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大型网站做HTTPS调整时如何基于协议和配置做优化?

  大型网站做HTTPS调整时如何基于协议和配置做优化?

  百度在2015年即完成HTTPS改造,那大型网站的HTTPS改造中都有哪些?#23548;?#32463;验,学院君特分析这篇干货满满系列内容,转自百度运维博客。

  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 ?#38498;?#25903;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?#22836;?#38382;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?#27426;?#26102;间内,不管用户输入www.baidu.com还是http://www.baidu.com,都会默认将请求内部跳转成https://www.baidu.com。

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

  2.3 Session resume

  Session resume 顾名?#23478;?#23601;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?#22411;?#20840;握手阶?#21619;?#33410;省了一个 RTT 和计算耗时。

  TLS 协议目前提供两?#21482;?#21046;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, 目前的开源软件包括 nginx,apache 只支持单机多进程间共享缓存,不支持多机间分布?#20132;?#23384;,对于百度或者其他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?#31995;?#27983;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?#29992;?#25104; 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?#30465;?/p>

  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:

  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https://tools.ietf.org/html/draft-bmoeller-tls-falsestart-00。

  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 ?#35272;?#20110; PFS(perfect forward secrecy 完美前向?#29992;?,而 PFS 又?#35272;?#20110; 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(https://www.chromium.org/spdy),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?#30465;?/p>

  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 ?#36335;?#36890;过的 HTTP 下一代协议,它以 SPDY 为原型,经过两年多的?#33268;?#21644;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?#23478;?#32463;支持 SPDY3.1 协议。

  3 HTTPS 计算性能优化

  3.1 优先使用 ECC

  ECC 椭?#24067;用?#31639;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。

  表格 2 NIST 推荐使用的密钥长度

  对于 RSA 算法来讲,目前至少使用 2048 位以?#31995;?#23494;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。(https://eprint.iacr.org/2013/816.pdf)

  Openssl 2014 年就升级了 5 次,基本都是为了修复实现?#31995;?BUG 或者算法?#31995;?#28431;洞而升级的。所以尽量使用最新版本,避免安全?#31995;?#39118;险。

  3.3 ?#24067;?#21152;速方案

  现在比较常用的 TLS ?#24067;?#21152;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?#24067;?#25554;入到服务器的 PCI 插槽中,?#25422;布?#23436;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?#20013;?#30340;?#29992;?#31639;法或者协议时,?#24067;?#21152;速方案无法及时升级。

  b) 出现比较大的安全漏洞时,部分?#24067;?#26041;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?#24067;?#21152;速性能。?#24067;?#21152;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?#24067;?#35745;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?#24067;?#21152;速卡的计算能力。

  4, 维护性差。?#24067;?#39537;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?#27426;?#19981;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 ?#24067;?#21152;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?#21487;?#25104;。

  c) ECC 算法中的共享密?#21487;?#25104;。

  2, 优化?#24067;?#35745;算部分。?#24067;?#35745;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的。

  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 ?#29992;?#22871;件选择

  ?#29992;?#22871;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?#23433;?#20316;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 ?#23478;?#32463;不安全,建议使用 sha2 以?#31995;?#23433;全哈希函数。

  4.3 HTTPS 防攻击

  4.3.1 防止协议?#23548;?#25915;击

  ?#23548;?#25915;击一般包括两种:?#29992;?#22871;件?#23548;?#25915;击 (cipher suite rollback) 和协议?#23548;?#25915;击(version roll back)。?#23548;?#25915;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?#20808;?#30340;?#29992;?#22871;件或者协议完成通信。

  为了应对?#23548;?#25915;击,现在 server 端和浏览器之间都实现了 SCSV 功能,原理参考https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-tls-downgrade-scsv-00。

  一句话解释就是如果客户端想要?#23548;叮?#24517;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:?#29992;?#22871;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?#27426;?#21457;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?#24066;?#26381;务端主动发起重协商。

  5 结束语

  HTTPS 的?#23548;?#21644;优化涉及到了非常多的知识点,由于篇幅关系,本文?#38498;?#22810;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?#36816;?#30340;优化,在产品和运维层面上花费的功夫会更多。本系列?#21335;?#19968;篇文章将进一步进行介绍。

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