PHP中的随机数安全问题

Posted 2021-03-31 合天智汇

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了PHP中的随机数安全问题相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

引言

西湖论剑杯线上预选赛线上赌场一题，明文攻击出来的hint中给了/flag/seed.txt以及一个字符串code，这里需要稍微脑洞一点想到seed是指随机数种子，以及Web页面上的code值是每小时更换的"随机数"：

PHP中的随机数安全问题

我们利用phpmtseed工具(C编写，速度很快)可以根据随机数碰撞出随机数的种子，从而获取flag：

PHP中的随机数安全问题

以下是原理分析：

PHP中的随机数安全问题

随机数的安全缺陷

随机数广泛应用于生成验证码、Token、密钥等场景中，分为真随机数和伪随机数。我们通过算法(常用线性同余)和种子(常用时钟)得到的随机数属于伪随机数：当知道种子或已产生的随机数时，随机数序列是可以被预测的。

PHP中的随机数安全问题

可以看到PHP Manual其实提示了生成随机数用于加密是不安全的，但是这个Caution不知为何只存在于英文版的PHP Manual中，中文版被遗漏了...这可能也是很多国内的开发应用出现过此缺陷的一个原因。

PHP中生成随机数的函数有rand()和mtrand()，它们分别对应srand()和mtstrand()两个用于播种随机数种子的函数。我们建立rand.php进行测试：

  
    
    
  
   
     
     
   <?php
   
     
     
   mt_srand(2333);
   
     
     
   srand(2333);
   
     
     
   echo "seed=2333,rand()产生的随机数序列:
";
   
     
     
   for($i=1;$i<=3;$i++){
   
     
     
      echo rand()."
";
   
     
     
   }
   
     
     
   echo "seed=2333,mt_rand()产生的随机数序列:
";
   
     
     
   for($i=1;$i<=3;$i++){
   
     
     
      echo mt_rand()."
";
   
     
     
   }
   
     
     
   ?>

执行：

PHP中的随机数安全问题

可以看出当随机数种子相同时，不管是rand()还是mtrand()产生的随机数序列都是相同的，如果seed泄露则会导致随机数序列的泄露。当种子值为固定如mtsrand(1000)时，随机数形同虚设；而使用动态种子也未必安全，如：

  
    
    
  
   
     
     
   //seed值较小，直接遍历爆破
   
     
     
   mt_srand(mt_rand(0,1000));
   
     
     
   //用公开的time()作为种子，和静态种子一样危险
   
     
     
   mt_srand(time());
   
     
     
   //破解时要注意服务器时间可能存在偏差，需要设定一个较小的范围

自PHP 4.2.0 起，随机数发生器会自动完成播种，不再需要手工调用srand()或mt_srand()，但是这样仍旧不安全，我们分别对两个函数进行讨论

PHP中的随机数安全问题

rand()

rand()在产生随机数时不会自动调用srand()，产生的随机数序列可以通过这个式子预测：

state[i] = state[i-3] + state[i-31]

所以我们可以收集rand()生成的32位以上的随机序列，以预测后面的随机序列。

详细参考：Cracking-Php-Rand

(http://www.sjoerdlangkemper.nl/2016/02/11/cracking-php-rand/)

并且在某些平台下rand()最大值为32767，非常容易遭到爆破。

PHP中的随机数安全问题

mt_rand()

根据PHP Manual，mtrand()产生随机数值的平均速度比libc提供的rand()快四倍，rand() 函数默认使用 libc 随机数发生器，mtrand() 函数是非正式用来替换它的。

mtrand()函数的安全缺陷主要出现在，所谓"自动播种"其实是PHP在同一个请求进程中只会进行一次播种，也就是说即使多次调用mtrand()函数，也只会根据第一次播种的种子生成随机数。这一结论的证明可以通过mt_rand()的源码分析或写个小脚本测试来完成，不再展开，函数的核心实现代码是这一部分：

  
    
    
  
   
     
     
   PHPAPI void php_mt_srand(uint32_t seed)
   
     
     
   {
   
     
     
       /* Seed the generator with a simple uint32 */
   
     
     
       php_mt_initialize(seed, BG(state));
   
     
     
       php_mt_reload();
   
     
     
       /* Seed only once */
   
     
     
       BG(mt_rand_is_seeded) = 1;
   
     
     
   }
   
     
     
   /* }}} */
   
     
     
   /* {{{ php_mt_rand
   
     
     
    */
   
     
     
   PHPAPI uint32_t php_mt_rand(void)
   
     
     
   {
   
     
     
       /* Pull a 32-bit integer from the generator state
   
     
     
          Every other access function simply transforms the numbers extracted here */
   
     
     
       register uint32_t s1;
   
     
     
       if (UNEXPECTED(!BG(mt_rand_is_seeded))) {
   
     
     
           php_mt_srand(GENERATE_SEED());
   
     
     
       }
   
     
     
       if (BG(left) == 0) {
   
     
     
           php_mt_reload();
   
     
     
       }
   
     
     
       --BG(left);
   
     
     
       s1 = *BG(next)++;
   
     
     
       s1 ^= (s1 >> 11);
   
     
     
       s1 ^= (s1 <<  7) & 0x9d2c5680U;
   
     
     
       s1 ^= (s1 << 15) & 0xefc60000U;
   
     
     
       return ( s1 ^ (s1 >> 18) );
   
     
     
   }

由于根据种子生成随机数序列的计算并不可逆，有效的破解方法应该是穷举种子并生成随机数序列，与已知的随机数(序列)作比较，这也是文章开头提到的phpmtseed工具的实现逻辑。

PHP中的随机数安全问题

安全建议

涉及到加密/权限/CSRF Token等敏感操作时：

不要使用时间函数作为种子或直接作为随机数：time()/microtime()
不要直接使用rand()``mt_rand()这样的弱伪随机数生成器
随机数要足够长以防御暴力破解

PHP中的随机数安全问题