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# 3.5 HTTPS 如何优化？

由裸数据传输的 HTTP 协议转成加密数据传输的 HTTPS 协议，给应用数据套了个「保护伞」，提高安全性的同时也带来了性能消耗。

因为 HTTPS 相比 HTTP 协议多一个 TLS 协议握手过程，目的是为了通过非对称加密握手协商或者交换出对称加密密钥，这个过程最长可以花费掉 2 RTT，接着后续传输的应用数据都得使用对称加密密钥来加密/解密。

为了数据的安全性，我们不得不使用 HTTPS 协议，至今大部分网址都已从 HTTP 迁移至 HTTPS 协议，因此针对 HTTPS 的优化是非常重要的。

这次，就从多个角度来优化 HTTPS。

# 分析性能损耗

既然要对 HTTPS 优化，那得清楚哪些步骤会产生性能消耗，再对症下药。

产生性能消耗的两个环节：

  • 第一个环节， TLS 协议握手过程；
  • 第二个环节，握手后的对称加密报文传输。

对于第二环节，现在主流的对称加密算法 AES、ChaCha20 性能都是不错的，而且一些 CPU 厂商还针对它们做了硬件级别的优化，因此这个环节的性能消耗可以说非常地小。

而第一个环节，TLS 协议握手过程不仅增加了网络延时（最长可以花费掉 2 RTT），而且握手过程中的一些步骤也会产生性能损耗，比如：

  • 对于 ECDHE 密钥协商算法，握手过程中会客户端和服务端都需要临时生成椭圆曲线公私钥；
  • 客户端验证证书时，会访问 CA 获取 CRL 或者 OCSP，目的是验证服务器的证书是否有被吊销；
  • 双方计算 Pre-Master，也就是对称加密密钥；

为了大家更清楚这些步骤在 TLS 协议握手的哪一个阶段，我画出了这幅图：

# 硬件优化

玩游戏时，如果我们怎么都战胜不了对方，那么有一个最有效、最快的方式来变强，那就是「充钱」，如果还是不行，那说明你充的钱还不够多。

对于计算机里也是一样，软件都是跑在物理硬件上，硬件越牛逼，软件跑的也越快，所以如果要优化 HTTPS 优化，最直接的方式就是花钱买性能参数更牛逼的硬件。

但是花钱也要花对方向，HTTPS 协议是计算密集型，而不是 I/O 密集型，所以不能把钱花在网卡、硬盘等地方，应该花在 CPU 上。

一个好的 CPU，可以提高计算性能，因为 HTTPS 连接过程中就有大量需要计算密钥的过程，所以这样可以加速 TLS 握手过程。

另外，如果可以，应该选择可以支持 AES-NI 特性的 CPU，因为这种款式的 CPU 能在指令级别优化了 AES 算法，这样便加速了数据的加解密传输过程。

如果你的服务器是 Linux 系统，那么你可以使用下面这行命令查看 CPU 是否支持 AES-NI 指令集：

如果我们的 CPU 支持 AES-NI 特性，那么对于对称加密的算法应该选择 AES 算法。否则可以选择 ChaCha20 对称加密算法，因为 ChaCha20 算法的运算指令相比 AES 算法会对 CPU 更友好一点。

# 软件优化

如果公司预算充足对于新的服务器是可以考虑购买更好的 CPU，但是对于已经在使用的服务器，硬件优化的方式可能就不太适合了，于是就要从软件的方向来优化了。

软件的优化方向可以分层两种，一个是软件升级，一个是协议优化。

先说第一个软件升级，软件升级就是将正在使用的软件升级到最新版本，因为最新版本不仅提供了最新的特性，也优化了以前软件的问题或性能。比如：

  • 将 Linux 内核从 2.x 升级到 4.x；
  • 将 OpenSSL 从 1.0.1 升级到 1.1.1；
  • ...

看似简单的软件升级，对于有成百上千服务器的公司来说，软件升级也跟硬件升级同样是一个棘手的问题，因为要实行软件升级，会花费时间和人力，同时也存在一定的风险，也可能会影响正常的线上服务。

既然如此，我们把目光放到协议优化，也就是在现有的环节下，通过较小的改动，来进行优化。

# 协议优化

协议的优化就是对「密钥交换过程」进行优化。

# 密钥交换算法优化

TLS 1.2 版本如果使用的是 RSA 密钥交换算法，那么需要 4 次握手，也就是要花费 2 RTT，才可以进行应用数据的传输，而且 RSA 密钥交换算法不具备前向安全性。

总之使用 RSA 密钥交换算法的 TLS 握手过程，不仅慢，而且安全性也不高。

因此如果可以，尽量选用 ECDHE 密钥交换算法替换 RSA 算法，因为该算法由于支持「False Start」，它是“抢跑”的意思，客户端可以在 TLS 协议的第 3 次握手后，第 4 次握手前，发送加密的应用数据，以此将 TLS 握手的消息往返由 2 RTT 减少到 1 RTT，而且安全性也高，具备前向安全性。

ECDHE 算法是基于椭圆曲线实现的，不同的椭圆曲线性能也不同，应该尽量选择 x25519 曲线，该曲线是目前最快的椭圆曲线。

比如在 Nginx 上，可以使用 ssl_ecdh_curve 指令配置想使用的椭圆曲线，把优先使用的放在前面：

对于对称加密算法方面，如果对安全性不是特别高的要求，可以选用 AES_128_GCM，它比 AES_256_GCM 快一些，因为密钥的长度短一些。

比如在 Nginx 上，可以使用 ssl_ciphers 指令配置想使用的非对称加密算法和对称加密算法，也就是密钥套件，而且把性能最快最安全的算法放在最前面：

# TLS 升级

当然，如果可以，直接把 TLS 1.2 升级成 TLS 1.3，TLS 1.3 大幅度简化了握手的步骤，完成 TLS 握手只要 1 RTT，而且安全性更高。

在 TLS 1.2 的握手中，一般是需要 4 次握手，先要通过 Client Hello （第 1 次握手）和 Server Hello（第 2 次握手） 消息协商出后续使用的加密算法，再互相交换公钥（第 3 和 第 4 次握手），然后计算出最终的会话密钥，下图的左边部分就是 TLS 1.2 的握手过程：

上图的右边部分就是 TLS 1.3 的握手过程，可以发现 TLS 1.3 把 Hello 和公钥交换这两个消息合并成了一个消息，于是这样就减少到只需 1 RTT 就能完成 TLS 握手。

怎么合并的呢？具体的做法是，客户端在 Client Hello 消息里带上了支持的椭圆曲线，以及这些椭圆曲线对应的公钥。

服务端收到后，选定一个椭圆曲线等参数，然后返回消息时，带上服务端这边的公钥。经过这 1 个 RTT，双方手上已经有生成会话密钥的材料了，于是客户端计算出会话密钥，就可以进行应用数据的加密传输了。

而且，TLS1.3 对密码套件进行“减肥”了， 对于密钥交换算法，废除了不支持前向安全性的 RSA 和 DH 算法，只支持 ECDHE 算法。

对于对称加密和签名算法，只支持目前最安全的几个密码套件，比如 openssl 中仅支持下面 5 种密码套件：

  • TLS_AES_256_GCM_SHA384
  • TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256
  • TLS_AES_128_GCM_SHA256
  • TLS_AES_128_CCM_8_SHA256
  • TLS_AES_128_CCM_SHA256

之所以 TLS1.3 仅支持这么少的密码套件，是因为 TLS1.2 由于支持各种古老且不安全的密码套件，中间人可以利用降级攻击，伪造客户端的 Client Hello 消息，替换客户端支持的密码套件为一些不安全的密码套件，使得服务器被迫使用这个密码套件进行 HTTPS 连接，从而破解密文。

# 证书优化

为了验证的服务器的身份，服务器会在 TLS 握手过程中，把自己的证书发给客户端，以此证明自己身份是可信的。

对于证书的优化，可以有两个方向：

  • 一个是证书传输，
  • 一个是证书验证；

# 证书传输优化

要让证书更便于传输，那必然是减少证书的大小，这样可以节约带宽，也能减少客户端的运算量。所以，对于服务器的证书应该选择椭圆曲线（ECDSA）证书，而不是 RSA 证书，因为在相同安全强度下， ECC 密钥长度比 RSA 短的多。

# 证书验证优化

客户端在验证证书时，是个复杂的过程，会走证书链逐级验证，验证的过程不仅需要「用 CA 公钥解密证书」以及「用签名算法验证证书的完整性」，而且为了知道证书是否被 CA 吊销，客户端有时还会再去访问 CA， 下载 CRL 或者 OCSP 数据，以此确认证书的有效性。

这个访问过程是 HTTP 访问，因此又会产生一系列网络通信的开销，如 DNS 查询、建立连接、收发数据等。

# CRL

CRL 称为证书吊销列表（Certificate Revocation List），这个列表是由 CA 定期更新，列表内容都是被撤销信任的证书序号，如果服务器的证书在此列表，就认为证书已经失效，不在的话，则认为证书是有效的。

但是 CRL 存在两个问题：

  • 第一个问题，由于 CRL 列表是由 CA 维护的，定期更新，如果一个证书刚被吊销后，客户端在更新 CRL 之前还是会信任这个证书，实时性较差；
  • 第二个问题，随着吊销证书的增多，列表会越来越大，下载的速度就会越慢，下载完客户端还得遍历这么大的列表，那么就会导致客户端在校验证书这一环节的延时很大，进而拖慢了 HTTPS 连接。

# OCSP

因此，现在基本都是使用 OCSP ，名为在线证书状态协议（Online Certificate Status Protocol）来查询证书的有效性，它的工作方式是向 CA 发送查询请求，让 CA 返回证书的有效状态。

不必像 CRL 方式客户端需要下载大大的列表，还要从列表查询，同时因为可以实时查询每一张证书的有效性，解决了 CRL 的实时性问题。

OCSP 需要向 CA 查询，因此也是要发生网络请求，而且还得看 CA 服务器的“脸色”，如果网络状态不好，或者 CA 服务器繁忙，也会导致客户端在校验证书这一环节的延时变大。

# OCSP Stapling

于是为了解决这一个网络开销，就出现了 OCSP Stapling，其原理是：服务器向 CA 周期性地查询证书状态，获得一个带有时间戳和签名的响应结果并缓存它。

当有客户端发起连接请求时，服务器会把这个「响应结果」在 TLS 握手过程中发给客户端。由于有签名的存在，服务器无法篡改，因此客户端就能得知证书是否已被吊销了，这样客户端就不需要再去查询。

# 会话复用

TLS 握手的目的就是为了协商出会话密钥，也就是对称加密密钥，那我们如果我们把首次 TLS 握手协商的对称加密密钥缓存起来，待下次需要建立 HTTPS 连接时，直接「复用」这个密钥，不就减少 TLS 握手的性能损耗了吗？

这种方式就是会话复用（TLS session resumption），会话复用分两种：

  • 第一种叫 Session ID；
  • 第二种叫 Session Ticket；

# Session ID

Session ID 的工作原理是，客户端和服务器首次 TLS 握手连接后，双方会在内存缓存会话密钥，并用唯一的 Session ID 来标识，Session ID 和会话密钥相当于 key-value 的关系。

当客户端再次连接时，hello 消息里会带上 Session ID，服务器收到后就会从内存找，如果找到就直接用该会话密钥恢复会话状态，跳过其余的过程，只用一个消息往返就可以建立安全通信。当然为了安全性，内存中的会话密钥会定期失效。

但是它有两个缺点：

  • 服务器必须保持每一个客户端的会话密钥，随着客户端的增多，服务器的内存压力也会越大。
  • 现在网站服务一般是由多台服务器通过负载均衡提供服务的，客户端再次连接不一定会命中上次访问过的服务器，于是还要走完整的 TLS 握手过程；

# Session Ticket

为了解决 Session ID 的问题，就出现了 Session Ticket，服务器不再缓存每个客户端的会话密钥，而是把缓存的工作交给了客户端，类似于 HTTP 的 Cookie。

客户端与服务器首次建立连接时，服务器会加密「会话密钥」作为 Ticket 发给客户端，交给客户端缓存该 Ticket。

客户端再次连接服务器时，客户端会发送 Ticket，服务器解密后就可以获取上一次的会话密钥，然后验证有效期，如果没问题，就可以恢复会话了，开始加密通信。

对于集群服务器的话，要确保每台服务器加密 「会话密钥」的密钥是一致的，这样客户端携带 Ticket 访问任意一台服务器时，都能恢复会话。

Session ID 和 Session Ticket 都不具备前向安全性，因为一旦加密「会话密钥」的密钥被破解或者服务器泄漏「会话密钥」，前面劫持的通信密文都会被破解。

同时应对重放攻击也很困难，这里简单介绍下重放攻击工作的原理。

假设 Alice 想向 Bob 证明自己的身份。 Bob 要求 Alice 的密码作为身份证明，爱丽丝应尽全力提供（可能是在经过如哈希函数的转换之后）。与此同时，Eve 窃听了对话并保留了密码（或哈希）。

交换结束后，Eve（冒充 Alice ）连接到 Bob。当被要求提供身份证明时，Eve 发送从 Bob 接受的最后一个会话中读取的 Alice 的密码（或哈希），从而授予 Eve 访问权限。

重放攻击的危险之处在于，如果中间人截获了某个客户端的 Session ID 或 Session Ticket 以及 POST 报文，而一般 POST 请求会改变数据库的数据，中间人就可以利用此截获的报文，不断向服务器发送该报文，这样就会导致数据库的数据被中间人改变了，而客户是不知情的。

避免重放攻击的方式就是需要对会话密钥设定一个合理的过期时间。

# Pre-shared Key

前面的 Session ID 和 Session Ticket 方式都需要在 1 RTT 才能恢复会话。

而 TLS1.3 更为牛逼，对于重连 TLS1.3 只需要 0 RTT，原理和 Ticket 类似，只不过在重连时，客户端会把 Ticket 和 HTTP 请求一同发送给服务端，这种方式叫 Pre-shared Key。

同样的，Pre-shared Key 也有重放攻击的危险。

如上图，假设中间人通过某种方式，截获了客户端使用会话重用技术的 POST 请求，通常 POST 请求是会改变数据库的数据，然后中间人就可以把截获的这个报文发送给服务器，服务器收到后，也认为是合法的，于是就恢复会话，致使数据库的数据又被更改，但是此时用户是不知情的。

所以，应对重放攻击可以给会话密钥设定一个合理的过期时间，以及只针对安全的 HTTP 请求如 GET/HEAD 使用会话重用。

# 总结

对于硬件优化的方向，因为 HTTPS 是属于计算密集型，应该选择计算力更强的 CPU，而且最好选择支持 AES-NI 特性的 CPU，这个特性可以在硬件级别优化 AES 对称加密算法，加快应用数据的加解密。

对于软件优化的方向，如果可以，把软件升级成较新的版本，比如将 Linux 内核 2.X 升级成 4.X，将 openssl 1.0.1 升级到 1.1.1，因为新版本的软件不仅会提供新的特性，而且还会修复老版本的问题。

对于协议优化的方向：

  • 密钥交换算法应该选择 ECDHE 算法，而不用 RSA 算法，因为 ECDHE 算法具备前向安全性，而且客户端可以在第三次握手之后，就发送加密应用数据，节省了 1 RTT。
  • 将 TLS1.2 升级 TLS1.3，因为 TLS1.3 的握手过程只需要 1 RTT，而且安全性更强。

对于证书优化的方向：

  • 服务器应该选用 ECDSA 证书，而非 RSA 证书，因为在相同安全级别下，ECC 的密钥长度比 RSA 短很多，这样可以提高证书传输的效率；
  • 服务器应该开启 OCSP Stapling 功能，由服务器预先获得 OCSP 的响应，并把响应结果缓存起来，这样 TLS 握手的时候就不用再访问 CA 服务器，减少了网络通信的开销，提高了证书验证的效率；

对于重连 HTTPS 时，我们可以使用一些技术让客户端和服务端使用上一次 HTTPS 连接使用的会话密钥，直接恢复会话，而不用再重新走完整的 TLS 握手过程。

常见的会话重用技术有 Session ID 和 Session Ticket，用了会话重用技术，当再次重连 HTTPS 时，只需要 1 RTT 就可以恢复会话。对于 TLS1.3 使用 Pre-shared Key 会话重用技术，只需要 0 RTT 就可以恢复会话。

这些会话重用技术虽然好用，但是存在一定的安全风险，它们不仅不具备前向安全，而且有重放攻击的风险，所以应当对会话密钥设定一个合理的过期时间。

参考资料：

  1. http://www.doc88.com/p-8621583210895.html
  2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/33685085
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Replay_attack
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Downgrade_attack
  5. https://www.cnblogs.com/racent-Z/p/14011056.html
  6. http://www.guoyanbin.com/a-detailed-look-at-rfc-8446-a-k-a-tls-1-3/
  7. https://www.thesslstore.com/blog/crl-explained-what-is-a-certificate-revocation-list/

哈喽，我是小林，就爱图解计算机基础，如果文章对你有帮助，别忘记关注哦！

上次更新: 7/4/2022

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