SD31. 적절하지 않은 난수 값의 사용 — 커널 CSPRNG로 치환

원본 항목: Part 2-3. 암호화 계열 — 12. 적절하지 않은 난수 값의 사용 CWE-330 repo 폴더: sd31_weakrandom/ (빌드·실행은 §3-1) 목표 시간: 1회차 15분 / 2회차 9분 / 3회차 6분 Part 2-3에서 유일하게 실제 동작으로 완전히 재현되는 드릴이다 — getrandom() 이 진짜 예측 불가능한 값을 만드는지 직접 확인한다.

이 드릴의 문서 구성 (SD01~SD58 공통)

① 요구사항서 — 어떤 코드가 뚫려 있고, 무엇을 만드나. ② pseudo code 템플릿 — Bad 와 Good 의 뼈대이고, 회차마다 가린다. ③ 테스트 코드 — 공격은 막히고 정상은 통과해야 끝이다. ④ 자주 하는 실수 ⑤ 모범답안 — 맨 뒤에 접어 둔다.

변형 A/B/C 는 같은 치환 규칙을 다른 소재로 다시 치는 것이다.


0. 이 드릴로 체화할 것

- srand(seed); for (...) out[i] = "0123456789abcdef"[rand() % 16];   /* seed만 알면 재현됨 */
+ if (getrandom(raw, sizeof(raw), 0) != (ssize_t)sizeof(raw)) return -1;  /* 실패는 반드시 중단 */
+ for (...) sprintf(out + i*2, "%02x", raw[i]);

seed를 바꾸는 것으로는 해결되지 않는다. rand() 계열은 보안용이 아니며, 커널 CSPRNG(getrandom)로 통째로 교체해야 한다.

회차별 진행

회차변형보는 것순서
1회차A 세션 토큰 생성① 요구사항서
② pseudo code 전체
1. Bad 를 그대로 쳐서 취약점을 관찰한다.
2. Good pseudo 를 한 줄씩 코드로 바꾼다.
3. ③ 테스트를 실행한다.
2회차B 일회용 비밀번호(OTP) 생성① 요구사항서
② pseudo code 의 번호와 제목만 (Level 2)
1. Bad 를 치고 취약점을 확인한다.
2. 번호만 보고 Good 을 쓴다.
3. ③ 테스트를 실행한다.
3회차C 초기화 벡터(IV) 생성① 요구사항서만1. ③ 테스트를 먼저 읽는다.
2. 백지에서 Bad 부터 Good 까지 재현한다.

1회차에 막히면 같은 변형을 한 번 더 친다. 3회차를 통과하면 A 를 백지로 다시 친다.


1. 요구사항서

1-A. 변형 A — 세션 토큰 생성

32자 16진수 세션 토큰을 생성한다.

  • 토큰은 예측 불가능해야 한다.
  • 난수 생성에 실패하면 반드시 에러를 반환해야 한다(약한 값으로 대체 금지).

함수

void gen_token_bad(unsigned seed, char *out, size_t out_size);
int gen_token_good(char *out, size_t out_size);

공격 입력표

상황Bad 결과이유
같은 seed로 두 번 생성완전히 같은 토큰rand() 는 seed가 같으면 항상 같은 시퀀스를 낸다(예측 가능)
매번 새로 생성(Good)매번 다른 토큰커널 CSPRNG는 내부 엔트로피 풀에서 뽑는다

1-B. 변형 B — 일회용 비밀번호(OTP) 생성

16진수 대신 6자리 숫자 OTP로 변형 — getrandom 결과를 숫자 범위로 매핑할 때 모듈로 편향(modulo bias)이 생기지 않게 하는 법까지 고려

1-C. 변형 C — 초기화 벡터(IV) 생성

AES-CBC용 16바이트 IV를 만드는 함수로 변형. IV는 비밀은 아니지만 예측 불가능해야 하는 이유를 설명해본다


2. pseudo code 템플릿 — 보고 쳐서 익힌다

사용법 변형별로 아래 pseudo code 를 소스 파일에 주석만 복사한다. 코드는 주석을 보고 내가 쓴다. 다 쓰면 [ ] 를 x 로 바꾼다. 막히면 §5 모범답안(A)의 해당 단계만 본다.

2-A. gen_token_good — Level 1 (1회차, 전부 본다)

먼저 Bad 를 그대로 쳐서 §3 의 test_bad_is_vulnerable 이 통과하는지(= 실제로 뚫리는지) 확인한다. 그다음 Good 을 쓴다.

void gen_token_bad(unsigned seed, char *out, size_t out_size)
{
    /* 1. srand(seed)   ← seed 만 알면 재현된다
     * 2. out_size - 1 번: out[i] = "0123456789abcdef"[rand() % 16]
     * 3. out[i] = '\0' */
}
 
int gen_token_good(char *out, size_t out_size)
{
    /* [ ] 1. 지역변수
     *        unsigned char raw[16], size_t i */
 
    /* [ ] 2. 버퍼 크기 검사
     *        out_size < sizeof(raw) * 2 + 1 → return -1 */
 
    /* [ ] 3. 커널 CSPRNG
     *        getrandom(raw, sizeof(raw), 0) != (ssize_t)sizeof(raw) → return -1
     *        실패하면 약한 값으로 대체하지 않고 **중단** */
 
    /* [ ] 4. 16진수로 변환
     *        sprintf(out + i * 2, "%02x", raw[i])  (i = 0 ~ 15) */
 
    /* [ ] 5. return 0 */
}

2-B. gen_token_good — Level 2 (2회차, 번호와 제목만 본다)

int gen_token_good(char *out, size_t out_size)
{
    /* [ ] 1. 지역변수 */
 
    /* [ ] 2. 버퍼 크기 검사 */
 
    /* [ ] 3. 커널 CSPRNG */
 
    /* [ ] 4. 16진수로 변환 */
 
    /* [ ] 5. return 0 */
}

2-C. gen_token_good — Level 3 (3회차, 백지)

int gen_token_good(char *out, size_t out_size)
{
    /* 아무것도 안 본다.
     * §1 요구사항서와 §0 의 치환 규칙만 보고 친다.
     *
     * 막히면 아래만 찾아본다.
     *   - `getrandom` 의 헤더 (`<sys/random.h>`) 와 `_DEFAULT_SOURCE`
     *   - `seed` 인자가 아예 없다
     */
}

막혔을 때 찾는 순서

  1. 컴파일 에러가 나면 에러 문구를 본다. unknown type name / implicit declaration 이면 include 누락이다.
  2. man 3 <함수> 를 연다. SYNOPSIS 맨 위의 #include 를 확인한다.
  3. 로직이 막히면 §3 테스트의 기대값을 먼저 읽는다. 공격 입력표(§1)와 테스트가 답이다.
  4. 그래도 안 되면 모범답안의 해당 단계 하나만 본다.

3. 테스트 코드 — 이게 통과하면 끝

sd31_weakrandom/src/token_gen.h
sd31_weakrandom/src/token_gen.c
sd31_weakrandom/test/test.c

시험 구조는 고정이다 (SD01~SD58 공통)

  1. Bad 가 실제로 뚫린다. 이 시험이 실패하면 Bad 를 잘못 옮겨 적은 것이다.
  2. Bad 도 정상 입력은 처리한다.
  3. Good 이 같은 공격을 막는다.
  4. Good 이 정상 입력까지 막지 않는다. (과잉 차단 없음)

3-A. 변형 A 시험 — 이 형태를 고정한다

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "token_gen.h"
 
static int g_fail = 0;
#define T_TRUE(cond, msg) \
    do { if (!(cond)) { g_fail++; \
        printf("  X %s:%d %s\n", __func__, __LINE__, msg); } } while (0)
 
static void test_bad_is_vulnerable(void)
{
    char t1[33], t2[33];
    gen_token_bad(1, t1, sizeof(t1));
    gen_token_bad(1, t2, sizeof(t2));
    T_TRUE(strcmp(t1, t2) == 0,
        "Bad는 같은 seed면 항상 같은 토큰을 만들어야 한다(예측 가능함 = 취약점 재현)");
}
 
static void test_bad_normal(void)
{
    char t1[33], t2[33];
    gen_token_bad(1, t1, sizeof(t1));
    gen_token_bad(2, t2, sizeof(t2));
    T_TRUE(strcmp(t1, t2) != 0, "적어도 seed가 다르면 결과도 달라진다(그래도 예측 가능한 건 여전함)");
}
 
static void test_good_is_unpredictable(void)
{
    char t1[33], t2[33];
    T_TRUE(gen_token_good(t1, sizeof(t1)) == 0, "정상 크기 버퍼는 성공해야 한다");
    T_TRUE(gen_token_good(t2, sizeof(t2)) == 0, "두 번째 호출도 성공해야 한다");
    T_TRUE(strcmp(t1, t2) != 0,
        "Good은 매 호출마다 다른 토큰을 만들어야 한다(진짜 난수원을 쓴다는 증거)");
}
 
static void test_good_rejects_small_buffer(void)
{
    char tiny[4];
    T_TRUE(gen_token_good(tiny, sizeof(tiny)) == -1, "Good은 버퍼가 너무 작으면 실패로 알려야 한다");
}
 
int main(void)
{
    test_bad_is_vulnerable();
    test_bad_normal();
    test_good_is_unpredictable();
    test_good_rejects_small_buffer();
    printf(g_fail ? "FAIL %d\n" : "PASS\n", g_fail);
    return g_fail ? 1 : 0;
}

macOS에서는 getrandom 대신 arc4random_buf

macOS는 <sys/random.h> 의 getrandom() 대신 <stdlib.h> 의 arc4random_buf(buf, len) 을 쓴다(반환값이 없고 항상 성공). 이 드릴을 macOS에서 풀 때는 #ifdef __APPLE__ 로 분기하거나, 실패 처리 로직 없이 arc4random_buf 만 써도 된다.

3-B · 3-C. 변형 B / C 시험

3-A 와 같은 4종 구조에서 호출 함수와 입력만 바꾼다.

변형 B — 일회용 비밀번호(OTP) 생성

입력BadGood
6자리 OTP, random % 10 로 매핑모듈로 편향편향 없는 매핑 (거부 샘플링)
정상 호출6자리 숫자6자리 숫자

변형 C — 초기화 벡터(IV) 생성

입력BadGood
AES-CBC 용 IV 16바이트예측 가능한 IVgetrandom 의 16바이트
연속 두 번 호출같은 값이 나올 수 있다서로 다르다

3-1. 빌드와 실행 (Makefile, gcc)

Makefile 은 템플릿 체화 드릴 README 와 같은 파일이다. recipe 줄은 반드시 탭으로 들여쓴다.

실행 명령이다.

make D=sd31_weakrandom V=main SRC="sd31_weakrandom/src/token_gen.c sd31_weakrandom/test/test.c"
  • 마지막 줄이 PASS 이고 경고 0 이면 통과다.
  • -Werror 때문에 컴파일이 안 되면 테스트 이전에 코드를 고친다.

4. 자주 하는 실수

실수왜 문제인가
srand(time(NULL)) 로 “개선”했다고 착각seed가 초 단위 시각이면 하루치 후보가 86400개뿐이라 전수 시도로 재현된다.
여전히 rand() 계열 자체가 문제다
getrandom 실패 시 rand() 로 폴백”실패하면 약한 값이라도 쓰자”는 대응이 가장 위험하다.
실패는 반드시 호출자에게 알리고 중단한다
반환된 바이트를 %d 로 찍어 10진수 토큰을 만듦바이트당 표현 범위가 줄어 엔트로피가 낭비된다.
16진수(%02x)로 그대로 펼치는 것이 표준적이다

5. 모범답안 (변형 A)


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