2019-04-07

PHP中的随机数安全问题

About rand() & mt_rand() in PHP.

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”：

我们利用php_mt_seed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：

以下是原理分析：

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。

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mt_rand()，它们分别对应srand()和mt_strand()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:\n";
for($i=1;$i<=3;$i++){
   echo rand()."\n";
}
echo "seed=2333,mt_rand()产生的随机数序列:\n";
for($i=1;$i<=3;$i++){
   echo mt_rand()."\n";
}
?>

执行：

可以看出当随机数种子相同时，不管是rand()还是mt_rand()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mt_srand(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：

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

并且在某些平台下rand()最大值为32767，非常容易遭到爆破。

mt_rand()

根据PHP Manual，mt_rand()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，mt_rand() 函数是非正式用来替换它的。

mt_rand()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mt_rand()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php_mt_seed工具的实现逻辑。

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

参考链接：

http://wonderkun.cc/index.html/?p=585

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