深入解析PHP mtrand函数的安全隐患及phpmt_seed工具的应用场景
序言
PHP 的 mtrand 函数在程序中被广泛当作随机数生成工具使用。然而，有一个事实被大家所忽略，那就是 mtrand 生成的随机数并非真正的随机数，而是伪随机数。由于它不能应用于生成安全令牌、核心加解密 key 等，所以许多知名程序都曾因对 mtrand 函数的错误使用而引发了安全问题。phpmtseed 是用于破解 mtrand 函数种子的工具。深刻理解它的应用场景，能够极大提升漏洞发现的可能性以及利用的成功率。本文会详细介绍 PHP mtrand 函数的安全问题以及 phpmt_seed 的应用场景。
PHP mt_rand函数简介
PHP 的 mtrand 函数在程序中被广泛用作随机数生成工具。此函数利用 Mersenne Twister 算法的特性作为随机数发生器。它产生随机数值的平均速度比 libc 提供的 rand()快四倍。mtrand 函数存在两个可选参数，分别是 min 和 max。若未提供可选参数，mtrand 函数会返回 0 到 mtgetrandmax()之间的伪随机数。比如，若想要获取 5 到 15（包含 5 和 15）之间的随机数，可使用 mt_rand(5, 15)。
常用的使用方式如下：
以上程序的输出结果如下：
160471601414786132786伪随机数
伪随机数能够用计算机大量生成，在模拟研究中，为提升模拟效率，通常会采用伪随机数来替代真正的随机数。模拟中通常使用循环周期极长且能通过随机数检验的伪随机数，目的是确保计算结果具有随机性。伪随机数的生成方式包含线性同余法、单向散列函数法以及密码法等。
PHP mt_rand引起的安全问题
mt_rand 是一个伪随机数生成函数。它是由可确定的函数，借助一个种子而产生的伪随机数。这表明：倘若知晓了种子，或者已经生成的随机数，便有可能获取后续随机数序列的信息（具有可预测性）。
简单假设一下，mt_rand()内部生成随机数的函数是：rand 等于 seed 加上(i10)。这里的 seed 是随机数种子，i 则是第几次调用这个随机数函数。当我们既知道 i 的值，又知道 rand 的值时，就能够很轻易地算出 seed 的值。rand 等于 21 ，i 等于 2 ，将其代入函数 21 等于 seed 加上 210 ，由此可得出 seed 等于 1 。这是很简单的，当我们获得 seed 之后，就能够计算出当 i 为任意值时 rand 的值了。
我们已知随机数的生成依赖特定的函数，之前曾假设为 rand = seed+(i*10) 。对于这样一个简单的函数，我们能够直接计算出一个解。然而，mtrand实际使用的函数极为复杂且无法进行逆运算。有效的破解方法是穷举所有的种子，然后根据种子生成随机数序列，再将其与已知的随机数序列进行比对，以验证种子是否正确。phpmtseed 就是这样一个工具，它的速度很快。它能够依据单次 mtrand()的输出结果，直接破解出可能的种子，同时也可以破解像 mt_rand(1,100)这样限定了 MIN 和 MAX 输出的种子。
最后要提及 php 官网 manual 的一个情况，mt_rand 的中文版和英文版介绍存在差异，能够看到英文版中多了一块呈黄色的 Caution 警告：
很多国内开发者可能是通过看中文版的介绍，从而在程序中使用了 mt_rand()来生成安全令牌、核心加解密 key 等，进而导致了严重的安全问题。
这里我们要注意，每一次 mtrand 被调用时，会依据 seed 和当前调用的次数 i 计算出一个伪随机数。同时，seed 是自动播种的，自 PHP 4.2.0 起，不再需要用 srand() 或 mtsrand() 给随机数发生器播种，因为现在是由系统自动完成这一操作。那么问题随之而来，系统自动完成播种的具体时间是什么呢？倘若每次调用 mtrand()都会自动播种，那么破解 seed 就没有意义了。关于这一点，manual 并未给出详细的信息。通过对源代码进行分析能够发现，每次调用 mtrand()时，都会先对是否已经播种进行检查。如果已经进行了播种操作，那么就会直接生成随机数；倘若没有播种操作，就会调用 phpmtsrand 来进行播种。这意味着在每个 php cgi 进程期间，只有在第一次调用 mtrand()时才会自动进行播种。在此之后，都会依据这第一次播种所产生的种子来生成随机数。在 php 的几种运行模式当中，除了 CGI 模式（即每个请求启动一个 cgi 进程，在请求结束后关闭）之外。除了每次都要重新读取 php.ini 环境变量等会导致效率低下且现在用的应该不多这种情况以外，基本都是一个进程先处理完请求后处于 standby 等待下一个请求，只有处理多个请求之后才会回收，超时的话也会回收。总的来讲，就是 php 的自动播种是在 php cgi 进程中第一次调用 mtrand()的时候发生的。只要是同一个进程处理的请求，无论访问的页面是否相关，都会共享同一个最初自动播种的种子。
下面我们来看一下mtrand的克星phpmt_srand。
phpmtseed简介及使用说明
phpmtseed 是一个用于破解 mtrand 函数 seed 的工具。在最简单的调用模式下，它能够凭借 mtrand 第一次输出的值去探寻 mt_rand 的 seed。在更高级的模式里，它可以匹配并非第一次输出的情况以及不明确具体输出的情况。
mtrand 的算法从 PHP 3.0.6 起一直在发生变化。phpmt_seed 4.0 支持以下这些大的版本范围：PHP 3.0.7 到 5.2.0；PHP 5.2.1 到 7.0.x；以及 PHP 7.1.0 及之后的版本。
phpmtseed 是通过命令行来运行的。在命令行中，可以使用 1 个参数，也可以使用 2 个参数，还可以使用 4 个参数或者更多的参数。这些参数需要对 mt_rand()的输出进行详细的说明。
一个参数
当仅有一个参数时，此参数意味着 mt_rand 首次输出的值。
两个参数
当存在两个参数时，这两个参数代表着 mt_rand 第一次输出应当处于的区间范围。
第一个参数为最小值，第二个参数为最大值。
四个参数（高级模式）
第一个参数和第二个参数表明了 mtrand 首次输出的区间；第三个参数和第四个参数则表示 mtrand 输出的区间。
多于五个参数（高级模式）
四个参数为一组，然而最后一组参数的数量可以是 1 个、2 个或 4 个。每一组都引用相应的输出。
phpmtseed 的应用场景直接采用 mt_rand 所生成的随机数。
假设下面的代码为用户密码的随机生成代码：
运行后我们可以得到三个用户的密码
假设我们现在得到了第一个用户的密码：1412203388
通过这个密码我们可以猜测出后面两个用户的密码。
下面我们运行phpmtseed找出seed，命令如下：
./php_mt_seed.exe 1412203388运行截图如下：
我用于测试的服务器的 PHP 版本是 5.4.45，在这种情况下，seed 有可能是 2078089285，接下来我将写一段 PHP 代码来进行测试。
运行结果如下：
完全解密了其它两个用户的密码。
使用经过转换后的mt_rand随机序列
下面是我们更常见到的生成随机数的代码：
运行后我们可以得到三个用户的密码：
假设我们现在得到了第一个用户的密码：paJHuuKv3H
我们要写一个程序，首先将字母还原为生成的随机数，接着把这些随机数拼接成 phpmtseed 需要的参数。代码如下：
运行结果如下：
执行如下命令：
./php_mt_seed.exe 14 14 0 56 0 0 0 56 33 33 0 56 32 32 0 56 19 19 0 56 19 19 0 56 34 34 0 56 20 20 0 56 50 50 0 56 32 32 0 56 ，此为一个特定的执行命令，包含了一系列数字参数，分别作用于不同的操作或程序设置 。运行结果如下：
得到seed为1544796235，写解密代码如下：
运行截图如下：
完全解密了其它两个用户的密码。
下面列出一个实际的例子：
Discuz X3.3 authkey生成算法的安全性漏洞
phper