你的流量加密尚需功能再升级

ChinaWin 2017-11-07

当今互联网世界安全形势严峻,内容篡改、流量劫持、个人隐私信息泄露等事件层出不穷。为让广大用户可以更安全的使用互联网服务,加密流量的应用越来越广泛,其地位也日益重要。在互联网领域,使用最多的流量加密技术就是HTTPS。如今互联网正在经历从明文(HTTP)到加密(HTTPS)的转变。

HTTPS使互联网环境更安全的同时,也带来了很多额外挑战,例如:加密运算消耗更多的CPU资源,这意味着服务器端需要增加更多的硬件(一般而言,HTTPS的硬件成本是同性能HTTP服务的3倍以上);而在移动客户端,如手机、平板电脑等环境中,这则意味着消耗更多电池电量。此外,HTTPS在握手阶段引入额外RTT,加上加解密运算的额外时间开销,增加了HTTP请求的时延,极大的影响了用户体验。

为应对上述挑战,HTTPS尚需功能升级,白山研发团队率先进行尝试,新增:TLS1.3协议、RSA多素数支持、ChaCha20算法支持及HTTPS可视化运营等特性,具体如下图:


你的流量加密尚需功能再升级

一、TLS 1.3协议——更低时延、更安全

TLS 1.3协议依循极简主义的设计哲学,祛除并修复了旧版本中的坏味道,将密钥交换、对称加解密、压缩等环节中可能存在的安全隐患剔除出该版本,包括:

  • TLS 1.3协议中选取的密钥交换算法均支持前向安全性,废除了RSA秘钥交换和静态DH密钥交换等不支持前向安全性的算法;
  • DSA证书作为历史遗留产物,尚未被大规模使用过,加之安全性较差,故在TLS 1.3协议中被废弃;
  • 禁用自定义的DH组参数,防止受到Key Recovery Attack攻击;
  • 禁用CBC模式,经实践证明这种对称加密模式尚存在安全隐患;
  • 禁用RC4流加密算法: 2013年,英国皇家哈洛威学院的研究人员发现一种针对TLS的攻击,可从RC4算法加密的密文中恢复出少量明文;禁用SHA1摘要算法:2017年初Google与荷兰研究机构CWI Amsterdam共同宣布已破解SHA1;
  • 禁用出口密码套件: 2000年美国放宽密码出口管制,随后出现的FREAK和LogJam攻击,可以通过中间人将加密套件降级成出口套件,进而将数据破解;
  • 禁用TLS压缩:TLS压缩存在安全漏洞,攻击者通过漏洞可以实行会话劫持并发动进一步攻击;
  • 加密握手消息:TLS1.3协议规定在ServerHello消息后的握手信息需要加密。TLS1.2及之前版本的协议中各种扩展信息在ServerHello中以明文方式发送,在新版本中可在加密之后封装到EncryptedExtension消息中,在ServerHello消息后发送,增加数据安全性。
HTTPS提高网络安全的同时也增加了额外的性能消耗,如:额外的SSL握手交互过程,数据加解密对CPU的消耗等。TLS 1.3在提高效率方面进行了大量改进,特别是对SSL握手过程重新设计,将握手的交互延时从2-RTT降低为1-RTT甚至是0-RTT。在网络环境较差或节点距离较远的情况下,这种优化可节省几百毫秒的时间。这几百毫秒就能决定用户下一步的行为是继续浏览还是关闭。性能提升包括:
  • 1-RTT握手机制:以ECDHE密钥交换过程为例,握手过程如下。将客户端发送ECDH临时公钥的过程提前至ClientHello ,同时删除ChangeCipherSpec协议简化握手过程,使第一次握手只需要一个RTT。你的流量加密尚需功能再升级
  • 0-RTT握手机制:为使TLS协议性能得到极致提升,TLS 1.3提出了0-RTT的握手机制。对于用户最近访问过的网站,可在第一次交互时就向服务器发送加密数据。具体实现过程如下:客户端和服务端通过TLS session复用或外部输入的方式共享PSK,这种情况下允许客户端在第一次交互的ClientHello消息中包含使用PSK加密的应用数据。

为展现更加直观的效果,白山搭建了支持TLS 1.3协议的服务器。

对应当前主流浏览器支持的draft-18的服务器:https://tls13.baishancloud.com/

对应最新的draft-21版本的服务器:https://tls13.baishancloud.com:44344

二、RSA多素数——更快、更稳定

简单来说,多素数RSA是指在生成RSA密钥的时候,在计算固定长度(比如2048位或者4096位)的模数(modulus)的时候,选择多于2个素数并进行相乘得到最终期望长度的modulus。也就是说,n = pq 这种标准RSA的计算方式n = pq ,在多素数RSA中,会变成 n = r1r2r3r4r5... 的形式。这也是多素数(multi-prime RSA)这个名字的由来。

这样做的好处是可以大幅提高RSA私钥计算性能(降低握手时间,减轻服务器压力),具体数据见下图:

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 由上可知,多素数RSA具备三个特点:

1.素数个数越多,单个RSA私钥运算所需时间越短,整体性能越高,其中:

  • 3素数相对标准RSA提高25%
  • 5素数提高230%
  • 8素数提高310%
  • 15素数提高近400%

2.素数个数越多,RSA密钥生成时间越短

3.素数个数越多,安全强度越差,私钥被破解的可能性越高

多素数RSA最大优势在于作为一种不需要使用硬件加速卡的低成本方案,可以在某些安全性要求不高的场景下发挥作用。例如:静态图片对安全强度的要求不如动态数据大,可考虑采用多素数RSA方案。

当前OpenSSL对多素数RSA并不支持,白山基于 RFC 8017 在OpenSSL中实现多素数RSA功能,并将其开源,开源代码位于:https://github.com/openssl/openssl/pull/4241 目前正向OpenSSL官方合并代码,有望纳入OpenSSL 1.1.1版本的发布。

三、ChaCha20算法——更省电

ChaCha20是Google大力推广的一种对称加密算法,用于解决不支持AES硬件加速指令的Android设备的HTTPS性能问题。Google在其Chrome浏览器中增加了对这一算法的支持,同时还支持Poly1305摘要算法,形成了ChaCha20-Poly1305组合,并在2015年和2016年将这组算法标准化,形成 RFC 7539 和 RFC 7905 两篇RFC文档。

在对称加密领域,自从AES算法从性能上超越并取代3DES算法,成为NIST指定的加密算法后,再未出现其他广泛使用并且兼顾性能和安全的对称加密算法。这带来了以下几个问题:

  1. 未来如果AES被发现存在问题,人们将不得不退而使用老旧的3DES算法,因此业界需要一个备选算法;
  2. 在不支持AES硬件加速指令的设备上,AES算法的性能不具备明显优势(尤其是和某些流加密算法相比);
  3. AES如果实现的不正确,可能存在缓存碰撞时序攻击(AES Cache-Collision Timing Attack)。

而ChaCha20可以较好的解决上述问题。ChaCha20是一种流加密算法,实现较为简单,并且比纯软件实现的AES性能更好。

性能对比

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上图是在不使用AES硬件加速的情况下,对AES和ChaCha20进行的性能对比测试。其中ChaCha20性能是GCM模式AES256的5倍左右。

将ChaCha20同已经濒临灭绝的RC4算法进行了对比,同为流加密算法,ChaCha20的性能达到了RC4的2倍之多。单位时间内运算次数的提高,表示单次操作所需的指令周期更短,而在移动端设备上这种特点直接影响电池电量的消耗。

虽然在HTTPS的场景中,一次全握手产生的功耗要远大于对称加密环节产生的,但是在针对大文件加密、解密操作时,更快的对称加密算法依然存在实际应用价值。

但如果设备已经支持AES硬件加速指令,例如iPhone和部分Android系统手机或支持AES-NI指令的Intel CPU等,AES的速度依然具有绝对优势:

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由上图可见,其性能约为ChaCha20的3倍左右,此外GCM模式的AES比CBC模式在有硬件加速的情况下性能提升的更大,这主要是由于GCM模式可以比CBC模式能更好利用硬件流水线进行并发。

HTTPS服务全面支持ChaCha20-Poly1305算法,可以同时采用自动适应客户端算法列表的处理手段:

  1. 如果客户端不支持AES硬件加速指令,则优先使用ChaCha20
  2. 否则按照服务器的算法优先级顺序选择AES算法 

目前白山支持的TLS加密套件有:

  1. TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256
  2. TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256
  3. TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (TLSv1.3用)

结合以上ChaCha20的性能对比,可以认为该算法最适合在不支持AES硬件加速的Android平台中使用。因此作为应用程序,最好可以判断当前运行的平台是否支持AES指令。如不支持,则将上述TLS加密套件排列在客户端ClientHello消息中最前的位置(根据支持的协议),根据客户端支持的加密套件列表选择最优算法来和客户端握手。在支持AES指令的硬件平台上,推荐优先选择AES-GCM算法;而CBC模式的RSA和RC4算法在很多情况下并非最好选择,应当尽量避免过多使用。

四、HTTPS可视化运营——更直观

 HTTPS的数字化运营在HTTPS服务的质量监控、服务优化等方面有着举足轻重的作用。

目前白山数字化运营平台对主要关注如下几点:

  • HTTPS请求数:可直接观察当前网站的活跃程度,提供用户行为的参考依据;
  • HTTPS握手时间统计: 透明化展示握手阶段的时间消耗,同时增加对该耗时的监控,握手时间超过阈值时能快速感知并处理,最大程度保障用户体验;
  • HTTPS握手复用率统计:复用表示客户端可直接复用上次与服务端协商得到的密钥。复用率高则表示HTTPS的握手阶段消耗低;当复用率处于较低的水平时,则需要及时调整复用策略;
  • 协议分布(主要指SSL/TLS的协议版本):通过大数据分析得到协议分布情况。大量客户端使用低版本协议发起请求可能意味着异常情况。
为提供更好的HTTPS服务,还需关注更加细致的状态参数:
  • 加密算法分布:HTTPS服务质量一定程度上取决于加密算法的性能,通过对加密算法统计分析,可有效指导算法优化。例如:90%以上的HTTPS握手会使用RSA算法,白山针对该算法开发多素数RSA功能,并提交到OpenSSL社区,提高了RSA算法效率;
  • 客户端分布:不同客户端可能针对不同算法有相应的优化,例如ChaCha20在不支持AES硬件加速的Android平台中有比较好的性能,可根据客户端分布情况预判该算法优化效果。另外当产生新的安全漏洞,需要升级或废弃SSL/TLS的某些特性时,需要综合该信息判断影响范围。例如:某些特性的停用会导致部分旧版本客户端无法访问,就可以通过分析这类客户端占比来决定如何处理。

以下是可视化运营平台截图:

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