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PHP中的随机数安全问题
2019-04-16 10:12

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引言

西湖论剑杯线上预选赛线上赌场一题,明文攻击出来的hint中给了/flag/seed.txt以及一个字符串code,这里需要稍微脑洞一点想到seed是指随机数种子,以及Web页面上的code值是每小时更换的"随机数":

 

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我们利用phpmtseed工具(C编写,速度很快)可以根据随机数碰撞出随机数的种子,从而获取flag:

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以下是原理分析:

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随机数的安全缺陷

随机数广泛应用于生成验证码、Token、密钥等场景中,分为真随机数和伪随机数。我们通过算法(常用线性同余)和种子(常用时钟)得到的随机数属于伪随机数:当知道种子或已产生的随机数时,随机数序列是可以被预测的。

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可以看到PHP Manual其实提示了生成随机数用于加密是不安全的,但是这个Caution不知为何只存在于英文版的PHP Manual中,中文版被遗漏了...这可能也是很多国内的开发应用出现过此缺陷的一个原因。

PHP中生成随机数的函数有rand()和mtrand(),它们分别对应srand()和mtstrand()两个用于播种随机数种子的函数。我们建立rand.php进行测试:

<?php
mt_srand(2333);
srand(2333);
echo "seed=2333,rand()产生的随机数序列:\n";
for($i=1;$i<=3;$i++){
   echo rand()."\n";
}
echo "seed=2333,mt_rand()产生的随机数序列:\n";
for($i=1;$i<=3;$i++){
   echo mt_rand()."\n";
}
?>
执行:

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可以看出当随机数种子相同时,不管是rand()还是mtrand()产生的随机数序列都是相同的,如果seed泄露则会导致随机数序列的泄露。当种子值为固定如mtsrand(1000)时,随机数形同虚设;而使用动态种子也未必安全,如:

//seed值较小,直接遍历爆破
mt_srand(mt_rand(0,1000));
//用公开的time()作为种子,和静态种子一样危险
mt_srand(time());
//破解时要注意服务器时间可能存在偏差,需要设定一个较小的范围
自PHP 4.2.0 起,随机数发生器会自动完成播种,不再需要手工调用srand()或mt_srand(),但是这样仍旧不安全,我们分别对两个函数进行讨论

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rand()

rand()在产生随机数时不会自动调用srand(),产生的随机数序列可以通过这个式子预测:

state[i] = state[i-3] + state[i-31]

所以我们可以收集rand()生成的32位以上的随机序列,以预测后面的随机序列。

详细参考:Cracking-Php-Rand

(http://www.sjoerdlangkemper.nl/2016/02/11/cracking-php-rand/)

并且在某些平台下rand()最大值为32767,非常容易遭到爆破。

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mt_rand()

根据PHP Manual,mtrand()产生随机数值的平均速度比libc提供的rand()快四倍,rand() 函数默认使用 libc 随机数发生器,mtrand() 函数是非正式用来替换它的。

mtrand()函数的安全缺陷主要出现在,所谓"自动播种"其实是PHP在同一个请求进程中只会进行一次播种,也就是说即使多次调用mtrand()函数,也只会根据第一次播种的种子生成随机数。这一结论的证明可以通过mt_rand()的源码分析或写个小脚本测试来完成,不再展开,函数的核心实现代码是这一部分:

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) );
}
由于根据种子生成随机数序列的计算并不可逆,有效的破解方法应该是穷举种子并生成随机数序列,与已知的随机数(序列)作比较,这也是文章开头提到的phpmtseed工具的实现逻辑。


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安全建议

涉及到加密/权限/CSRF Token等敏感操作时:

不要使用时间函数作为种子或直接作为随机数:time()/microtime()
不要直接使用rand()``mt_rand()这样的弱伪随机数生成器
随机数要足够长以防御暴力破解


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相关题目学习

0CTF 2016 Rand2:http://www.vuln.cn/6004

NJCTF 2017 Guess:https://www.cnblogs.com/afanti/p/8722760.html

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相关操作训练

PHP常见危险函数:了解PHP常见的危险函数,使用这些函数可能带来的程序脆弱性;点击 合天网安实验室 ,可立即操作!

参考链接:http://wonderkun.cc/index.html/?p=585

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