php里的随机数

这次来填一个关于php随机数预测的坑。php5和php7中的随机数产生机制已经大有不同,本文将详细讲一讲这些区别和爆破种子的时候会产生的问题。

php中常用的随机数产生函数是rand()mt_rand()。下面将针对这两个函数展开。

php5 中的随机数

rand

php5 中的rand函数调用的是glibc中的random()。其实现算法可以简化为如下代码。

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#include <stdio.h>
#define MAX 1000
#define seed 1
int main() {
int r[MAX];
int i;
r[0] = seed;
for (i=1; i<31; i++) {
r[i] = (16807LL * r[i-1]) % 2147483647;
if (r[i] < 0) {
r[i] += 2147483647;
}
}
for (i=31; i<34; i++) {
r[i] = r[i-31];
}
for (i=34; i<344; i++) {
r[i] = r[i-31] + r[i-3];
}
for (i=344; i<MAX; i++) {
r[i] = r[i-31] + r[i-3];
printf("%d\n", ((unsigned int)r[i]) >> 1);
}
return 0;
}

我们可以看到,当前的随机数与之前第31个和之前第3个有关。因此只要获取了连续31个随机数,就有极大概率(输出的时候左移导致部分信息丢失)预测后面的随机数。

mt_rand

php5的mt_rand函数实现的是一个错误版本的MT19937随机数生成算法。
twist函数中有个地方把变量弄错了 =。 =

对php5的mt_rand的攻击就是根据几个随机数序列来爆破种子,然后推测出整个随机数的序列。工具是openwall的php_mt_seed

值得一提的是,mt_rand可以指定随机数产生的范围int mt_rand ( int $min , int $max )。此时产生随机数的方式是用一个宏来处理。

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#define RAND_RANGE(__n, __min, __max, __tmax) \
(__n) = (__min) + (long) ((double) ( (double) (__max) - (__min) + 1.0) * ((__n) / ((__tmax) + 1.0)))
...
number = (long) (php_mt_rand(TSRMLS_C) >> 1);
if (argc == 2) {
RAND_RANGE(number, min, max, PHP_MT_RAND_MAX);
}
RETURN_LONG(number);

即用内置函数php_mt_rand产生的随机数进行乘除操作,得到位于合适范围的值。需要注意的是,无论mt_rand函数的调用带不带范围,其输出的结果与php_mt_rand(TSRMLS_C) >> 1有关。通过mt_rand()可以直接计算出mt_rand(min, max)来。

php7 中的随机数

rand

php7中的rand函数同mt_randsrandmt_srand

mt_rand

从 php 7.1.0 开始,mt_rand函数修复了之前对MT19937实现上的错误,但是仍然保留了错误版本的随机数生成方式。详情见mt_srand的文档。

  • MT_RAND_MT19937 Uses the fixed, correct, Mersenne Twister implementation, available as of PHP 7.1.0.
  • MT_RAND_PHP Uses an incorrect Mersenne Twister implementation which was used as the default up till PHP 7.1.0. This mode is available for backward compatibility.

除了修复twist函数的问题之外,在产生一个范围的随机数的时候,php7和php5的行为也不一致。

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if (argc == 0) {
// genrand_int31 in mt19937ar.c performs a right shift
RETURN_LONG(php_mt_rand() >> 1);
}
...
RETURN_LONG(php_mt_rand_common(min, max));
...
if (BG(mt_rand_mode) == MT_RAND_MT19937) {
return php_mt_rand_range(min, max);
}
...
umax++;
...
result = php_mt_rand();
...
return (zend_long)((result % umax) + min);

根据代码我们可以看到,mt_rand函数不带范围的时候,输出的结果为php_mt_rand() >> 1;而带范围的时候,输出的结果为(php_mt_rand() % (max-min+1)) + min。通过mt_rand()不可以直接计算出mt_rand(min, max),存在一些误差。

由于上述原因,之前用来爆破随机数种子的工具已经无法直接使用。我自己实现了一个多线程爆破种子的c程序,在4核2G内存的虚拟机上跑了大概4个小时才将种子遍历完毕。

random_int / random_bytes

php7 提供了更加安全的随机数产生函数,random_intrandom_bytes调用了系统的一些安全的随机数产生函数来输出。

  • On Windows, » CryptGenRandom() will always be used.
  • On Linux, the » getrandom(2) syscall will be used if available.
  • On other platforms, /dev/urandom will be used.
  • If none of the aforementioned sources are available, then an Exception will be thrown.

php的运行模式对随机数产生的影响

Apache2handler

/sapi/apache2handler/sapi_apache2.cstatic int php_handler(request_rec *r)函数可以看到,

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ctx = SG(server_context);
parent_req = ctx->r;
...
if (!parent_req) {
php_apache_request_dtor(r);
...

只有在parent_reqNULL的情况下,才会运行到php_apache_request_dtor,调用php_request_shutdown,这个函数会调用注册的PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION,导致随机数的种子被标记为未初始化。

在Apache下,一个 Connection 中的所有 request 都交给一个 Apache 的进程处理。很可能没有调用到php_apache_request_dtor导致在一个 Connection 中的请求共用一个种子。(未测试)

php-fpm

/sapi/fpm/fpm/fpm_main.cint main(int argc, char *argv[])函数可以看到,php-fpm的进程会循环处理请求,请求结束后调用php_request_shutdown函数进行清理。因此,在php-fpm的环境下,每个请求用的都是一个新的种子。

参考资料

http://www.mscs.dal.ca/~selinger/random/
http://www.openwall.com/php_mt_seed/
https://github.com/lt/PHP-MT19937/tree/master/lib

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