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深入理解PHP中mt_rand()随机数的安全

技术教程6小时前更新 北陌
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深入理解PHP中mt_rand()随机数的安全

前言

在前段时间挖了不少跟mt_rand()相关的安全漏洞,基本上都是错误理解随机数用法导致的。这里又要提一下php官网manual的一个坑,看下关于mt_rand()的介绍:中文版^cn 英文版^en,可以看到英文版多了一块黄色的 Caution 警告

This function does not generate cryptographically secure values, and should not be used for cryptographic purposes. If you need a cryptographically secure value, consider using random_int(), random_bytes(), or openssl_random_pseudo_bytes() instead.

很多国内开发者估计都是看的中文版的介绍而在程序中使用了mt_rand()来生成安全令牌、核心加解密key等等导致严重的安全问题。

伪随机数

mt_rand()并不是一个 真·随机数 生成函数,实际上绝大多数编程语言中的随机数函数生成的都都是伪随机数。关于真随机数和伪随机数的区别这里不展开解释,只需要简单了解一点

伪随机是由可确定的函数(常用线性同余),通过一个种子(常用时钟),产生的伪随机数。这意味着:如果知道了种子,或者已经产生的随机数,都可能获得接下来随机数序列的信息(可预测性)。

简单假设一下 mt_rand()内部生成随机数的函数为: rand = seed (i*10) 其中 seed 是随机数种子, i 是第几次调用这个随机数函数。当我们同时知道 i 和 rand 两个值的时候,就能很容易的算出seed的值来。比如 rand=21 , i=2 代入函数 21=seed (2*10) 得到 seed=1 。是不是很简单,当我们拿到seed之后,就能计算出当 i 为任意值时候的 rand 的值了。

PHP的自动播种

从上一节我们已经知道每一次mt_rand()被调用都会根据seed和当前调用的次数i来计算出一个伪随机数。而且seed是自动播种的:

Note: 自 PHP 4.2.0 起,不再需要用 srand() 或 mt_srand() 给随机数发生器播种 ,因为现在是由系统自动完成的。

那么问题就来了,到底系统自动完成播种是在什么时候,如果每次调用mt_rand()都会自动播种那么破解seed也就没意义了。关于这一点manual并没有给出详细信息。网上找了一圈也没靠谱的答案 只能去翻源码^mtrand了:

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

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