Кіріспе
Теориялық компьютерлік ғылым мен криптографияда қолданылатын термин. Теориялық компьютерлік ғылым мен криптографияда, статистикалық тесттер класы үшін псевдорандомдық генератор (PRG) – бұл рандомдық бастаманы ұзақ псевдорандомдық тізбекке бейімдейтін детерминистік процедура, сонда кластағы ешбір статистикалық тест генератордың нәтижесі мен біркелкі таралымды ажырата алмайды. Рандомдық бастаманың өзі әдетте біркелкі таралымнан алынған қысқа екілік тізбек болып табылады. Әдебиетте статистикалық тесттердің көптеген әртүрлі кластары қарастырылған, соның ішінде белгілі бір мөлшердегі барлық Бульдік тізбектер класы да бар. Бұл кластың үшін жақсы псевдорандомдық генераторлардың бар-жоғы белгісіз, бірақ олардың болуы белгілі бір мағынада есептеу күрделілігі теориясындағы дәлелденбеген тізбектердің төменгі шектерімен эквивалентті. Осылайша, белгілі бір мөлшердегі Бульдік тізбектер класы үшін псевдорандомдық генераторларды құру қазіргі уақытта дәлелденбеген қиындықтарға негізделген.
In theoretical computer science and cryptography, a pseudorandom generator (PRG) for a class of statistical tests is a deterministic procedure that maps a random seed to a longer pseudorandom string such that no statistical test in the class can distinguish between the output of the generator and the uniform distribution. The random seed itself is typically a short binary string drawn from the uniform distribution. Many different classes of statistical tests have been considered in the literature, among them the class of all Boolean circuits of a given size. It is not known whether good pseudorandom generators for this class exist, but it is known that their existence is in a certain sense equivalent to (unproven) circuit lower bounds in computational complexity theory. Hence the construction of pseudorandom generators for the class of Boolean circuits of a given size rests on currently unproven hardness assumptions.
Анықтама
Функциялардың класы болсын. Бұл функциялар псевдокезеңсіздік генераторы алдауға тырысатын статистикалық сынақтар, және олар әдетте алгоритмдер болып табылады. Кейде статистикалық сынақтарды қарсыластар немесе ажыратушылар деп те атайды. Функциялардың кодоменасындағы белгі Клин жұлдызы болып табылады. -пен белгіленген функция, егер, кез келген үшін , - мен - үлестірімдері арасындағы статистикалық қашықтық -тан аспаса, онда ол -қа қарсы псевдокезеңсіздік генераторы болып табылады, мұнда - -дегі біртекті үлестірім. Сан тұқым ұзындығы деп аталады, ал сан псевдокезеңсіздік генераторының созылуы деп аталады. - қарсыластар отбасына қарсы бұрылыспен псевдокезеңсіздік генераторы - бұл псевдокезеңсіздік генераторлар отбасы, мұнда әрбір генератор -қа қарсы бұрылыспен және тұқым ұзындығымен псевдокезеңсіздік генераторы болып табылады. Көптеген қолданбаларда отбасы есептеудің қандай да бір моделін немесе алгоритмдер жиынтығын білдіреді, және кішкентай тұқым ұзындығы мен бұрылысы бар, сондай-ақ генератордың нәтижесі сол алгоритммен есептелуі мүмкін псевдокезеңсіздік генераторын жобалауға қызығушылық танытады.
The quantity is called the seed length and the quantity is called the stretch of the pseudorandom generator. A pseudorandom generator against a family of adversaries with bias is a family of pseudorandom generators , where is a pseudorandom generator against with bias and seed length
In most applications, the family represents some model of computation or some set of algorithms, and one is interested in designing a pseudorandom generator with small seed length and bias, and such that the output of the generator can be computed by the same sort of algorithm.
Криптографияда
Криптографияда, сынып әдетте кірістің полиномдық өлшеміндегі және бір биттік шығысы бар барлық схемалардан тұрады, ал мақсат – полиномдық уақыт алгоритмімен есептелетін және схема өлшеміне қатысты мардымсыз қателікке ие псевдорандомдық генераторларды құрастыру болып табылады. Бұл псевдорандомдық генераторлар кейде криптографиялық тұрғыдан қауіпсіз псевдорандомдық генераторлар (CSPRG) деп аталады. Криптографиялық тұрғыдан қауіпсіз псевдорандомдық генераторлардың бар-жоғы белгісіз. Олардың бар екенін дәлелдеу қиын, себебі олардың болуы P ≠ NP екенін білдіреді, бұл кеңінен қабылдалған, бірақ әйгілі ашық мәселе болып табылады. Криптографиялық тұрғыдан қауіпсіз псевдорандомдық генераторлардың бар екендігіне кеңінен сенеді. Өйткені, кез келген бір бағытты функциядан псевдорандомдық генераторларды құрастыруға болатыны дәлелденген, ал мұндай функциялардың бар екеніне сенімділік зор. Псевдорандомдық генераторлар криптографияның көптеген қолданыс салалары үшін қажет. Псевдорандомдық генератор теоремасы криптографиялық тұрғыдан қауіпсіз псевдорандомдық генераторлардың бар екенін көрсетеді, егер және тек қана бір бағытты функциялар болса.
Қолданылуы
Псевдорандомдық генераторлардың криптографияда көптеген қолданыстары бар. Мысалы, псевдорандомдық генераторлар бір реттік блокноттардың тиімді аналогын қамтамасыз етеді. Шифрланған мәтін ашық мәтін туралы ешқандай ақпаратты бермейтіндей етіп хабарлама m-ды шифрлау үшін пайдаланылатын кілт k, |m| ұзындығындағы жолдар бойынша рандомды болуы керек екені жақсы белгілі. Кілттің ұзындығы тұрғысынан толыққанды қауіпсіз шифрлау өте қымбат. Толық қауіпсіздік семантикалық қауіпсіздікпен ауыстырылса, кілттің ұзындығы псевдорандомдық генераторды пайдалану арқылы едәуір қысқартылуы мүмкін. Ағын шифрлерінің көптеген құрылымдары псевдорандомдық генераторларға негізделген. Псевдорандомдық генераторларды симметриялық кілттің криптожүйелерін құру үшін де пайдалануға болады, онда көптеген хабарламаларды бір кілтпен қауіпсіз шифрлауға болады. Мұндай құрылым псевдорандомдық функциялар отбасының негізінде болуы мүмкін, ол псевдорандомдық генератор ұғымын жалпылайды. 1980 жылдары физикадағы модельдеулер миллиардтаған элементтері бар тізбектерді жасау үшін псевдорандомдық генераторларды пайдалана бастады, ал 1980 жылдардың соңында бірнеше кең таралған генераторлардың 3D Изинг моделінің фазалық өту қасиеттері және диффузиялық шектеулі агрегаттардың пішіндері сияқты жағдайларда дұрыс емес нәтижелер бергеніне дәлелдер пайда болды. Содан кейін 1990 жылдары кездейсоқ серуендер, корреляциялық функциялар, өзіндік күйлердің локализациясы және т.б. негізіндегі физикалық модельдеулердің әртүрлі идеализациялары псевдорандомдық генераторларды сынау үшін пайдаланылды.
Сынау
NIST псевдокездейсоқ генератордың жоғары сапалы кездейсоқ биттерді өндіретінін тексеру үшін SP800-22 кездейсоқтық сынақтарын жариялады. Йонгге Ван NIST тестілеуінің нашар псевдокездейсоқ генераторларды анықтауға жеткіліксіз екенін көрсетті және статистикалық қашықтыққа негізделген LILtest сынақ әдісін әзірледі.
Кездейсоқ емес түрлендіру үшін
Псевдослучай генераторларының негізгі қолданысы – есептеудің нәтижесін бұзбай, кездейсоқтыққа тәуелді есептеуді дерандомизациялау болып табылады. Физикалық компьютерлер детерминистік машиналар болып табылады, сондықтан нағыз кездейсоқтықты алу қиындық тудырады. Псевдослучай генераторларын аз немесе мүлдем кездейсоқтық қолданбай, кездейсоқ алгоритмдерді тиімді түрде модельдеу үшін пайдалануға болады. Мұндай қолданыстарда, сынып – модельдеуді қалаушы кездейсоқ алгоритмді немесе кездейсоқ алгоритмдер класын сипаттайды, ал мақсат – тұқым ұзындығы ең қысқа болатын "тиімді есептелетін" псевдослучай генераторын жасау. Толық дерандомизация қажет болса, кездейсоқ алгоритмге берілетін кездейсоқ мәліметтер псевдослучай генераторы шығарған псевдослучай тізбегімен алмастырылып, толық детерминистік модельдеу жүргізіледі. Модельдеу барлық мүмкін тұқымдар үшін осылай жасалады және кездейсоқ алгоритмнің әртүрлі іске асырылымдарының нәтижелері тиісті тәсілмен орташаланады.
Көптамалық уақыт үшін
Компьютерлік күрделілік теориясының негізгі сұрағы – шешім проблемалары үшін полиномиалдық уақытта жұмыс істейтін кездейсоқ алгоритмдердің барлығын полиномиалдық уақытта детерминистік түрде модельдеуге бола ма деген мәселе. Мұндай модельдеудің болуы BPP = P екенін білдіреді. Мұндай модельдеуді жүзеге асыру үшін, кірістерінің ұзындығы n және бір биттік шығыс беретін, s(n) өлшемді барлық схемалардың F отбасына қарсы псевдокездейсоқ генераторларды құру жеткілікті, мұнда s(n) – кез келген полиномиал, псевдокездейсоқ генератордың бастама ұзындығы O(log n) және оның қатесі ⅓ құрайды. 1991 жылы Ноам Нисан мен Ави Вигдерсон осы қасиеттері бар псевдокездейсоқ генераторды ұсынды. 1997 жылы Рассел Импаглиаццо мен Ави Вигдерсон Нисан мен Вигдерсонның құрастырылған генераторы псевдокездейсоқ екенін дәлелдеді, егер ұзындығы n кірістерде 2O(n) уақытында есептелетін, бірақ 2Ω(n) өлшемді схемаларды қажет ететін шешім проблемасы болса.
Логарифмдік кеңістік үшін
Сұлбаның күрделілігі туралы дәлелденбеген болжамдар Нисан-Вигдерсон генераторының уақытпен шектелген машиналарда жұмыс істейтінін дәлелдеу үшін қажет болғанмен, статистикалық сынақтар класын одан әрі шектеу орынды, осылайша мұндай дәлелденбеген болжамдарға тәуелді болудың қажеті болмайды. Бұл жұмыс кеңістігі Савич теоремасы деп аталатын қайталанған дәрежелеу әдісін қолдану арқылы, кез келген ықтималдық логарифмдік кеңістіктегі есептеуді кеңістікте симуляциялауға болатынын көрсету оңай. Ноам Нисан (1992) бұл дерандомизацияны тұқымның ұзындығы бар псевдокездейсоқ генератор арқылы жүзеге асыруға болатынын көрсетті, ол барлық кеңістік машиналарын қателеуге қабілді. Нисан генераторын Сакс және Чжоу (1999) ықтималдық логарифмдік кеңістіктегі есептеуді кеңістікте детерминистік түрде симуляциялауға болатынын көрсету үшін қолданды. Бұл нәтиже 2021 жылы Уильям Хоза тарапынан кеңістікке дейін жақсартылды.
Сызықтық функциялар үшін
Статистикалық сынақтар белгілі бір шекті өрістегі барлық көпөлшемді сызықтық функциялардан құралғанда, epsilon қиыстырылған генераторлар деп айтылады. Бұл құрылым тұқымның ұзындығына жетеді, бұл тұрақты факторларға дейін ең жақсы нәтиже. Сызықтық функцияларға арналған псевдорандомдық генераторлар көбінесе күрделірек псевдорандомдық генераторлардың құрауыш бөлігі ретінде қолданылады.
Көптамалар үшін
дәлелдейді, кішкентай қателіктерді қосудың қосындысы дәрежесі бар полиномдарды жаңылыстырады. Тұқым ұзындығы .
Тұрақты тереңдікті контурлар үшін
Бір шығыс битін шығаратын тұрақты тереңдіктегі тізбектер.
Ықтималдықтың шектеулері
Криптографияда және әмбебап алгоритмдік дерандомизацияда қолданылатын псевдорандомдық генераторлардың бар екені дәлелденбеген, бірақ олардың бар екеніне кеңінен сенеді. Олардың бар екенін дәлелдеу, белгілі бір нақты функциялардың схемалық күрделілігінің төменгі шектерін дәлелдеуге әкелер еді. Мұндай схемалық төменгі шектерін, криптографиялық псевдорандомдық генераторлардың күштірек түрлері бар деген болжаммен, табиғи дәлелдемелер аясында дәлелдеу мүмкін емес.