前言

在前段時(shí)間挖了不少跟mt_rand()相關(guān)的安全漏洞，基本上都是錯(cuò)誤理解隨機(jī)數(shù)用法導(dǎo)致的。這里又要提一下php官網(wǎng)manual的一個(gè)坑,看下關(guān)于mt_rand()的介紹:中文版^cn 英文版^en，可以看到英文版多了一塊黃色的 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.

很多國(guó)內(nèi)開發(fā)者估計(jì)都是看的中文版的介紹而在程序中使用了mt_rand()來生成安全令牌、核心加解密key等等導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。

偽隨機(jī)數(shù)

mt_rand()并不是一個(gè) 真·隨機(jī)數(shù) 生成函數(shù),實(shí)際上絕大多數(shù)編程語言中的隨機(jī)數(shù)函數(shù)生成的都都是偽隨機(jī)數(shù)。關(guān)于真隨機(jī)數(shù)和偽隨機(jī)數(shù)的區(qū)別這里不展開解釋，只需要簡(jiǎn)單了解一點(diǎn)

偽隨機(jī)是由可確定的函數(shù)（常用線性同余），通過一個(gè)種子（常用時(shí)鐘），產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)。這意味著：如果知道了種子，或者已經(jīng)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，都可能獲得接下來隨機(jī)數(shù)序列的信息（可預(yù)測(cè)性）。

簡(jiǎn)單假設(shè)一下 mt_rand()內(nèi)部生成隨機(jī)數(shù)的函數(shù)為: rand = seed+(i*10) 其中 seed 是隨機(jī)數(shù)種子， i 是第幾次調(diào)用這個(gè)隨機(jī)數(shù)函數(shù)。當(dāng)我們同時(shí)知道 i 和 rand 兩個(gè)值的時(shí)候，就能很容易的算出seed的值來。比如 rand=21 , i=2 代入函數(shù) 21=seed+(2*10) 得到 seed=1 。是不是很簡(jiǎn)單，當(dāng)我們拿到seed之后，就能計(jì)算出當(dāng) i 為任意值時(shí)候的 rand 的值了。

PHP的自動(dòng)播種

從上一節(jié)我們已經(jīng)知道每一次mt_rand()被調(diào)用都會(huì)根據(jù)seed和當(dāng)前調(diào)用的次數(shù)i來計(jì)算出一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)。而且seed是自動(dòng)播種的：

Note: 自 PHP 4.2.0 起，不再需要用 srand() 或 mt_srand() 給隨機(jī)數(shù)發(fā)生器播種 ，因?yàn)楝F(xiàn)在是由系統(tǒng)自動(dòng)完成的。

那么問題就來了，到底系統(tǒng)自動(dòng)完成播種是在什么時(shí)候，如果每次調(diào)用mt_rand()都會(huì)自動(dòng)播種那么破解seed也就沒意義了。關(guān)于這一點(diǎn)manual并沒有給出詳細(xì)信息。網(wǎng)上找了一圈也沒靠譜的答案 只能去翻源碼^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 >> 11);
 s1 ^= (s1 << 7) & 0x9d2c5680U;
 s1 ^= (s1 << 15) & 0xefc60000U;
 return ( s1 ^ (s1 >> 18) );
}

可以看到每次調(diào)用mt_rand()都會(huì)先檢查是否已經(jīng)播種。如果已經(jīng)播種就直接產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，否則調(diào)用php_mt_srand來播種。也就是說每個(gè)php cgi進(jìn)程期間，只有第一次調(diào)用mt_rand()會(huì)自動(dòng)播種。接下來都會(huì)根據(jù)這個(gè)第一次播種的種子來生成隨機(jī)數(shù)。而php的幾種運(yùn)行模式中除了CGI(每個(gè)請(qǐng)求啟動(dòng)一個(gè)cgi進(jìn)程，請(qǐng)求結(jié)束后關(guān)閉。每次都要重新讀取php.ini 環(huán)境變量等導(dǎo)致效率低下，現(xiàn)在用的應(yīng)該不多了)以外，基本都是一個(gè)進(jìn)程處理完請(qǐng)求之后standby等待下一個(gè)，處理多個(gè)請(qǐng)求之后才會(huì)回收（超時(shí)也會(huì)回收）。

寫個(gè)腳本測(cè)試一下

<?php
//pid.php
echo getmypid();

<?php
//test.php
$old_pid = file_get_contents('http://localhost/pid.php');
$i=1;
while(true){
 $i++;
 $pid = file_get_contents('http://localhost/pid.php');
 if($pid!=$old_pid){
 echo $i;
 break;
 }
}

測(cè)試結(jié)果：（windows+phpstudy）

apache 1000請(qǐng)求

nginx 500請(qǐng)求

當(dāng)然這個(gè)測(cè)試僅僅確認(rèn)了apache和nginx一個(gè)進(jìn)程可以處理的請(qǐng)求數(shù)，再來驗(yàn)證一下剛才關(guān)于自動(dòng)播種的結(jié)論：

<?php
//pid1.php
if(isset($_GET['rand'])){
 echo mt_rand();
}else{
 echo getmypid();
}

<?php
//pid2.php
echo mt_rand();

<?php
//test.php
$old_pid = file_get_contents('http://localhost/pid1.php');
echo "old_pid:{$old_pid}\r\n";
while(true){
 $pid = file_get_contents('http://localhost/pid1.php');
 if($pid!=$old_pid){
 echo "new_pid:{$pid}\r\n";
 for($i=0;$i<20;$i++){
  $random = mt_rand(1,2);
  echo file_get_contents("http://localhost/pid".$random.".php?rand=1")." ";
 }

 break;
 }
}

通過pid來判斷,當(dāng)新進(jìn)程開始的時(shí)候，隨機(jī)獲取兩個(gè)頁(yè)面其中一個(gè)的 mt_rand() 的輸出:

old_pid:972 new_pid:7752 1513334371 2014450250 1319669412 499559587 117728762 1465174656 1671827592 1703046841 464496438 1974338231 46646067 981271768 1070717272 571887250 922467166 606646473 134605134 857256637 1971727275 2104203195

拿第一個(gè)隨機(jī)數(shù) 1513334371 去爆破種子：

smldhz@vm:~/php_mt_seed-3.2$ ./php_mt_seed 1513334371 Found 0, trying 704643072 - 738197503, speed 28562751 seeds per second seed = 735487048 Found 1, trying 1308622848 - 1342177279, speed 28824291 seeds per second seed = 1337331453 Found 2, trying 3254779904 - 3288334335, speed 28811010 seeds per second seed = 3283082581 Found 3, trying 4261412864 - 4294967295, speed 28677071 seeds per second Found 3

爆破出了3個(gè)可能的種子，數(shù)量很少 手動(dòng)一個(gè)一個(gè)測(cè)試:

<?php
mt_srand(735487048);//手工播種
for($i=0;$i<21;$i++){
 echo mt_rand()." ";
}

輸出:

前20位跟上面腳本獲取的一模一樣，確認(rèn)種子就是 1513334371 。有了種子我們就能計(jì)算出任意次數(shù)調(diào)用mt_rand()生成的隨機(jī)數(shù)了。比如這個(gè)腳本我生成了21位，最后一位是 1515656265 如果跑完剛才的腳本之后沒訪問過站點(diǎn)，那么打開 http://localhost/pid2.php 就能看到相同的 1515656265 。

所以我們得到結(jié)論：

php的自動(dòng)播種發(fā)生在php cgi進(jìn)程中第一次調(diào)用mt_rand()的時(shí)候。跟訪問的頁(yè)面無關(guān)，只要是同一個(gè)進(jìn)程處理的請(qǐng)求，都會(huì)共享同一個(gè)最初自動(dòng)播種的種子。

php_mt_seed

我們已經(jīng)知道隨機(jī)數(shù)的生成是依賴特定的函數(shù)，上面曾經(jīng)假設(shè)為 rand = seed+(i*10)  。對(duì)于這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)，我們當(dāng)然可以直接計(jì)算（口算）出一個(gè)（組）解來，但 mt_rand() 實(shí)際使用的函數(shù)可是相當(dāng)復(fù)雜且無法逆運(yùn)算的。有效的破解方法其實(shí)是窮舉所有的種子并根據(jù)種子生成隨機(jī)數(shù)序列再跟已知的隨機(jī)數(shù)序列做比對(duì)來驗(yàn)證種子是否正確。php_mt_seed^phpmtseed就是這么一個(gè)工具，它的速度非?？?，跑完2^32位seed也就幾分鐘。它可以根據(jù)單次mt_rand()的輸出結(jié)果直接爆破出可能的種子（上面有示例），當(dāng)然也可以爆破類似mt_rand(1,100)這樣限定了MIN MAX輸出的種子（下面實(shí)例中有用到）。

安全問題

說了這么多，那到底隨機(jī)數(shù)怎么不安全了呢？其實(shí)函數(shù)本身沒有問題，官方也明確提示了生成的隨機(jī)數(shù)不應(yīng)用于安全加密用途（雖然中文版本manual沒寫）。問題在于開發(fā)者并沒有意識(shí)到這并不是一個(gè) 真·隨機(jī)數(shù) 。我們已經(jīng)知道，通過已知的隨機(jī)數(shù)序列可以爆破出種子。也就是說，只要任意頁(yè)面中存在輸出隨機(jī)數(shù)或者其衍生值（可逆推隨機(jī)值），那么其他任意頁(yè)面的隨機(jī)數(shù)將不再是“隨機(jī)數(shù)”。常見的輸出隨機(jī)數(shù)的例子比如驗(yàn)證碼，隨機(jī)文件名等等。常見的隨機(jī)數(shù)用于安全驗(yàn)證的比如找回密碼校驗(yàn)值，比如加密key等等。一個(gè)理想中的攻擊場(chǎng)景：

夜深人靜，等待apache(nginx)收回所有php進(jìn)程（確保下次訪問會(huì)重新播種），訪問一次驗(yàn)證碼頁(yè)面，根據(jù)驗(yàn)證碼字符逆推出隨機(jī)數(shù)，再根據(jù)隨機(jī)數(shù)爆破出隨機(jī)數(shù)種子。接著訪問找回密碼頁(yè)面，生成的找回密碼鏈接是基于隨機(jī)數(shù)的。我們就可以輕松計(jì)算出這個(gè)鏈接,找回管理員的密碼…………XXOO

實(shí)例

PHPCMS MT_RAND SEED CRACK致authkey泄露 雨牛寫的比我好，看他的就夠了

Discuz x3.2 authkey泄露 這個(gè)其實(shí)也差不多。官方已出補(bǔ)丁，有興趣的可以自己去分析一下。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。