大型網站的HTTPS實踐（二）-- HTTPS對效能的影響

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1 前言

HTTPS在保護使用者隱私，防止流量劫持方面發揮著非常關鍵的作用，但與此同時，HTTPS也會降低使用者訪問速度，增加網站伺服器的計算資源消耗。
本文主要介紹https對使用者體驗的影響。
本文最早發表於百度營運部官方部落格

2 HTTPS對訪問速度的影響

在介紹速度最佳化策略之前，先來看下HTTPS對速度有什麼影響。影響主要來自兩方面：
1. 協議互動所增加的網路RTT(round trip time)。
2. 加解密相關的計算耗時。

下面分別介紹一下。

2.1 網路耗時增加

由於 HTTP和HTTPS都需要DNS解析，並且大部分情況下使用了DNS緩衝，為了突出對比效果，忽略主網域名稱的DNS解析時間。
使用者使用HTTP協議訪問http://www.baidu.com(或者www.baidu.com)時會有如下網路上的互動耗時：

可見，使用者只需要完成TCP三向交握建立TCP串連就能夠直接發送HTTP請求擷取應用程式層資料，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，在部分情境下，使用HTTPS訪問有可能增加7個RTT。如：

HTTPS首次請求需要的網路耗時解釋如下：
1. 三向交握建立TCP串連。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。
a) 大部分情況下使用者不會手動輸入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。
b) 瀏覽器處理302跳轉也需要耗時。
3. 三向交握重建立立TCP串連。耗時一個RTT。
a) 302跳轉到HTTPS伺服器之後，由於連接埠和伺服器不同，需要重新完成三向交握，建立TCP串連。
4. TLS完全握手階段一。耗時至少一個RTT。
a) 這個階段主要是完成加密套件的協商和認證的身份認證。
b) 服務端和瀏覽器會協商出相同的金鑰交換演算法、對稱式加密演算法、內容一致性校正演算法、認證簽名演算法、橢圓曲線（非ECC演算法不需要）等。
c) 瀏覽器擷取到認證後需要校正認證的有效性，比如是否到期，是否撤銷。
5. 解析CA網站的DNS。耗時一個RTT。
a) 瀏覽器擷取到認證後，有可能需要發起OCSP或者CRL請求，查詢認證狀態。
b) 瀏覽器首先擷取認證裡的CA網域名稱。
c) 如果沒有命中緩衝，瀏覽器需要解析CA網域名稱的DNS。
6. 三向交握建立CA網站的TCP串連。耗時一個RTT。
a) DNS解析到IP後，需要完成三向交握建立TCP串連。
7. 發起OCSP請求，擷取響應。耗時一個RTT。
8. 完全握手階段二，耗時一個RTT及計算時間。
a) 完全握手階段二主要是密鑰協商。
9. 完全握手結束後，瀏覽器和伺服器之間進行應用程式層（也就是HTTP）資料轉送。
當然不是每個請求都需要增加7個RTT才能完成HTTPS首次請求互動。大概只有不到0.01%的請求才有可能需要經曆上述步驟，它們需要滿足如下條件：
1. 必須是首次請求。即建立TCP串連後發起的第一個請求，該串連上的後續請求都不需要再發生上述行為。
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. 瀏覽器需要開啟OCSP或者CRL功能。Chrome預設關閉了ocsp功能，firefox和IE都預設開啟。
4. 瀏覽器沒有命中OCSP緩衝。Ocsp一般的更新周期是7天，firefox的查詢周期也是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網站的DNS緩衝。只有沒命中DNS緩衝的情況下才會解析CA的DNS。

2.2 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路耗時，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），從瀏覽器和伺服器的角度分別介紹一下：
1， 瀏覽器計算耗時
a) RSA認證簽名校正，瀏覽器需要解密簽名，計算認證雜湊值。如果有多個憑證鏈結，瀏覽器需要校正多個認證。
b) RSA金鑰交換時，需要使用認證公開金鑰加密premaster。耗時比較小，但如果手機效能比較差，可能也需要1ms的時間。
c) ECC金鑰交換時，需要計算橢圓曲線的公私密金鑰。
d) ECC金鑰交換時，需要使用認證公開金鑰解密擷取服務端發過來的ECC公開金鑰。
e) ECC金鑰交換時，需要根據服務端公開金鑰計算master key。
f) 應用程式層資料對稱加解密。
g) 應用程式層資料一致性校正。
2， 服務端計算耗時
a) RSA金鑰交換時需要使用認證私密金鑰解密premaster。這個過程非常消耗效能。
b) ECC金鑰交換時，需要計算橢圓曲線的公私密金鑰。
c) ECC金鑰交換時，需要使用認證私密金鑰加密ECC的公開金鑰。
d) ECC金鑰交換時，需要根據瀏覽器公開金鑰計算共用的master key。
e) 應用程式層資料對稱加解密。
f) 應用程式層資料一致性校正。
由於用戶端的CPU和作業系統種類比較多，所以計算耗時不能一概而論。手機端的HTTPS計算會比較消耗效能，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。
伺服器的效能一般比較強，但由於RSA認證私密金鑰長度遠大於用戶端，所以服務端的計算延遲也會在5ms以上。

3 結束語

本系列的後續文章將進一步解釋針對性的最佳化措施。