c# - .NET 框架 : Random number generator produces repeating pattern

Question

编辑:这不是重复的，也不是对如何使用随机数生成器的天真误解的结果。谢谢。

我似乎在 System.Random 类生成的数字中发现了一个重复模式。我正在使用“主”随机实例为第二个“主”随机实例生成种子。这个主要的 Random 实例产生的值表现出重复的模式。特别是，产生的第 3 个数字非常可预测。

下面的程序演示了这个问题。请注意，每次循环都使用不同的种子值。

using System;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
            // repeat experiment with different master RNGs
        for (int iMaster = 0; iMaster < 30; ++iMaster)
        {
                // create master RNG
            var rngMaster = new Random(iMaster + OFFSET);

                // obtain seed from master RNG
            var seed = rngMaster.Next();

                // create main RNG from seed
            var rngMain = new Random(seed);

                // print 3rd number generated by main RNG
            var ignore0 = rngMain.Next(LIMIT);
            var ignore1 = rngMain.Next(LIMIT);
            var randomNumber = rngMain.Next(LIMIT);
            Console.WriteLine(randomNumber);
        }
    }

    const int OFFSET = 0;
    const int LIMIT = 200;
}

我认为这应该会产生随机输出，但我的盒子上的实际输出是:

84
84
84
84
84
84
84
84
84
84
84
...

谁能解释一下这是怎么回事？更改 OFFSET 和 LIMIT 常量会更改输出值，但它总是会重复。

Answer 1

欢迎来到非加密强随机数生成器的世界。显然，如果您将其输出限制为 0 到 200，内置的 .NET RNG 倾向于使它输出的第三个数字为 84。看一下程序的以下版本，它显示了输出中发生的更多事情。

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WindowWidth = 44;
        Console.WindowHeight = 33;
        Console.BufferWidth = Console.WindowWidth;
        Console.BufferHeight = Console.WindowHeight;

        string template = "|{0,-5}|{1,-11}|{2,-5}|{3,-5}|{4,-5}|{5,-5}|";
        Console.WriteLine(template, "s1", "s2", "out1", "out2", "out3", "out4");
        Console.WriteLine(template, new String('-', 5), new String('-', 11), new String('-', 5), new String('-', 5), new String('-', 5), new String('-', 5));

        // repeat experiment with different master RNGs
        for (int iMaster = 0; iMaster < 30; ++iMaster)
        {
            int s1 = iMaster + OFFSET;
            // create master RNG
            var rngMaster = new Random(s1);

            // obtain seed from master RNG
            var s2 = rngMaster.Next();

            // create main RNG from seed
            var rngMain = new Random(s2);

            var out1 = rngMain.Next(LIMIT);
            var out2 = rngMain.Next(LIMIT);
            var out3 = rngMain.Next(LIMIT);
            var out4 = rngMain.Next(LIMIT);
            Console.WriteLine(template, s1, s2, out1, out2, out3, out4);
        }

        Console.ReadLine();
    }

    const int OFFSET = 0;
    const int LIMIT = 200;
}

这是输出

|s1   |s2         |out1 |out2 |out3 |out4 ||-----|-----------|-----|-----|-----|-----||0    |1559595546 |170  |184  |84   |84   ||1    |534011718  |56   |177  |84   |123  ||2    |1655911537 |142  |171  |84   |161  ||3    |630327709  |28   |164  |84   |199  ||4    |1752227528 |114  |157  |84   |37   ||5    |726643700  |0    |150  |84   |75   ||6    |1848543519 |86   |143  |84   |113  ||7    |822959691  |172  |136  |84   |151  ||8    |1944859510 |58   |129  |84   |189  ||9    |919275682  |144  |122  |84   |28   ||10   |2041175501 |30   |115  |84   |66   ||11   |1015591673 |116  |108  |84   |104  ||12   |2137491492 |2    |102  |84   |142  ||13   |1111907664 |88   |95   |84   |180  ||14   |86323836   |174  |88   |84   |18   ||15   |1208223655 |60   |81   |84   |56   ||16   |182639827  |146  |74   |84   |94   ||17   |1304539646 |31   |67   |84   |133  ||18   |278955818  |117  |60   |84   |171  ||19   |1400855637 |3    |53   |84   |9    ||20   |375271809  |89   |46   |84   |47   ||21   |1497171628 |175  |40   |84   |85   ||22   |471587800  |61   |33   |84   |123  ||23   |1593487619 |147  |26   |84   |161  ||24   |567903791  |33   |19   |84   |199  ||25   |1689803610 |119  |12   |84   |38   ||26   |664219782  |5    |5    |84   |76   ||27   |1786119601 |91   |198  |84   |114  ||28   |760535773  |177  |191  |84   |152  ||29   |1882435592 |63   |184  |84   |190  |

因此，主 RND 的第一个输出与与第一个 RNG 链接的第二个 RNG 的前几个输出之间存在一些很强的相关性。 Random RNG 并不是为了“安全”而设计的，而是为了“快速”而设计的，因此您在这里看到的是快速和安全之间的权衡。如果您不希望这样的事情发生，您需要使用加密安全的随机数生成器。

但是，仅仅切换到加密随机数生成器 (CRNG) 是不够的，您仍然需要小心使用 CRNG。 WEP 无线安全也发生了一个非常相似的问题。根据 header 中给出的 IV，可以预测随机数生成器的种子值(WEP key )用于保护连接。尽管他们使用了 CRNG(他们使用 RC4)，但他们没有正确使用它(在输出变得不可预测之前，您必须吐出几 1000 次迭代)。