大型网站的 HTTPS 实践（三）——基于协议和配置的优化

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1 前言
上文讲到 HTTPS 对用户访问速度的影响。
本文就为大家介绍 HTTPS 在访问速度，计算性能，安全等方面基于协议和配置的优化。
2 HTTPS 访问速度优化
2.1 Tcp fast open
HTTPS 和 HTTP 使用 TCP 协议进行传输，也就意味着必须通过三次握手建立 TCP 连接，但一个 RTT 的时间内只传输一个 syn 包是不是太浪费？能不能在 syn 包发出的同时捎上应用层的数据？其实是可以的，这也是 tcp fast open 的思路，简称 TFO。具体原理可以参考 rfc7413。遗憾的是 TFO 需要高版本内核的支持，linux 从 3.7 以后支持 TFO，但是目前的 windows 系统还不支持 TFO，所以只能在公司内部服务器之间发挥作用。
2.2 HSTS
前面提到过将用户 HTTP 请求 302 跳转到 HTTPS，这会有两个影响：
1，不安全，302 跳转不仅暴露了用户的访问站点，也很容易被中间者支持。
2，降低访问速度，302 跳转不仅需要一个 RTT，浏览器执行跳转也需要执行时间。
由于 302 跳转事实上是由浏览器触发的，服务器无法完全控制，这个需求导致了 HSTS 的诞生：HSTS(HTTP Strict Transport Security)。服务端返回一个 HSTS 的 http header，浏览器获取到 HSTS 头部之后，在一段时间内，不管用户输入还是，都会默认将请求内部跳转成。Chrome, firefox, ie 都支持了HSTS（http://caniuse.com/#feat=stricttransportsecurity）。
2.3 Session resume
Session resume 顾名思义就是复用 session，实现简化握手。复用 session 的好处有两个：
1，减少了 CPU 消耗，因为不需要进行非对称密钥交换的计算。
2，提升访问速度，不需要进行完全握手阶段二，节省了一个 RTT 和计算耗时。
TLS 协议目前提供两种机制实现 session resume，分别介绍一下。
2.3.1 Session cache
Session cache 的原理是使用 client hello 中的 session id 查询服务端的 session cache, 如果服务端有对应的缓存，则直接使用已有的 session 信息提前完成握手，称为简化握手。Session cache 有两个缺点：
1，需要消耗服务端内存来存储 session 内容。
2，目前开源软件包括 nginx,apache 只支持单机多进程间共享缓存，不支持多机间分布式缓存，对于大型互联网公司而言，单机 session cache 几乎没有作用Session cache 也有一个非常大的优点：
1，session id 是 TLS 协议的标准字段，市面上的浏览器全部都支持 session cache。
百度通过对 TLS 握手协议及服务器端实现的优化，已经支持全局的 session cache，能够明显提升用户的访问速度，节省服务器计算资源。
2.3.2 Session ticket
上节提到了 session cache 的两个缺点，session ticket 能够弥补这些不足。Session ticket 的原理参考 RFC4507。简述如下：
server 将 session 信息加密成 ticket 发送给浏览器，浏览器后续握手请求时会发送 ticket，server 端如果能成功解密和处理 ticket，就能完成简化握手。
显然，session ticket 的优点是不需要服务端消耗大量资源来存储 session 内容。
Session ticket 的缺点：
1，session ticket 只是 TLS 协议的一个扩展特性，目前的支持率不是很广泛，只有 60% 左右。
2，session ticket 需要维护一个全局的 key 来加解密，需要考虑 KEY 的安全性和部署效率。
总体来讲，session ticket 的功能特性明显优于 session cache。希望客户端实现优先支持 session ticket。
2.4 Ocsp stapling
Ocsp 全称在线证书状态检查协议 (rfc6960)，用来向 CA 站点查询证书状态，比如是否撤销。通常情况下，浏览器使用 OCSP 协议发起查询请求，CA 返回证书状态内容，然后浏览器接受证书是否可信的状态。这个过程非常消耗时间，因为 CA 站点有可能在国外，网络不稳定，RTT 也比较大。那有没有办法不直接向 CA 站点请求 OCSP 内容呢？ocsp stapling 就能实现这个功能。详细介绍参考 RFC6066 第 8 节。简述原理就是浏览器发起 client hello 时会携带一个 certificate status request 的扩展，服务端看到这个扩展后将 OCSP 内容直接返回给浏览器，完成证书状态检查。由于浏览器不需要直接向 CA 站点查询证书状态，这个功能对访问速度的提升非常明显。Nginx 目前已经支持这个 ocsp stapling file，只需要配置 ocsp stapling file 的指令就能开启这个功能：

ssl_stapling on;ssl_stapling_file ocsp.staple;

2.5 False start

通常情况下，应用层数据必须等完全握手全部结束之后才能传输。这个其实比较浪费时间，那能不能类似 TFO 一样，在完全握手的第二个阶段将应用数据一起发出来呢？google 提出了 false start 来实现这个功能。详细介绍参考。简单概括 False start 的原理就是在 client_key_exchange 发出时将应用层数据一起发出来，能够节省一个 RTT。

False start 依赖于 PFS（perfect forward secrecy 完美前向加密），而 PFS 又依赖于 DHE 密钥交换系列算法（DHE_RSA, ECDHE_RSA, DHE_DSS, ECDHE_ECDSA），所以尽量优先支持 ECDHE 密钥交换算法实现 false start。

2.6 使用 SPDY 或者 HTTP2

SPDY 是 google 推出的优化 HTTP 传输效率的协议（），它基本上沿用了 HTTP 协议的语义, 但是通过使用帧控制实现了多个特性，显著提升了 HTTP 协议的传输效率。SPDY 最大的特性就是多路复用，能将多个 HTTP 请求在同一个连接上一起发出去，不像目前的 HTTP 协议一样，只能串行地逐个发送请求。Pipeline 虽然支持多个请求一起发送，但是接收时依然得按照顺序接收，本质上无法解决并发的问题。HTTP2 是 IETF 2015 年 2 月份通过的 HTTP 下一代协议，它以 SPDY 为原型，经过两年多的讨论和完善最终确定。本文就不过多介绍 SPDY 和 HTTP2 的收益，需要说明两点：

1，SPDY 和 HTTP2 目前的实现默认使用 HTTPS 协议。

2，SPDY 和 HTTP2 都支持现有的 HTTP 语义和 API，对 WEB 应用几乎是透明的。

Google 宣布 chrome 浏览器 2016 年将放弃 SPDY 协议，全面支持 HTTP2，但是目前国内部分浏览器厂商进度非常慢，不仅不支持 HTTP2，连 SPDY 都没有支持过。百度服务端和百度手机浏览器现在都已经支持 SPDY3.1 协议。

3 HTTPS 计算性能优化

3.1 优先使用 ECC

ECC 椭圆加密算术相比普通的离散对数计算速度性能要强很多。下表是 NIST 推荐的密钥长度对照表。

对称密钥大小	RSA 和 DH 密钥大小	ECC 密钥大小
80	1024	160
112	2048	224
128	3072	256
192	7680	384
256	15360	521

对于 RSA 算法来讲，目前至少使用 2048 位以上的密钥长度才能保证安全性。ECC 只需要使用 224 位长度的密钥就能实现 RSA2048 位长度的安全强度。在进行相同的模指数运算时速度显然要快很多。
3.2 使用最新版的 openssl
一般来讲，新版的 openssl 相比老版的计算速度和安全性都会有提升。比如 openssl1.0.2 采用了 intel 最新的优化成果，椭圆曲线 p256 的计算性能提升了 4 倍。()
Openssl 2014 年就升级了 5 次，基本都是为了修复实现上的 BUG 或者算法上的漏洞而升级的。所以尽量使用最新版本，避免安全上的风险。
3.3 硬件加速方案
现在比较常用的 TLS 硬件加速方案主要有两种：
1，SSL 专用加速卡。
2，GPU SSL 加速。
上述两个方案的主流用法都是将硬件插入到服务器的 PCI 插槽中，由硬件完成最消耗性能的计算。但这样的方案有如下缺点：
1， 支持算法有限。比如不支持 ECC，不支持 GCM 等。
2， 升级成本高。
    a)  出现新的加密算法或者协议时，硬件加速方案无法及时升级。
    b)  出现比较大的安全漏洞时，部分硬件方案在无法在短期内升级解决。比如 2014 年暴露的 heartbleed 漏洞。
3， 无法充分利用硬件加速性能。硬件加速程序一般都运行在内核态，计算结果传递到应用层需要 IO 和内存拷贝开销，即使硬件计算性能非常好，上层的同步等待和 IO 开销也会导致整体性能达不到预期，无法充分利用硬件加速卡的计算能力。
4，维护性差。硬件驱动及应用层 API 大部分是由安全厂家提供，出现问题后还需要厂家跟进。用户无法掌握核心代码，比较被动。不像开源的 openssl，不管算法还是协议，用户都能掌握。
3.4 TLS 远程代理计算
也正是因为上述原因，百度实现了专用的 SSL 硬件加速集群。基本思路是：
1，优化 TLS 协议栈，剥离最消耗 CPU 资源的计算，主要有如下部分：
    a)  RSA 中的加解密计算。
    b)  ECC 算法中的公私钥生成。
    c)   ECC 算法中的共享密钥生成。
2， 优化硬件计算部分。硬件计算不涉及协议及状态交互，只需要处理大数运算。
3， Web server 到 TLS 计算集群之间的任务是异步的。即 web server 将待计算内容发送给加速集群后，依然可以继续处理其他请求，整个过程是异步非阻塞
4 HTTPS 安全配置
4.1 协议版本选择
SSL2.0 早就被证明是不安全的协议了，统计发现目前已经没有客户端支持 SSL2.0，所以可以放心地在服务端禁用 SSL2.0 协议。
2014 年爆发了 POODLE 攻击，SSL3.0 因此被证明是不安全的。但是统计发现依然有 0.5% 的流量只支持 SSL3.0。所以只能有选择地支持 SSL3.0。
TLS1.1 及 1.2 目前为止没有发现安全漏洞，建议优先支持。
4.2 加密套件选择
加密套件包含四个部分：
1，非对称密钥交换算法。建议优先使用 ECDHE，禁用 DHE，次优先选择 RSA。
2，证书签名算法。由于部分浏览器及操作系统不支持 ECDSA 签名，目前默认都是使用 RSA 签名，其中 SHA1 签名已经不再安全，chrome 及微软 2016 年开始不再支持 SHA1 签名的证书 (http://googleonlinesecurity.blogspot.jp/2014/09/gradually-sunsetting-sha-1.html)。
3，对称加解密算法。优先使用 AES-GCM 算法，针对 1.0 以上协议禁用 RC4（ rfc7465）。
4，内容一致性校验算法。Md5 和 sha1 都已经不安全，建议使用 sha2 以上的安全哈希函数。
4.3 HTTPS 防攻击
4.3.1 防止协议降级攻击
降级攻击一般包括两种：加密套件降级攻击 (cipher suite rollback) 和协议降级攻击（version roll back）。降级攻击的原理就是攻击者伪造或者修改 client hello 消息，使得客户端和服务器之间使用比较弱的加密套件或者协议完成通信。
为了应对降级攻击，现在 server 端和浏览器之间都实现了 SCSV 功能，原理参考。
一句话解释就是如果客户端想要降级，必须发送 TLS_SCSV 的信号，服务器如果看到 TLS_SCSV，就不会接受比服务端最高协议版本低的协议。
4.3.2 防止重新协商攻击
重新协商（tls renegotiation）分为两种：加密套件重协商 (cipher suite renegotiation) 和协议重协商（protocol renegotiation）。
重新协商会有两个隐患：
1， 重协商后使用弱的安全算法。这样的后果就是传输内容很容易泄露。
2， 重协商过程中不断发起完全握手请求，触发服务端进行高强度计算并引发服务拒绝。
对于重协商，最直接的保护手段就是禁止客户端主动重协商，当然出于特殊场景的需求，应该允许服务端主动发起重协商。
5 结束语
HTTPS 的实践和优化涉及到了非常多的知识点，由于篇幅关系，本文对很多优化策略只是简单介绍了一下. 如果想要了解协议背后的原理，还是需要详细阅读 TLS 协议及 PKI 知识。对于大型站点来说，如果希望做到极致，HTTPS 的部署需要结合产品和基础设施的架构来进行详细的考虑，比起部署支持 HTTPS 的接入和对它的优化，在产品和运维层面上花费的功夫会更多。本系列的下一篇文章将进一步进行介绍。