乱数生成器（RNG） - 暗号化全般

乱数生成器（RNG）とは

乱数生成器（RNG / Random Number Generator）は、予測不可能な乱数を生成する仕組みです。暗号化においては、鍵生成、IV/Nonce生成、ソルト生成など、セキュリティの根幹に関わる場面で使用されます。

乱数生成器の種類：

• TRNG（True RNG）：物理的な現象（熱雑音など）を利用した真の乱数
• PRNG（Pseudo RNG）：アルゴリズムに基づく疑似乱数
• CSPRNG（Cryptographically Secure PRNG）：暗号学的に安全な疑似乱数

暗号学的に安全な乱数（CSPRNG）

暗号処理に使用する乱数は、以下の特性を満たす必要があります：

• 予測不可能性：過去の出力から将来の出力を予測できない
• 逆行不可能性：内部状態が漏洩しても過去の出力を復元できない
• 統計的ランダム性：各ビットの出現確率が均等

# Pythonでの安全な乱数生成
import os
import secrets

# OSのCSPRNGを直接使用
secure_random_bytes = os.urandom(32)

# secretsモジュール（Python 3.6+、推奨）
secure_token = secrets.token_bytes(32)
secure_hex = secrets.token_hex(32)
secure_urlsafe = secrets.token_urlsafe(32)

# ❌ 暗号用途に使ってはいけない
import random
# random.random()は予測可能なので暗号には不適切

AIエンジニアとしての実体験

機械学習モデルの暗号化システムを設計する際、適切な乱数生成器の選択が重要でした。特に、モデルの暗号化鍵やAPIトークンの生成では、os.urandom()またはsecretsモジュールを必ず使用しています。

# 暗号鍵の安全な生成
from cryptography.hazmat.primitives.kdf.hkdf import HKDF
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
import secrets

def generate_encryption_key() -> bytes:
    """256ビットAES鍵を安全に生成"""
    return secrets.token_bytes(32)

def generate_api_token() -> str:
    """APIトークンを安全に生成"""
    return secrets.token_urlsafe(32)

# セッションIDの生成
def generate_session_id() -> str:
    return secrets.token_hex(16)  # 128ビット

自社サーバー運用への応用

Linuxでの乱数生成

# /dev/urandom - 非ブロッキング、通常はこちらを使用
dd if=/dev/urandom bs=32 count=1 2>/dev/null | xxd -p

# /dev/random - エントロピープールが枯渇するとブロック
# 通常の用途では/dev/urandomで十分

# エントロピー状態の確認
cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail

# OpenSSLでの乱数生成
openssl rand -hex 32

エントロピー源の確保

仮想環境やコンテナでは、エントロピー不足が問題になることがあります。havegedやrng-toolsを使用してエントロピープールを補充できます。

# havegedのインストール（Debian/Ubuntu）
sudo apt install haveged
sudo systemctl enable haveged

# rng-toolsのインストール（ハードウェアRNG使用時）
sudo apt install rng-tools

関連ブログ記事

最新動向（2026年）

ハードウェアRNGの普及

Intel RDRAND/RDSEED、AMD RNDR、ARM TRNGなど、CPUに組み込まれたハードウェア乱数生成器が標準で使用されるようになっています。

量子乱数生成器（QRNG）

量子力学的現象を利用した真の乱数生成器が商用化されています。クラウドサービスとしても提供され始めています。

トラブル事例と対策

権威あるリソース

• NIST SP 800-90A - Recommendation for Random Number Generation
• RFC 4086 - Randomness Requirements for Security
• Python secrets module

関連用語

• IV（初期化ベクトル）
• Nonce
• ソルト
• 鍵管理
• HSM

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