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PHP 中的隨機數——你覺得可靠麼?
本文主要分析以加密為目的的隨機數生成問題。PHP 5 並未提供生成強加密隨機數的簡便機製，但是，PHP 7 引入了兩個 CSPRNG 函數以解決該問題。係 OneAPM 工程師編譯整理。
什麼是 CSPRNG？
引用維基百科的定義，密碼安全的虛擬隨機數生成器（Cryptographically Secure Pseudorandom Number Generator，CSPRNG）是帶有特定屬性使之在密碼學中適用的虛擬隨機數生成器（pseudo-random number generator，PRNG）。
CSPRNG 主要用於：
- 生成鍵（比如：生成複雜的鍵）
- 為新的用戶賬號生成隨機密碼
- 加密係統
保證高安全水準的一個重要因素便是高質量的隨機數。
PHP 7 中的 CSPRNG
PHP 7 為 CSPRNG 引入了兩種新函數：random_bytes 與 random_int。
random_bytes 函數返回 string 類型，並接受一個 int 類型為參數，該參數規定了所返回字符串的字節長度。
例如：
$bytes = random_bytes('10');
var_dump(bin2hex($bytes));
//possible ouput: string(20) "7dfab0af960d359388e6"
random_int 函數返回給定範圍內的整型數字。
舉例：
var_dump(random_int(1, 100));
//possible output: 27
幕後解密
以上函數的隨機數來源因環境不同而有所差異：
- 在 Windows 係統，會使用
CryptGenRandom()函數。 - 在其他平台，會優先使用
arc4random_buf()函數（限 BSD 衍生係統或帶 libbsd 的係統）。 - 若以上兩點均不符合，會使用 Linux getrandom(2) 係統調用。
- 若以上來源均不符合，會拋出
Error。
一個簡例
一個好的隨機數生成係統能確保生成質量適合的隨機數。為了檢驗質量，需要運行一係列的統計試驗。此處，暫不深入討論複雜的統計話題，將已知的行為與隨機數生成器的結果進行比較，有助於質量評估。
一個簡單的測試方法是擲骰遊戲。假設投擲一次，投出6的概率是1/6。如果同時投擲三個骰子，投100次，投得零次、一次、兩次及三次6的次數大概是：
- 0 次6 = 57.9 次
- 1 次6 = 34.7 次
- 2 次6 = 6.9 次
- 3 次6 = 0.5 次
以下是骰子投擲100萬次的代碼：
$times = 1000000;
$result = [];
for ($i=0; $i<$times; $i++){
$dieRoll = array(6 => 0); //initializes just the six counting to zero
$dieRoll[roll()] += 1; //first die
$dieRoll[roll()] += 1; //second die
$dieRoll[roll()] += 1; //third die
$result[$dieRoll[6]] += 1; //counts the sixes
}
function roll(){
return random_int(1,6);
}
var_dump($result);
用 PHP 7 的 random_int 與簡單的 rand 函數測試上麵的代碼，可能會得到：
| Sixes | expected | random_int | rand |
|---|---|---|---|
| 0 | 579000 | 579430 | 578179 |
| 1 | 347000 | 346927 | 347620 |
| 2 | 69000 | 68985 | 69586 |
| 3 | 5000 | 4658 | 4615 |
更直觀地查看 rand 與 random_int 的差別，可以運用方程式放大兩組結果的差異，並繪製成圖表：
php result - expected result / sqrt(expected)
得到的結果如下：
(結果越接近零越好)
即便三個6的組合表現一般，且該測試與真實應用相比太過簡單，我們也能清楚地看到 random_int 的表現優於 rand。況且，隨機數生成器的可預見行為、重複行為越少，應用的安全程度就更高。
PHP 5 又如何呢？
默認情況下，PHP 5 並未提供任何強虛擬隨機數生成器。而實際使用中，可以使用 openssl_random_pseudo_bytes()、mcrypt_create_iv() 方法，或直接結合使用 /dev/random 或 /dev/urandom 與 fread() 方法。此外，還有包 RandomLib 或 libsodium。
如果你想用一個比較好的隨機數生成器，同時能與 PHP 7 兼容，你可以使用 Paragon Initiative 公司的 random_compat 庫。該庫允許在 PHP 5.x 項目中使用 random_bytes() 與 random_int() 方法。
該庫可以使用 Composer 進行安裝：
composer require paragonie/random_compat
require 'vendor/autoload.php';
$string = random_bytes(32);
var_dump(bin2hex($string));
// string(64) "8757a27ce421b3b9363b7825104f8bc8cf27c4c3036573e5f0d4a91ad2aaec6f"
$int = random_int(0,255);
var_dump($int);
// int(81)
該 random_compat 庫使用了與 PHP 7 中不同的優先序列：
- 如果可用，先使用 fread() /dev/urandom
- mcrypt_create_iv($bytes, MCRYPT_CREATE_IV)
- COM('CAPICOM.Utilities.1')->GetRandom()
- openssl_random_pseudo_bytes()
想了解為何采用這一優先序列，可以閱讀本文檔。
使用該庫生成密碼的簡單案例如下：
$passwordChar = '0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ';
$passwordLength = 8;
$max = strlen($passwordChar) - 1;
$password = '';
for ($i = 0; $i < $passwordLength; ++$i) {
$password .= $passwordChar[random_int(0, $max)];
}
echo $password;
//possible output: 7rgG8GHu
總結
你應該盡量使用在密碼學上安全的虛擬隨機數生成器。random_compat 庫為此提供了很好的實現方法。
如果你想使用可靠的隨機數來源，正如前文所述，盡快開始使用 random_int 與 random_bytes 吧！
原文地址：https://www.sitepoint.com/randomness-php-feel-lucky/
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最後更新：2017-04-01 13:44:32