Hardware-Zufallsgenerator
Ein Hardware-Zufallsgenerator erzeugt Zufallszahlen aus messbaren physikalischen Vorgängen, etwa aus elektrischem Rauschen in einem Chip. Anders als eine Rechenformel liefert er Ergebnisse, die auch bei genauer Kenntnis des Geräts nicht vorhersagbar sind.
Computer sind Maschinen, die stur nach Regeln rechnen. Genau deshalb fällt ihnen echter Zufall schwer: Wer die Regel und den Startwert kennt, kann jedes Ergebnis nachrechnen. Ein Hardware-Zufallsgenerator löst das Problem anders. Er misst einen physikalischen Vorgang, der von sich aus unregelmäßig abläuft, und wandelt die Messwerte in Nullen und Einsen um. Typische Quellen sind winzige Spannungsschwankungen in einem elektronischen Bauteil, die durch Wärme entstehen, oder der Zerfall radioaktiver Atome. Solche Vorgänge sind nach heutigem physikalischem Wissen nicht berechenbar, sondern nur beobachtbar.
Warum schlechter Zufall Passwörter knackbar macht
Fast jede Verschlüsselung im Internet beginnt mit einer Zufallszahl. Wenn dein Handy eine gesicherte Verbindung zu einer Bank aufbaut, würfelt es einen geheimen Schlüssel aus. Ist dieser Würfel manipuliert oder zu vorhersehbar, ist der Schlüssel wertlos. Ein Angreifer muss dann nicht Milliarden Möglichkeiten durchprobieren, sondern nur die wenigen, die der Generator überhaupt erzeugen kann.
Solche Fälle gab es wirklich. 2008 entfernte ein Entwickler versehentlich eine Zufallsquelle aus einer weit verbreiteten Verschlüsselungssoftware. Danach gab es nur noch rund 32.000 verschiedene mögliche Schlüssel. Ein normaler PC konnte sie alle in kurzer Zeit durchprobieren. Tausende Server waren betroffen, obwohl an der Verschlüsselung selbst nichts falsch war.
Deshalb behandelt man Zufall in der Sicherheitstechnik als eigenständige, kritische Ressource. Auch Lotterien, Glücksspielautomaten und wissenschaftliche Simulationen hängen davon ab. Bei Lotterien geht es zusätzlich um Beweisbarkeit: Niemand soll später behaupten können, das Ergebnis sei vorher bekannt gewesen.
Von Rauschen zu Nullen und Einsen
Ein Hardware-Zufallsgenerator besteht meist aus drei Teilen. Zuerst kommt die Quelle, etwa ein Widerstand, in dem sich Elektronen durch Wärme unregelmäßig bewegen. Diese Bewegung erzeugt eine winzige, schwankende Spannung, das sogenannte thermische Rauschen. Ein Verstärker macht dieses Signal groß genug, um es messen zu können.
Danach folgt die Digitalisierung. Das Gerät prüft in schnellen Abständen, ob die Spannung über oder unter einem Schwellwert liegt, und schreibt eine Eins oder eine Null. Rohes Rauschen ist dabei fast nie perfekt ausbalanciert. Vielleicht kommen 51 Prozent Einsen und 49 Prozent Nullen heraus, oder aufeinanderfolgende Bits hängen leicht zusammen.
Deshalb gibt es einen dritten Schritt, die Nachbearbeitung. Sie rechnet die rohen Bits mit einem mathematischen Verfahren so um, dass die Verzerrung verschwindet. Aus vielen leicht schiefen Rohbits entstehen dabei weniger, aber sauberere Ausgabebits. Gute Generatoren überwachen sich zusätzlich selbst und schalten ab, wenn das Rauschen plötzlich verdächtig regelmäßig wird. Das kann passieren, wenn jemand den Chip stark abkühlt oder mit Funkwellen beschießt, um ihn zu beeinflussen.
Der Zufallschip im Handy und im Rechenzentrum
Praktisch jedes moderne Gerät hat einen solchen Generator eingebaut. Intel- und AMD-Prozessoren bieten dafür einen eigenen Befehl namens RDRAND an. Smartphones, Bankkarten und der Chip im Personalausweis besitzen ebenfalls eine physikalische Zufallsquelle. Betriebssysteme mischen deren Ausgabe mit anderen unvorhersehbaren Werten, etwa mit den Zeitabständen zwischen Tastendrücken.
Wichtig ist die Abgrenzung zum Pseudozufallsgenerator. Dieser berechnet Zahlen aus einem Startwert und liefert bei gleichem Startwert immer dieselbe Folge. Für Computerspiele oder Statistik reicht das völlig aus und ist sogar praktisch, weil man Ergebnisse wiederholen kann. In der Praxis kombiniert man beides: Der Hardware-Generator liefert den geheimen Startwert, der Pseudozufallsgenerator erzeugt daraus schnell große Mengen Bits.
In den Nachrichten tauchen Hardware-Zufallsgeneratoren vor allem bei zwei Themen auf. Erstens bei Sicherheitslücken, wenn ein Generator zu wenig Zufall geliefert hat oder Behörden verdächtigt werden, ihn geschwächt zu haben. Zweitens bei Quantentechnologie: Quantenzufallsgeneratoren nutzen einzelne Lichtteilchen und gelten als besonders gut begründbar, weil ihre Unvorhersagbarkeit direkt aus physikalischen Gesetzen folgt.