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原文
论文追踪· arXiv:2605.08313· Ziyang You, Xiaoke Yang, Zhanling Fan, Feng Guo, Xiaogen Zhou, Xuxing Lu·本站收录· 原文发表

研究者提出 SeedHijack 攻击,劫持 LLM 采样随机数种子

Seed Hijacking of LLM Sampling and Quantum Random Number Defense

论文速读

攻击

据论文 PDF 整理(AI 生成),以原文为准

SeedHijack劫持PRNG强制选token;GPT-2注入538/540,另有QRNG对照0/100。

威胁模型供应链对手破坏LLM推理框架内的PRNG实现。

问题
LLM自回归采样依赖可预测的PRNG。作者认为供应链对手可不改权重、输入和logits,强制选出指定token;RLHF等对齐只改分布,不改采样器。
方法
SeedHijack替换采样器读到的均匀随机数,使逆变换落在目标token的CDF区间,且不改logits。防御用QRNG600的预缓冲硬件随机数代替MT19937。
实验与结果
GPT-2(124M)9组配置精确注入538/540。Table 2四模型各180次为100.0%。另100次试验PRNG为100/100、QRNG为0/100,论文未写模型。
局限与可以继续做的
作者写出三点:需供应链接入而非远程利用;验证到7B、未做70B+;QRNG缓冲需定期补充。实验为5个模型上的token ID匹配;论文未报告检测器与CSPRNG的定量结果。
实验设置GPT-2 (124M)、Qwen2-1.5B-Instruct 等 · 20 diverse prompts (news completion, code generation, dialogue, creative writing)、100-trial defense benchmark · exact token match、injection rate 等
威胁模型
供应链对手破坏LLM推理框架内的PRNG实现。论文称为white-box runtime attack:需直接访问推理进程内存空间,并取得采样所用的后处理token概率分布;不需要模型结构、权重或训练数据。不改权重、用户输入或logits,把PRNG输出换到目标token的CDF区间。
被测模型
GPT-2 (124M)Qwen2-1.5B-InstructDeepSeek-R1-1.5BQwen2-7B-InstructDeepSeek-R1-Distill-Qwen-7B
基准
20 diverse prompts (news completion, code generation, dialogue, creative writing)100-trial defense benchmark
指标
exact token matchinjection rateper-token latencymemory
AI 导读研究者提出 SeedHijack,一种通过操纵伪随机数生成器(PRNG)输出、在不改变模型 logits 的情况下强制模型选中攻击者指定 token 的后门攻击。在 GPT-2(124M)上的 540 次试验中,该攻击在 9 种采样配置下实现 99.6% 的精确 token 注入,并在四个对齐模型(1.5B-7B,涵盖 RLHF、SFT 与推理蒸馏)上达到 100% 成功率,绕过了本工作测试的全部对齐方法。作者同时提出基于硬件量子随机数生成器(QRNG)的防御,在其评估的威胁模型下可消除该攻击,中位开销为延迟增加 0.6%、内存增加 7.7 MB。

研究者提出 SeedHijack,一种通过操纵伪随机数生成器(PRNG)输出、在不改变模型 logits 的情况下强制模型选中攻击者指定 token 的后门攻击。在 GPT-2(124M)上的 540 次试验中,该攻击在 9 种采样配置下实现 99.6% 的精确 token 注入,并在四个对齐模型(1.5B-7B,涵盖 RLHF、SFT 与推理蒸馏)上达到 100% 成功率,绕过了本工作测试的全部对齐方法。作者同时提出基于硬件量子随机数生成器(QRNG)的防御,在其评估的威胁模型下可消除该攻击,中位开销为延迟增加 0.6%、内存增加 7.7 MB。

深度解读

6个问题,点开问题读完整回答

  1. 这篇论文试图解决什么问题?

    供应链对手可劫持采样PRNG,在不改logits时强制选出指定token。

    LLM 自回归采样依赖可预测的 PRNG,供应链对手可在不改模型与 logits 的情况下强制选出指定 token。

    • 场景:作者称每个 token 最终取决于采样器消耗的随机数;PyTorch、HuggingFace Transformers、vLLM、TensorRT-LLM 的默认 PRNG 是 MT19937。作者认为状态已知则输出可预测,而现有防御很少审视这一层。
    • 现有不足:作者称 prompt injection、越狱、数据投毒和对抗鲁棒性方面的研究都未覆盖这一供应链面。RLHF 与蒸馏只改概率分布,不改把分布变成 token 的采样机制。
    • 观察:作者称 MT19937 的内部状态可由 624 个连续输出重构;把采样随机数放进目标 token 的 CDF 区间,即可按作者的论证选中该 token,且不改权重、提示词或 logit。
    • 提出的方法:攻击名为 SeedHijack;防御是用硬件 QRNG 替换 PRNG。作者称在所评估的威胁模型下,后者使攻击者不能锁定 token。
    • 威胁模型:
      • 对手:供应链对手,破坏 LLM 推理框架里的 PRNG 实现。论文将此称为 white-box runtime attack。
      • 知识:不需要模型结构、权重或训练数据;需要采样所用的后处理后 token 概率分布。
      • 能力:直接访问推理进程的内存空间;论文写可通过 624 个连续输出,或直接读取被破坏模块,取得 PRNG 状态并替换其输出。
      • 目标:在任意位置强制生成指定 token。受害的是使用该 PRNG 的推理采样过程。不修改权重、用户输入或输出 logits。
  2. 有哪些相关研究?

    相关讨论在引言与Discussion;作者称把PRNG利用扩到LLM采样。

    论文没有独立的 Related Work,相关讨论在引言和 Discussion。

    采样与 PRNG 利用

    • 默认采样:Holtzman 等(2020)说明下一个词由随机抽样决定;Matsumoto 与 Nishimura(1998)给出 MT19937。论文据此说明状态已知则采样输出可预测。
    • 直接前作:Dahiya 等(2024)在 Randomized Smoothing(Cohen 等,2019)上利用 PRNG。作者称本文将该利用扩到 LLM 文本生成,并称前者所针对的防御部署有限,而自回归采样影响文中点名的生产框架。
    • 输入侧方向:引言把 prompt injection、jailbreaking、data poisoning 与 adversarial robustness 列为研究已多、但对采样层审视有限的方向,越狱文献以文献 [4–6] 概括。论文未与这些方法做成功率对比。

    后门与检测对照

    • 权重后门:BadNets(Gu 等,2019)、TrojanNN(Liu 等,2018)。作者称它们改参数并留下梯度痕迹;SeedHijack 不改权重或输入。
    • 对抗样本:Goodfellow 等(2015)。作者称梯度引导扰动会改输入,监控可以标记。
    • 检测:作者称 logit 审计、困惑度监控、权重完整性校验、neural cleanse、Raghunathan 等(2018)的 certified defenses、Wong 与 Kolter(2018)的可证明验证、Papineni 等(2002)的 BLEU 都发现不了该攻击。论文未报告这些检测器的数字。

    对齐与随机数来源

    • 对齐:Ouyang 等(2022)的 RLHF、Rafailov 等(2023)的 DPO、Ji 等(2023)的 BeaverTails。作者称它们只改分布 P,与采样层安全正交。
    • CSPRNG:作者认为,仅观测输出时 CSPRNG 能抵抗状态预测;若随机数模块被替换或挂钩,返回值仍由对手控制。论文未做该对照实验。
    • QRNG 文献:Herrero-Collantes 与 Garcia-Escartin(2017)、Ma 等(2016);Pironio 等(2010)与 Bierhorst 等(2018)讨论 Bell 定理认证的随机数。作者用这些工作支撑硬件随机数不可预测的说法。SolarWinds 与 XZ Utils 只用于说明依赖被破坏可以影响下游,不是方法对比。

    基线与定位

    • 基线:防御对照是 MT19937 采样下的同一攻击。Table 3 定性对比 prompt injection、model poisoning、jailbreaking、adversarial examples,没有其他攻击的实测成功率。
    • 数据:20 条提示词,覆盖新闻续写、代码生成、对话、创意写作。无命名公开基准。
    • 定位:作者称采样层安全不能还原成对齐或输入过滤,并把 Dahiya 等的 PRNG 利用从 Randomized Smoothing 扩到 LLM 生成。Table 3 表注使用 unique 一词,指不改模型、不改输入、Detectable 为 No 且确定性控制这一组合。
  3. 论文如何解决这个问题?

    SeedHijack替换采样随机数以命中目标CDF区间,QRNG使该数不可预测。

    整体思路是不改模型分布,只控制采样随机数:SeedHijack 把均匀随机数换进目标 token 的 CDF 区间;防御用硬件 QRNG 使该随机数不可预测。

    问题设定

    • 采样规则:模型给出词表分布 P 后,用均匀随机数 u 做逆变换采样。附录 B 式 (1) 写 F(t)=∑i=1tpi,并要求 F(t−1) ≤ u < F(t)(F(0)=0)。
    • 生成器:默认 PRNG 为 MT19937。附录 B 写内部状态为 624 个 32 位字,共 19,968 位,特征多项式次数 19,937。作者称观测 624 个连续 32 位输出就足以确定全部状态,之后输出可预测。周期的幂次在所给文本中未分开书写,故不转写。
    • 精度条件:作者称目标概率需大于 float32 机器精度,文本记为 ε_mach≈1.19×10−7,区间才可表示;并称此时注入成功概率为 1。

    SeedHijack

    • 状态:论文给出两条取得状态的途径:观测 624 个连续输出,或在供应链场景中直接读取被破坏模块的内部状态。附录 A 写了读取方式,这里不复述调用细节。实验中攻击在推理期间持续开启。
    • 替换:拦截采样调用,根据当前 softmax 分布计算 CDF,使返回的均匀数落在目标 token 区间内。只改这一处随机数;tokenizer、前向与后处理不动,分布 P 不变。
    • 作者的隐蔽性说法:不改 logits、token 概率或生成统计,因而作者称 logit 审计、困惑度监控和权重完整性校验看不到常规后门。论文未给这些检测器的拦截数字。

    QRNG 防御

    • 设备:QRNG600 PCIe 卡,用光学零差探测真空涨落,PCIe 3.0,持续 600 Mbps。附录 A 称安全依据是真空态正交分量上的海森堡不确定性,与校准无关;原始信号经 Toeplitz 提取,作者称通过 NIST SP 800-22。
    • 接入:离线生成 5,000 万个 [0, 1) 的 float64 数,磁盘 400 MB;运行时内存映射,每个 token 取一个数,耗尽则异步补充。作者称进程内存增加 7.7 MB,中位延迟相对按需 MT19937 增加 0.6%。
    • 论证:附录 B 写正交观测量服从 N(0, 1/2),并给出 I(UQ; E)=0,E 为测量前已固定的对手侧信息。作者称落入目标区间的概率只等于该 token 的自然概率,计算无界的对手也没有额外优势。
    • 相对 CSPRNG:作者认为软件 CSPRNG 挡得住只看输出的预测,挡不住替换随机数模块;QRNG 在独立硬件信任边界上,篡改需要硬件访问或驱动被破坏,并可做在线统计检验。此段没有实验数字。

    成功判定

    • exact token match:payload 每个位置的 token ID 都要与目标一致,任一位置不同则整次试验失败。附录 C 写攻击者指定多 token 字符串再分词;文本未给出 payload 长度,也没有示例句子。
    • 过滤:附录 C 写只针对概率高于机器精度的 token。正文仍报告有试验因目标概率低于 10−7 而失败。评测不用 LLM 评审。
  4. 论文做了哪些实验?

    GPT-2上538/540(99.6%)精确注入;Table 2四对齐模型为100.0%;QRNG为0/100。

    实验设置

    • 环境:PyTorch 2.1.0、Transformers 4.35.2、CUDA 12.2、cuDNN 8.9.4,单卡 NVIDIA RTX 3090(24 GB VRAM)。附录 C。
    • 模型:GPT-2(124M,float32,无对齐);Qwen2-1.5B-Instruct(RLHF+SFT)、DeepSeek-R1-1.5B(reasoning distillation)、Qwen2-7B-Instruct(RLHF+SFT)、DeepSeek-R1-Distill-Qwen-7B(reasoning distillation),后四者均为 bfloat16。仅写明 Qwen2-1.5B-Instruct 用 chat template,DeepSeek-R1-1.5B 用原生提示格式。
    • GPT-2 网格:20 条提示词,类别为新闻续写、代码生成、对话、创意写作。τ 取 0.7、1.0、1.5,top-p 取 0.9、0.95、1.0,共 9 组;每组 20 条提示词 × 3 个种子 = 60 次,合计 540 次。
    • 对齐模型:每模型 3 组采样配置、每组 60 次,共 180 次;四模型合计 720 次。论文未说明是哪 3 组,也未说明提示词条数。
    • 指标:exact token match,全 payload 的 token ID 一致才算成功。无 LLM 评审,无人工一致性,未报告 payload 长度。
    • 防御测量:独立 100 次试验,对照为 MT19937 上的同一攻击。延迟取 1,000 次推理迭代的每 token 时间,排除 50 次预热。论文未说明这 100 次试验和延迟、内存测量用的是哪个模型。均匀性检验为 100 个 bin 的 Pearson 卡方,p>0.99;样本数幂次在文本中未分开,不转写。

    主结果

    据 Table 1(GPT-2,9 组)与 Table 2(每模型 3 组)。Table 2 表头把两款 DeepSeek 模型写作 DeepSeek-R1 1.5B 与 DeepSeek-R1 7B。

    表格较宽,可左右滑动

    模型条件成功/试验注入率
    GPT-2 (124M)9 组 τ×top-p538/54099.6%
    Qwen2-1.5B-Instruct3 组配置180/180100.0%
    DeepSeek-R1-1.5B3 组配置180/180100.0%
    Qwen2-7B-Instruct3 组配置180/180100.0%
    DeepSeek-R1-Distill-Qwen-7B3 组配置180/180100.0%
    • Table 1 有两格不是全成功:τ=1.0、top-p=1.0 为 59/60(98.3%),τ=1.5、top-p=0.9 为 59/60(98.3%),其余七格为 60/60。Figure 2 标出的九格与 Table 1 相同。作者把这两次失败归于目标概率低于 10−7,区间窄于 float32 机器精度。
    • 作者称注入不随 temperature、top-p 变化,并称 top-k 截断与 entropy-based sampling 也不影响精度。附录 C 的网格只有 temperature 与 top-p,论文未给出后两者的试验数。
    • Table 2 另把 GPT-2 在 3 组配置下记为 180/180。作者称 RLHF、SFT、reasoning distillation 以及 1.5B 到 7B 的规模都不构成防御,因为攻击在分布算完之后才作用。

    QRNG 对照

    • 注入:Figure 3a 中 PRNG 为 100/100,QRNG 为 0/100。正文另称注入率从 99.6% 降到约 1/V;1/V 不是这 100 次的实测值,这 100 次的 QRNG 结果是 0/100。论文未写明该试验的模型。
    • 延迟:Figure 3c 标出中位 12.58 ms 与 12.65 ms(标注 +0.6%),均值 12.81 ms 与 13.21 ms(标注 +3.1%),P95 一侧为 13.34、另一侧为 21.30(图内标注 +59.7%)。正文与图注写 P95 增至 21.30 ms(+59.4%)。作者把尾部归于内存映射缺页,并称 pinned memory 可去掉;论文未报告去掉之后的测量。测量用的模型未写明。
    • 内存与均匀性:作者称内存增加 7.7 MB。Figure 3b 标出 1306.1 与 1313.7,并标注 +7.7 MB。卡方检验 p>0.99,作者称未见偏离均匀分布。

    定性对照

    • Table 3 把 PRNG hijack 标为不改模型、不改输入、Detectable 为 No、Deterministic 为 Yes(99.6%)。prompt injection、model poisoning、jailbreaking 的 Detectable 为 Yes,adversarial examples 为 Partially,四者 Deterministic 均为 No。这是定性表,不是检测器实测。
    • 作者称困惑度监控、certified defenses 与 BLEU 等不能发现该攻击。论文未报告真阳或漏检。
    • 作者讨论 CSPRNG 不能应对替换随机数模块的对手。论文未报告 CSPRNG 实验。

    其他消融与分析

    • 失败条件:正文称两次失败的目标概率低于 10−7(对应 Table 1 的两格 59/60)。
    • 均匀性:100 bin,Pearson 卡方 p>0.99(附录 C)。
    • 延迟样本:1,000 次迭代,排除 50 次预热;论文未写模型。
    • 论文未报告 payload 长度、对齐实验的 3 组具体参数、检测器数字、CSPRNG 对照。
  5. 有什么可以进一步探索的点?

    作者写出三点局限:需供应链接入、未验证70B+、QRNG缓冲需补充。

    作者指出的局限与后续方向

    • 接入方式:攻击需要供应链访问,而不是远程利用。作者同时称 SolarWinds 与 XZ Utils 说明该威胁现实,且 increasingly common。出自 Discussion。
    • 模型规模:经验验证到 7B。作者称机制原则上与模型无关,但未在 70B+ 上验证;更尖锐的分布可能影响 CDF 区间计算。出自 Discussion。
    • 缓冲:预缓冲 QRNG 需要定期补充。作者称 600 Mbps 远高于通常每秒数千 token 的消耗,正常负载下耗尽不切实际。出自 Discussion。

    论文没有单独的 Future Work。代码与实验数据写的是发表后公开,属于计划(Data availability、Code availability)。

    实验覆盖范围

    • 被测模型为 GPT-2(124M)、Qwen2-1.5B-Instruct、DeepSeek-R1-1.5B、Qwen2-7B-Instruct、DeepSeek-R1-Distill-Qwen-7B,共 5 个;硬件为单卡 RTX 3090(附录 C、Table 2)。
    • GPT-2 为 20 条提示词、3 个种子、9 组 τ×top-p,540 次(Table 1)。四个对齐模型各 180 次、3 组未写明的采样配置(Table 2)。论文未写对齐模型的提示词条数。
    • 防御为独立 100 次,对照是 MT19937;延迟为 1,000 次迭代(Figure 3、附录 C)。设备为 QRNG600。论文未写这组试验的模型。
    • 成功标准是 token ID 全匹配。论文未报告 LLM 评审、人工评估、payload 长度,也未报告检测器或 CSPRNG 的定量结果。
    • 正文点名 PyTorch、HuggingFace Transformers、vLLM、TensorRT-LLM 默认使用 MT19937。附录 C 写明跑过的实现是 PyTorch 2.1.0 与 Transformers 4.35.2。
  6. 总结一下论文的主要内容

    采样层PRNG被替换以强制选token;GPT-2为99.6%,四对齐模型为100.0%,QRNG对照0/100。

    SeedHijack 把 LLM 采样用的 PRNG 输出换成攻击者选定的数,从而指定下一个 token;权重、输入和 logits 都不改。防御是用硬件 QRNG 替换该随机源。

    • 问题:作者认为 MT19937 状态可由 624 个连续输出确定,而 RLHF、SFT 与蒸馏只改分布、不改采样器。
    • 做法:在采样调用处让均匀随机数落入目标 token 的 CDF 区间;概率需高于 float32 机器精度。QRNG600 以预缓冲方式提供每个 token 的随机数。成功标准是 payload 上 token ID 全部一致。
    • 攻击数字:GPT-2(124M)在 9 组 temperature×top-p 的 540 次试验中有 538 次全匹配(99.6%,Table 1),两格为 59/60。Table 2 里四款 1.5B/7B 对齐模型各 180 次均为 100.0%。
    • 防御数字:独立 100 次试验里 PRNG 为 100/100、QRNG 为 0/100(Figure 3a);论文未写这组试验的模型。Figure 3c 中位延迟为 12.58 ms 与 12.65 ms;作者称内存增加 7.7 MB,P95 增至 21.30 ms。
    • 作者的结论:采样层不能还原成对齐或输入过滤。作者称在所评估威胁模型下,QRNG 使对手无法预计算 CDF 命中。作者同时列出三点限制:要有供应链接入、未在 70B+ 上验证、缓冲需要定期补充。
阅读原文arxiv.org