Генерация надёжных псевдослучайных чисел с ChaCha8Rand в Go

Привет, Хабр!

В версии Go 1.22 пакет math/rand/v2претерпел значительные изменения, а в частности - переход на ChaCha8Rand. Этот новый генератор представляет собой модификацию широко известного и проверенного временем шифра ChaCha8, который используется в протоколах TLS и SSH.

Немного про сам генератор

ChaCha8Rand основывается на алгоритме ChaCha8, который сам по себе является облегченной версией шифра ChaCha20. ChaCha8 выполняет восемь раундов перестановок и замен ключа и блока данных, что гарантирует высокий уровень энтропии и защиту от различных криптографических атак.

ChaCha8Rand принимает 32-байтный ключ, его называют семенем, который используется в качестве начальной точки для генерации случайных чисел. Ключ устанавливает начальное состояние алгоритма, которое затем преобразуется в псевдослучайное состояние для генерации последовательности чисел.

ChaCha8Rand генерирует 64-битные псевдослучайные числа путем прямого вызова алгоритма ChaCha8. Внутри он инициализирует ChaCha8 с заданным ключом и использует блоки данных, которые алгоритм создает при каждом запросе нового случайного значения. Процесс итеративный: каждый вызов генератора ChaCha8Rand изменяет внутреннее состояние и формирует новое случайное число.

ChaCha8Rand поддерживает функции сериализации и десериализации состояния, что позволяет сохранять и восстанавливать текущее состояние генератора.

Реализация ChaCha8Rand в Go

В пакете math/rand/v2, ChaCha8 представлен структурой ChaCha8, которая хранит внутреннее состояние генератора и предоставляет методы для управления им. Состояние инициализируется 32-байтным семенем, передаваемым в функцию NewChaCha8, а сам процесс генерации числа осуществляется методом Uint64(), который возвращает следующее 64-битное псевдослучайное число.

Основные функции и методы, которые используют ChaCha8Rand, включают:

1. IntN и Int64N: функции генерируют псевдослучайное целое число в заданном диапазоне. Например, IntN(n int) int возвращает случайное число от 0 до n-1. Они обеспечивают равномерное распределение значений в указанном диапазоне.

2. Float64: генерирует псевдослучайное число с плавающей точкой между 0.0 и 1.0, не включая 1.0.

3. Perm: создаёт случайную перестановку чисел от 0 до n-1.

Кроме того, в math/rand/v2 реализованы новые методы MarshalBinary и UnmarshalBinary для объектов, которые реализуют интерфейс Source, включая ChaCha8.

Генератор создается путем вызова NewChaCha8 с 32-байтным массивом начальных значений. Если массив не заполнен случайными данными, генератор не сможет обеспечить криптографическую стойкость.

После инициализации генератора метод Uint64() возвращает следующее псевдослучайное 64-битное число на основе внутреннего состояния. Этот метод использует ChaCha8 для выполнения восемь раундов перестановок и замен.

Примеры

Инициализация генератора и генерация чисел:

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand/v2"
)

func main() {
    // создаем 32-байтное семя для инициализации генератора
    seed := [32]byte{'s', 'o', 'm', 'e', 'k', 'e', 'y', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '0', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'}
    
    // инициализируем новый генератор ChaCha8
    generator := rand.NewChaCha8(seed)

    // получаем несколько случайных чисел
    fmt.Println(generator.Uint64())
    fmt.Println(generator.Uint64())
}

Генерация криптографически безопасного случайного числа:

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand/v2"
)

func main() {
    seed := [32]byte{'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v'}
    generator := rand.NewChaCha8(seed)
    fmt.Println("Secure random number:", generator.Uint64())
}

Генерация случайной строки для токенов или сессий:

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand/v2"
)

func randomBytes(n int) []byte {
    seed := [32]byte{'s', 'e', 'e', 'd', 'p', 'h', 'r', 'a', 's', 'e', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm'}
    generator := rand.NewChaCha8(seed)
    b := make([]byte, n)
    for i := range b {
        b[i] = byte(generator.Uint32() % 256)
    }
    return b
}

func main() {
    fmt.Println("Random session token:", randomBytes(16))
}

Использование в шифровании:

package main

import (
    "crypto/cipher"
    "fmt"
    "golang.org/x/crypto/chacha20"
    "math/rand/v2"
)

func main() {
    seed := [32]byte{'k', 'e', 'y', 'p', 'h', 'r', 'a', 's', 'e', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n'}
    generator := rand.NewChaCha8(seed)
    nonce := [12]byte{} // нормально было бы использовать случайные значения
    key := [32]byte{}
    for i := range key {
        key[i] = byte(generator.Uint32() % 256)
    }

    cipher, err := chacha20.NewUnauthenticatedCipher(key[:], nonce[:])
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    plaintext := []byte("This is a secret message.")
    ciphertext := make([]byte, len(plaintext))
    cipher.XORKeyStream(ciphertext, plaintext)

    fmt.Println("Encrypted:", ciphertext)
    fmt.Println("Decrypted message:")
    cipher.XORKeyStream(ciphertext, ciphertext) // расшифровка производится тем же способом
    fmt.Println(string(ciphertext))
}

Сравнение ChaCha8Rand с другими генераторами

Составили табличку:

Критерий	ChaCha8Rand	PCG	Rand (Go)
Криптографическая безопасность	Высокая (256 бит)	Подходит не для всех задач и в целом низкая	Низкая
Производительность	Высокая на	Высокая, особенно в микробенчмарках	Средняя
Универсальность	Подходит для криптографических приложений	Ограниченное использование в криптографии	Не рекомендуется для криптографических приложений
Методы ускорения	Не требуется	Доступны методы "jump ahead" для быстрого пропуска значений	Отсутствуют
Размер состояния	512 бит	64 или 128 бит	Зависит от реализации

---

Ожидается, что сообщество Golang предложит дополнительные стратегии использования этого инструмента, будем следить за новостями!

Больше про языки программирования эксперты OTUS рассказывают в рамках практических онлайн-курсов. С полным каталогом курсов можно ознакомиться по ссылке.