三种方法实现移动端HTTPS加速和省电

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HTTPS网站的普及使大家更加关注HTTPS性能优化,一般做HTTPS优化可能只是针对PC端,在移动端的效果并不理想。去年Google就已经在移动端做了HTTPS的性能加速,为Android平台的Chrome浏览器增加了一个新的TLS加密套件:ChaCha20-Poly1305,这是专门为移动设备推出的加密套件。接下来我们深入探讨如何使用ChaCha20-Poly1305加密套件实现HTTPS移动端加速和省电。

下图是在iPhone Chrome上打开Google日本网站后的加密信息截图。

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野狗WildDog已经全站支持在移动设备上更高性能、更省电的加密套件ChaCha20-Poly1305。下面是在Chrome上打开野狗官网的加密信息截图。

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为了能够更好的了解ChaCha20-Poly1305,先简单介绍对称加密和AES-NI。

 

对称加密与AES-NI

对称加密

在HTTPS握手过程,通过非对称加密协商出对称加密密钥,然后使用对称加密对双方通信的数据内容进行加密。非对称加密是服务器性能的开销是巨大的,通过Session Resume等方法可以进行加速。常见的非对称加密算法有RSA、ECDHE等。

在协商出对称加密密钥后,HTTPS中所有数据内容通信的加密都使用对称加密进行。对称加密分为流式加密和分组加密。

  • 常见的流式加密算法有:RC4,ChaCha20-Poly1305。
  • 常见的分组加密算法有:AES-CBC,AES-GCM。

RC4由于存在严重安全漏洞,已经基本不再使用;AES-CBC容易遭受BEAST和LUCKY13攻击,使用也逐渐减少,AES-GCM是它们的安全替代,AES-GCM也是目前最为流行的对称加密算法。

安全风险可参看ssllabs上的相关文章:https://community.qualys.com/blogs/securitylabs/2013/03/19/rc4-in-tls-is-broken-now-what

AES-NI

AES-GCM解决了对称加密存在的安全问题,但带来了性能问题。为此,出现了AES-NI(Advanced Encryption Standard New Instruction)。AES-NI是Intel和AMD微处理器上x86架构的一个扩展,可以从硬件上加速AES的性能,目前在服务器和PC端,CPU对AES-NI的支持率已经非常普及。

测试结果:服务器开启AES-NI后,性能提高了5-8倍左右,这与Intel官方公布的数据基本是一致的。

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测试方法:

可以使用OpenSSL测试也可以使用其他SSL库测试,因为所有SSL库都支持AES-128-GCM。

OpenSSL AES-NI = OFF

# OPENSSL_ia32cap=”~0x200000200000000″ openssl speed -elapsed -evp aes-128-gcm

OpenSSL AES-NI = ON

# openssl speed -elapsed -evp aes-128-gcm

关于AES-NI的指令集,推荐查看Shay Gueron编写的《Intel 高级加密标准 (AES) 指令集 (2010)》。https://software.intel.com/en-us/articles/intel-advanced-encryption-standard-aes-instructions-set

 

ChaCha20-Poly1305优势何在?

Google推出新的加密套件并在所有移动端的Chrome浏览器上优先使用原因:

  1. ChaCha20-Poly1305避开了现有发现的所有安全漏洞和攻击;
  2. ChaCha20-Poly1305针对移动端设备大量使用的ARM芯片做了优化,能够充分利用ARM向量指令,在移动设备上加解密速度更快、更省电;
  3. 更加节省带宽,Poly1305的输出是16字节,而HMAC-SHA1是20字节,可以节省16%的overhead消耗。

通过实际的测试数据来看看ChaCha20-Poly1305在移动端使用的优势。

测试一:

在支持AES-NI扩展的设备上,AES加密的性能优势是明显的。 目前最为常用的对称加密AES-128-GCM的性能是ChaCha20-Poly1305的近5倍。

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由于原生的OpenSSL目前还不支持ChaCha20-Poly1305,通过编译LibreSSL源码(最新源码下载地址:http://ftp.openbsd.org/pub/OpenBSD/LibreSSL)来进行测试。

测试方法:

进入到编译后的LibreSSL目录,通过下面的命令测试。

./apps/openssl/openssl speed -elapsed -evp chacha

./apps/openssl/openssl speed -elapsed -evp aes-128-gcm

./apps/openssl/openssl speed -elapsed -evp aes-256-gcm

./apps/openssl/openssl speed -elapsed -evp aes-128-cbc

./apps/openssl/openssl speed -elapsed -evp aes-256-cbc

测试二:

在不支持AES-NI扩展的移动设备上,ChaCha20-Poly1305的性能是AES-GCM的三倍左右。

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对称加密最合理的使用方法是:在支持AES-NI的设备上,优先使用AES-128-GCM加密套件;在不支持AES-NI的移动设备上,特别是ARM架构的设备上,优先使用ChaCha20-Poly1305加密套件。

 

Nginx实现ChaCha20-Poly1305的三种方法

OpenSSL官方版本目前不支持ChaCha20-Poly1305,所以不能使用原生的OpenSSL版本。关注OpenSSL官方的动态(https://www.openssl.org/news/changelog.html )。

在Nginx上实现ChaCha20-Poly1305主流的方法有三种:

  1. 使用OpenBSD从OpenSSL fork的分支LibreSSL;
  2. 使用Google从OpenSSL fork的分支BoringSSL;
  3. 使用CloudFlare提供的OpenSSL Patch。

主流的三种方法,都已经在服务器上部署成功并经过流量测试,各有优缺点。具体的部署方法、Nginx配置、部署过程可能会遇到的错误及解决方法,涉及的内容太多,相关内容如下:

  • Nginx编译安装BoringSSL
  • Nginx编译安装LibreSSL
  • Nginx编译安装CloudFlare提供的OpenSSL Patch

下面是我总结的这三种方法的优缺点,这个欢迎大家补充。

LibreSSL

  1. 编译安装方法最为简单;
  2. OpenBSD小组对OpenSSL的代码进行了全面清理并重构,更为轻量;
  3. 已经发布稳定版本,相比于OpenSSL团队,问题修复更及时。

BoringSSL

  1. 支持等价加密算法组功能(Equal preference cipher groups),这功能我认为很有意思,在后面博客中再介绍;
  2. 与Nginx编译友好性不足,编译容易出错,至少需要修改两处源码;
  3. 不支持OCSP Stapling功能。这一点是比较有意思的,Google工程师在博客上说OCSP Stapling存在缺陷,目前不支持,但不排除后面支持的可能性。联想到Chrome浏览器默认也不使用OCSP,可见Google对OCSP的情感是复杂的。https://www.imperialviolet.org/2014/04/19/revchecking.html

OpenSSL Patch

  1. 编译安装过程较为复杂;
  2. OpenSSL本身较重,存在的安全问题也多,需要频繁升级版本;
  3. 稳定性需要进一步验证。

目前野狗WildDog网站使用的是LibreSSL,来解决移动端的加速省电等新性能,如果你有疑问,或者想更多交流,或者在使用ChaCha20-Poly1305时遇到问题,都欢迎和我们联系。最后附上野狗官网(www.wilddog.com)在ssllabs上评测结果中截图。

 

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