sebuah proses mendapatkan angka acak setiap kali dibutuhkan, tanpa kemampuan untuk menentukan pola dari angka yang dihasilkan sebelumnya. Angka ini dapat dihasilkan baik oleh algoritma atau perangkat keras.

Penggunaan Pembangkit Bilangan Acak

Pembuatan bilangan acak diperlukan untuk berbagai tugas, mulai dari permainan komputer hingga penggunaan umum. Misalnya, sistem menggunakan pembangkit bilangan acak untuk menampilkan spanduk acak atau unit iklan acak di website. Di dalam kriptografi, angka acak juga digunakan untuk membuat sandi atau kunci yang unik.

Pembuatan bilangan acak digunakan untuk menghasilkan angka atau teks untuk captcha, enkripsi, menghasilkan salt untuk menyimpan kata sandi, pembuatan kata sandi, urutan kartu di kasino online, pengambilan keputusan, pengambilan sampel, dan simulasi.

Algoritme pembangkit bilangan acak sering digunakan di dalam video game. Bahkan jika Anda bermain di level yang sama di sebuah game, itu tidak akan sama persis setiap kali Anda mencoba untuk menyelesaikan misi. Mungkin perbedaannya tidak akan terlihat di dalam lokasi atau misi. Namun, mereka akan terlihat dari jumlah musuh yang sedang mendekat dan area di mana mereka akan muncul, perubahan iklim, dan berbagai kendala yang dihadapi. Ini akan membuat permainan menjadi lebih seru.

Perbedaan Urutan Acak dan Tidak Acak

Misalkan terdapat urutan angka: 1 , 2 , 3 , 4 , 5. Apakah ini acak?

Variabel acak adalah variabel yang mengambil salah satu dari beberapa nilai sebagai hasil dari percobaan. Dan Anda tidak dapat secara akurat memprediksi kemunculan nilai-nilai tertentu sebelum nilai-nilai tersebut muncul. Katakanlah angka yang diberikan diperoleh dengan mengetik di salah satu baris keyboard. Dalam hal ini, ternyata kombinasi ini tidak acak karena, setelah 5, angka berikutnya, 6, dapat diprediksi dengan probabilitas tinggi.

Urutan akan menjadi acak hanya jika tidak ada ketergantungan antar simbol.

Kondisi dasar, yang sangat penting untuk prinsip yang benar dan adil dari generator bilangan acak, adalah probabilitas yang benar-benar sama dari setiap kemungkinan angka yang bisa jatuh dalam sistem ini. Ini menunjukkan independensi penuh dari faktor keacakan dan independensi dari angka-angka lain yang jatuh sebelum atau sesudah angka acak.

Misalnya, Anda melempar dadu bersisi enam untuk pertama kalinya. Dalam hal ini, Anda benar-benar dapat memiliki angka dari 1 hingga 6 yang jatuh dengan probabilitas yang sama. Terlepas dari nomor Anda, Anda dapat melempar dadu lagi dengan peluang yang sama untuk mendapatkan angka yang sama pada lemparan kedua, keseratus, atau keseribu.

Urutan digit dalam angka Pi tampaknya tidak berulang, dan bagi banyak orang, ini mungkin tampak acak. Misalkan generator hipotetis kita bergantung pada representasi bit dari Pi, dimulai dari titik yang dirahasiakan. Generator seperti itu mungkin tidak dapat diprediksi dalam banyak konteks, berpotensi lolos dari tes keacakan tertentu. Akan tetapi, mengandalkan Pi untuk tujuan kriptografi memiliki risiko. Jika musuh menentukan segmen tertentu dari Pi yang digunakan, mereka dapat memprediksi segmen sebelum dan sesudahnya, sehingga membahayakan keamanan sistem.

Institut Nasional Standar dan Teknologi (National Institute of Standards and Technology) AS mengusulkan "Paket Uji Statistik untuk Generator Angka Acak dan Pseudorandom untuk Aplikasi Kriptografi." Ini mencakup 15 uji statistik yang tujuannya adalah untuk menentukan ukuran keacakan bit yang dihasilkan oleh generator perangkat keras atau perangkat lunak.

Jenis-Jenis Pembangkit Bilangan Acak

Terdapat dua jenis pembangkit bilangan acak (random number generators, RNG): generator angka acak sejati (true random number generators, TRNG) dan generator angka acak semu (pseudo random number generators, PRNG). TRNGs menggunakan fenomena fisik untuk menghasilkan angka, sementara PRNGs menggunakan algoritma matematika.

Algoritme pembangkit bilangan acak sejati dibuat dengan menggunakan perangkat keras yang menggunakan proses fisik kecil untuk menghasilkan bilangan acak, yaitu entropi. Entropi adalah kekacauan murni tanpa filter.

Pembangkit bilangan acak sejati menggunakan fenomena fisik, seperti:

• radioaktivitas,
• kebisingan termal,
• kebisingan elektromagnetik,
• mekanika kuantum, dan lain-lain.

RNG yang sejati biasanya digunakan di dalam sistem yang berorientasi keamanan di seluruh dunia dan beberapa bentuk enkripsi.

Pembangkit bilangan acak menggunakan sumber entropi untuk mengakumulasikan entropi dan memperoleh nilai awal (seed) yang dibutuhkan oleh pembangkit bilangan acak.

Algoritme pembangkit bilangan pseudorandom digunakan di area-area yang tanpa masalah keamanan. Keacakan akan membantu menghindari terjadinya pengulangan dan akan membuat proses menjadi lebih menarik bagi para pengguna akhir. Menerapkan teknologi pembangkit bilangan pseudorandom adalah lebih murah dan cepat karena tidak memerlukan perangkat keras dan dapat dengan mudah dibangun ke dalam kode program. Meskipun prosesnya tidak sepenuhnya acak dan ditentukan berdasarkan algoritma, ini lebih cocok untuk game dan program.

PRNG menggunakan nilai awal tunggal, yang diikuti dengan keacakan semu. Pada saat yang sama, generator bilangan acak sejati selalu menghasilkan bilangan acak dengan memiliki nilai acak berkualitas tinggi yang disediakan di awal oleh berbagai sumber entropi.

Pembuatan bilangan pseudorandom memiliki kekurangan. Mereka bekerja karena mereka acak untuk mata yang tidak terlatih. Namun, misalkan Anda mengetahui nilai awal untuk urutan PRNG tertentu. Dalam hal ini, Anda dapat memprediksi bilangan mana yang akan menjadi berikutnya.

Penggemar video game speed-playing sering mengeksploitasi kerentanan ini—mereka menyebutnya manipulasi PRNG. Mereka membuat permainan berjalan dengan mudah ditebak sehingga mereka bisa melewatinya secepat mungkin. Untungnya, hal tersebut tidak menimbulkan permasalahan yang serius.

Tetapi ada kalanya memprediksi bilangan acak adalah jauh lebih penting. Misalnya, saat membuat kunci keamanan.

Jika penyerang mengetahui nilai awal yang digunakan untuk membuat kunci RSA di dalam sertifikat TLS, dia berpotensi mendekripsi lalu lintas jaringan. Ini berarti dia bisa mendapatkan kata sandi dan informasi-informasi pribadi lainnya yang dikirim melalui Internet.

Dalam situasi ini, cara yang lebih aman untuk mendapatkan bilangan acak, yaitu, pembangkit bilangan acak sejati, diperlukan.

Generator Google

Google memiliki alat sendiri untuk menghasilkan bilangan acak berdasarkan JavaScript. Alat ini dapat berguna saat sedang bermain game dengan teman dan keluarga. Anda dapat menemukan generator ini jika Anda mengetikkan permintaan pencarian Google "generator bilangan acak."

Metode Linier Kongruen

Salah satu algoritma yang paling populer untuk pembangkit bilangan pseudorandom adalah Metode Linier Kongruen. Ini digunakan pada kasus-kasus sederhana dan tidak memiliki kekuatan kriptografi. Derrick Henry Lehmer mengusulkan metode linier kongruen pada tahun 1949.

Untuk menerapkan pembangkitan angka dengan metode ini, kita perlu memilih empat angka:

m > 0, modulo

0 ≤ a ≤ m, pengganda

0 ≤ c ≤ m, inkremen

0 ≤ X₀ ≤ m, angka awal

Urutan angka acak itu sendiri dihasilkan menggunakan rumus:

Xₙ₊₁ = (aXₙ + c) mod m

Perlu dicatat bahwa metode ini tergantung pada pilihan parameter.

Misalnya, untuk himpunan berikut:

X₀ = 3, a = 4, c = 5, m = 6

kita akan mendapatkan urutan berulang yang pendek dari

3, 5, 1, 3, 5, 1

yang tidak terlihat acak.

Namun, ada baiknya mengubah parameter ke sesuatu yang lain:

X₀ = 2, a = 85, c = 507, m = 1356

Dan sebaran hasil menjadi lebih tidak terduga. Anda harus memilih angka untuk algoritma ini dengan sangat hati-hati.

2, 677, 1100, 443, 194, 725, 1112, 107, 110, 365, 344, 1271, 62, 353, 680, 1355, 422, 1121, 872, 47, 434, 785, 788, 1043, 1022, 593, 740, 1031, 2, 677, 1100, 443, 194, 725, 1112, 107, 110, 365, 344, 1271, 62, 353, 680, 1355, 422, 1121, 872, 47, 434, 785, 788, 1043, 1022, 593, 740, 1031, 2, 677, 1100, 443, 194, 725, 1112, 107, 110, 365...

Meskipun metode linier kongruen menghasilkan urutan angka pseudorandom yang baik secara statistik namun tidak kuat secara kriptografis. Generator berdasarkan metode linier kongruen dapat diprediksi, sehingga Anda tidak dapat menggunakannya di dalam kriptografi.

Generator metode linier kongruen pertama kali dipecahkan oleh Jim Reeds pada tahun 1977 dan kemudian oleh Joan Boyar pada tahun 1982. Dia juga berhasil memecahkan generator kuadrat dan kubik. Dengan demikian, mereka membuktikan ketidakbergunaan generator berdasarkan metode yang kongruen untuk kriptografi. Namun, generator yang berdasarkan metode linier kongruen mempertahankan kegunaannya untuk aplikasi non-kriptografi, misalnya, untuk simulasi. Mereka efisien dan menunjukkan kinerja statistik yang baik di sebagian besar tes empiris.

Generator Bilangan Acak Perangkat Keras Modern

QRBG121

Efek keacakan dalam perangkat tergantung pada proses fisik kuantum dari emisi foton di dalam semikonduktor dan deteksi selanjutnya dari masing-masing foton. Dalam proses ini, foton dideteksi secara acak, secara independen satu sama lain, dan informasi waktu dari foton yang terdeteksi digunakan untuk menghasilkan bit.

Lava lamp

Kantor CloudFlare San Francisco memiliki generator bilangan acak yang disebut dengan "lampu lava". Lampu seperti itu adalah sebuah bejana kaca yang diisi dengan minyak transparan dan parafin tembus cahaya. Parafin sedikit lebih berat dari minyak, tetapi ketika dipanaskan sedikit, akan menjadi lebih ringan dan mengapung.

Pergerakan cairan dipantau oleh beberapa kamera yang akan mengambil foto. Foto-foto tersebut diubah menjadi angka, dari mana kunci enkripsi kemudian dibuat.

Dua kantor CloudFlare lainnya menggunakan cara yang berbeda untuk mendapatkan nilai acak. Di London, sebuah kamera menangkap gerakan tiga bandul yang kacau balau. Di Singapura, digunakan penghitung Geiger yang mengukur peluruhan radioaktif dari sepotong kecil uranium. Pada kasus terakhir, uranium digunakan sebagai "sumber data" karena radiasi radioaktif dikarakteristikkan dengan keacakan dari setiap tindakan peluruhan.

HotBits

HotBits adalah sebuah situs yang menyediakan bilangan acak sejati yang dihasilkan oleh penghitung Geiger yang mencatat radiasi pengion kepada semua orang. Anda mengisi formulir permintaan di situs yang menentukan jumlah byte acak dan memilih metode yang Anda inginkan untuk mendapatkan data. Setelah angka-angka acak diberikan kepada pelanggan, mereka akan segera dihapus dari sistem.

Fluktuasi Kuantum Ruang Hampa

Bertentangan dengan namanya ("vacuus"-kosong), ruang hampa tidak dapat dianggap kosong. Di bawah prinsip ketidakpastian Heisenberg, partikel-partikel virtual lahir dan mati tanpa henti.

Fisikawan Kanada telah merancang generator bilangan acak yang cepat dan sederhana secara struktural berdasarkan fluktuasi ruang hampa. Generator tersebut terdiri dari sebuah laser berdenyut dengan frekuensi radiasi tinggi, sebuah media dengan indeks bias tinggi (berlian), dan sebuah detektor. Dengan melewati berlian, setiap pulsa pada sensor akan menunjukkan karakteristik-karakteristik yang berbeda tergantung pada fluktuasi medan vakum (ruang hampa) yang ditemui pada jalur foton.

Dalam spektrum radiasi yang tersebar, garis spektral muncul. Karena fluktuasi vakum yang tidak dapat diprediksi, garis-garis ini berbeda dalam cara yang tidak terduga setiap saat.

Generator Carbon Nanotube

Metode ini akan menggabungkan kekompakan dengan kebisingan termal yang dihasilkan.

Para peneliti telah membangun sebuah generator bilangan acak dari sel memori akses acak statis yang dicetak dengan tinta khusus yang mengandung karbon nanotube semikonduktor. Sel memori tersebut akan menggunakan fluktuasi kebisingan termal untuk menghasilkan bit acak.

Generator Carbon Nanotube dapat dicetak pada substrat plastik yang fleksibel, memungkinkannya untuk diintegrasikan ke dalam perangkat elektronik kecil yang fleksibel, sensor yang dapat dipakai, label sekali pakai, dan item pakaian pintar.

Dadu dan Electronic Frontier Foundation (EFF)

Perusahaan telah mengusulkan sebuah cara yang sederhana untuk membuat kata sandi yang aman dengan menggunakan generator angka acak fisik. Hal ini didasarkan pada dadu.

Misalnya, Anda melempar lima dadu sekaligus dan menuliskan angka yang dihasilkannya. Dadu disusun dari kiri ke kanan sebagai berikut: 63131. Selanjutnya, Anda membuka daftar panjang kata-kata di website EFF untuk menemukan kata yang sesuai di samping 63131. Kata itu adalah "turbofan."

Anda dapat mengulangi prosedur ini beberapa kali. Misalnya, lima kali. Anda mungkin akan berakhir dengan frase lima kata. Misalnya, "pembersihan turbofan biasa coba pangkas." Jika Anda tahu cara menggunakan aturan mnemonik, Anda dapat menghafal frasa seperti ini.

Pembangkit Bilangan Acak Kuantum dari Smartphone Nokia

Pada tahun 2014, Universitas Jenewa menciptakan sebuah perangkat QRNG yang menggunakan kamera dari smartphone Nokia N9.

Kamera smartphone tersebut menghitung jumlah foton yang mengenai setiap piksel. Sumber cahaya kamera tersebut adalah LED standar. Setiap piksel dari kamera 8 MP telah mendeteksi sekitar 400 foton dalam waktu singkat. Jumlah total foton pada semua piksel kemudian diubah menjadi urutan angka acak.