WordPress函数wp_generate_password的随机性算法与加密实现分析 - 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

WordPress 函数 `wp_generate_password` 的随机性算法与加密实现分析

大家好，今天我们来深入探讨 WordPress 核心函数 wp_generate_password，它用于生成安全的随机密码。我们将剖析它的随机性算法、加密实现，以及潜在的安全考量。这次讲座的目标是理解该函数的内部运作机制，并评估其在不同场景下的适用性。

1. `wp_generate_password` 函数概览

wp_generate_password 函数定义在 wp-includes/pluggable.php 文件中。它的主要作用是生成一个指定长度的随机密码，并可选择包含特定类型的字符（例如大小写字母、数字、特殊字符）。

/**
 * Generates a random password using the operating system's entropy source.
 *
 * If no source is available, falls back to a less secure method of string manipulation.
 *
 * @since 2.5.0
 *
 * @param int  $length         Optional. The length of password to generate. Default 12.
 * @param bool $special_chars Optional. Whether to include standard punctuation characters. Default true.
 * @param bool $extra_special_chars Optional. Whether to include more unusual special characters. Default false.
 *
 * @return string The random password.
 */
function wp_generate_password( $length = 12, $special_chars = true, $extra_special_chars = false ) {
  // ... 函数体 ...
}

该函数接收三个参数：

$length: 密码的长度，默认为 12。
$special_chars: 是否包含标准标点符号，默认为 true。
$extra_special_chars: 是否包含更不常用的特殊字符，默认为 false。

2. 随机性来源：优先使用系统熵

wp_generate_password 的核心在于其随机性来源。为了生成真正安全的密码，它优先尝试利用操作系统提供的安全随机数生成器。这依赖于系统熵， entropy 是系统随机性的度量。

if ( function_exists( 'random_bytes' ) ) {
  try {
    $bytes = random_bytes( ceil( $length * 3 / 4 ) );
  } catch ( Exception $e ) {
    // Log the error and fall back to a less secure method.
    trigger_error( 'random_bytes() failed: ' . $e->getMessage() );
    $bytes = '';
  }
  if ( $bytes !== '' ) {
    $characters = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789';
    if ( $special_chars ) {
      $characters .= '!@#$%^&*()';
    }
    if ( $extra_special_chars ) {
      $characters .= '-_+=[{}]\|;:'",<.>/?';
    }

    $password = '';
    $character_count = strlen( $characters );

    for ( $i = 0; $i < $length; $i++ ) {
      $password .= $characters[ ord( $bytes[ $i % strlen( $bytes ) ] ) % $character_count ];
    }

    return $password;
  }
}

代码解释：

function_exists( 'random_bytes' ): 首先检查 random_bytes 函数是否存在。这个函数是 PHP 7 引入的，用于生成加密安全的伪随机字节。如果服务器运行的是 PHP 7 或更高版本，并且该函数可用，则优先使用它。
*`random_bytes( ceil( $length 3 / 4 ) )**: 如果random_bytes可用，则调用它来生成随机字节。ceil( $length * 3 / 4 )的目的是生成足够多的随机字节，以保证密码的随机性，即使在字符集比较小的情况下也能避免某些字符过度重复。ceil` 函数向上取整。
try...catch: random_bytes 函数可能会抛出异常，例如当系统熵不足时。为了处理这种情况，代码使用了 try...catch 块。如果抛出异常，则记录错误并回退到不安全的生成密码方法。
字符集: 根据 $special_chars 和 $extra_special_chars 的值，构建包含所有允许字符的字符串 $characters。
密码生成循环: 一个循环迭代 $length 次，每次从 $characters 中随机选择一个字符，并将其添加到密码字符串 $password 中。关键在于使用ord( $bytes[ $i % strlen( $bytes ) ] ) % $character_count来从字符集中选择字符。ord()函数返回字符的 ASCII 值，然后与字符集长度取模，保证索引在字符集范围内。

3. 回退机制：不安全的字符混淆

如果 random_bytes 函数不可用，或者抛出异常，wp_generate_password 会回退到一种不太安全的字符混淆方法。这种方法依赖于 mt_rand 函数，这是一个伪随机数生成器，其种子是可预测的，因此安全性较低。

$characters = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789';
if ( $special_chars ) {
  $characters .= '!@#$%^&*()';
}
if ( $extra_special_chars ) {
  $characters .= '-_+=[{}]\|;:'",<.>/?';
}

$password = '';
for ( $i = 0; $i < $length; $i++ ) {
  $password .= substr( $characters, wp_rand( 0, strlen( $characters ) - 1 ), 1 );
}

return $password;

代码解释：

字符集: 与前面的方法一样，根据 $special_chars 和 $extra_special_chars 的值构建字符集。
密码生成循环: 循环迭代 $length 次，每次使用 wp_rand 函数生成一个随机数，该随机数用作字符集 $characters 的索引。 substr 函数用于提取该索引处的字符并添加到密码字符串中。
wp_rand: 这个函数是 WordPress 提供的随机数生成函数，它在内部使用 mt_rand。虽然 wp_rand 尝试提供更好的随机性，但它仍然依赖于 mt_rand，因此不如使用系统熵的 random_bytes 安全。

4. `wp_rand` 函数的内部实现

wp_rand 函数是 WordPress 对 mt_rand 函数的封装。它尝试使用更安全的种子生成器，但最终仍然依赖于 mt_rand 的伪随机性。

/**
 * Gets a random number.
 *
 * @since 2.6.0
 * @access private
 *
 * @param int $min Minimum value.
 * @param int $max Maximum value.
 * @return int A pseudo-random number between $min and $max.
 */
function wp_rand( $min = 0, $max = 0 ) {
  global $wp_random_seed;

  if ( ! ( is_int( $min ) || ctype_digit( $min ) ) ) {
    $min = 0;
  }

  if ( ! ( is_int( $max ) || ctype_digit( $max ) ) ) {
    $max = 0;
  }

  $min = (int) $min;
  $max = (int) $max;

  if ( empty( $wp_random_seed ) ) {
    $wp_random_seed = mt_rand();
  }

  mt_srand( $wp_random_seed );
  return mt_rand( $min, $max );
}

代码解释：

$wp_random_seed: 这是一个全局变量，用于存储随机数生成器的种子。
种子初始化: 如果 $wp_random_seed 为空，则使用 mt_rand() 的结果初始化它。这意味着，如果服务器在多个请求中使用 wp_rand 且没有自定义种子，它们可能会产生相关的随机数序列。
mt_srand: 使用 $wp_random_seed 作为种子来初始化 mt_rand。
mt_rand: 调用 mt_rand 函数生成一个介于 $min 和 $max 之间的伪随机数。

5. 安全性分析

wp_generate_password 函数的安全性取决于它使用的随机性来源。

使用 random_bytes 的情况: 如果 random_bytes 可用，则该函数可以生成相对安全的密码。 random_bytes 函数使用操作系统提供的安全随机数生成器，这些生成器经过精心设计，可以抵抗各种攻击。但是，仍然需要考虑字符集大小和密码长度之间的关系。太短的密码，即使使用强随机数生成器，也容易受到暴力破解。
回退到 mt_rand 的情况: 如果 random_bytes 不可用，则该函数的安全性会显著降低。 mt_rand 是一个伪随机数生成器，它的种子是可预测的。这意味着攻击者可以使用已知种子来预测 mt_rand 生成的随机数序列，从而破解密码。此外， WordPress 使用的种子初始化方式（$wp_random_seed = mt_rand();）进一步降低了安全性，因为默认情况下，这个种子很容易预测。
字符集大小: 密码的强度还取决于字符集的大小。字符集越大，密码就越难破解。因此，建议尽可能使用包含大小写字母、数字和特殊字符的字符集。
密码长度: 密码的长度也是一个重要的安全因素。密码越长，就越难破解。建议使用至少 12 个字符的密码，甚至更长。

6. 潜在的安全风险

依赖于系统熵: random_bytes 函数的安全性取决于系统熵的可用性。如果系统熵不足，random_bytes 可能会生成弱随机数，从而降低密码的安全性。在某些嵌入式系统或虚拟机上，熵可能是一个问题。
mt_rand 的可预测性: 如前所述，mt_rand 是一个伪随机数生成器，容易受到攻击。如果攻击者可以预测 mt_rand 生成的随机数序列，他们就可以破解密码。
不充分的字符集: 如果字符集太小，密码可能会更容易受到暴力破解。
密码存储不当: 即使使用安全的密码生成器，如果密码存储不当，仍然存在安全风险。密码应该使用强哈希算法（例如 bcrypt 或 Argon2）进行哈希处理，并且应该使用 salt 来防止彩虹表攻击。
代码注入: 虽然与 wp_generate_password 函数本身无关，但如果用户输入没有得到适当的验证和清理，攻击者可能会通过代码注入来绕过密码生成过程。

7. 如何提高安全性

确保 random_bytes 可用: 尽可能确保服务器运行的是 PHP 7 或更高版本，并且 random_bytes 函数可用。
使用强密码哈希算法: 永远不要以明文形式存储密码。使用 bcrypt 或 Argon2 等强哈希算法对密码进行哈希处理，并使用 salt。 WordPress 提供了 wp_hash_password 函数，内部使用 bcrypt算法，建议使用它。
强制使用强密码策略: 实施强密码策略，要求用户使用包含大小写字母、数字和特殊字符的长密码。
使用双因素身份验证 (2FA): 为用户账户启用双因素身份验证，以增加额外的安全层。
定期更新 WordPress 和插件: 定期更新 WordPress 和所有已安装的插件，以修补安全漏洞。
监控系统熵: 监控系统的熵，确保 random_bytes 函数能够生成安全的随机数。在 Linux 系统上，可以使用 /proc/sys/kernel/random/entropy_avail 文件来查看可用的熵。

8. 代码示例：使用 `wp_generate_password` 生成密码并哈希

<?php

// 生成一个 20 个字符的强密码，包含大小写字母、数字和特殊字符。
$password = wp_generate_password( 20, true, true );

// 使用 bcrypt 对密码进行哈希处理。
$hashed_password = wp_hash_password( $password );

// 将哈希后的密码存储在数据库中。
// ...

// 验证密码时，使用 wp_check_password 函数。
$is_valid = wp_check_password( $_POST['password'], $hashed_password );

if ( $is_valid ) {
  // 密码正确
  echo "密码验证成功！";
} else {
  // 密码错误
  echo "密码验证失败！";
}

?>

这个示例演示了如何使用 wp_generate_password 生成密码，并使用 wp_hash_password 对其进行哈希处理。验证密码时，使用 wp_check_password 函数将用户输入的密码与哈希后的密码进行比较。

9. 字符集选择与密码破解难度

不同的字符集对密码的破解难度有显著影响。下表展示了不同字符集大小和密码长度对暴力破解所需尝试次数的影响：

字符集	字符集大小	密码长度	暴力破解尝试次数
仅小写字母 (a-z)	26	8	26⁸ ≈ 2.08 x 10¹¹
小写字母 + 数字 (a-z, 0-9)	36	8	36⁸ ≈ 2.82 x 10¹²
大小写字母 + 数字 (a-zA-Z, 0-9)	62	8	62⁸ ≈ 2.18 x 10¹⁴
大小写字母 + 数字 + 符号 (a-zA-Z, 0-9, !@#…)	94	8	94⁸ ≈ 6.06 x 10¹⁵
大小写字母 + 数字 + 符号 (a-zA-Z, 0-9, !@#…)	94	12	94¹² ≈ 5.16 x 10²³

从表中可以看出，增加字符集大小和密码长度都可以显著增加暴力破解的难度。因此，建议使用尽可能大的字符集和尽可能长的密码。

10. 补充说明

虽然 wp_generate_password 在生成密码时尝试使用 random_bytes 函数以提高安全性，但在某些情况下，它可能会回退到使用 mt_rand，这会降低密码的安全性。因此，建议检查服务器环境，确保 random_bytes 函数可用。
wp_generate_password 函数本身只负责生成随机密码，不负责存储密码。在存储密码时，必须使用强哈希算法（例如 bcrypt 或 Argon2）对密码进行哈希处理，并使用 salt，以防止彩虹表攻击。
在需要高安全性的场景中，可以考虑使用专门的密码生成库，例如 random_compat 库，它可以为较旧的 PHP 版本提供 random_bytes 函数的功能。

密码生成只是安全的第一步

wp_generate_password 函数是 WordPress 中用于生成随机密码的重要工具。理解其内部机制和潜在的安全风险对于构建安全的应用程序至关重要。通过确保 random_bytes 可用，使用强密码哈希算法，实施强密码策略，并采取其他安全措施，可以显著提高应用程序的安全性。记住，密码生成只是安全的第一步，妥善存储和管理密码同样重要。