PHP中的安全随机数生成：使用`random_bytes()`与`random_int()`的规范 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

PHP 安全随机数生成：`random_bytes()` 与 `random_int()` 的规范

大家好，今天我们来聊聊 PHP 中生成安全随机数的两个关键函数：random_bytes() 和 random_int()。在安全相关的应用中，如密码学、会话 ID 生成、令牌生成等，使用弱随机数生成器可能会导致严重的漏洞。因此，了解并正确使用 random_bytes() 和 random_int() 至关重要。

为什么需要安全的随机数生成器？

传统的伪随机数生成器（PRNGs），如 rand() 和 mt_rand()，虽然在速度上很快，但不适合用于安全敏感的场景。这些 PRNGs 的输出是可预测的，这意味着攻击者可以通过分析之前的输出推断出未来的随机数序列，从而破解系统。

安全的随机数生成器，通常称为密码学安全的伪随机数生成器 (CSPRNGs)，旨在解决这个问题。它们的设计目标是：

不可预测性： 在没有种子的情况下，无法预测未来的输出。
统计随机性： 输出在统计上是随机的，通过各种统计测试。
种子安全性： 即使种子被泄露，也无法轻易地推断出之前的输出。

random_bytes() 和 random_int() 函数利用底层操作系统的 CSPRNGs，例如 Linux 上的 /dev/urandom 或 Windows 上的 CryptGenRandom()，来生成安全的随机数。

`random_bytes()` 函数

random_bytes() 函数用于生成指定长度的随机字节字符串。它的原型如下：

string random_bytes ( int $length )

$length： 要生成的随机字节数。必须是正整数。

random_bytes() 返回一个包含指定长度的随机字节的字符串。如果无法生成随机字节（例如，底层操作系统没有可用的 CSPRNG），则抛出 Exception。

示例：生成 32 字节的随机字符串

try {
    $randomString = random_bytes(32);
    echo bin2hex($randomString); // 将字节转换为十六进制字符串以便显示
} catch (Exception $e) {
    echo "无法生成随机字节: " . $e->getMessage();
}

应用场景：

生成加密密钥： 用于对称加密算法，如 AES。
生成初始化向量 (IV)： 用于保证对称加密算法的安全性。
生成会话 ID： 防止会话劫持。
生成 CSRF 令牌： 防止跨站请求伪造攻击。
盐 (Salt) 的生成： 用于密码哈希。

最佳实践：

总是使用 try...catch 块来处理可能抛出的 Exception。
根据应用的需求选择合适的长度。对于加密密钥和 IV，长度应该与加密算法的要求相匹配。
将生成的随机字符串存储在安全的地方，避免泄露。

`random_int()` 函数

random_int() 函数用于生成指定范围内的随机整数。它的原型如下：

int random_int ( int $min , int $max )

$min： 范围的最小值（包含）。
$max： 范围的最大值（包含）。

random_int() 返回一个介于 $min 和 $max 之间的随机整数。如果 $min 大于 $max，或者无法生成随机整数（例如，底层操作系统没有可用的 CSPRNG），则抛出 Exception。

示例：生成 1 到 100 之间的随机整数

try {
    $randomNumber = random_int(1, 100);
    echo $randomNumber;
} catch (Exception $e) {
    echo "无法生成随机整数: " . $e->getMessage();
}

应用场景：

生成一次性密码 (OTP)： 用于双因素身份验证。
生成随机验证码： 用于防止机器人攻击。
随机排序： 在需要公平且不可预测的排序时使用。
抽奖： 随机选择获奖者。
游戏开发： 生成随机游戏事件。

最佳实践：

总是使用 try...catch 块来处理可能抛出的 Exception。
确保 $min 小于或等于 $max。
根据应用的需求选择合适的范围。
不要依赖 random_int() 进行加密操作，应该使用 random_bytes() 来生成密钥。

`random_bytes()` 和 `random_int()` 的比较

特性	`random_bytes()`	`random_int()`
返回值类型	字符串	整数
参数	长度 (字节数)	最小值，最大值
用途	生成随机字节字符串，适用于加密密钥、IV 等	生成指定范围内的随机整数，适用于 OTP、验证码等
应用场景	加密、会话管理、令牌生成等	验证码、抽奖、游戏开发等
异常处理	抛出 `Exception`，需要使用 `try...catch` 处理	抛出 `Exception`，需要使用 `try...catch` 处理
底层实现	使用操作系统的 CSPRNGs，如 `/dev/urandom`	使用操作系统的 CSPRNGs，如 `/dev/urandom`
安全性	密码学安全	密码学安全

使用实例：生成安全的密码哈希盐

盐是密码哈希中的一个随机字符串，用于防止彩虹表攻击。使用 random_bytes() 生成安全的盐：

try {
    $salt = random_bytes(16); // 生成 16 字节的盐
    $password = "my_secret_password";
    $hashedPassword = password_hash($password, PASSWORD_DEFAULT, ['cost' => 12, 'salt' => $salt]);
    echo "哈希后的密码: " . $hashedPassword;
} catch (Exception $e) {
    echo "无法生成盐: " . $e->getMessage();
}

注意： 现代 PHP 版本中，password_hash() 函数会自动生成盐，所以不需要手动生成，但是理解盐的生成原理仍然很重要。手动生成盐的例子仅用于演示 random_bytes() 的用法。

使用实例：生成安全的会话 ID

会话 ID 用于跟踪用户的会话状态。使用 random_bytes() 生成安全的会话 ID：

session_start();

if (!isset($_SESSION['session_id'])) {
    try {
        $sessionId = bin2hex(random_bytes(32)); // 生成 32 字节的随机字符串，并转换为十六进制
        $_SESSION['session_id'] = $sessionId;
    } catch (Exception $e) {
        echo "无法生成会话 ID: " . $e->getMessage();
    }
}

echo "会话 ID: " . $_SESSION['session_id'];

使用实例：生成安全的 CSRF 令牌

CSRF 令牌用于防止跨站请求伪造攻击。使用 random_bytes() 生成安全的 CSRF 令牌：

session_start();

if (!isset($_SESSION['csrf_token'])) {
    try {
        $csrfToken = bin2hex(random_bytes(32)); // 生成 32 字节的随机字符串，并转换为十六进制
        $_SESSION['csrf_token'] = $csrfToken;
    } catch (Exception $e) {
        echo "无法生成 CSRF 令牌: " . $e->getMessage();
    }
}

echo "CSRF 令牌: " . $_SESSION['csrf_token'];

// 在 HTML 表单中包含 CSRF 令牌
echo '<input type="hidden" name="csrf_token" value="' . $_SESSION['csrf_token'] . '">';

// 在服务器端验证 CSRF 令牌
if ($_SERVER['REQUEST_METHOD'] === 'POST') {
    if (isset($_POST['csrf_token']) && $_POST['csrf_token'] === $_SESSION['csrf_token']) {
        // CSRF 令牌验证成功，处理请求
        echo "CSRF 令牌验证成功！";
    } else {
        // CSRF 令牌验证失败，拒绝请求
        echo "CSRF 令牌验证失败！";
    }
}

使用实例：生成随机验证码

session_start();

$length = 6; // 验证码长度
$characters = '0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ';
$charactersLength = strlen($characters);
$randomString = '';

try {
    for ($i = 0; $i < $length; $i++) {
        $randomIndex = random_int(0, $charactersLength - 1);
        $randomString .= $characters[$randomIndex];
    }
    $_SESSION['captcha'] = $randomString;
    echo "验证码: " . $randomString;
} catch (Exception $e) {
    echo "无法生成验证码: " . $e->getMessage();
}

//验证码验证
if ($_SERVER['REQUEST_METHOD'] === 'POST') {
  if (isset($_POST['captcha']) && $_POST['captcha'] === $_SESSION['captcha']) {
      echo "验证码正确！";
  } else {
      echo "验证码错误！";
  }
}

安全性考虑

更新 PHP 版本： 确保使用最新版本的 PHP。新版本通常包含安全修复和改进的 CSPRNG 实现。
操作系统配置： 确保操作系统正确配置了 CSPRNG。例如，在 Linux 系统上，/dev/urandom 应该可用且具有足够的熵。
避免过度使用： 避免在循环中频繁调用 random_bytes() 或 random_int()，这可能会影响性能。
定期审查代码： 定期审查代码，确保正确使用了 random_bytes() 和 random_int()，并且没有引入新的安全漏洞。
始终进行异常处理： random_bytes 和 random_int 在无法生成安全的随机数时会抛出异常。务必使用 try...catch 块来捕获这些异常并妥善处理。这可以防止程序崩溃，并允许你优雅地处理随机数生成失败的情况。
使用正确的范围：对于 random_int，务必验证 $min 和 $max 参数。如果 $min 大于 $max，函数会抛出异常。确保你理解你所使用的范围，并根据你的需求正确设置这些参数。

总结

random_bytes() 和 random_int() 是 PHP 中生成安全随机数的两个重要函数。 random_bytes() 用于生成随机字节字符串，random_int() 用于生成指定范围内的随机整数。正确使用这两个函数可以提高应用程序的安全性，避免因使用弱随机数生成器而导致的漏洞。

最后的话

理解和正确使用 random_bytes() 和 random_int() 是构建安全 PHP 应用的基础。始终关注安全性，并根据最佳实践来开发和维护代码，才能最大程度地保护用户数据和系统安全。

PHP 安全随机数生成：random_bytes() 与 random_int() 的规范

为什么需要安全的随机数生成器？

random_bytes() 函数

random_int() 函数

random_bytes() 和 random_int() 的比较