大型網站的HTTPS實踐（三）——HTTPS對性能的影響

前言

HTTPS在保護用戶隱私，防止流量劫持方面發揮着非常關鍵的作用，但與此同時，HTTPS也會降低用戶訪問速度，增加網站服務器的計算資源消耗。本文主要介紹HTTPS對性能的影響。

HTTPS對訪問速度的影響

在介紹速度優化策略之前，先來看下HTTPS對速度有什麼影響。影響主要來自兩方面：協議交互所增加的網絡RTT(round trip time)和加解密相關的計算耗時。下面分別介紹一下。

1網絡耗時增加

由於HTTP和HTTPS都需要DNS解析，並且大部分情況下使用了DNS緩存，爲了突出對比效果，忽略主域名的DNS解析時間。

用戶使用HTTP協議訪問http://www.baidu.com(或者www.baidu.com)時會有如下網絡上的交互耗時：

圖1  HTTP首個請求的網絡耗時

可見，用戶只需要完成TCP三次握手建立TCP連接就能夠直接發送HTTP請求獲取應用層數據，此外在整個訪問過程中也沒有需要消耗計算資源的地方。

接下來看HTTPS的訪問過程，相比HTTP要複雜很多，在部分場景下，使用HTTPS訪問有可能增加7個RTT。如下圖：

圖2  HTTPS首次請求對訪問速度的影響

HTTPS首次請求需要的網絡耗時解釋如下：

1. 三次握手建立TCP連接。耗時一個RTT。

2. 使用HTTP發起GET請求，服務端返回302跳轉到https://www.baidu.com。需要一個RTT以及302跳轉延時。

   1. 大部分情況下用戶不會手動輸入https://www.baidu.com來訪問HTTPS，服務端只能返回302強制瀏覽器跳轉到HTTPS。

   2. 瀏覽器處理302跳轉也需要耗時。

3. 三次握手重新建立TCP連接。耗時一個RTT。

   1. 302跳轉到HTTPS服務器之後，由於端口和服務器不同，需要重新完成三次握手，建立TCP連接。

4. TLS完全握手階段一。耗時至少一個RTT。

   1. 這個階段主要是完成加密套件的協商和證書的身份認證。

   2. 服務端和瀏覽器會協商出相同的密鑰交換算法、對稱加密算法、內容一致性校驗算法、證書籤名算法、橢圓曲線（非ECC算法不需要）等。

   3. 瀏覽器獲取到證書後需要校驗證書的有效性，比如是否過期，是否撤銷。

5. 解析CA站點的DNS。耗時一個RTT。

   1. 瀏覽器獲取到證書後，有可能需要發起OCSP或者CRL請求，查詢證書狀態。

   2. 瀏覽器首先獲取證書裏的CA域名。

   3. 如果沒有命中緩存，瀏覽器需要解析CA域名的DNS。

6. 三次握手建立CA站點的TCP連接。耗時一個RTT。

   1. DNS解析到IP後，需要完成三次握手建立TCP連接。

7. 發起OCSP請求，獲取響應。耗時一個RTT。

8. 完全握手階段二，耗時一個RTT及計算時間。

   1. 完全握手階段二主要是密鑰協商。

9. 完全握手結束後，瀏覽器和服務器之間進行應用層（也就是HTTP）數據傳輸。

當然不是每個請求都需要增加7個RTT才能完成HTTPS首次請求交互。大概只有不到0.01%的請求才有可能需要經歷上述步驟，它們需要滿足如下條件：

1. 必須是首次請求。即建立TCP連接後發起的第一個請求，該連接上的後續請求都不需要再發生上述行爲。

2. 必須要發生完全握手，而正常情況下80%的請求能實現簡化握手。

3. 瀏覽器需要開啓OCSP或者CRL功能。Chrome默認關閉了OCSP功能，Firefox和IE都默認開啓。

4. 瀏覽器沒有命中OCSP緩存。OCSP一般的更新週期是7天，Firefox的查詢週期也是7天，也就說是7天中才會發生一次OCSP的查詢。

5. 瀏覽器沒有命中CA站點的DNS緩存。只有沒命中DNS緩存的情況下才會解析CA的DNS。

2計算耗時增加

上節還只是簡單描述了HTTPS關鍵路徑上必須消耗的純網絡耗時，沒有包括非常消耗CPU資源的計算耗時，事實上計算耗時也不小（30ms以上），從瀏覽器和服務器的角度分別介紹一下：

1. 瀏覽器計算耗時

   1. RSA證書籤名校驗，瀏覽器需要解密簽名，計算證書哈希值。如果有多個證書鏈，瀏覽器需要校驗多個證書。

   2. RSA密鑰交換時，需要使用證書公鑰加密premaster。耗時比較小，但如果手機性能比較差，可能也需要1ms的時間。

   3. ECC密鑰交換時，需要計算橢圓曲線的公私鑰。

   4. ECC密鑰交換時，需要使用證書公鑰解密獲取服務端發過來的ECC公鑰。

   5. ECC密鑰交換時，需要根據服務端公鑰計算master key。

   6. 應用層數據對稱加解密。

   7. 應用層數據一致性校驗。

2. 服務端計算耗時

   1. RSA密鑰交換時需要使用證書私鑰解密premaster。這個過程非常消耗性能。

   2. ECC密鑰交換時，需要計算橢圓曲線的公私鑰。

   3. ECC密鑰交換時，需要使用證書私鑰加密ECC的公鑰。

   4. ECC密鑰交換時，需要根據瀏覽器公鑰計算共享的master key。

   5. 應用層數據對稱加解密。

   6. 應用層數據一致性校驗。

由於客戶端的CPU和操作系統種類比較多，所以計算耗時不能一概而論。手機端的HTTPS計算會比較消耗性能，單純計算增加的延遲至少在50ms以上。PC端也會增加至少10ms以上的計算延遲。

服務器的性能一般比較強，但由於RSA證書私鑰長度遠大於客戶端，所以服務端的計算延遲也會在5ms以上。總  結

HTTPS在保證數據安全性的同時，對服務性能也造成了一些影響。在本文中，我們着重介紹了HTTPS從網絡耗時和加密解密兩方面對於服務性能的影響。在下一篇系列文章中，我們將爲大家帶來百度在減小HTTPS對性能影響方面的方法和經驗。

文章整理自百度HTTPS技術聯合團隊

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