深入理解PHP中mt_rand()随机数的安全

时间：2017-10-26

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 >> 11);
 s1 ^= (s1 << 7) & 0x9d2c5680U;
 s1 ^= (s1 << 15) & 0xefc60000U;
 return ( s1 ^ (s1 >> 18) );
}

可以看到每次调用mt_rand()都会先检查是否已经播种。如果已经播种就直接产生随机数，否则调用php_mt_srand来播种。也就是说每个php cgi进程期间，只有第一次调用mt_rand()会自动播种。接下来都会根据这个第一次播种的种子来生成随机数。而php的几种运行模式中除了CGI(每个请求启动一个cgi进程，请求结束后关闭。每次都要重新读取php.ini 环境变量等导致效率低下，现在用的应该不多了)以外，基本都是一个进程处理完请求之后standby等待下一个，处理多个请求之后才会回收（超时也会回收）。

写个脚本测试一下

<?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;
 }
}

测试结果：（windows+phpstudy）

apache 1000请求

nginx 500请求

当然这个测试仅仅确认了apache和nginx一个进程可以处理的请求数，再来验证一下刚才关于自动播种的结论：

<?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;
 }
}

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