浅谈PHP随机数安全的分析

之前在身边有很多学PHP的朋友写一些小程序的时候，很多时候会使用PHP随机数函数rand()和mt_rand()函数去生成随机数

可是，随机数真的随机吗？这篇文章讲从多个实例中探讨随机数，当然，有写作不当的地方，还望斧正！

关于随机函数rand()和mt_rand()

rand()和mt_rand()两个函数皆是PHP中生成随机数的函数，可相比之下，mt_rand()的生成速度缺是rand()的四倍！在没有参数的情况下，两者生成的数值范围也是不一样的。

echo mt_getrandmax()." and ".getrandmax();

可以看到页面上的输出，mt_rand()相比较rand()默认取值的范围更大。而且经过测试，在不同的PHP版本中，rand随机数种子相同的时候，随机数缺不相同！

左边web页面使用的是PHP7.0.12，而右边的Powershell却是使用的PHP5.2.17。从上所述，只有mt_rand()所生成的随机数是无版本差异的！

而这两个生成随机数的时候，是可以通过srand()和mt_srand()设置随机数的种子

 <?php
 mt_srand(666);
 srand(666);
 echo "rand 函数在种子是666时产生的随机数序列:<br/>";
 for($i=1;$i<5;$i++){
    echo rand()."<br/>";
 }
 echo '<br/>';
 echo "mt_rand 函数在种子是666时产生的随机数序列:<br/>";
 for($i=1;$i<5;$i++){
    echo mt_rand()."<br/>";
 }
 ?>

运行如下图所示

当你发现，设置的种子为666的时候，不管你刷新多少次，页面中生成的随机数值都不会变！

所以，当种子泄露的时候，随机数的安全就不堪一击了。

可有什么方法能够得到种子？

目前我们唯一能知道的就是随机数是不会变的，而之前有说过mt_srand()生成的随机数范围在0-2147483647之间，我们就可以通过最普通的爆破方式

去获取随机数的种子，这里推荐使用php_mt_seed，项目地址:http://www.openwall.com/php_mt_seed/

这里踩到个坑，生成后的随机数分为PHP7.x版本的和5.x版本，具体原因还不知道，但是在php7.x版本以上，mt_srand()函数定义的种子将不能超过int，也就是2147483647，但可以等于该值

所以，为了更好的研究，下面将会使用PHP5.2.17的版本

首先通过mt_rand()创建一个随机数，然后利用脚本爆破

php -r "echo mt_rand();"

爆破出来的种子所生成的随机数正好是一样的

那么，页面只播种一次，生成的多个随机数也会一样吗

事实证明，一次播种，全页不愁。

竟然已经了解了随机数的相关安全性，下面就放上一些CTF中，或者在某个CMS中出现的有关随机数的审计

审计案例①(mt_rand()安全性)

此案例是出自第三届陕西网络空间安全技术大赛

 <?php
 error_reporting(0);
 function cpassword($pw_length = 10){
     $randpwd = "";
     for ($i = 0; $i < $pw_length; $i++)
     {
         $randpwd .= chr(mt_rand(33, 126));
     }
     return $randpwd;
 }
 
 session_start();
 mt_srand(time());
 $pwd=cpassword(10);
 if($pwd === $_GET['pwd'])
 {
     echo "Good job, you get the key is:".$pwd;
 }
 else{
     echo "Wrong!";
 }
 
 $_SESSION['userLogin']=cpassword(32).rand();
 ?>

从给出的代码中可以看到

$pwd=cpassword(10);

程序通过时间戳播种，然后通过cpassword建立一个密码，并验证密码是否正确，否则就输出flag

通过之前研究发现mt_rand()生成的随机数是有固定的，只需要知道mt_srand(time());的结果行了

写个脚本，直接用time函数生成的时间戳设置种子，再发送数据内容过去，就能获取到flag

脚本如下

 <?php
 function do_get($url, $params) {
     $url = "{$url}?" . http_build_query ( $params );
     $ch = curl_init ();
     curl_setopt ( $ch, CURLOPT_URL, $url );
     curl_setopt ( $ch, CURLOPT_RETURNTRANSFER, 1 );
     curl_setopt ( $ch, CURLOPT_CUSTOMREQUEST, 'GET' );
     curl_setopt ( $ch, CURLOPT_TIMEOUT, 60 );
     curl_setopt ( $ch, CURLOPT_POSTFIELDS, $params );
     $result = curl_exec ( $ch );
     curl_close ( $ch );
     return $result;
 }
 
 function cpassword($pw_length = 10){
     $randpwd = "";
     for ($i = 0; $i < $pw_length; $i++)
     {
         $randpwd .= chr(mt_rand(33, 126));
     }
     return $randpwd;
 }
 
 mt_srand(time());
 $pwd=cpassword(10);
 echo 'send:'.$pwd.'<br/>';
 $url="http://localhost/index.php";
 $params=array('pwd'=>$pwd);
 $result=do_get($url,$params);
 echo 'result:'.json_encode($result);
 ?>

审计案例① POC

发送的密码与服务器所生成的密码是一样的！

假如按照刚才的生成密码的函数

 function cpassword($pw_length = 10){
     $randpwd = "";
     for ($i = 0; $i < $pw_length; $i++)
     {
         $randpwd .= chr(mt_rand(33, 126));
     }
     return $randpwd;
 }

这次给出生成后的密码，现在怎样才能得到mt_srand()设置的种子

生成的密码：

{|M}2x0:kW

按照程序执行流程，应该先得到每个字符在chr(33)~chr(126)中的位置索引

 <?php
 $str = "!\"#$%&'()*+,-./0123456789:;<=>?@ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ[\]^_`abcdefghijklmnopqrstuvwxyz{|}~";
 $ss = "{|M}2x0:kW";
 for($i=0;$i<strlen($ss);$i++){
    $pos = strpos($str,$ss[$i]);
    echo $pos." ".$pos." "."0 ".(strlen($str)-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]]
 }
 ?>

PHP code

通过这个脚本换成方便php_mt_seed测试的格式

90 90 0 93 91 91 0 93 44 44 0 93 92 92 0 93 17 17 0 93 87 87 0 93 15 15 0 93 25 25 0 93 74 74 0 93 54 54 0 93

最终得到种子数1555747516

审计案例②(rand()函数安全性)

 <?php
  include('config.php');
  session_start();
 
  if($_SESSION['time'] && time() - $_SESSION['time'] > 60){
     session_destroy();
     die('timeout');
  } else {
     $_SESSION['time'] = time();
  }
 
  echo rand();
  if(isset($_GET['go'])){
     $_SESSION['rand'] = array();
     $i = 5;
     $d = '';
     while($i--){
         $r = (string)rand();
         $_SESSION['rand'][] = $r;
         $d .= $r;
     }
     echo md5($d);
  }else if(isset($_GET['check'])){
     if($_GET['check'] === $_SESSION['rand']){
         echo $flag;
     } else {
         echo 'die';
         session_destroy();
     }
  } else {
     show_source(__FILE__);
  }
 ?>

PHP code

这是出自0ctf的一道赛题

首先我们先了解rand()生成的随机数是有规律可循的

可以参考这篇文章：http://www.sjoerdlangkemper.nl/2016/02/11/cracking-php-rand/

state[i] = state[i-3] + state[i-31]
return state[i] >> 1

下面这个程序形象的预测了rand()的随机数

 <?php
 $randStr = array();
 for($i=0;$i<60;$i++){  //先产生 32个随机数
     $randStr[$i]=rand(0,30);
     if($i>=31) {
         //echo  "$randStr[$i]=(".$randStr[$i-31]."+".$randStr[$i-3].") mod 31"."<br/>";
         if ($randStr[$i] == $randStr[$i-31]+$randStr[$i-3]){
             echo  "$randStr[$i]=(".$randStr[$i-31]."+".$randStr[$i-3].") mod 31"."<br/>";
         }
     }
 }
 ?>

PHP code