为什么超过百分之六十的网站不支持HTTPS？

        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：

        大家也很清楚HTTPS是大势所趋，Google、Facebook和国内诸多互联网公司也已经支持HTTPS，然而这里有两点大家需要注意：

        一、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；

        二、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。

    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：

        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；

        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；

        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；

        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。

         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。
        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；

        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；

        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。

         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。

        1、总结以上计算性能分析：

        2、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；

        3、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；

        4、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%；

        5、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。

有了这些分析结论，如何优化呢？我们总结了三个步骤：

        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；

        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；

        对称加密的优化评论；

        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：
        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；
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。

        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。

        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：

        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；

        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。

        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。

        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。

        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：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；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；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。

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