大型互联网站点HTTPS实践(三):基于协议和配置的优化
1 前言
在前面的文章中讲到 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,不支持多机间分布式缓存,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:
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。
如果CA站点在国外,这个过程非常消耗时间,网络不稳定,RTT 也比较大。如果CA站点在国内,那么就要好的多,OCSP查验速度也非常快,所以建议国内站点部署国产SSL证书比较好,无论是从速度性能方面考虑,还是从价格和安全方面考虑,国产CA机构如沃通CA(www.wosign.com)相比国外CA机构优势大的多。
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 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(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。
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。
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。(更多ECC算法请参考:ECC加密算法的技术优势http://www.wosign.com/ecc/index_2.htm)
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(详情参考:http://www.evssl.cn/ev-ssl-news1/78.html)。
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。(参考:如何修复SSL3.0 Poodle漏洞http://www.evssl.cn/ev-ssl-news2/101.html)
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 (详情参考http://www.evssl.cn/ev-ssl-news2/1767.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。