大型網站的HTTPS實踐（三）——HTTPS對效能的影響

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：協議互動所增加的網路RTT(round trip time)和加解密相關的計算耗時。下面分別介紹一下。

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

使用者使用HTTP協議訪問(或者)時會有如下網路上的互動耗時：

圖1  HTTP首個請求的網路耗時

可見，使用者只需要完成TCP三次握手建立TCP連線就能夠直接傳送HTTP請求獲取應用層資料，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首次請求需要的網路耗時解釋如下：

1. 三次握手建立TCP連線。耗時一個RTT。

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

1. 大部分情況下使用者不會手動輸入https://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連線。耗時一個RTT。

1. 302跳轉到HTTPS伺服器之後，由於埠和伺服器不同，需要重新完成三次握手，建立TCP連線。

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金鑰交換演算法、對稱加密演算法、內容一致性校驗演算法、證書籤名演算法、橢圓曲線（非ECC演算法不需要）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裡的CA域名。

3. 如果沒有命中快取，瀏覽器需要解析CA域名的DNS。

6. 三次握手建立CA站點的TCP連線。耗時一個RTT。

1. DNS解析到IP後，需要完成三次握手建立TCP連線。

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金鑰協商。

9. 完全握手結束後，瀏覽器和伺服器之間進行應用層（也就是HTTP）資料傳輸。

當然不是每個請求都需要增加7個RTT才能完成HTTPS首次請求互動。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連線後發起的第一個請求，該連線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快取。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快取。只有沒命中DNS快取的情況下才會解析CA的DNS。

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

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

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

3. ECC金鑰交換時，需要計算橢圓曲線的公私鑰。

4. ECC金鑰交換時，需要使用證書公鑰解密獲取服務端發過來的ECC公鑰。

5. ECC金鑰交換時，需要根據服務端公鑰計算master key。

6. 應用層資料對稱加解密。

7. 應用層資料一致性校驗。

2. 服務端計算耗時

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

2. ECC金鑰交換時，需要計算橢圓曲線的公私鑰。

3. ECC金鑰交換時，需要使用證書私鑰加密ECC的公鑰。

4. ECC金鑰交換時，需要根據瀏覽器公鑰計算共享的master key。

5. 應用層資料對稱加解密。

6. 應用層資料一致性校驗。

由於客戶端的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。