Web 性能优化：TLS
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"do it, do it work, do it better ... and secure ☠️"
随着追逐利益而来的恶意参与者越来越多，当前的 Web 应用，已经从野蛮生长转而越来越多地关注安全 —— 通信安全、数据安全、用户安全、企业安全，甚至国家安全。作为通过网络传输数据的应用，最简单的获取安全的方式是采用 TLS。
TLS（Transport Layer Security），即传输层安全，TLS 直接构建在传输层之上，一般基于 TCP，也可以基于 UDP（如 DTLS）。TLS 负责将待传输的数据加密，加密后传输过程中任何中间方都再看不到具体内容，保障了安全性。关于 TLS 的更多内容可参见另一篇博文 简单解释TLS，本篇不再赘述。
我们的关注点重新集中到性能上，任何的引入必然导致额外的开销，对于 Web 应用来说，最要命的开销就是延迟。那么可以从哪些方面着手优化延迟？
会话复用
在上一篇关于 TCP 的讨论中，我们知道每次 tcp 连接的建立都需要经过三次握手，产生至少一个 RTT（Round-Trip Time） 的延迟，现在引入 tls，情况又如何？
对于建立在 tcp 之上的 tls，除了因为 tcp 三次握手引入的一个 RTT 延迟外，根据 tls 协议设计，TLS 会话的一次完整握手还会再引入 2 个 RTT 的延迟，所以一个 https 连接的初次建立过程会引入 3 个 RTT 延迟。
tcp 通过连接复用实现在需要的时候规避握手延迟，类似地，tls 也有会话复用机制——称为简短握手，可将 2 次 RTT 延迟减少到 1 次。
这是如何做到的呢？在建立会话时，服务器会创建一个 32 byte 的会话 id —— 会话 id 可以关联到该次会话协商出的一系列加密参数，然后通过 ServerHello 消息发送给客户端。在下一次通信时，客户端可以在发送的 ClientHello 消息中包含上一次的会话 id，如果服务器认可，则接下来就可以基于上一次会话的会话参数开始通信，从而省去 1 次 RTT。
在需要同时发起多个 https 连接时，可以重用第一个 tls 握手协商出来的会话参数。
一般服务器端可以将 tls 会话的有效时间设置为 1 天，对于高并发场景，可能导致会话缓存占用过多的内存资源，必须要设计好相应的缓存淘汰机制，或者采用会话记录单机制 —— 服务端使用密钥将会话相关的参数加密后发给客户端，由客户端保存，后续需要时客户端将加密信息发回服务端，服务端解密后使用。
TLS 记录
TLS 会将消息拆分为若干条 TLS 记录，每条记录上限为 16 KB。TLS 记录太小的话，在 tcp 分组中占比太小，浪费 tcp 分组；TLS 记录太大的话，会分拆为若干 tcp 分组，此时需要等待所有分组到达，才能解密出数据，引入额外延迟。
From optimizing-tls-record-size-and-buffering-latency
所以最好将 TLS 记录大小配置为恰好放入一个 tcp 分组，也可以配置为根据相关窗口大小动态调整记录大小。
证书验证
TLS 的安全是建立在 PKI 体系之上，在 PKI 体系中，由权威证书颁发机构给网站颁发身份证书，在 tls 握手过程中，服务器需要发送证书给客户端以验明正身。但证书这玩意，有生就有死，所以客户端在收到证书后，除了查看证书里签发时写入的静态信息是否确实可信，还要验证证书在当前时刻是否还有效。
这是一个典型的响应优先还是一致性优先的问题，方案不外乎两种：缓存 or 实时。
- 缓存方案：证书颁发机构会维护一个已撤销证书列表，称为 CRL（Certificate Revocation List，证书撤销名单），服务器或者客户端可以缓存到本地使用。缓存的问题就是，有可能你刚刚缓存过一次，就有一个证书被撤销了，导致缓存与实际状态不一致。
- 实时方案：鉴于缓存方案的问题，提供了互补的实时查询方案，称为 OCSP（在线证书状态协议），OCSP 的问题在于可能会阻塞 tls 协商过程，需要等待 OCSP 验证完成才能继续，特别是内网环境使用 IE + 自签名证书开发时容易被坑，博主就被坑过一次。如果访问不了证书颁发机构，且环境允许，可以考虑禁用 OCSP。
出于安全考虑，一般网站的证书不会直接使用根证书签发，而是使用（根证书签发出来的）中间证书签发，而根证书密钥则被离线存放。由于浏览器验证证书时，会顺着证书链验证每个节点的证书，所以这里有几个可以优化的点：
- 服务端在发送时最好同时把中间证书也一并附上，避免浏览器再单独发起一次中间证书请求，引入额外的延迟；
- 发送时无需包含根证书，因为已经存在客户端了；
- 签发证书层次不要过多，最好就一层中间证书，否则发送证书链时，数据太多；
- 非必要的证书就不要发了，避免传输数据过多，导致额外的分片，引入额外延迟；
- OCSP stapling，由服务端来发起 OCSP 请求，并将请求响应放在给客户端的证书链中，需要浏览器支持。
- 使用椭圆曲线证书链，比 RSA 证书链小，传输数据少一点；
- 同一张证书不要绑定过多域名，传输数据少一点。
其他
ALPN（Application Layer Protocol Negotiation）
在 tls 握手过程中嵌入 ALPN 机制，协商上层使用的应用协议，不用等待 tls 建立后单独协商，减少延迟，整个过程就是在 ClientHello 中增加一个 ProtocolNameList 字段，服务器收到后在 ServerHello 回复中返回选中的协议。
参考
- 《Web 性能权威指南》
- 《HTTPS 权威指南》
