大型網(wǎng)站的HTTPS實踐（三）——HTTPS對性能的影響

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

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

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

圖1  HTTP首個請求的網(wǎng)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(fā)送HTTP請求獲取應用層數(shù)據(jù)，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要復雜很多，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(wǎng)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(fā)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服務器之后，由于端口和服務器不同，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(xié)商和證書的身份認證。

2. 服務端和瀏覽器會協(xié)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、證書簽名算法、橢圓曲線（非ECC算法不需要）等。

3. 瀏覽器獲取到證書后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. 瀏覽器獲取到證書后，有可能需要發(fā)起OCSP或者CRL請求，查詢證書狀態(tài)。

2. 瀏覽器首先獲取證書里的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后，需要完成三次握手建立TCP連接。

7. 發(fā)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(xié)商。

9. 完全握手結束后，瀏覽器和服務器之間進行應用層（也就是HTTP）數(shù)據(jù)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(jīng)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連接后發(fā)起的第一個請求，該連接上的后續(xù)請求都不需要再發(fā)生上述行為。

2. 必須要發(fā)生完全握手，而正常情況下80%的請求能實現(xiàn)簡化握手。

3. 瀏覽器需要開啟OCSP或者CRL功能。Chrome默認關閉了OCSP功能，F(xiàn)irefox和IE都默認開啟。

4. 瀏覽器沒有命中OCSP緩存。OCSP一般的更新周期是7天，F(xiàn)irefox的查詢周期也是7天，也就說是7天中才會發(fā)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。

上節(jié)還只是簡單描述了HTTPS關鍵路徑上必須消耗的純網(wǎng)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證書簽名校驗，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(fā)過來的ECC公鑰。

5. ECC密鑰交換時，需要根據(jù)服務端公鑰計算master key。

6. 應用層數(shù)據(jù)對稱加解密。

7. 應用層數(shù)據(jù)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(jù)瀏覽器公鑰計算共享的master key。

5. 應用層數(shù)據(jù)對稱加解密。

6. 應用層數(shù)據(jù)一致性校驗。

由于客戶端的CPU和操作系統(tǒng)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。