大型網(wǎng)站的HTTPS實踐基于協(xié)議和配置的優(yōu)化

上文講到HTTPS對用戶訪問速度的影響。

本文就為大家介紹HTTPS在訪問速度，計算性能，安全等方面基于協(xié)議和配置的優(yōu)化。

HTTPS訪問速度優(yōu)化Tcpfastopen

HTTPS和HTTP使用TCP協(xié)議進行傳輸，也就意味著必須通過三次握手建立TCP連接，但一個RTT的時間內(nèi)只傳輸一個syn包是不是太浪費？能不能在syn包發(fā)出的同時捎上應(yīng)用層的數(shù)據(jù)？其實是可以的，這也是tcpfastopen的思路，簡稱TFO。具體原理可以參考rfc7413。

遺憾的是TFO需要高版本內(nèi)核的支持，linux從3.7以后支持TFO，但是目前的windows系統(tǒng)還不支持TFO，所以只能在公司內(nèi)部服務(wù)器之間發(fā)揮作用。

HSTS

前面提到過將用戶HTTP請求302跳轉(zhuǎn)到HTTPS，這會有兩個影響：

不安全，302跳轉(zhuǎn)不僅暴露了用戶的訪問站點，也很簡單被中間者支持。降低訪問速度，302跳轉(zhuǎn)不僅需要一個RTT，瀏覽器執(zhí)行跳轉(zhuǎn)也需要執(zhí)行時間。

由于302跳轉(zhuǎn)事實上是由瀏覽器觸發(fā)的，服務(wù)器無法完全控制，這個需求導(dǎo)致了HSTS的誕生：

HSTS(HTTPStrictTransportSecurity)。服務(wù)端返回一個HSTS的httpheader，瀏覽器獲取到HSTS頭部之后，在一段時間內(nèi)，不管用戶輸入還是都會默認將請求內(nèi)部跳轉(zhuǎn)成

Chrome,firefox,ie都支持了HSTS（caniuse.com/#feat=stricttransportsecurity）。Sessionresume

Sessionresume顧名思義就是復(fù)用session，實現(xiàn)簡化握手。復(fù)用session的好處有兩個：

減少了CPU消耗，因為不需要進行非對稱密鑰交換的計算。提升訪問速度，不需要進行完全握手階段二，節(jié)省了一個RTT和計算耗時。

TLS協(xié)議目前提供兩種機制實現(xiàn)sessionresume，分別介紹一下。

Sessioncache

Sessioncache的原理是使用clienthello中的sessionid查詢服務(wù)端的sessioncache,假如服務(wù)端有對應(yīng)的緩存，則直接使用已有的session信息提前完成握手，稱為簡化握手。

Sessioncache有兩個缺點：

需要消耗服務(wù)端內(nèi)存來存儲session內(nèi)容。目前的開源軟件包括nginx,apache只支持單機多進程間共享緩存，不支持多機間分布式緩存，對于百度或者其他大型互聯(lián)網(wǎng)公司而言，單機sessioncache幾乎沒有作用。

Sessioncache也有一個非常大的優(yōu)點：

sessionid是TLS協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)字段，市面上的瀏覽器全部都支持sessioncache。

百度通過對TLS握手協(xié)議及服務(wù)器端實現(xiàn)的優(yōu)化，已經(jīng)支持全局的sessioncache，能夠明顯提升用戶的訪問速度，節(jié)省服務(wù)器計算資源。

Sessionticket

上節(jié)提到了sessioncache的兩個缺點，sessionticket能夠彌補這些不足。

Sessionticket的原理參考RFC4507。簡述如下：

server將session信息加密成ticket發(fā)送給瀏覽器，瀏覽器后續(xù)握手請求時會發(fā)送ticket，server端假如能成功解密和處理ticket，就能完成簡化握手。

顯然，sessionticket的優(yōu)點是不需要服務(wù)端消耗大量資源來存儲session內(nèi)容。

Sessionticket的缺點：

sessionticket只是TLS協(xié)議的一個擴展特性，目前的支持率不是很廣泛，只有60%左右。sessionticket需要維護一個全局的key來加解密，需要考慮KEY的安全性和部署效率。

總體來講，sessionticket的功能特性明顯優(yōu)于sessioncache。希望客戶端實現(xiàn)優(yōu)先支持sessionticket。

Ocspstapling

Ocsp全稱在線證書狀態(tài)檢查協(xié)議(rfc6960)，用來向CA站點查詢證書狀態(tài)，比如是否撤銷。通常情況下，瀏覽器使用OCSP協(xié)議發(fā)起查詢請求，CA返回證書狀態(tài)內(nèi)容，然后瀏覽器接受證書是否可信的狀態(tài)。

這個過程非常消耗時間，因為CA站點有可能在國外，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，RTT也比較大。那有沒有辦法不直接向CA站點請求OCSP內(nèi)容呢？ocspstapling就能實現(xiàn)這個功能。

具體介紹參考RFC6066第8節(jié)。簡述原理就是瀏覽器發(fā)起clienthello時會攜帶一個certificatestatusrequest的擴展，服務(wù)端看到這個擴展后將OCSP內(nèi)容直接返回給瀏覽器，完成證書狀態(tài)檢查。

由于瀏覽器不需要直接向CA站點查詢證書狀態(tài)，這個功能對訪問速度的提升非常明顯。

Nginx目前已經(jīng)支持這個ocspstaplingfile，只需要配置ocspstaplingfile的指令就能開啟這個功能：

Falsestart

通常情況下，應(yīng)用層數(shù)據(jù)必須等完全握手全部結(jié)束之后才能傳輸。這個其實比較浪費時間，那能不能類似TFO一樣，在完全握手的第二個階段將應(yīng)用數(shù)據(jù)一起發(fā)出來呢？google提出了falsestart來實現(xiàn)這個功能。具體介紹參考tools.ietf.org/html/draft-bmoeller-tls-

falsestart-00。

簡單概括Falsestart的原理就是在client_key_exchange發(fā)出時將應(yīng)用層數(shù)據(jù)一起發(fā)出來，能夠節(jié)省一個RTT。

Falsestart依靠于PFS（perfectforwardsecrecy完美前向加密），而PFS又依靠于DHE密鑰交換系列算法（DHE_RSA,ECDHE_RSA,DHE_DSS,ECDHE_ECDSA），所以盡量優(yōu)先支持ECDHE密鑰交換算法實現(xiàn)falsestart。

使用SPDY或者HTTP2

SPDY是google推出的優(yōu)化HTTP傳輸效率的協(xié)議（它基本上沿用了HTTP協(xié)議的語義,但是通過使用幀控制實現(xiàn)了多個特性，顯著提升了HTTP協(xié)議的傳輸效率。

SPDY很大的特性就是多路復(fù)用，能將多個HTTP請求在同一個連接上一起發(fā)出去，不像目前的HTTP協(xié)議一樣，只能串行地逐個發(fā)送請求。Pipeline雖然支持多個請求一起發(fā)送，但是接收時依然得按照順序接收，本質(zhì)上無法解決并發(fā)的問題。

HTTP2是IETF2020年2月份通過的HTTP下一代協(xié)議，它以SPDY為原型，經(jīng)過兩年多的討論和完善很終確定。

本文就不過多介紹SPDY和HTTP2的收益，需要說明兩點：

SPDY和HTTP2目前的實現(xiàn)默認使用HTTPS協(xié)議。SPDY和HTTP2都支持現(xiàn)有的HTTP語義和API，對WEB應(yīng)用幾乎是透明的。

Google公布chrome瀏覽器2021年將放棄SPDY協(xié)議，全面支持HTTP2，但是目前國內(nèi)部分瀏覽器廠商進度非常慢，不僅不支持HTTP2，連SPDY都沒有支持過。

百度服務(wù)端和百度手機瀏覽器現(xiàn)在都已經(jīng)支持SPDY3.1協(xié)議。HTTPS計算性能優(yōu)化優(yōu)先使用ECC

ECC橢圓加密算術(shù)相比普通的離散對數(shù)計算速度性能要強很多。下表是NIST推薦的密鑰長度對照表。

對稱密鑰大小|RSA和DH密鑰大小|ECC密鑰大小

----|------|----80|1024|160|112|2048|224128|3072|256192|7680|384256|15360|521表格2NIST推薦使用的密鑰長度

對于RSA算法來講，目前至少使用2048位以上的密鑰長度才能保證安全性。ECC只需要使用224位長度的密鑰就能實現(xiàn)RSA2048位長度的安全強度。在進行相同的模指數(shù)運算時速度顯然要快很多。

使用很新版的openssl

一般來講，新版的openssl相比老版的計算速度和安全性都會有提升。比如openssl1.0.2采用了intel很新的優(yōu)化成果，橢圓曲線p256的計算性能提升了4倍。(eprint.iacr.org/2021/816.pdf)

Openssl2021年就升級了5次，基本都是為了修復(fù)實現(xiàn)上的BUG或者算法上的漏洞而升級的。所以盡量使用很新版本，避免安全上的風(fēng)險。

硬件加速方案

現(xiàn)在比較常用的TLS硬件加速方案主要有兩種：

SSL專用加速卡。GPUSSL加速。上述兩個方案的主流用法都是將硬件插入到服務(wù)器的PCI插槽中，由硬件完成很消耗性能的計算。但這樣的方案有如下缺點：支持算法有限。比如不支持ECC，不支持GCM等。升級成本高。出現(xiàn)新的加密算法或者協(xié)議時，硬件加速方案無法及時升級。出現(xiàn)比較大的安全漏洞時，部分硬件方案在無法在短期內(nèi)升級解決。比如2021年暴露的heartbleed漏洞。無法充分利用硬件加速性能。硬件加速程序一般都運行在內(nèi)核態(tài)，計算結(jié)果傳遞到應(yīng)用層需要IO和內(nèi)存拷貝開銷，即使硬件計算性能非常好，上層的同步等待和IO開銷也會導(dǎo)致整體性能達不到預(yù)期，無法充分利用硬件加速卡的計算能力。維護性差。硬件驅(qū)動及應(yīng)用層API大部分是由安全廠家提供，出現(xiàn)問題后還需要廠家跟進。用戶無法把握核心代碼，比較被動。不像開源的openssl，不管算法還是協(xié)議，用戶都能把握。TLS遠程代理計算

也正是因為上述原因，百度實現(xiàn)了專用的SSL硬件加速集群。基本思路是：

優(yōu)化TLS協(xié)議棧，剝離很消耗CPU資源的計算，主要有如下部分：RSA中的加解密計算。ECC算法中的公私鑰生成。ECC算法中的共享密鑰生成。優(yōu)化硬件計算部分。硬件計算不涉及協(xié)議及狀態(tài)交互，只需要處理大數(shù)運算。Webserver到TLS計算集群之間的任務(wù)是異步的。即webserver將待計算內(nèi)容發(fā)送給加速集群后，依然可以繼續(xù)處理其他請求，整個過程是異步非阻塞的。HTTPS安全配置協(xié)議版本選擇

SSL2.0早就被證實是不安全的協(xié)議了，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)目前已經(jīng)沒有客戶端支持SSL2.0，所以可以放心地在服務(wù)端禁用SSL2.0協(xié)議。

2021年爆發(fā)了POODLE攻擊，SSL3.0因此被證實是不安全的。但是統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)依然有0.5%的流量只支持SSL3.0。所以只能有選擇地支持SSL3.0。

TLS1.1及1.2目前為止沒有發(fā)現(xiàn)安全漏洞，建議優(yōu)先支持。

加密套件選擇

加密套件包含四個部分：

非對稱密鑰交換算法。建議優(yōu)先使用ECDHE，禁用DHE，次優(yōu)先選擇RSA。證書簽名算法。由于部分瀏覽器及操作系統(tǒng)不支持ECDSA簽名，目前默認都是使用RSA簽名，其中SHA1簽名已經(jīng)不再安全，chrome及微軟2021年開始不再支持SHA1簽名的證書(googleonlinesecurity.blogspot.jp/2021/09/gradually-sunsetting-sha-1.html)。對稱加解密算法。優(yōu)先使用AES-GCM算法，針對1.0以上協(xié)議禁用RC4（rfc7465）。內(nèi)容一致性校驗算法。Md5和sha1都已經(jīng)不安全，建議使用sha2以上的安全哈希函數(shù)。HTTPS防攻擊防止協(xié)議降級攻擊

降級攻擊一般包括兩種：加密套件降級攻擊(ciphersuiterollback)和協(xié)議降級攻擊（versionrollback）。降級攻擊的原理就是攻擊者偽造或者修改clienthello消息，使得客戶端和服務(wù)器之間使用比較弱的加密套件或者協(xié)議完成通信。

為了應(yīng)對降級攻擊，現(xiàn)在server端和瀏覽器之間都實現(xiàn)了SCSV功能，原理參考tools.ietf.org/html/draft-ietf-tls-downgrade-scsv-00。

一句話解釋就是假如客戶端想要降級，必須發(fā)送TLS_SCSV的信號，服務(wù)器假如看到TLS_SCSV，就不會接受比服務(wù)端很高協(xié)議版本低的協(xié)議。

防止重新協(xié)商攻擊

重新協(xié)商（tlsrenegotiation）分為兩種：加密套件重協(xié)商(ciphersuiterenegotiation)和協(xié)議重協(xié)商（protocolrenegotiation）。

重新協(xié)商會有兩個隱患：

重協(xié)商后使用弱的安全算法。這樣的后果就是傳輸內(nèi)容很簡單泄露。重協(xié)商過程中不斷發(fā)起完全握手請求，觸發(fā)服務(wù)端進行高強度計算并引發(fā)服務(wù)拒絕。對于重協(xié)商，很直接的保護手段就是禁止客戶端主動重協(xié)商，當(dāng)然出于尤其場景的需求，應(yīng)該答應(yīng)服務(wù)端主動發(fā)起重協(xié)商。結(jié)束語

HTTPS的實踐和優(yōu)化涉及到了非常多的知識點，由于篇幅關(guān)系，本文對很多優(yōu)化策略只是簡單介紹了一下.假如想要了解協(xié)議背后的原理，還是需要具體閱讀TLS協(xié)議及PKI知識。對于大型站點來說，假如希望做到極致，HTTPS的部署需要結(jié)合產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)來進行具體的考慮，比起部署支持HTTPS的接入和對它的優(yōu)化，在產(chǎn)品和運維層面上花費的功夫會更多。本系列的下一篇文章將進一步進行介紹。

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