聊一聊隨機(jī)數(shù)安全那些事兒
0x00 簡介
和朋友聊到一個(gè)比較有意思的現(xiàn)象，在最近兩年的校招面試中，大部分同學(xué)連一點(diǎn)基礎(chǔ)的密碼學(xué)知識都沒有， 即便是有一些滲透功底的同學(xué)。
所以這里想和大家聊一些簡單的密碼學(xué)基礎(chǔ)知識，不涉及算法實(shí)現(xiàn)，更多的是和常見的漏洞場景聯(lián)系起來，讓問題更容易理解，有點(diǎn)拋磚引玉的意思。
本文主要聊一下隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)其實(shí)是非常廣泛的，可以說也是密碼技術(shù)的基礎(chǔ)。
對隨機(jī)數(shù)的使用不當(dāng)很可能會導(dǎo)致一些比較嚴(yán)重的安全問題， 并且這些安全問題通常會比較隱蔽。
0x01 隨機(jī)數(shù)
概述
隨機(jī)數(shù)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中使用的比較廣泛，最為熟知的便是在密碼學(xué)中的應(yīng)用。本文主要是講解隨機(jī)數(shù)使用導(dǎo)致的一些Web安全風(fēng)。
我們先簡單了解一下隨機(jī)數(shù)
分類
隨機(jī)數(shù)分為真隨機(jī)數(shù)和偽隨機(jī)數(shù)，我們程序使用的基本都是偽隨機(jī)數(shù)，其中偽隨機(jī)又分為強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)和弱偽隨機(jī)數(shù)。
真隨機(jī)數(shù)，通過物理實(shí)驗(yàn)得出，比如擲錢幣、骰子、轉(zhuǎn)輪、使用電子元件的噪音、核裂變等
偽隨機(jī)數(shù)，通過一定算法和種子得出。軟件實(shí)現(xiàn)的是偽隨機(jī)數(shù)
強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)，難以預(yù)測的隨機(jī)數(shù)
弱偽隨機(jī)數(shù)，易于預(yù)測的隨機(jī)數(shù)
特性
隨機(jī)數(shù)有3個(gè)特性，具體如下：
隨機(jī)性：不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)偏差，是完全雜亂的數(shù)列
不可預(yù)測性：不能從過去的數(shù)列推測出下一個(gè)出現(xiàn)的數(shù)
不可重現(xiàn)性：除非將數(shù)列本身保存下來，否則不能重現(xiàn)相同的數(shù)列
隨機(jī)數(shù)的特性和隨機(jī)數(shù)的分類有一定的關(guān)系，比如，弱偽隨機(jī)數(shù)只需要滿足隨機(jī)性即可，而強(qiáng)位隨機(jī)數(shù)需要滿足隨機(jī)性和不可預(yù)測性，真隨機(jī)數(shù)則需要同時(shí)滿足3個(gè)特性。
引發(fā)安全問題的關(guān)鍵點(diǎn)在于不可預(yù)測性。
偽隨機(jī)數(shù)的生成
我們平常軟件和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的都是偽隨機(jī)數(shù)，所以本文的重點(diǎn)也就是偽隨機(jī)數(shù)。
偽隨機(jī)數(shù)的生成實(shí)現(xiàn)一般是算法+種子。
具體的偽隨機(jī)數(shù)生成器PRNG一般有：
線性同余法
單向散列函數(shù)法
密碼法
ANSI X9.17
比較常用的一般是線性同余法，比如我們熟知的C語言的rand庫和Java的java.util.Random類，都采用了線性同余法生成隨機(jī)數(shù)。
應(yīng)用場景
隨機(jī)數(shù)的應(yīng)用場景比較廣泛，以下是隨機(jī)數(shù)常見的應(yīng)用場景：
驗(yàn)證碼生成
抽獎(jiǎng)活動(dòng)
UUID生成
SessionID生成
Token生成
CSRF Token
找回密碼Token
游戲(隨機(jī)元素的生成)
洗牌
俄羅斯方塊出現(xiàn)特定形狀的序列
游戲爆裝備
密碼應(yīng)用場景
生成密鑰：對稱密碼，消息認(rèn)證
生成密鑰對：公鑰密碼，數(shù)字簽名
生成IV： 用于分組密碼的CBC，CFB和OFB模式
生成nonce: 用于防御重放攻擊; 分組密碼的CTR模式
生成鹽：用于基于口令的密碼PBE等
0x02 隨機(jī)數(shù)的安全性
相比其他密碼技術(shù)，隨機(jī)數(shù)很少受到關(guān)注，但隨機(jī)數(shù)在密碼技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用中是非常重要的，不正確的使用隨機(jī)數(shù)會導(dǎo)致一系列的安全問題。
隨機(jī)數(shù)的安全風(fēng)險(xiǎn)
隨機(jī)數(shù)導(dǎo)致的安全問題一般有兩種
應(yīng)該使用隨機(jī)數(shù)，開發(fā)者并沒有使用隨機(jī)數(shù);
應(yīng)該使用強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)，開發(fā)者使用了弱偽隨機(jī)數(shù)。
第一種情況，簡單來講，就是我們需要一個(gè)隨機(jī)數(shù)，但是開發(fā)者沒有使用隨機(jī)數(shù)，而是指定了一個(gè)常量。當(dāng)然，很多人會義憤填膺的說，sb才會不用隨機(jī)數(shù)。但是，請不要忽略我朝還是有很多的。主要有兩個(gè)場景：
開發(fā)者缺乏基礎(chǔ)常識不知道要用隨機(jī)數(shù);
一些應(yīng)用場景和框架，接口文檔不完善或者開發(fā)者沒有仔細(xì)閱讀等原因。
比如找回密碼的token，需要一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，很多業(yè)務(wù)直接根據(jù)用戶名生成token;
比如OAuth2.0中需要第三方傳遞一個(gè)state參數(shù)作為CSRF Token防止CSRF攻擊，很多開發(fā)者根本不使用這個(gè)參數(shù)，或者是傳入一個(gè)固定的值。由于認(rèn)證方無法對這個(gè)值進(jìn)行業(yè)務(wù)層面有效性的校驗(yàn)，導(dǎo)致了OAuth的CSRF攻擊。
第二種情況，主要區(qū)別就在于偽隨機(jī)數(shù)的強(qiáng)弱了，大部分(所有?)語言的API文檔中的基礎(chǔ)庫(常用庫)中的random庫都是弱偽隨機(jī)，很多開發(fā)自然就直接使用。但是，最重要也最致命的是，弱偽隨機(jī)數(shù)是不能用于密碼技術(shù)的。
還是第一種情況中的找回密碼場景，關(guān)于token的生成， 很多開發(fā)使用了時(shí)間戳作為隨機(jī)數(shù)(md5(時(shí)間戳)，md5(時(shí)間戳+用戶名))，但是由于時(shí)間戳是可以預(yù)測的，很容易就被猜解。不可預(yù)測性是區(qū)分弱偽隨機(jī)數(shù)和強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)。
當(dāng)然，除了以上兩種情況，還有一些比較特別的情況，通常情況下比較少見，但是也不排除：
種子的泄露，算法很多時(shí)候是公開的，如果種子泄露了，相當(dāng)于隨機(jī)數(shù)已經(jīng)泄露了;
隨機(jī)數(shù)池不足。這個(gè)嚴(yán)格來說也屬于弱偽隨機(jī)數(shù)，因?yàn)殡S機(jī)數(shù)池不足其實(shí)也導(dǎo)致了隨機(jī)數(shù)是可預(yù)測的，攻擊者可以直接暴力破解。
漏洞實(shí)例
wooyun上有很多漏洞，還蠻有意思的，都是和隨機(jī)數(shù)有關(guān)的。
PS：個(gè)人實(shí)力有限，以下實(shí)例基本都來自wooyun漏洞實(shí)例，在這里謝謝各位大牛，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。
1.應(yīng)該使用隨機(jī)數(shù)而未使用隨機(jī)數(shù)
Oauth2.0的這個(gè)問題特別經(jīng)典，除了wooyun實(shí)例列出來的，其實(shí)很多廠商都有這個(gè)問題。
Oauth2.0中state參數(shù)要求第三方應(yīng)用的開發(fā)者傳入一個(gè)CSRF Token(隨機(jī)數(shù))，如果沒有傳入或者傳入的不是隨機(jī)數(shù)，會導(dǎo)致CSRF登陸任意帳號：
唯品會賬號相關(guān)漏洞可通過csrf登錄任意賬號
人人網(wǎng)-百度OAuth 2.0 redirect_uir CSRF 漏洞
2.使用弱偽隨機(jī)數(shù)
1) 密碼取回
很多密碼找回的場景，會發(fā)送給用戶郵件一個(gè)url，中間包含一個(gè)token，這個(gè)token如果猜測，那么就可以找回其他用戶的密碼。
1.Shopex 4.8.5密碼取回處新生成密碼可預(yù)測漏洞
直接使用了時(shí)間函數(shù)microtime()作為隨機(jī)數(shù)，然后獲取MD5的前6位。
- substr(md5(print_r(microtime(),true)),0,6);
PHP 中microtime()的值除了當(dāng)前服務(wù)器的秒數(shù)外，還有微秒數(shù)，微妙數(shù)的變化范圍在0.000000 -- 0.999999 之間，一般來說，服務(wù)器的時(shí)間可以通過HTTP返回頭的DATE字段來獲取，因此我們只需要遍歷這1000000可能值即可。但我們要使用暴力破解的方式發(fā)起1000000次網(wǎng)絡(luò)請求的話，網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)也會非常之大。可是shopex非常貼心的在生成密碼前再次將microtime() 輸出了一次：
- $messenger = &$this->system->loadModel('system/messenger');echo microtime()."<br/>";
2.奇虎360任意用戶密碼修改
直接是MD5(unix時(shí)間戳)
3.涂鴉王國弱隨機(jī)數(shù)導(dǎo)致任意用戶劫持漏洞，附測試POC
關(guān)于找回密碼隨機(jī)數(shù)的問題強(qiáng)烈建議大家參考拓哥的11年的文章《利用系統(tǒng)時(shí)間可預(yù)測破解java隨機(jī)數(shù)| 空虛浪子心的靈魂》
2) 其他隨機(jī)數(shù)驗(yàn)證場景
CmsEasy最新版暴力注入(加解密缺陷/繞過防注入)
弱偽隨機(jī)數(shù)被繞過
Espcms v5.6 暴力注入
Espcms中一處SQL注入漏洞的利用，利用時(shí)發(fā)現(xiàn)espcms對傳值有加密并且隨機(jī)key,但是這是一個(gè)隨機(jī)數(shù)池固定的弱偽隨機(jī)數(shù)，可以被攻擊者遍歷繞過
Destoon B2B 2014-05-21最新版繞過全局防御暴力注入(官方Demo可重現(xiàn))
使用了microtime()作為隨機(jī)數(shù)，可以被預(yù)測暴力破解
Android 4.4之前版本的Java加密架構(gòu)(JCA)中使用的Apache Harmony 6.0M3及其之前版本的SecureRandom實(shí)現(xiàn)存在安全漏洞，具體位于classlib/modules/security/src/main/java/common/org/apache/harmony/security/provider/crypto/SHA1PRNG_SecureRandomImpl.java
類的engineNextBytes函數(shù)里，當(dāng)用戶沒有提供用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的種子時(shí)，程序不能正確調(diào)整偏移量，導(dǎo)致PRNG生成隨機(jī)序列的過程可被預(yù)測。
Android SecureRandom漏洞詳解
安全建議
上面講的隨機(jī)數(shù)基礎(chǔ)和漏洞實(shí)例更偏重是給攻擊者一些思路，這里更多的是一些防御和預(yù)防的建議。
業(yè)務(wù)場景需要使用隨機(jī)數(shù)，一定要使用隨機(jī)數(shù)，比如Token的生成;
隨機(jī)數(shù)要足夠長，避免暴力破解;
保證不同用處的隨機(jī)數(shù)使用不同的種子
對安全性要求高的隨機(jī)數(shù)(如密碼技術(shù)相關(guān))禁止使用的弱偽隨機(jī)數(shù)：
不要使用時(shí)間函數(shù)作為隨機(jī)數(shù)(很多程序員喜歡用時(shí)間戳) Java：system.currenttimemillis() php：microtime()
不要使用弱偽隨機(jī)數(shù)生成器 Java: java.util.Random PHP: rand() 范圍很小，32767 PHP: mt_rand() 存在缺陷
強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)CSPRNG(安全可靠的偽隨機(jī)數(shù)生成器(Cryptographically Secure Pseudo-Random Number Generator)的各種參考
6.強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)生成(不建議開發(fā)自己實(shí)現(xiàn))
產(chǎn)生高強(qiáng)度的隨機(jī)數(shù)，有兩個(gè)重要的因素：種子和算法。算法是可以有很多的，通常如何選擇種子是非常關(guān)鍵的因素。 如Random，它的種子是System.currentTimeMillis()，所以它的隨機(jī)數(shù)都是可預(yù)測的， 是弱偽隨機(jī)數(shù)。
強(qiáng)偽隨機(jī)數(shù)的生成思路：收集計(jì)算機(jī)的各種信息，鍵盤輸入時(shí)間，內(nèi)存使用狀態(tài)，硬盤空閑空間，IO延時(shí)，進(jìn)程數(shù)量，線程數(shù)量等信息，CPU時(shí)鐘，來得到一個(gè)近似隨機(jī)的種子，主要是達(dá)到不可預(yù)測性。
0x03 附
參考資料：
http://www.inbreak.net/archives/349
http://drops.wooyun.org/papers/1066
《白帽子講Web安全》
《圖解密碼技術(shù)》
