如何创建和使用随机数

Question

我正在运营一个网站，有一个评分系统，可以根据您玩游戏的次数给您积分。

它使用哈希来证明http请求的完整性进行评分，因此用户无法更改任何内容。 然而，正如我担心的那样，有人发现他们不需要改变它；相反，他们只需要获得高分，然后复制 http 请求、标头以及所有其他内容。

以前我被禁止防范这种攻击，因为它被认为不太可能发生。然而，既然事情已经发生了，我可能会这么做。 http请求源自一个flash游戏，然后经过php验证，php将其输入到数据库中。

我很确定随机数会解决这个问题，但我不太确定如何实现它们。设置随机数系统的常见且安全的方法是什么？

Answer 1

这实际上很容易做到...有一些库可以为您做到这一点：

1. PHP Nonce Library< /a>
2. OpenID Nonce 库

或者如果你想编写自己的，它也很漂亮简单的。使用 WikiPedia 页面 作为起点，在伪代码中：

在服务器端，您需要两个客户端可调用函数

getNonce() {
    $id = Identify Request //(either by username, session, or something)
    $nonce = hash('sha512', makeRandomString());
    storeNonce($id, $nonce);
    return $nonce to client;
}

verifyNonce($data, $cnonce, $hash) {
    $id = Identify Request
    $nonce = getNonce($id);  // Fetch the nonce from the last request
    removeNonce($id, $nonce); //Remove the nonce from being used again!
    $testHash = hash('sha512',$nonce . $cnonce . $data);
    return $testHash == $hash;
}

并且在客户端：

sendData($data) {
    $nonce = getNonceFromServer();
    $cnonce = hash('sha512', makeRandomString());
    $hash = hash('sha512', $nonce . $cnonce . $data);
    $args = array('data' => $data, 'cnonce' => $cnonce, 'hash' => $hash);
    sendDataToClient($args);
}

函数 makeRandomString 实际上只需要返回一个随机数或字符串。随机性越好，安全性就越好...还要注意，由于它直接输入到哈希函数中，因此每个请求的实现细节并不重要。客户端的版本和服务器的版本不需要匹配。事实上，唯一需要 100% 匹配的位是 hash('sha512', $nonce . $cnonce . $data); 中使用的哈希函数...这是一个合理的示例安全 makeRandomString 函数...

function makeRandomString($bits = 256) {
    $bytes = ceil($bits / 8);
    $return = '';
    for ($i = 0; $i < $bytes; $i++) {
        $return .= chr(mt_rand(0, 255));
    }
    return $return;
}

Answer 2

随机数是一罐蠕虫。

不，确实，几个 CAESAR 条目的动机之一是设计一种经过身份验证的加密方案，最好基于流密码，可抵抗随机数重用。 （例如，在 AES-CTR 中重复使用随机数会破坏消息的机密性，达到一年级编程学生可以解密的程度。）

随机数主要有以下三种思想流派：

1. 在对称密钥加密中： 使用递增计数器，同时注意不要重复使用它。 （这也意味着发送方和接收方使用单独的计数器。）这需要有状态编程（即将随机数存储在某处，以便每个请求不会从 1 开始）。
2. 状态随机数。生成随机数，然后记住它以供稍后验证。 这是用于击败 CSRF 攻击的策略，这听起来更接近此处的要求。
3. 大型无状态随机数。有了一个安全的随机数生成器，您几乎可以保证一生中永远不会重复一个随机数两次。这是 NaCl 用于加密的策略。

因此，考虑到这一点，要问的主要问题是：

1. 上述哪些思想流派与您要解决的问题最相关？
2. 您如何生成随机数？
3. 您如何验证随机数？

生成随机数

对于任何随机随机数，问题 2 的答案是使用 CSPRNG。对于 PHP 项目，这意味着以下之一：

• random_bytes() 对于 PHP 7+ 项目
• paragonie/random_compat，一个用于 random_bytes() 的 PHP 5 polyfill
• ircmaxell/RandomLib，这是一把随机性实用工具的瑞士军刀，大多数处理随机性的项目（例如，fir 密码重置）都应该考虑使用它，而不是自己推出。

这两者在道德上是等效的：

$factory = new RandomLib\Factory;
$generator = $factory->getMediumStrengthGenerator();
$_SESSION['nonce'] [] = $generator->generate(32);

和

$_SESSION['nonce'] []= random_bytes(32);

验证 Nonce

有状态

有状态的 nonce 很简单，建议使用：

$found = array_search($nonce, $_SESSION['nonces']);
if (!$found) {
    throw new Exception("Nonce not found! Handle this or the app crashes");
}
// Yay, now delete it.
unset($_SESSION['nonce'][$found]);

随意用数据库或 memcached 查找等替换 array_search()。

无状态（这里是龙）

这是一个很难解决的问题：需要某种方法来防止重放攻击，但您的服务器在每次 HTTP 请求后都完全失忆了。

唯一明智的解决方案是验证过期日期/时间，以最大限度地减少重放攻击的有用性。例如：

// Generating a message bearing a nonce
$nonce = random_bytes(32);
$expires = new DateTime('now')
    ->add(new DateInterval('PT01H'));
$message = json_encode([
    'nonce' => base64_encode($nonce),
    'expires' => $expires->format('Y-m-d\TH:i:s')
]);
$publishThis = base64_encode(
    hash_hmac('sha256', $message, $authenticationKey, true) . $message
);

// Validating a message and retrieving the nonce
$decoded = base64_decode($input);
if ($decoded === false) {
    throw new Exception("Encoding error");
}
$mac = mb_substr($decoded, 0, 32, '8bit'); // stored
$message = mb_substr($decoded, 32, null, '8bit');
$calc = hash_hmac('sha256', $message, $authenticationKey, true); // calcuated
if (!hash_equals($calc, $mac)) {
    throw new Exception("Invalid MAC");
}
$message = json_decode($message);
$currTime = new DateTime('NOW');
$expireTime = new DateTime($message->expires);
if ($currTime > $expireTime) {
    throw new Exception("Expired token");
}
$nonce = $message->nonce; // Valid (for one hour)

细心的观察者会注意到，这基本上是 JSON Web Tokens 的不符合标准的变体。

Answer 3

一种选择（我在评论中提到）是记录游戏玩法并在安全环境中重播。

另一件事是随机地，或者在某些特定的时间，记录一些看似无辜的数据，这些数据稍后可以用来在服务器上验证它（比如突然直播从 1% 到 100%，或者分数从 1 到 1000 表明作弊） ）。有了足够的数据，作弊者就不可能试图伪造它。然后当然要实施严厉的禁令:)。

Answer 4

这个非常简单的随机数每 1000 秒（16 分钟）变化一次
并可用于避免在同一应用程序中发布数据或从同一应用程序发布数据时的 XSS。 （例如，如果您在单页应用程序中通过 javascript 发布数据。请注意，您必须能够从发布方和接收方访问相同的种子和随机数生成器）

function makeNonce($seed,$i=0){
    $timestamp = time();
    $q=-3; 
    //The epoch time stamp is truncated by $q chars, 
    //making the algorthim to change evry 1000 seconds
    //using q=-4; will give 10000 seconds= 2 hours 46 minutes usable time

    $TimeReduced=substr($timestamp,0,$q)-$i; 

    //the $seed is a constant string added to the string before hashing.    
    $string=$seed.$TimeReduced;
    $hash=hash('sha1', $string, false);
    return  $hash;
}   

但是通过检查之前的随机数，用户可以只有在最坏情况下等待超过 16.6 分钟，最好情况下等待超过 33 分钟时，他才会感到烦恼。设置 $q=-4 将为用户提供至少 2.7 小时

function checkNonce($nonce,$seed){
//Note that the previous nonce is also checked giving  between 
// useful interval $t: 1*$qInterval < $t < 2* $qInterval where qInterval is the time deterimined by $q: 
//$q=-2: 100 seconds, $q=-3 1000 seconds, $q=-4 10000 seconds, etc.
    if($nonce==$this->makeNonce($seed,0)||$nonce==$this->makeNonce($seed,1))     {
         //handle data here
         return true;
     } else {
         //reject nonce code   
         return false;
     }
}

$seed，可以是进程中使用的任何函数调用或用户名等。

Answer 5

不可能防止作弊。你只能让事情变得更加困难。

如果有人来这里寻找 PHP Nonce 库：我建议不要使用 ircmaxwell 给出的第一个。

该网站的第一条评论描述了一个设计缺陷：

随机数适用于某个特定的时间窗口，即越接近
用户到达该窗口末尾的时间越少
提交表单，可能不到一秒

如果您正在寻找一种生成具有明确定义的生命周期的 Nonce 的方法，请查看 NonceUtil-PHP。

免责声明：我是 NonceUtil-PHP 的作者