開源Math.NET基礎數學類庫使用(14)C#生成安全的隨機數

傑克.陳發表於2015-04-23
C#隨機
原文:【原創】開源Math.NET基礎數學類庫使用(14)C#生成安全的隨機數

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前言

　　真正意義上的隨機數（或者隨機事件）在某次產生過程中是按照實驗過程中表現的分佈概率隨機產生的，其結果是不可預測的，是不可見的。而計算機中的隨機函式是按照一定演算法模擬產生的，其結果是確定的，是可見的。我們可以這樣認為這個可預見的結果其出現的概率是100%。所以用計算機隨機函式所產生的“隨機數”並不隨機，是偽隨機數。偽隨機數的作用在開發中的使用非常常見，因此.NET在System名稱空間，提供了一個簡單的Random隨機數生成型別。但這個型別並不能滿足所有的需求，本節開始就將陸續介紹Math.NET中有關隨機數的擴充套件以及其他偽隨機生成演算法編寫的隨機數生成器。

　　今天要介紹的是Math.NET中利用C#快速的生成安全的隨機數。

　　如果本文資源或者顯示有問題，請參考 本文原文地址：http://www.cnblogs.com/asxinyu/p/4301554.html

1.什麼是安全的隨機數？

　　Math.NET在MathNet.Numerics.Random名稱空間中的實現了一個基於System.Security.Cryptography.RandomNumberGenerator的安全隨機數發生器。

　　實際使用中，很多人對這個不在意，那麼Random和安全的隨機數有什麼區別，什麼是安全的隨機數呢?

　　在許多型別軟體的開發過程中，都要使用隨機數。例如紙牌的分發、金鑰的生成等等。隨機數至少應該具備兩個條件：
1. 數字序列在統計上是隨機的。
2. 不能通過已知序列來推算後面未知的序列。
　　只有實際物理過程才是真正隨機的。而一般來說，計算機是很確定的，它很難得到真正的隨機數。所以計算機利用設計好的一套演算法，再由使用者提供一個種子值，得出被稱為“偽隨機數”的數字序列，這就是我們平時所使用的隨機數。
這種偽隨機數字足以滿足一般的應用，但它不適用於加密等領域，因為它具有弱點：
1. 偽隨機數是週期性的，當它們足夠多時，會重複數字序列。
2. 如果提供相同的演算法和相同的種子值，將會得出完全一樣的隨機數序列。
3. 可以使用逆向工程，猜測演算法與種子值，以便推算後面所有的隨機數列。

　　對於這個隨機數發生器，本人深有體會，在研究生期間，我的研究方向就是 流密碼，其中一個主要的課題就是 如何生成高安全效能的隨機數發生器，研究了2年吧，用的是 混沌生成偽隨機數，用於加密演算法。.NET自帶的Random類雖然能滿足常規要求，但在一些高安全場合，是不建議使用的，因為其生成的隨機數是可以預測和破解的。所以在.net中也提供了一個用於加密的RandomNumberGenerator。Math.NET就是該類的一個翻版。雖然其效率要比Random更低，但是更安全。

2..NET中使用RNGCryptoServiceProvider的例子

 　RNGCryptoServiceProvider的使用可以參考一個MSDN的例子：　　

 1 using System;
 2 using System.IO;
 3 using System.Text;
 4 using System.Security.Cryptography;
 5 
 6 class RNGCSP
 7 {
 8     public static void Main()
 9     {      
10         for(int x = 0; x <= 30; x++)
11             Console.WriteLine(RollDice(6));
12     }
13     
14     public static int RollDice(int NumSides)
15     {    
16         byte[] randomNumber = new byte[1];
17 
18         RNGCryptoServiceProvider Gen = new RNGCryptoServiceProvider();
19 
20         Gen.GetBytes(randomNumber);
21 
22         int rand = Convert.ToInt32(randomNumber[0]);
23 
24         return rand % NumSides + 1;
25     }
26 }

3.Math.NET中安全隨機數類的實現

　　隨機數生成器演算法的實現基本都類似，這裡就看一下Math.NET中安全的隨機數生成器CryptoRandomSource類的實現：

  1 public sealed class CryptoRandomSource : RandomSource, IDisposable
  2 {
  3     const double Reciprocal = 1.0/uint.MaxValue;
  4     readonly RandomNumberGenerator _crypto;
  5 
  6     /// <summary>
  7     /// Construct a new random number generator with a random seed.
  8     /// </summary>
  9     /// <remarks>Uses <see cref="System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider"/> and uses the value of
 10     /// <see cref="Control.ThreadSafeRandomNumberGenerators"/> to set whether the instance is thread safe.</remarks>
 11     public CryptoRandomSource()
 12     {
 13         _crypto = new RNGCryptoServiceProvider();
 14     }
 15 
 16     /// <summary>
 17     /// Construct a new random number generator with random seed.
 18     /// </summary>
 19     /// <param name="rng">The <see cref="RandomNumberGenerator"/> to use.</param>
 20     /// <remarks>Uses the value of  <see cref="Control.ThreadSafeRandomNumberGenerators"/> to set whether the instance is thread safe.</remarks>
 21     public CryptoRandomSource(RandomNumberGenerator rng)
 22     {
 23         _crypto = rng;
 24     }
 25 
 26     /// <summary>
 27     /// Construct a new random number generator with random seed.
 28     /// </summary>
 29     /// <remarks>Uses <see cref="System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider"/></remarks>
 30     /// <param name="threadSafe">if set to <c>true</c> , the class is thread safe.</param>
 31     public CryptoRandomSource(bool threadSafe) : base(threadSafe)
 32     {
 33         _crypto = new RNGCryptoServiceProvider();
 34     }
 35 
 36     /// <summary>
 37     /// Construct a new random number generator with random seed.
 38     /// </summary>
 39     /// <param name="rng">The <see cref="RandomNumberGenerator"/> to use.</param>
 40     /// <param name="threadSafe">if set to <c>true</c> , the class is thread safe.</param>
 41     public CryptoRandomSource(RandomNumberGenerator rng, bool threadSafe) : base(threadSafe)
 42     {
 43         _crypto = rng;
 44     }
 45 
 46     /// <summary>
 47     /// Returns a random number between 0.0 and 1.0.
 48     /// </summary>
 49     /// <returns>
 50     /// A double-precision floating point number greater than or equal to 0.0, and less than 1.0.
 51     /// </returns>
 52     protected override sealed double DoSample()
 53     {
 54         var bytes = new byte[4];
 55         _crypto.GetBytes(bytes);
 56         return BitConverter.ToUInt32(bytes, 0)*Reciprocal;
 57     }
 58 
 59     public void Dispose()
 60     {
 61 #if !NET35
 62         _crypto.Dispose();
 63 #endif
 64     }
 65 
 66     /// <summary>
 67     /// Fills an array with random numbers greater than or equal to 0.0 and less than 1.0.
 68     /// </summary>
 69     /// <remarks>Supports being called in parallel from multiple threads.</remarks>
 70     public static void Doubles(double[] values)
 71     {
 72         var bytes = new byte[values.Length*4];
 73 
 74 #if !NET35
 75         using (var rnd = new RNGCryptoServiceProvider())
 76         {
 77             rnd.GetBytes(bytes);
 78         }
 79 #else
 80         var rnd = new RNGCryptoServiceProvider();
 81         rnd.GetBytes(bytes);
 82 #endif
 83 
 84         for (int i = 0; i < values.Length; i++)
 85         {
 86             values[i] = BitConverter.ToUInt32(bytes, i*4)*Reciprocal;
 87         }
 88     }
 89 
 90     /// <summary>
 91     /// Returns an array of random numbers greater than or equal to 0.0 and less than 1.0.
 92     /// </summary>
 93     /// <remarks>Supports being called in parallel from multiple threads.</remarks>
 94     [TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline this type of method across NGen image boundaries")]
 95     public static double[] Doubles(int length)
 96     {
 97         var data = new double[length];
 98         Doubles(data);
 99         return data;
100     }
101 
102     /// <summary>
103     /// Returns an infinite sequence of random numbers greater than or equal to 0.0 and less than 1.0.
104     /// </summary>
105     /// <remarks>Supports being called in parallel from multiple threads.</remarks>
106     public static IEnumerable<double> DoubleSequence()
107     {
108         var rnd = new RNGCryptoServiceProvider();
109         var buffer = new byte[1024*4];
110 
111         while (true)
112         {
113             rnd.GetBytes(buffer);
114             for (int i = 0; i < buffer.Length; i += 4)
115             {
116                 yield return BitConverter.ToUInt32(buffer, i)*Reciprocal;
117             }
118         }
119     }
120 }

4.資源

　　原始碼下載：http://www.cnblogs.com/asxinyu/p/4264638.html

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