大型网站的HTTPS实践（二）-- HTTPS对性能的影响

1 前言

HTTPS在保护用户隐私，防止流量劫持方面发挥着非常关键的作用，但与此同时，HTTPS也会降低用户访问速度，增加网站服务器的计算资源消耗。
本文主要介绍https对用户体验的影响。
本文最早发表于百度运维部官方博客

2 HTTPS对访问速度的影响

在介绍速度优化策略之前，先来看下HTTPS对速度有什么影响。影响主要来自两方面：
1. 协议交互所增加的网络RTT(round trip time)。
2. 加解密相关的计算耗时。

下面分别介绍一下。

2.1 网络耗时增加

由于 HTTP和HTTPS都需要DNS解析，并且大部分情况下使用了DNS缓存，为了突出对比效果，忽略主域名的DNS解析时间。
用户使用HTTP协议访问http://www.baidu.com(或者www.baidu.com)时会有如下网络上的交互耗时：

可见，用户只需要完成TCP三次握手建立TCP连接就能够直接发送HTTP请求获取应用层数据，此外在整个访问过程中也没有需要消耗计算资源的地方。
接下来看HTTPS的访问过程，相比HTTP要复杂很多，在部分场景下，使用HTTPS访问有可能增加7个RTT。如下图：

HTTPS首次请求需要的网络耗时解释如下：
1. 三次握手建立TCP连接。耗时一个RTT。
2. 使用HTTP发起GET请求，服务端返回302跳转到https://www.baidu.com。需要一个RTT以及302跳转延时。
a) 大部分情况下用户不会手动输入https://www.baidu.com来访问HTTPS，服务端只能返回302强制浏览器跳转到https。
b) 浏览器处理302跳转也需要耗时。
3. 三次握手重新建立TCP连接。耗时一个RTT。
a) 302跳转到HTTPS服务器之后，由于端口和服务器不同，需要重新完成三次握手，建立TCP连接。
4. TLS完全握手阶段一。耗时至少一个RTT。
a) 这个阶段主要是完成加密套件的协商和证书的身份认证。
b) 服务端和浏览器会协商出相同的密钥交换算法、对称加密算法、内容一致性校验算法、证书签名算法、椭圆曲线（非ECC算法不需要）等。
c) 浏览器获取到证书后需要校验证书的有效性，比如是否过期，是否撤销。
5. 解析CA站点的DNS。耗时一个RTT。
a) 浏览器获取到证书后，有可能需要发起OCSP或者CRL请求，查询证书状态。
b) 浏览器首先获取证书里的CA域名。
c) 如果没有命中缓存，浏览器需要解析CA域名的DNS。
6. 三次握手建立CA站点的TCP连接。耗时一个RTT。
a) DNS解析到IP后，需要完成三次握手建立TCP连接。
7. 发起OCSP请求，获取响应。耗时一个RTT。
8. 完全握手阶段二，耗时一个RTT及计算时间。
a) 完全握手阶段二主要是密钥协商。
9. 完全握手结束后，浏览器和服务器之间进行应用层（也就是HTTP）数据传输。
当然不是每个请求都需要增加7个RTT才能完成HTTPS首次请求交互。大概只有不到0.01%的请求才有可能需要经历上述步骤，它们需要满足如下条件：
1. 必须是首次请求。即建立TCP连接后发起的第一个请求，该连接上的后续请求都不需要再发生上述行为。
2. 必须要发生完全握手，而正常情况下80%的请求能实现简化握手。
3. 浏览器需要开启OCSP或者CRL功能。Chrome默认关闭了ocsp功能，firefox和IE都默认开启。
4. 浏览器没有命中OCSP缓存。Ocsp一般的更新周期是7天，firefox的查询周期也是7天，也就说是7天中才会发生一次ocsp的查询。
5. 浏览器没有命中CA站点的DNS缓存。只有没命中DNS缓存的情况下才会解析CA的DNS。

2.2 计算耗时增加

上节还只是简单描述了HTTPS关键路径上必须消耗的纯网络耗时，没有包括非常消耗CPU资源的计算耗时，事实上计算耗时也不小（30ms以上），从浏览器和服务器的角度分别介绍一下：
1， 浏览器计算耗时
a) RSA证书签名校验，浏览器需要解密签名，计算证书哈希值。如果有多个证书链，浏览器需要校验多个证书。
b) RSA密钥交换时，需要使用证书公钥加密premaster。耗时比较小，但如果手机性能比较差，可能也需要1ms的时间。
c) ECC密钥交换时，需要计算椭圆曲线的公私钥。
d) ECC密钥交换时，需要使用证书公钥解密获取服务端发过来的ECC公钥。
e) ECC密钥交换时，需要根据服务端公钥计算master key。
f) 应用层数据对称加解密。
g) 应用层数据一致性校验。
2， 服务端计算耗时
a) RSA密钥交换时需要使用证书私钥解密premaster。这个过程非常消耗性能。
b) ECC密钥交换时，需要计算椭圆曲线的公私钥。
c) ECC密钥交换时，需要使用证书私钥加密ECC的公钥。
d) ECC密钥交换时，需要根据浏览器公钥计算共享的master key。
e) 应用层数据对称加解密。
f) 应用层数据一致性校验。
由于客户端的CPU和操作系统种类比较多，所以计算耗时不能一概而论。手机端的HTTPS计算会比较消耗性能，单纯计算增加的延迟至少在50ms以上。PC端也会增加至少10ms以上的计算延迟。
服务器的性能一般比较强，但由于RSA证书私钥长度远大于客户端，所以服务端的计算延迟也会在5ms以上。

3 结束语

本系列的后续文章将进一步解释针对性的优化措施。

附

大型网站的 HTTPS 实践（三）——基于协议和配置的优化
大型网站的 HTTPS 实践（四）——协议层以外的实践

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