Nginx https性能优化

╰半橙微兮° 2024-04-19 12:50 57阅读 0赞

# 1、影响HTTPS速度的主要原因： #

众周所知网站启用https后，会加剧服务器的负担。传统的http使用TCP三次握手建立连接，而SSL和TLS在这个基础上还需要9个握手包，所以这个负担显而易见。

## 1.1 密钥交换算法 ##

常见的密钥交换算法有 `RSA`，`ECDHE`，`DH`，`DHE` 等算法。它们的特性如下：

**RSA**：算法实现简单，诞生于 1977 年，历史悠久，经过了长时间的破解测试，安全性高。缺点就是需要比较大的素数（目前常用的是 2048 位）来保证安全强度，很消耗 CPU 运算资源。RSA 是目前唯一一个既能用于密钥交换又能用于证书签名的算法。

**DH**：diffie-hellman 密钥交换算法，诞生时间比较早（1977 年），但是 1999 年才公开。缺点是比较消耗 CPU 性能。

**ECDHE**：使用椭圆曲线（ECC）的 DH 算法，优点是能用较小的素数（256 位）实现 RSA 相同的安全等级。缺点是算法实现复杂，用于密钥交换的历史不长，没有经过长时间的安全攻击测试。

**ECDH**：不支持 PFS，安全性低，同时无法实现 false start。

**DHE**：不支持 ECC。非常消耗 CPU 资源 。

## 1.2 建议优先支持 RSA 和 ECDH\_RSA 密钥交换算法。 ##

原因是：

1， ECDHE 支持 ECC 加速，计算速度更快。支持 PFS，更加安全。支持 false start，用户访问速度更快。

2， 目前还有至少 20% 以上的客户端不支持 ECDHE，我们**推荐使用 RSA** 而不是 DH 或者 DHE，因为 **DH 系列算法非常消耗 CPU**（相当于要做两次 RSA 计算）。

## 1.3 更改其配置如下 ##

（参照 Nginx Performance Tuning for SSL（ [http://dojo.techsamurais.com/?p=1384][http_dojo.techsamurais.com_p_1384] ）：

ssl\_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;  
ssl\_ciphers ECDHE-RSA-AES256-SHA384:AES256-SHA256:RC4:HIGH:!MD5:!aNULL:!eNULL:!NULL:!DH:!EDH:!AESGCM;  
ssl\_prefer\_server\_ciphers on;  
ssl\_session\_cache shared:SSL:10m;  
ssl\_session\_timeout 10m;

或者

ssl\_ciphers ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-SHA384:ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-ECDSA-AES128-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-SHA256:ECDHE-ECDSA-RC4-SHA:!ECDHE-RSA-RC4-SHA:ECDH-ECDSA-RC4-SHA:ECDH-RSA-RC4-SHA:ECDHE-RSA-AES256-SHA:!RC4-SHA:HIGH:!aNULL:!eNULL:!LOW:!3DES:!MD5:!EXP:!CBC:!EDH:!kEDH:!PSK:!SRP:!kECDH;

*（禁用了RC4，sha1，MD5等算法）*

# 2 辅助加速： #

## 2.1. 启用SPDY ##

SPDY 是 Google 推出的优化 HTTP 传输效率的协议（ [https://www.chromium.org/spdy][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。  
可以 在编译Nginx带上参数 –with-http\_spdy\_module 支持SPDY协议，然后可在配置中启用：

listen 443 ssl spdy;

*检测是否使用SPDY的网址（ [https://spdycheck.org/][https_spdycheck.org] ）*

## 2.2. HSTS ##

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][www.baidu.com] ，都会默认将请求内部跳转成 https://www.baidu.com；  
将下述行添加到你的 HTTPS 配置的 server 块中：

add_header Strict-Transport-Security "max-age=31536000";

## 2.3. 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**。

**ssl\_session\_cache shared:SSL:20m;  
ssl\_session\_timeout 20m;**

参照Nginx的官方文档1MB内存大约可以存储4000个session，按例配置20M大约可以存储80000。根据需求合理设置。

\-----------------

https存在一个缺点：每次新的TLS连续都需要握手，以便创建共享的加密密钥，在TCP三次握手之上还需要两个来回。

但是TLS有几个特点可以抵消额外的握手：重用一个Session。有两个标准会话重用机制：session IDs (RFC 5246) 和 session tickets (RFC 5077)，使用其中一个技术，一个客户端可以重用之前创建的会话，这个会话是之前和服务器进行握手成功的，这样可以减少一次来回过程。基于SessionID的会话重用适合现代所有浏览器，FireFox和Chrome甚至还支持 session tickets。

**Nginx之ssl\_session\_cache详解：**

引用一下Nginx官网对ssl\_session\_cache选项的说明

![ssl\_session\_cache][ssl_session_cache]

翻译过来：

> **Syntax:ssl\_session\_cache off | none | \[builtin\[:size\]\] \[shared:name:size\];**
> 
> **默认:**
> 
> ssl\_session\_cache none;
> 
> Context:http, server
> 
> **设置存储session参数的缓存的类型和大小。缓存可以是以下任何一种类型：**
> 
> **off**
> 
> 严禁使用session缓存：nginx明确告诉客户端session可能不会被重用。
> 
> **none**
> 
> session缓存的使用被禁止：nginx告诉客户端session可能会被重用，但实际上并不会将session参数存储在缓存中。
> 
> **builtin**
> 
> 在OpenSSL中构建的缓存；仅由一个工作进程使用。缓存大小在session中指定。如果没有给出大小，则等于20480个会话。使用内置高速缓存可能导致内存碎片。
> 
> **shared**
> 
> 所有工作进程之间共享缓存。缓存大小以字节为单位指定；一兆字节可以存储大约4000个session。每个共享缓存都应该有一个任意名称。具有相同名称的缓存可以用于多个虚拟服务器。
> 
> **两种类型的缓存可以同时使用：配置案例:**
> 
> ssl\_session\_cache builtin:1000 shared:SSL:10m;
> 
> **但是只使用shared缓存，而不使用built-in缓存性能应该会更高。**

**Nginx配置ssl\_session\_cache：**

目前使用较多的配置是built-in和shared同时使用：

ssl\_session\_cache builtin:1000 shared:SSL:10m;

但是Nginx官方说只使用shared，性能会更高，配置方法为：

ssl\_session\_cache shared:SSL:10m;

## 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。 将证书保存下来，浏览器请求时候直接通过自己的服务器发送回去，防止验证服务器出问题，还能加快访问速度。

查看OSCP验证服务器地址：

openssl x509 -in 1_test.qupeiyin.net_bundle.crt  -text

在输出的文字中找到 OCSP - URI: ，后面的 URL 就是 OSCP 的验证服务器地址。  
如图：

请求OSCP证书

openssl ocsp -noverify \             
    -issuer /certificate-path/trustchain.crt \             
    -cert /certificate-path/trustchain.crt \             
    -url http://ocsp1.wosign.com/ca6/server1

不出意外会收到如下的结果

trustchain.crt: good        
        This Update: Oct 18 17:59:10 2014 GMT        
        Next Update: Oct 18 23:59:10 2014 GMT

如果出现 403 错误，那就需要在 Header 请求头加上域名参数 -header “HOST” “ocsp2.globalsign.com” ，没问题后就可以直接保存下来证书文件，完整的命令如下：

openssl
    ocsp -noverify  -issuer 1_root_bundle.crt
    -cert 1_root_bundle.crt -url http://ocsp1.wosign.com/ca6/server1  -header "HOST"
    "ocsp1.wosign.com" -text -respout ./stapling_file.ocsp

将保存下来的 stapling\_file.ocsp 证书添加到 nginx 的配置中，如下，Nginx 中配置变成了这样子：

ssl_stapling on;
    ssl_stapling_verify on;
    ssl_stapling_file /stapling_file.ocsp;
    ssl_trusted_certificate /certificate-path/trustchain.crt;

这样子重启 Nginx 后就会生效，可以使用下面的命令测试生效结果：

echo QUIT | openssl s_client -connect blog.alphatr.com:443 -status 2> /dev/null | grep -A 17 'OCSP response:' | grep -B 17 'Next Update'

看到 OCSP Response Status: successful 这样的字样就是成功了。  
ocsp证书有效期很短，大概不到一个月，所以过段时间要更新ocsp证书，不然还是会验证失败。需要用脚本定时更新OCSP证书。

# 3. 总结：（全部优化参数） #

ssl on;
    ssl_certificate /data/www/ssl/ssl.crt;
    ssl_certificate_key /data/www/ssl/ssl.key;
    ssl_trusted_certificate /data/www/ssl/trustchain.crt;
    ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
    ssl_ciphers ECDHE-RSA-AES256-SHA384:AES256-SHA256:RC4:HIGH:!MD5:!aNULL:!eNULL:!NULL:!DH:!EDH:!AESGCM;
    ssl_prefer_server_ciphers on;
    ssl_stapling on;
    ssl_stapling_verify on;
    ssl_session_cache shared:SSL:10m;
    ssl_session_timeout 10m;
    add_header Strict-Transport-Security "max-age=31536000";
    resolver 223.5.5.5 223.6.6.6 valid=300s;
    resolver_timeout 10s;
    
    error_page 497 https://$host$request_uri;

参数详解：

ssl on  开启SSL
    ssl_certificate  对应单张证书
    ssl_certificate_key  对应私钥
    ssl_trusted_certificate  对应信任链(即Startcom SSL或者Positive SSL中需要附加到单张证书后面的那两张证书，可以独立出来)
    ssl_protocols  支持的SSL协议标准（nginx默认参数为：ssl_protocols SSLv3 TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;）
    ssl_ciphers  （nginx默认参数为：ssl_ciphers HIGH:!aNULL:!MD5;）
    
    ssl_prefer_server_ciphers On; #指定服务器密码算法在优先于客户端密码算法时，使用SSLv3和TLS协议。
    
    error_page 497 https://$host$request_uri;  通过497错误将http转跳到https

# 4. 其他文章：这里记录一下，方便自己学习回顾 #

转自[https://zhuanlan.zhihu.com/p/25290538][https_zhuanlan.zhihu.com_p_25290538]

这次分享的内容主要是来自于我们HTTPS上具体的工作实践，主要内容分以下三部分：

1.  计算性能的分析和优化；
2.  无密钥加载；
3.  证书优化

## 4.1 为什么66%的网站不支持HTTPS？ ##

谈优化之前我们先看背景和趋势，大家也很清楚HTTPS是大势所趋，Google、Facebook和国内诸多大型互联网公司也已经支持HTTPS，然而这里有两点大家需要注意：

1.  iOS10的ATS政策（App Transport Security）要求2017年1月1日后所有在iOS App Store上架的App都需要支持HTTPS，否则无法上架；
2.  Google的Chrome浏览器54版本已经将HTTP的域名输入框前增加“!”的提示，如下图，所有的HTTP站点都会有这个标识。同样在2017年1月1日后开始，Chrome浏览器会在用户点击“!”的提示符后将该网站不安全的信息显示出来，只要涉及到登录和搜集用户数据的页面，只要是HTTP的都会标注不安全，相信这也会加速HTTPS的推进。

![format_png][]

HTTPS很安全，很古老也很成熟，为什么一直到今天我们还有66%的网站不支持HTTPS呢？原因有两点：

1. 慢，**HTTPS未经任何优化的情况下要比HTTP慢几百毫秒以上，特别在移动端可能要慢500毫秒以上**，关于HTTPS慢和如何优化已经是一个非常系统和复杂的话题，由于时间的关系，本次分享就不做介绍了。但有一点可以肯定的是，HTTPS的访问速度在经过优化之后是不会比HTTP慢；

2. 贵，特别在计算性能和服务器成本方面。HTTPS为什么会增加服务器的成本？相信大家也都清楚HTTPS要额外计算，要频繁地做加密和解密操作，几乎每一个字节都需要做加解密，这就产生了服务器成本，但也有两点大家可能并不清楚：

*  HTTPS有哪些主要的计算环节，是不是每个计算环节计算量都一样？
 *  知道这些计算环节对CPU的影响，我们如何优化这些计算环节？

![format_png 1][]

接下来我将介绍我们在这两个问题上的探讨。

## 4.2 HTTPS主要的计算环节 ##

首先看HTTPS主要的计算环节，下图是一个协议交互的简要介绍图，它的四种颜色分别代表4种不同的主要计算环节：

1.  红色环节是非对称密钥交换，通过客户端和服务端不一致的信息协商出对称的密钥；
2.  蓝色环节是证书校验，对证书的签名进行校验，确认网站的身份；
3.  深绿色环节是对称加解密，通过非对称密钥交换协商出对称密钥来进行加解密；
4.  浅绿色环节是完整性校验，不仅要加密还要防止内容被篡改，所以要进行自身的完整性校验。

![format_png 2][]

知道这些主要的计算环节之后，每一个计算环节对计算性能的影响分别是多少以及如何分析？这里和大家分享我们计算性能的分析维度，主要分为三部分：算法、协议和系统。

1.  算法，所谓的算法其实是HTTPS所用到密码学里最基本的算法，包括对称加密、非对称密钥交换、签名算法、一致性校验算法等，对应的分析手段也很简单：openssl speed；
2.  协议，因为不同的协议版本和消息所对应使用的算法是不一样的，虽然算法的性能很确定，但是和协议关联起来它就不确定了。由于性能和协议相关，我们重点分析的是协议里完全握手的阶段，我们会对完全握手的每个消息和每个函数进行时间的分析；
3.  系统，比如我们使用Nginx和OpenSSL，我们会对它进行压力测试，然后在高并发压力环境下对热点事件进行分析和优化。

![format_png 3][]

接下来详细介绍以上的分析维度，首先是对称加密和一致性校验算法的测试分析，这个手段和工具（openssl speed）很简单，我就不多介绍了。这里总结一下：下图中柱状图越高表示性能越好，可以看出**性能最好的是AES-128-GCM，性能最差的是AES-256-CBC**，但即使它性能最差，它也只需要47微秒就能处理4000个字节，性能相比来说也还能接受。

![format_png 4][]

接下来我们看密钥交换和签名算法的测试。

下表中Sign代表服务端进行的签名，Verify指的是客户端对签名进行的校验。我们关注一下红色数字809，这代表使用RSA-2048位时，我们服务端1秒钟只能处理809次，这已经是我们使用线上非常好的一款CPU进行测试的结果，事实上大部分机器1秒钟只能处理三四百次，可以说性能非常差。

接下来是Verify校验，能看出来我们使用Ecdsa(nistp256)时一秒钟能处理7000多次，同样这也是我们使用线上比较好的服务器所测试的结果，由于Verify发生在客户端，考虑到移动端手机的CPU是非常弱的，因此这里一秒钟可能只就能处理几百次。

![format_png 5][]

接下来看协议耗时的分析，这里用ECDHE\_RSA非对称密钥交换握手进行举例，大家注意红色ServerKeyExchange部分，它用了2400微秒（2.4毫秒），这是一个非常恐怖的概念，如果我们HTTPS请求每一次都需要进行完全握手处理，这意味着我们CPU一个核每秒最多只能处理400次多一点。

![format_png 6][]

最后我们看热点事件的分析，它也比较简单，我们对系统进行压力测试，用perf record对事件进行记录，然后使用flame graph将它们可视化出来，最后看到一些相关数据和结果。

![format_png 7][]

总结以上计算性能分析：

*  **HTTPS完全握手的性能不到普通HTTP性能的10%，如果说HTTP的性能是QPS 1万，HTTPS可能只有几百；**
 *  为什么会这么低呢？主要是RSA算法，它对性能的影响占了75%左右；
 *  ECC椭圆曲线如果使用最常用的ECDHE算法，这部分约占整体计算量的7%；
 *  对称加解密和MAC计算，它们对性能影响比较小，是微秒级别的。

![format_png 8][]

## 4.3 优化 ##

有了这些分析结论，如何优化呢？我们总结了三个步骤：

1.  首先第一步也是最简单的一个优化策略，就是减少完全握手的发生，因为完全握手它非常消耗时间；
2.  对于不能减少的完全握手，对于必须要发生的完全握手，对于需要直接消耗CPU进行的握手，我们使用代理计算；
3.  对称加密的优化；

![format_png 9][]

### 4.3.1 简化握手的原理以及实现 ###

我们首先来看完全握手和简化握手，这是TLS层的概念，我简单说下简化握手的两个好处：

1.  首先简化握手相比完全握手要少一个RTT(网络交互），从完全握手大家可以看出来，它需要两个握手交互才能进行第三步应用层的传输，而简化握手只需要一个RTT就能进行应用层的数据传输；
2.  完全握手有ServerKeyExchange的消息（红色框部分），这个消息之前提过需要2.4毫秒，另外完全握手有Certificate证书的消息，而简化握手并不需要。这也就是简化握手第二个好处，它减少了计算量，它不需要CPU消耗太多时间。

![format_png 10][]

既然简化握手这么好，我们如何实现？首先看协议层如何支持。TLS协议层有两个策略可以实现：

*  第一个是Session ID，Session ID由服务器生成并返回给客户端，客户端再次发起SSL握手时会携带上Session ID，服务端拿到后会从自己的内存查找，如果找到便意味着客户端之前已经发生过完全握手，是可以信任的，然后可以直接进行简化握手。
 *  第二个策略是Session Ticket，同样它也是客户端发起握手时会携带上的扩展，服务器拿到Session Ticket后会对它进行解密，如果解密成功了就意味着它是值得信任的，从而可以进行简化握手，直接传输应用层数据。

![format_png 11][]

工程实现上会有什么问题呢？现在最常用的Nginx+OpenSSL有两个局限：

1.  **Nginx只支持单机多进程间共享的Session Cache**，假如我们所有接入用的是一台服务器、一台Nginx的话，那ID生成和查找都在一起，肯定是可以命中的，但是我们大部分特别是流量比较大的接入环境都是多台机器接入。比如我们同一个TGW或者说LVS下面有多台Nginx，那么第一台Nginx产生的ID返回给用户，用户可能隔了一个小时候之后再发起SSL握手，它携带上的Session ID肯定会随机地落到某一台Nginx上面（比如落在第三台Nginx上），这样肯定无法查找到之前的Session ID，无法进行简化握手，这是第一个局限，即命中率会比较低；
2.  OpenSSL提供了一个Session Cache的callback可以回调，但是这个回调函数是同步的，而Nginx是完全异步事件驱动的框架，如果Nginx调用这个callback进行网络查找，假如这个网络查找需要1毫秒，这意味着整体性能不会超过一千次。

![format_png 12][]

我们如何进行改进？我们看第一个问题（Session Cache）的两个改进方案:

### **1. IP Hash** ###

这是最简单的根据IP做Hash的负载均衡策略，相信大家对此都很清楚，这方案的好处是可以保证相同的IP用户永远都在同一台Nginx上面，Session Cache的命中率会提升，但是它有两个缺点：

*  它**容易导致热点**，我们有很多Net网关出口IP用户的访问量非常大，也就是说有一些IP请求非常大导致某一台机器负载不均衡；
 *  用户**IP可能会经常变化**，特别在移动端上，在Wi-Fi和4G环境下切换导致的IP变化同样会使Session Cache的命中率降低。

### **2. 分布式缓存（分布式Session Cache）** ###

这是更优的方案，假如用户开始发起握手，我们第一台Nginx生成ID会写入到一个全局的比如redis缓存里，然后返回给用户。用户下一次发起握手的时候，假如他落到第三台Nginx上面，由于我们都是全局的Session Cache查找，这命中率一下就提升上来了。我们实现了这个方案，但暂时还没有开源，在这里可以给大家推荐两个开源方案，大家有兴趣可以了解一下。

*  **OpenResty，它提供了SSL Cache全局查找的指令；**
 *  **BoringSSL，这是Google fork OpenSSL的版本，它也在SSL层面上实现了异步的Session Cache查找。**

![format_png 13][]

### 3 Session Ticket ###

接下来我们看Session Ticket，由于Session Cache有个缺点是必须在服务端做缓存，会浪费很大内存，而Session Ticket有个好处是它不需要服务端做缓存，但同样它也有个缺点：默认情况下比如三台Nginx各自的Session Ticket加解密密钥是不同（这里的密钥是指Session Ticket的对称加解密的密钥而不是指证书对应的私钥）。

举个例子，比如第一台Nginx的Session Ticket用密钥加密返回给用户，用户下一次再访问落到第三台机器，你用第一台机器加密产生的密钥用第三台的密钥去解密肯定会失败。这个问题很好解决，我们**将所有的Nginx机器配置成同一个加解密的密钥就可以了，这样也能实现简化握手**。

![format_png 14][]

### 4 Self Session Ticket ###

我们看一下第三个方案：Self Session Ticket。Session ID和Session Cache都有一个共同点：Session基于内存，如果我们的App、浏览器或操作系统如果第一次启动或重启（或者浏览器的Tab关闭后又打开）都有可能导致Session ID和Session Ticket丢失，出于安全角度考虑，这情况下就必须要发起完全握手，怎么解决呢？

如果这个App是我们完全自主、独立自主开发，我们可以实现Self Session Ticket，我们将Ticket存储在硬盘里面，而不是在内存里。这显然会带来一定的安全风险，但是我们会做一些限制：

1.  Ticket存储在App的私有路径里，对非Root的手机是很难读取到私有路径的数据；
2.  我们可以选择对一些安全系数要求不是很高的业务开启这个功能；
3.  这个密钥开关我们做到可以随时控制。

综上，即使这方案出现最危险的情况，其实是和HTTP方案是一样的，它不会比HTTP方案安全性要差。

![format_png 15][]

## 4.4 异步代理计算的原理和实现 ##

刚才提到的都是关于如何减少完全握手，提升简化握手，但对很多的请求，比如说浏览器第一次启动必须要经过完全握手，而且不是我们能够自主控制的。对于这部分的内容，完全握手比例占了至少30%以上，也就是说我们还有30%以上的请求必须要触发CPU进行大量计算，对这部分怎么解决呢？

我们的方案是异步代理计算，主要是分三个步骤：

1.  算法分离，把最消耗CPU资源的算法剥离出来，不让它消耗本机的CPU资源；
2.  代理计算，既然不消耗本机的CPU资源，我们可以使用硬件加速卡或者空闲的CPU资源来完成计算；
3.  异步执行，我把算法分离出来交给计算集群去计算的时候，这个过程是异步的，我不需要同步等待计算结果返回，这样对我们性能提升也是非常有帮助的。

![format_png 16][]

### **4.4.1 算法分离** ###

要分离哪些算法？最主要是密钥交换算法（非对称密钥交换算法），密钥交换算法最常用的是三类：

1.  RSA
2.  ECDHE\_RSA
3.  DHE\_RSA

由于DHE\_RSA是非常消耗性能的，这个方法也不安全，所以我们线上并没有采用。目前使用最多的是ECDHE\_RSA，考虑到兼容性的问题时使用了RSA。

RSA和ECDHE\_RSA为什么会消耗CPU资源？RSA主要是对客户端发回来的pre\_master\_secret进行解密，它消耗CPU资源的过程是私钥解密的计算；而ECDHE\_RSA则有两个步骤：

1.  生成ECC椭圆曲线的公钥和几个重要的参数；
2.  对这几个参数进行签名，客户端要确保参数是我服务端发过来的，就是通过RSA的签名来保证。

RSA签名为什么消耗CPU呢？RSA签名同样有两个步骤：

1.  首先它通过SHA1进行Hash计算；
2.  对Hash结果进行私钥加密，也就是最终消耗CPU的过程是私钥解密和私钥加密的计算。这两个计算为什么消耗CPU？看下图公式，如果e或者d这个指数是一个接近2的2048次方的天文数字，那就非常消耗CPU。这也就是RSA算法为什么消耗CPU的最直接的数学解释。

![format_png 17][]

我们再看一下协议层面我们该如何实现分离。同样以ECDHE\_RSA为例，由于使用了ECC参数和RSA签名，之前提到的ServerKeyExchange这个消息用了2.4毫秒，我们需要对这个消息进行分离，将一步操作拆成多个步骤。

![format_png 18][]

我们再看一下RSA密钥交换的分离，RSA非对称密钥交换算法不需要ServerKeyExchange的消息，但需要对Client发过来的ClientKeyExchange进行解密的操作，也就是最消耗算法的过程是RSA解密的地方，我们需要对这个步骤进行分离。

![format_png 19][]

### **4.4.2 异步代理计算——架构** ###

以上是算法层面包括协议层面进行的分离。接下来解释工程实现上的架构，下图左部分是最常用最简单的配置，比如我们配置好Nginx+OpenSSL，然后把证书和私钥放上去，把443端口打开，就能用上HTTPS了，但这里消耗的都是本机的CPU资源，这里面就会性能很差。

![format_png 20][]

我们看异步硬件加速卡代理计算的模型，用户发起HTTPS握手，涉及到私钥计算（比如ServerKeyExchange和对ClientKeyExchange解密）的时候，我们会把ECC的参数剥离出来发送给我们的计算集群，发送出去同时立马异步返回，又可以接受其他用户的请求，不需要等待。

计算集群计算完了以后，我们会把计算结果返回给比如Nginx，Nginx又触发最初的用户场景，从而完成HTTPS的握手，这是一个大概的交互流程。

这里面需要注意的是，我们不仅仅可以使用SSL硬件加速卡，还可以使用线上的空闲CPU资源，比如CPU比较空闲的存储集群，如果硬件加速卡出现故障，我们可以直接把卡拔掉，可以用硬件加速卡集群上的CPU资源来做计算。我们对算法的解耦是非常纯粹的，和协议、证书没有任何关系，我们只做RSA的计算，不管哪一边进行升级，只要RSA算法还是安全的，我们的协议就十分稳定，我们的维护成本也非常低。

### **4.4.3 异步代理计算——工程实现** ###

我们看一下工程实现，像Nginx需要事件框架进行修改来实现OpenSSL Nginx计算集群交互，通过模块是无法实现的，尽管Nginx模块机制非常强大丰富，但是它在HTTP头部数据解析完成之后才能介入处理，但SSL握手只有进行SSL握手完之后才能进行应用层的数据传输，也就是说在进行SSL握手的时候，它没有任何HTTP的数据，这时候模块是没办法介入处理的，必须对事件框架进行修改。

关于OpenSSL，需要对OpenSSL的协议栈进行修改，主要涉及到s3\_srvr.c这个文件，这个文件主要是实现OpenSSL握手的协议栈，这里介绍一个开源方案：OpenSSL1.1.0，它已经支持了异步事件，同样还是需要修改Nginx才能实现异步。性能也很强大，纯ECDHE\_RSA性能相比本机能够提升3.5倍，而且解耦做得非常好。

![format_png 21][]

## **4.5 其他优化** ##

### ** 4.5.1 ECC椭圆曲线的优化** ###

刚才提到的一系列都是针对完全握手、简化握手的介绍。接下来看对ECC椭圆曲线的优化，这里说的优化不是针对算法本身进行的优化，而是使用OpenSSL的官方版本过程中需要注意的地方。

尽量使用NIST P-256这条曲线，这条曲线是Intel几个工程师在2013年进行的优化，性能提升了4倍。通常来讲密钥越大，性能肯定越差，比如RSA-2048肯定比1024要慢4倍左右，P-256曲线看上去应该比P-224要慢，但是实际上P-256曲线比P-224性能高了4倍，正是因为经过了一系列的优化。

另外需要注意的是OpenSSL的版本，这个优化特性只是在1.0.1L之后才加入的，下图表格中OpenSSL的1.0.1e版本ecdh(nistp256)的性能只有2548，而OpenSSL的1.1.0b版本ecdh(nistp256)性能能达到10271，提高了4倍。

![format_png 22][]

### **4.5.2 对称加密算法的优化** ###

我们再看一下对称加密算法的优化，对称加密主要分两块：

*  块式对称加密算法，根据刚才OpenSpeed跑的结果也能发现AES-GCM性能最高，建议大家使用。AES-NI同样是Intel CPU提供的硬件加速指令，这个指令相比不开启的CPU性能要提升5倍左右，现在市面上2010年之后的Intel CPU都是支持的，但需要注意如果要直接使用AES对称加解密，一定要使用OpenSSL封装的EVP\_EncryptInit\_ex函数，而不是用最底层的AES\_encrypt（尽管它很好记也很好用），默认的AES\_encrypt函数是不会用硬件加速指令的，因此性能会很差；

![format_png 23][]

*  流式对称加密算法。Chacha20-Poly1305是由Google专门针对移动端CPU优化的流式对称加密算法，它的性能相比普通算法要提高3倍。但Chacha20算法只适用于稍微低端、且不支持AES-NI指令的手机才能提高3倍，举个例子，例如iPhone支持AES-NI，但它的性能还是会比AES-GCM要差的。

RC4、SSL3.0已经不安全了，也彻底退出了历史舞台，但我们还有很多客户端只支持SSL3.0，比如IE6，比如WindowsXP的一些客户端和浏览器，我们的业务方仍需要支持这些业务，因此我们就必须支持SSL3.0，那如何支持呢？

首先SSL3.0为什么不安全？主要是两点：

1.  SSL3.0存在AES-CBC的缓存Poodle漏洞；
2.  RC4存在Bios偏移的漏洞；

这两个漏洞哪个更严重？Poodle漏洞会更严重一些，于是开启SSL3.0的话我们只支持RC4，这是第一点安全性的考虑，其次RC4的算法性能要比AES-CBC要高，比如业务方一定要支持WindowsXP和IE6的话，优先使用RC4。

![format_png 24][]

### 4.5.3 无密钥加载 ###

我们再看无密钥加载，无密钥加载的背景是这样的，HTTPS证书和私钥，私钥是HTTPS安全的根本，如果私钥被泄露了，那么意味着你的HTTPS是没有安全性可言，如果泄露了，只能撤销证书，重新生成私钥。

而且我们大部分使用HTTPS的场景都是将私钥和证书同机部署在比如Nginx上面，然后私钥保存在硬盘，这其实有安全风险的。比如说我们有很多兼容的大客户，他使用了证书和私钥，但是他的业务可能分散在几个云，或者几个CDN上，他就会担心私钥如果泄露了怎么办？

![format_png 25][]

我们因此设计了一个无密钥加载的方案，我们先看普通的HTTPS流程，用户发起HTTPS，到达腾讯云，到达STGW，我们直接调用私钥完成计算，完成HTTPS的握手，然后卸载，然后将HTTPS传递给业务。这是最普通的流程，会有一定的安全风险。

再看一下无密钥加载流程，什么是无密钥呢？比如腾讯云，我们接收的服务器不需要部署私钥，我们私钥是完全放在客户的物理服务器上面，为了保证私钥的安全，客户甚至可以把这个物理服务器放在家里。

正常的接收流程是这样的，我们用户到达HTTPS握手，到达STGW，然后涉及到私钥计算的时候，我们会把请求以及和私钥相关的参数，封装成一个异步请求发给腾讯云客户的物理服务器，然后物理服务器会调用私钥进行相关计算，再把计算结果返回给腾讯云服务器，完成HTTPS卸载。

整个交互流程中，STGW或者说腾讯云和私钥没有任何的接触，私钥是客户自己才拥有。这就是我们无密钥加载的一个简单的介绍。当然具体的流程或者实现，其实跟我刚才提到的异步代理计算有点类似，包括协议方面。

![format_png 26][]

### 4.5.4 证书优化 ###

接下来看证书的优化。如果是个人用户，向大家推荐Let's Encrypt，它是免费开源的CA证书颁发机构，它的优点就是免费开源，开源最大的好处就是可以对协议对整个交互流程都很清楚，支持Debug。它还有一个优点是能支持自动部署，它提供几个工具运行几分钟就可以把证书申请下来。

但它也有缺点，第一，它只是低级别即域名级别的证书申请，它只对域名的有效性进行校验，你能拥有这个域名就可以给你颁发证书，这就有安全风险了，假如我对域名进行劫持，我就可以冒名申请别人的证书。

另外兼容性也会比较差，像PC端Chrome访问没有任何问题，但我们用Android7.0去访问就有可能出现问题，因为CA支持和更新并不及时，因此就有兼容性的风险，所以推荐个人用户使用。

![format_png 27][]

对于企业用户，建议大家使用EV和OV级别的，因为它会需要你证书的机构、你的地址、法人信息、营业执照、在工商局的认证等信息，才确保只有你才能申请这个证书。

这是云的优势，申请很简单，一键式申请，不需要你自己生成私钥，也不需要生成证书的申请文件。这是腾讯云证书简单的说明。我们还有一个动作，在跟最大的证书厂商进行合作接触，我们会实现自己更低成本的自主品牌证书的颁发，这样的话证书会更加便宜，下图是腾讯云上面的介绍。

![format_png 28][]

我们看一下证书签名的选择，我们**最后使用了RSA，还使用ECDSA**，这两个是最主流最常用的签名类型。

**RSA的好处是兼容性好、历史悠久，所有的客户端都支持**，因为它算法已经存在40年了，缺点就是之前提到的代理计算，RSA需要私钥进行计算，服务端需要加密解密性能会比较差。

**ECDSA，优点就是服务端的性能好一点**，P-256只需要256位的输出域就能实现和2048位长度同样的安全性，它的安全性更高，服务端计算性能要好，但是客户端的性能要差。使用ECDSA P-256客户端的计算量要比RSA要大，RSA的公钥的数字非常小，只有65537，而ECDSA的客户端公钥长度很大，计算性要差很多，特别是手机计算性能要弱。

ECDSA的缺点就是兼容性差，比如说WindowsXP不支持。具体可以看下图的系统支持情况，这里面其实由于RSA和ECDSA这两个完全不同类型的证书，服务端其实可以同时支持，当然成本可能会稍微增加一些。目前使用ECDSA的还是多一些的。

![format_png 29][]

最后看一下SHA1和SHA256，SHA1不安全，像Google和Microsoft已经宣布放弃SHA1，如果你使用SHA1证书就访问不了。

SHA2兼容性比较差，比如WindowsXP不支持SHA2证书，但对于需要支持WindowsXP的业务来说如何兼容呢？我们观察到一个特性：不支持SNI的客户端也不支持SHA2。

SNI是TLS的一个特性和扩展，发起client hello的时候，它会携带上一个域名的信息，在握手的时候告诉服务端要访问哪一个域名（Server Name Indicator），虽然从协议或者从原理的角度来讲没有任何的必然的关系，但这个现象给我们一个启发：我们通过服务端配置能够解决这个兼容性的问题。

同样以Nginx和OpenSSL举例，假如说客户端1不支持SNI，只支持SHA1，客户端2是新的系统支持SNI。我们配置配两张证书，第一张证书我们同样都是接403端口和两个不同的Server，证书1放在前面，证书2支持SHA2放在后面。

当客户端1发起请求的时候，由于它不支持SNI，所以默认会返回第一张证书（第一张证书是支持SHA1的），这样不支持SNI也不支持SHA2的客户端1兼容性没有问题。

客户端2发起请求的时候，携带了SNI，由于有SNI和域名信息，服务端会挑选有域名的信息SHA2返回给客户端，实现SHA2的兼容。

![format_png 30][]

## 4.6HTTPS发展 ##

最后是我对于HTTPS发展的简单的概括和理解：

1.  更广。它会越来越流行，以后会成为互联网的标配。HTTP2作为下一代的协议，主流实现像Chrome\\FireFox都是强制使用HTTPS的。ATS也强制使用HTTPS，Chrome2017年也会将HTTP标识为不安全；
2.  更快。这里涉及到访问速度的优化，**TLS1.3是革命性飞跃式的TLS协议**，可以认为是TLS2.0，它相比1.2有非常大的变化，最大的变化有完全握手，它只需要一个RTT，而简化握手不需要RTT，也就是应用层数据不需要握手直接可以完成数据的传输，另外QUIC解决HTTPS协议的性能问题，TLS协议以后也会越来越快，大家不用担心访问速度的问题；
3.  更强。密钥长度越来越大，加密强度会越来越强，随着客户端和硬件的发展，CPU加解密的性能也会越来越强；
4.  更开放。之前提到类似Let's Encrypt的免费开源方案，以后也会成为越来越流行的方案。

![format_png 31][]

以上是HTTPS的性能优化，谢谢大家！

参考：

[https://zhuanlan.zhihu.com/p/25290538][https_zhuanlan.zhihu.com_p_25290538]

[https://www.ioperat.com/news/operation/43.html][https_www.ioperat.com_news_operation_43.html]

[https://segmentfault.com/a/1190000017270510][https_segmentfault.com_a_1190000017270510]

[http_dojo.techsamurais.com_p_1384]: http://dojo.techsamurais.com/?p=1384
[https_www.chromium.org_spdy]: https://www.chromium.org/spdy
[https_spdycheck.org]: https://spdycheck.org/
[www.baidu.com]: http://www.baidu.com/
[ssl_session_cache]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly93d3cuaW9wZXJhdC5jb20vaW1hZ2VzL3VwbG9hZC8yMDE4MDMxNS8xNTIxMDk4OTY4NjMzMTk4LmpwZw?x-oss-process=image/format,png
[https_zhuanlan.zhihu.com_p_25290538]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/25290538
[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1lNDdkZmQzODU3NmIxZGRlMzQwY2Q4NDAzYjY3NGNhN19oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi02MDA4M2Y5YzMxODBlYjQxNjBiMTdlZTk4YzBmZmQ4Yl9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0zNjY1ZWRjMDAwNzU1MjVlODNiODAzYmUwNTg2YzRlOV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi05ZWNiYjAwN2E0M2IyZmU0ZDk3ZDkzNWY1ZDExYzk5OV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 4]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi00M2MxODA5OTFhNjIyZTc2MzcyNjMwNDcxMmU1ODliOF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 5]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1hYmMxODE4NWQ3NDZjNThjM2RmOWRmOTIzNTY1M2I0Yl9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 6]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMzLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0zZTI5NzhmOWIwM2RmYWUwNTU0NDkxZDFlZTdhNDY3ZV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 7]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1jYjE4ZGI2Njc4ZDBiZjA4YmM4NjhhNmY0ZWYwOTU3MF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 8]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi01NDU5ZDk5ZGQyZDUyMDIxNmJlMmY2ZmViMDgwM2EyZF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 9]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1kZWFjYTNkNTRhZDVmNzRlYmYwMTIyYWVkMTc2YjMwZF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 10]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0zZDM5ZjJkOTc3YTRlMzM2ZTkyNmNiODU2MTZhMDhlMV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 11]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi01MThjODU3ZWZjNDE0ZWRlNDI0MjM4ZWI5MzI2NjczMF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 12]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0yMTNmNjI1NDJhZjc2NDgxNGU2OTVmNWM5NTU1YWY5Zl9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 13]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi03ZmU2NjE3MGFjMWEzNmQ1NjczNGNhYmMwNDgwNTE3Y19oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 14]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1hNjg4NWM4OTgzMmJlM2QxMmI0ZTExYjIxODcwMmRmNF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 15]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMzLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1iMzdkMDAwZjJmMTAzNDkzZDc3Y2Y0NDk4ZWM0MTI3YV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 16]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0wNmMyOWQ4MzAwODYxYTk1Yjg4MjYxZTdkMTc4NjhjY19oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 17]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi03NjI3Mjk3ZDRkN2Q3NWNjYjE3MDFkZWRkY2RlYzJlY19oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 18]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0yNDdkMzg3MTNhMDZlMzhjMDg5MjcyOGZkZTc2MzUzM19oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 19]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1hYTYyYTNjMjY2M2E5NjFjNWU0MzUyZWNkNjQyNjNlOV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 20]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi01YWVlYjg3NzhjNTczZWE3ZmE4Mjk3NjdlZDViNmJhZF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 21]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1lY2UxMDM0NjJlMDRlOTJlZjYxZDAzNTZjMTlhYTdlYl9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 22]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMxLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1kMjljOTQ1NTBmZWFlODlhOWUxNzdmM2ZkOGI3ZjZjNF9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 23]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi01NTFiMWM2ZGE3ZjdmYTc0ZGFmYzYzZTE4MzFlMmNkNV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 24]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0xY2IyNGZmNmRhMzFkMzcxZjJhZTNhMzM0NTE3YjQzYl9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 25]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi1mOTY0NjQxZGYwZTA5NzdhNGU5MDc0YWZlMDVkNzYyN19oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 26]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMzLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi03NzQ2M2ExMzgxNzZkZDI1YmM1ZWQ4MmFiZDRmYzJiZV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 27]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMzLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi00MTNlNGEzODk1ZmMyZGNlM2MyOTZlN2NkZTc0YmZmYV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 28]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMzLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi03ZTRjMWJhNDI2NzY3MWJmMDU5OWNiOTcxMTJlZDg2ZV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 29]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWM0LnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi01ZWQ0YWRhNGVmMzkxZmMyYWE4NDk0ZjVlYzA5ZGYxZl9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 30]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMyLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi0xYTQwYzMwYmE0NTgyMGY2ZjM4NzE5YmM5ZTc4ZDA3NV9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[format_png 31]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9waWMzLnpoaW1nLmNvbS84MC92Mi02NTMwOTc2NzhkZDgwZWVmZDM0ZmM5MDMwNGEzMWY0Nl9oZC5qcGc?x-oss-process=image/format,png
[https_www.ioperat.com_news_operation_43.html]: https://www.ioperat.com/news/operation/43.html
[https_segmentfault.com_a_1190000017270510]: https://segmentfault.com/a/1190000017270510