]> scripts.mit.edu Git - autoinstalls/mediawiki.git/blob - includes/CryptRand.php
MediaWiki 1.17.4
[autoinstalls/mediawiki.git] / includes / CryptRand.php
1 <?php
2 /**
3  * A cryptographic random generator class used for generating secret keys
4  *
5  * This is based in part on Drupal code as well as what we used in our own code
6  * prior to introduction of this class.
7  *
8  * @author Daniel Friesen
9  * @file
10  */
11
12 class MWCryptRand {
13
14         /**
15          * Minimum number of iterations we want to make in our drift calculations.
16          */
17         const MIN_ITERATIONS = 1000;
18
19         /**
20          * Number of milliseconds we want to spend generating each separate byte
21          * of the final generated bytes.
22          * This is used in combination with the hash length to determine the duration
23          * we should spend doing drift calculations.
24          */
25         const MSEC_PER_BYTE = 0.5;
26
27         /**
28          * Singleton instance for public use
29          */
30         protected static $singleton = null;
31
32         /**
33          * The hash algorithm being used
34          */
35         protected $algo = null;
36
37         /**
38          * The number of bytes outputted by the hash algorithm
39          */
40         protected $hashLength = null;
41
42         /**
43          * A boolean indicating whether the previous random generation was done using
44          * cryptographically strong random number generator or not.
45          */
46         protected $strong = null;
47
48         /**
49          * Initialize an initial random state based off of whatever we can find
50          */
51         protected function initialRandomState() {
52                 // $_SERVER contains a variety of unstable user and system specific information
53                 // It'll vary a little with each page, and vary even more with separate users
54                 // It'll also vary slightly across different machines
55                 $state = serialize( $_SERVER );
56
57                 // To try and vary the system information of the state a bit more
58                 // by including the system's hostname into the state
59                 $state .= wfHostname();
60
61                 // Try to gather a little entropy from the different php rand sources
62                 $state .= rand() . uniqid( mt_rand(), true );
63
64                 // Include some information about the filesystem's current state in the random state
65                 $files = array();
66                 // We know this file is here so grab some info about ourself
67                 $files[] = __FILE__;
68                 // The config file is likely the most often edited file we know should be around
69                 // so if the constant with it's location is defined include it's stat info into the state
70                 if ( defined( 'MW_CONFIG_FILE' ) ) {
71                         $files[] = MW_CONFIG_FILE;
72                 }
73                 foreach ( $files as $file ) {
74                         wfSuppressWarnings();
75                         $stat = stat( $file );
76                         wfRestoreWarnings();
77                         if ( $stat ) {
78                                 // stat() duplicates data into numeric and string keys so kill off all the numeric ones
79                                 foreach ( $stat as $k => $v ) {
80                                         if ( is_numeric( $k ) ) {
81                                                 unset( $k );
82                                         }
83                                 }
84                                 // The absolute filename itself will differ from install to install so don't leave it out
85                                 $state .= realpath( $file );
86                                 $state .= implode( '', $stat );
87                         } else {
88                                 // The fact that the file isn't there is worth at least a
89                                 // minuscule amount of entropy.
90                                 $state .= '0';
91                         }
92                 }
93
94                 // Try and make this a little more unstable by including the varying process
95                 // id of the php process we are running inside of if we are able to access it
96                 if ( function_exists( 'getmypid' ) ) {
97                         $state .= getmypid();
98                 }
99
100                 // If available try to increase the instability of the data by throwing in
101                 // the precise amount of memory that we happen to be using at the moment.
102                 if ( function_exists( 'memory_get_usage' ) ) {
103                         $state .= memory_get_usage( true );
104                 }
105
106                 // It's mostly worthless but throw the wiki's id into the data for a little more variance
107                 $state .= wfWikiID();
108
109                 // If we have a secret key or proxy key set then throw it into the state as well
110                 global $wgSecretKey, $wgProxyKey;
111                 if ( $wgSecretKey ) {
112                         $state .= $wgSecretKey;
113                 } elseif ( $wgProxyKey ) {
114                         $state .= $wgProxyKey;
115                 }
116
117                 return $state;
118         }
119
120         /**
121          * Randomly hash data while mixing in clock drift data for randomness
122          *
123          * @param $data string The data to randomly hash.
124          * @return String The hashed bytes
125          * @author Tim Starling
126          */
127         protected function driftHash( $data ) {
128                 // Minimum number of iterations (to avoid slow operations causing the loop to gather little entropy)
129                 $minIterations = self::MIN_ITERATIONS;
130                 // Duration of time to spend doing calculations (in seconds)
131                 $duration = ( self::MSEC_PER_BYTE / 1000 ) * $this->hashLength();
132                 // Create a buffer to use to trigger memory operations
133                 $bufLength = 10000000;
134                 $buffer = str_repeat( ' ', $bufLength );
135                 $bufPos = 0;
136
137                 // Iterate for $duration seconds or at least $minIerations number of iterations
138                 $iterations = 0;
139                 $startTime = microtime( true );
140                 $currentTime = $startTime;
141                 while ( $iterations < $minIterations || $currentTime - $startTime < $duration ) {
142                         // Trigger some memory writing to trigger some bus activity
143                         // This may create variance in the time between iterations
144                         $bufPos = ( $bufPos + 13 ) % $bufLength;
145                         $buffer[$bufPos] = ' ';
146                         // Add the drift between this iteration and the last in as entropy
147                         $nextTime = microtime( true );
148                         $delta = (int)( ( $nextTime - $currentTime ) * 1000000 );
149                         $data .= $delta;
150                         // Every 100 iterations hash the data and entropy
151                         if ( $iterations % 100 === 0 ) {
152                                 $data = sha1( $data );
153                         }
154                         $currentTime = $nextTime;
155                         $iterations++;
156                 }
157                 $timeTaken = $currentTime - $startTime;
158                 $data = $this->hash( $data );
159
160                 wfDebug( __METHOD__ . ": Clock drift calculation " .
161                         "(time-taken=" . ( $timeTaken * 1000 ) . "ms, " .
162                         "iterations=$iterations, " .
163                         "time-per-iteration=" . ( $timeTaken / $iterations * 1e6 ) . "us)\n" );
164                 return $data;
165         }
166
167         /**
168          * Return a rolling random state initially build using data from unstable sources
169          * @return string A new weak random state
170          */
171         protected function randomState() {
172                 static $state = null;
173                 if ( is_null( $state ) ) {
174                         // Initialize the state with whatever unstable data we can find
175                         // It's important that this data is hashed right afterwards to prevent
176                         // it from being leaked into the output stream
177                         $state = $this->hash( $this->initialRandomState() );
178                 }
179                 // Generate a new random state based on the initial random state or previous
180                 // random state by combining it with clock drift
181                 $state = $this->driftHash( $state );
182                 return $state;
183         }
184
185         /**
186          * Decide on the best acceptable hash algorithm we have available for hash()
187          * @throws MWException
188          * @return String A hash algorithm
189          */
190         protected function hashAlgo() {
191                 if ( !is_null( $this->algo ) ) {
192                         return $this->algo;
193                 }
194
195                 $algos = hash_algos();
196                 $preference = array( 'whirlpool', 'sha256', 'sha1', 'md5' );
197
198                 foreach ( $preference as $algorithm ) {
199                         if ( in_array( $algorithm, $algos ) ) {
200                                 $this->algo = $algorithm;
201                                 wfDebug( __METHOD__ . ": Using the {$this->algo} hash algorithm.\n" );
202                                 return $this->algo;
203                         }
204                 }
205
206                 // We only reach here if no acceptable hash is found in the list, this should
207                 // be a technical impossibility since most of php's hash list is fixed and
208                 // some of the ones we list are available as their own native functions
209                 // But since we already require at least 5.2 and hash() was default in
210                 // 5.1.2 we don't bother falling back to methods like sha1 and md5.
211                 throw new MWException( "Could not find an acceptable hashing function in hash_algos()" );
212         }
213
214         /**
215          * Return the byte-length output of the hash algorithm we are
216          * using in self::hash and self::hmac.
217          *
218          * @return int Number of bytes the hash outputs
219          */
220         protected function hashLength() {
221                 if ( is_null( $this->hashLength ) ) {
222                         $this->hashLength = strlen( $this->hash( '' ) );
223                 }
224                 return $this->hashLength;
225         }
226
227         /**
228          * Generate an acceptably unstable one-way-hash of some text
229          * making use of the best hash algorithm that we have available.
230          *
231          * @param $data string
232          * @return String A raw hash of the data
233          */
234         protected function hash( $data ) {
235                 return hash( $this->hashAlgo(), $data, true );
236         }
237
238         /**
239          * Generate an acceptably unstable one-way-hmac of some text
240          * making use of the best hash algorithm that we have available.
241          *
242          * @param $data string
243          * @param $key string
244          * @return String A raw hash of the data
245          */
246         protected function hmac( $data, $key ) {
247                 return hash_hmac( $this->hashAlgo(), $data, $key, true );
248         }
249
250         /**
251          * @see self::wasStrong()
252          */
253         public function realWasStrong() {
254                 if ( is_null( $this->strong ) ) {
255                         throw new MWException( __METHOD__ . ' called before generation of random data' );
256                 }
257                 return $this->strong;
258         }
259
260         /**
261          * @see self::generate()
262          */
263         public function realGenerate( $bytes, $forceStrong = false ) {
264                 wfProfileIn( __METHOD__ );
265
266                 wfDebug( __METHOD__ . ": Generating cryptographic random bytes for " . wfGetAllCallers( 5 ) . "\n" );
267
268                 $bytes = floor( $bytes );
269                 static $buffer = '';
270                 if ( is_null( $this->strong ) ) {
271                         // Set strength to false initially until we know what source data is coming from
272                         $this->strong = true;
273                 }
274
275                 if ( strlen( $buffer ) < $bytes ) {
276                         // If available make use of mcrypt_create_iv URANDOM source to generate randomness
277                         // On unix-like systems this reads from /dev/urandom but does it without any buffering
278                         // and bypasses openbasdir restrictions so it's preferable to reading directly
279                         // On Windows starting in PHP 5.3.0 Windows' native CryptGenRandom is used to generate
280                         // entropy so this is also preferable to just trying to read urandom because it may work
281                         // on Windows systems as well.
282                         if ( function_exists( 'mcrypt_create_iv' ) ) {
283                                 wfProfileIn( __METHOD__ . '-mcrypt' );
284                                 $rem = $bytes - strlen( $buffer );
285                                 $iv = mcrypt_create_iv( $rem, MCRYPT_DEV_URANDOM );
286                                 if ( $iv === false ) {
287                                         wfDebug( __METHOD__ . ": mcrypt_create_iv returned false.\n" );
288                                 } else {
289                                         $buffer .= $iv;
290                                         wfDebug( __METHOD__ . ": mcrypt_create_iv generated " . strlen( $iv ) . " bytes of randomness.\n" );
291                                 }
292                                 wfProfileOut( __METHOD__ . '-mcrypt' );
293                         }
294                 }
295
296                 if ( strlen( $buffer ) < $bytes ) {
297                         // If available make use of openssl's random_pesudo_bytes method to attempt to generate randomness.
298                         // However don't do this on Windows with PHP < 5.3.4 due to a bug:
299                         // http://stackoverflow.com/questions/1940168/openssl-random-pseudo-bytes-is-slow-php
300                         if ( function_exists( 'openssl_random_pseudo_bytes' )
301                                 && ( !wfIsWindows() || version_compare( PHP_VERSION, '5.3.4', '>=' ) )
302                         ) {
303                                 wfProfileIn( __METHOD__ . '-openssl' );
304                                 $rem = $bytes - strlen( $buffer );
305                                 $openssl_bytes = openssl_random_pseudo_bytes( $rem, $openssl_strong );
306                                 if ( $openssl_bytes === false ) {
307                                         wfDebug( __METHOD__ . ": openssl_random_pseudo_bytes returned false.\n" );
308                                 } else {
309                                         $buffer .= $openssl_bytes;
310                                         wfDebug( __METHOD__ . ": openssl_random_pseudo_bytes generated " . strlen( $openssl_bytes ) . " bytes of " . ( $openssl_strong ? "strong" : "weak" ) . " randomness.\n" );
311                                 }
312                                 if ( strlen( $buffer ) >= $bytes ) {
313                                         // openssl tells us if the random source was strong, if some of our data was generated
314                                         // using it use it's say on whether the randomness is strong
315                                         $this->strong = !!$openssl_strong;
316                                 }
317                                 wfProfileOut( __METHOD__ . '-openssl' );
318                         }
319                 }
320
321                 // Only read from urandom if we can control the buffer size or were passed forceStrong
322                 if ( strlen( $buffer ) < $bytes && ( function_exists( 'stream_set_read_buffer' ) || $forceStrong ) ) {
323                         wfProfileIn( __METHOD__ . '-fopen-urandom' );
324                         $rem = $bytes - strlen( $buffer );
325                         if ( !function_exists( 'stream_set_read_buffer' ) && $forceStrong ) {
326                                 wfDebug( __METHOD__ . ": Was forced to read from /dev/urandom without control over the buffer size.\n" );
327                         }
328                         // /dev/urandom is generally considered the best possible commonly
329                         // available random source, and is available on most *nix systems.
330                         wfSuppressWarnings();
331                         $urandom = fopen( "/dev/urandom", "rb" );
332                         wfRestoreWarnings();
333
334                         // Attempt to read all our random data from urandom
335                         // php's fread always does buffered reads based on the stream's chunk_size
336                         // so in reality it will usually read more than the amount of data we're
337                         // asked for and not storing that risks depleting the system's random pool.
338                         // If stream_set_read_buffer is available set the chunk_size to the amount
339                         // of data we need. Otherwise read 8k, php's default chunk_size.
340                         if ( $urandom ) {
341                                 // php's default chunk_size is 8k
342                                 $chunk_size = 1024 * 8;
343                                 if ( function_exists( 'stream_set_read_buffer' ) ) {
344                                         // If possible set the chunk_size to the amount of data we need
345                                         stream_set_read_buffer( $urandom, $rem );
346                                         $chunk_size = $rem;
347                                 }
348                                 $random_bytes = fread( $urandom, max( $chunk_size, $rem ) );
349                                 $buffer .= $random_bytes;
350                                 fclose( $urandom );
351                                 wfDebug( __METHOD__ . ": /dev/urandom generated " . strlen( $random_bytes ) . " bytes of randomness.\n" );
352                                 if ( strlen( $buffer ) >= $bytes ) {
353                                         // urandom is always strong, set to true if all our data was generated using it
354                                         $this->strong = true;
355                                 }
356                         } else {
357                                 wfDebug( __METHOD__ . ": /dev/urandom could not be opened.\n" );
358                         }
359                         wfProfileOut( __METHOD__ . '-fopen-urandom' );
360                 }
361
362                 // If we cannot use or generate enough data from a secure source
363                 // use this loop to generate a good set of pseudo random data.
364                 // This works by initializing a random state using a pile of unstable data
365                 // and continually shoving it through a hash along with a variable salt.
366                 // We hash the random state with more salt to avoid the state from leaking
367                 // out and being used to predict the /randomness/ that follows.
368                 if ( strlen( $buffer ) < $bytes ) {
369                         wfDebug( __METHOD__ . ": Falling back to using a pseudo random state to generate randomness.\n" ); 
370                 }
371                 while ( strlen( $buffer ) < $bytes ) {
372                         wfProfileIn( __METHOD__ . '-fallback' );
373                         $buffer .= $this->hmac( $this->randomState(), mt_rand() );
374                         // This code is never really cryptographically strong, if we use it
375                         // at all, then set strong to false.
376                         $this->strong = false;
377                         wfProfileOut( __METHOD__ . '-fallback' );
378                 }
379
380                 // Once the buffer has been filled up with enough random data to fulfill
381                 // the request shift off enough data to handle the request and leave the
382                 // unused portion left inside the buffer for the next request for random data
383                 $generated = substr( $buffer, 0, $bytes );
384                 $buffer = substr( $buffer, $bytes );
385
386                 wfDebug( __METHOD__ . ": " . strlen( $buffer ) . " bytes of randomness leftover in the buffer.\n" );
387
388                 wfProfileOut( __METHOD__ );
389                 return $generated;
390         }
391
392         /**
393          * @see self::generateHex()
394          */
395         public function realGenerateHex( $chars, $forceStrong = false ) {
396                 // hex strings are 2x the length of raw binary so we divide the length in half
397                 // odd numbers will result in a .5 that leads the generate() being 1 character
398                 // short, so we use ceil() to ensure that we always have enough bytes
399                 $bytes = ceil( $chars / 2 );
400                 // Generate the data and then convert it to a hex string
401                 $hex = bin2hex( $this->generate( $bytes, $forceStrong ) );
402                 // A bit of paranoia here, the caller asked for a specific length of string
403                 // here, and it's possible (eg when given an odd number) that we may actually
404                 // have at least 1 char more than they asked for. Just in case they made this
405                 // call intending to insert it into a database that does truncation we don't
406                 // want to give them too much and end up with their database and their live
407                 // code having two different values because part of what we gave them is truncated
408                 // hence, we strip out any run of characters longer than what we were asked for.
409                 return substr( $hex, 0, $chars );
410         }
411
412         /** Publicly exposed static methods **/
413
414         /**
415          * Return a singleton instance of MWCryptRand
416          * @return MWCryptRand
417          */
418         protected static function singleton() {
419                 if ( is_null( self::$singleton ) ) {
420                         self::$singleton = new self;
421                 }
422                 return self::$singleton;
423         }
424
425         /**
426          * Return a boolean indicating whether or not the source used for cryptographic
427          * random bytes generation in the previously run generate* call
428          * was cryptographically strong.
429          *
430          * @return bool Returns true if the source was strong, false if not.
431          */
432         public static function wasStrong() {
433                 return self::singleton()->realWasStrong();
434         }
435
436         /**
437          * Generate a run of (ideally) cryptographically random data and return
438          * it in raw binary form.
439          * You can use MWCryptRand::wasStrong() if you wish to know if the source used
440          * was cryptographically strong.
441          *
442          * @param $bytes int the number of bytes of random data to generate
443          * @param $forceStrong bool Pass true if you want generate to prefer cryptographically
444          *                          strong sources of entropy even if reading from them may steal
445          *                          more entropy from the system than optimal.
446          * @return String Raw binary random data
447          */
448         public static function generate( $bytes, $forceStrong = false ) {
449                 return self::singleton()->realGenerate( $bytes, $forceStrong );
450         }
451
452         /**
453          * Generate a run of (ideally) cryptographically random data and return
454          * it in hexadecimal string format.
455          * You can use MWCryptRand::wasStrong() if you wish to know if the source used
456          * was cryptographically strong.
457          *
458          * @param $chars int the number of hex chars of random data to generate
459          * @param $forceStrong bool Pass true if you want generate to prefer cryptographically
460          *                          strong sources of entropy even if reading from them may steal
461          *                          more entropy from the system than optimal.
462          * @return String Hexadecimal random data
463          */
464         public static function generateHex( $chars, $forceStrong = false ) {
465                 return self::singleton()->realGenerateHex( $chars, $forceStrong );
466         }
467
468 }