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php的随机数的安全性分析

发表于 更新于 分类于 阅读次数： Valine：

php的随机数的安全性分析

在php中,产生随机数的方法有 rand()函数和mt_rand()函数,官方说mt_rand()函数要比rand()函数的速度快四倍,至于到底是不是这样的?他们两个的区别到底在哪,不是今天要讨论的重点,今天要说的是这两个函数的安全性问题.

说到rand()函数和mt_rand()函数,我们就不得不说到与他们相对应的两个播种随机数种子的函数,srand() 和 mt_srand()
我们来看如下代码:

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<?
mt_srand(1234);
srand(123);
echo "rand 函数在种子是1234时产生的随机数序列:\n";
for($i=1;$i<5;$i++){
   echo rand()."\n";
}
echo "mt_rand 函数在种子是1234时产生的随机数序列:\n";
for($i=1;$i<5;$i++){
   echo mt_rand()."\n";
}
?>
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测试发现无论是rand()函数还是mt_rand()函数,当随机数种子相同的时候,无论运行多少次,产生的随机数序列都是一样的,所以如果我们在代码中自己播种了随机数种子,但是泄露了这个种子,就会导致产生的随机数序列被别人猜到,造成安全问题.

但是在 php > 4.2.0 的版本中,不再需要手动用 srand() 或 mt_srand() 函数给随机数发生器播种了，已自动完成。也就是说随机数种子不用我们给了,php会自动播种一个种子,这样就不存在种子泄露的问题了,但是这样就安全了吗?

我们继续往下面看:

mt_rand() 函数的安全性问题

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php -r 'echo getrandmax()."\n".mt_getrandmax()."\n"; echo (pow(2,31)-1)."\n";'
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在我的 linux 64 位系统中,rand() 和 mt_rand() 产生的最大随机数都是2147483647,
正好是 2^31-1 , 也就是说随机播种的种子也是在这个范围中,0 - 2147483647 的这个范围是允许我们进行爆破的. 但是用 php爆破比较慢,有大牛已经用c写了一个爆破种子程序php_mt_seed,请参考这里http://www.openwall.com/php_mt_seed/

下面演示一下它的用法:

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在例子中,我没有自己播种种子,而是让php自动去播种一个种子并产生一个随机数,然后用 php_mt_seed 这个工具把产生的随机数作为参数,去爆破种子,最后的得到了四个结果.
经过验证,四个结果都是对的.都会产生这样的一个随机数.

但是还有一个疑问,就是 php manual 中说,自动播种种子是指:在每次调用 mt_rand()函数之前都播种一次种子呢,还是多次调用 mt_rand()函数之前,只播种一次种子呢,这对于我们能否猜到产生的随机数序列至关重要.

看下面的测试:

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在测试中,在没有进行手工播种的情况下产生两个连续的随机数,然后去爆破种子,得到了四个可能种子,经过测试发现其中一个种子产生的随机数序列和预期的相同,所以可以猜想在php中产生一系列的随机数时,只进行了一次播种!

那请考虑下面代码的安全性:

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<?php
function wp_generate_password($length = 12, $special_chars = true) {
  $chars = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789';
  if ( $special_chars )
  $chars .= '!@#$%^&*()';

  $password = '';
  for ( $i = 0; $i < $length; $i++ )
  $password .= substr($chars, mt_rand(0, strlen($chars) - 1), 1);
  return $password;
}
$key = wp_generate_password(16, false);
echo "[*] This is a key for public:".$key."\n";

$private = wp_generate_password(10,false);
echo "[*] Create a private key which you don't know:".$private."\n";
?>

我们是否可以根据公开的key,猜到 $private 呢?
运行一次上面的代码:

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njctf$ php mtRand.php
[*] This is a key for public:uS66FDD9LCR62UV3
[*] Create a private key which you don\'t know:t3JSUHzYAv

下面演示破解过程,首先获得public key在每一位在字符串中的位置:

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<?php
$str = "uS66FDD9LCR62UV3";
$randStr = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789";

for($i=0;$i<strlen($str);$i++){
   $pos = strpos($randStr,$str[$i]);
   echo $pos." ".$pos." "."0 ".(strlen($randStr)-1)." ";
   //整理成方便 php_mt_seed 测试的格式
  //php_mt_seed VALUE_OR_MATCH_MIN [MATCH_MAX [RANGE_MIN RANGE_MAX]]
}
echo "\n";
?>

然后用 php_mt_seed 进行破解,这个需要的时间还是挺长的,几分钟左右.

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已经成功的破解了一个seed,下面看这个seed对不对:

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<?php
function wp_generate_password($length = 12, $special_chars = true) {
  $chars = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789';
  if ( $special_chars )
  $chars .= '!@#$%^&*()';

  $password = '';
  for ( $i = 0; $i < $length; $i++ )
  $password .= substr($chars, mt_rand(0, strlen($chars) - 1), 1);
  return $password;
}
mt_srand(4030923041); //手工添加了这个种子
$key = wp_generate_password(16, false);
echo "[*] This is a key for public:".$key."\n";
$private = wp_generate_password(10,false);
echo "[*] Create a private key which you don't know:".$private."\n";
?>

跟刚才的结果一模一样 :

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这样就说明了,我们只需要拿到public key,就可以预测到private key 的值了.

但是在有的一些环境中，public key可能在private key之后产生，但是知道private key的位数
怎么预测private key呢？
强大的php_mt_seed_4.0,支持一些统配的写法，把未知的都写成参数 0 0 0 0 就可以了php_mt_seed详细的使用说明。它就会跳过前面的mt_rand()的一些输出，直接匹配后面的：

下面测试我们获得了private key，来猜测public key的情况。

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<?php
 # mtRand.php
$str = "t3JSUHzYAv";
$randStr = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789";

for($i=0;$i<strlen($str);$i++){
   $pos = strpos($randStr,$str[$i]);
   echo $pos." ".$pos." "."0 ".(strlen($randStr)-1)." ";
   //整理成方便 php_mt_seed 测试的格式
  //php_mt_seed VALUE_OR_MATCH_MIN [MATCH_MAX [RANGE_MIN RANGE_MAX]]
}
echo "\n";
?>

下面就开始破解：

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➜  Desktop echo  $(python -c "print '0 '*64") $(php mtRand.php) | xargs   ~/script/php_mt_seed-4.0/php_mt_seed
Pattern: SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP SKIP EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62 EXACT-FROM-62
Version: 3.0.7 to 5.2.0
Found 0, trying 0xfc000000 - 0xffffffff, speed 65.2 Mseeds/s
Version: 5.2.1+
Found 0, trying 0xf0000000 - 0xf1ffffff, speed 5.5 Mseeds/s
seed = 0xf0430121 = 4030923041 (PHP 5.2.1 to 7.0.x; HHVM)
Found 1, trying 0xfe000000 - 0xffffffff, speed 5.5 Mseeds/s
Found 1

可以看到破解得到的seed和之前的一样。

接下来看一个 njctf中的一个例子,只贴部分关键代码:

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<?php
function random_str($length = "32")
{
    $set = array("a", "A", "b", "B", "c", "C", "d", "D", "e", "E", "f", "F",
        "g", "G", "h", "H", "i", "I", "j", "J", "k", "K", "l", "L",
        "m", "M", "n", "N", "o", "O", "p", "P", "q", "Q", "r", "R",
        "s", "S", "t", "T", "u", "U", "v", "V", "w", "W", "x", "X",
        "y", "Y", "z", "Z", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9");
    $str = '';
    for ($i = 1; $i <= $length; ++$i) {
        $ch = mt_rand(0, count($set) - 1);
        $str .= $set[$ch];
    }
    return $str;
}
session_start();

$seed = rand(0,999999999);
mt_srand($seed);
$ss = mt_rand();
$hash = md5(session_id() . $ss);
setcookie('SESSI0N', $hash, time() + 3600);

$filename = './uP1O4Ds/' . random_str() . '_' . $_FILES['file-upload-field']['name'];
?>

我们的目标是猜测出filename.
这里 $seed 是 rand(0,999999999)生成的,我们不知道,但是$hash = md5(session_id() . $ss);我们却是知道的,在 cookie的SESSION中,当把cookie中的 PHPSESSID 设为空的时候,session_id()就也是空了,通过结hash,就可以获得 mt_rand() 产生的第一个随机数,然后用 php_mt_seed这工工具爆破种子,就可以直接算出文件名了.

rand() 函数的安全性问题

rand() 函数在产生随机数的时候没有调用 srand(),则产生的随机数是有规律可询的.
具体的说明请看这里http://www.sjoerdlangkemper.nl/2016/02/11/cracking-php-rand/
产生的随机数可以用下面这个公式预测 : state[i] = state[i-3] + state[i-31] (一般预测值可能比实际值要差1)
写下面测试代码,验证一下:

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<?php
$randStr = array();
for($i=0;$i<50;$i++){  //先产生 32个随机数
    $randStr[$i]=rand(0,30);
    if($i>=31) {
        echo  "$randStr[$i]=(".$randStr[$i-31]."+".$randStr[$i-3].") mod 31"."\n";
    }
}
?>

看一下结果:

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发现预测的值,基本都是对的,这样就可以根据之前生成的随机数,预测之后产生的随机数.
因为这个缺陷,我还出过一个题目,题目在这里https://github.com/wonderkun/CTF_web/tree/master/web500-2

writeup已经上传,想学习的,赶紧去看.