HTTPS如何优化?

硬件优化

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。

软件优化

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

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。

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。

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。

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;

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。

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