使用 BoringSSL 优化 HTTPS 加密算法选择

前不久,一位朋友在我博客评论中,问到:类似于 Google 那样电脑访问使用 AES,手机访问使用 CHACHA20 的算法是怎么实现的(详情)。最近我研究了一下这个问题,现在我的博客也支持这个特性了。今天抽空介绍一下我的实现步骤,供喜欢折腾的朋友们参考。

对称内容加密

我们知道,每个 TLS 会话都是在握手阶段通过非对称加密得出对称加密密钥,而本次会话双方一直会用这个密钥进行流量的对称加密。这样做是出于性能考虑,毕竟对称加密速度要快得多,更适合全流量使用。

对称加密算法有流式、分组两种。RC4 就是一个常见的流式加密算法,不过已被证实不再安全,应该停止使用。Google 推出了一种名为 ChaCha20-Poly1305 的流式加密新算法,已经内置于各大平台的 Chrome 之中。ChaCha20 除了更安全,还针对 ARM 做了优化,在移动设备上使用速度更快、更省电。以下是它与 AES-GCM 在加密速度上的对比(via):

chacha20 poly1305

AES-GCM 是目前推荐使用的分组加密模式,它的缺点是计算量大,导致性能和电量开销比较大。为此,Intel 推出了一个名为 AES NI(Advanced Encryption Standard new instructions)的 x86 指令集扩展,从硬件上提供对 AES 的支持(详情)。Intel 自家 CPU 从 Westmere 平台开始支持 AES-NI,目前在 PC 端 AES-NI 的普及率显然很高。对于支持 AES-NI 的设备来说,使用 AES-GCM 加密算法无疑是最优选择,以下是一份对比(测试使用支持 AES-NI 的 Intel Xeon E3-1220 V2 @ 3.10GHz,via):

Did 20341000 AES-128-GCM (16 bytes) seal operations in 3000099us (6780109.6 ops/sec): 108.5 MB/s
Did 2356000 AES-128-GCM (1350 bytes) seal operations in 3000761us (785134.2 ops/sec): 1059.9 MB/s
Did 438000 AES-128-GCM (8192 bytes) seal operations in 3002910us (145858.5 ops/sec): 1194.9 MB/s
Did 17839000 AES-256-GCM (16 bytes) seal operations in 3000160us (5946016.2 ops/sec): 95.1 MB/s
Did 2092000 AES-256-GCM (1350 bytes) seal operations in 3000884us (697127.9 ops/sec): 941.1 MB/s
Did 388000 AES-256-GCM (8192 bytes) seal operations in 3004207us (129152.2 ops/sec): 1058.0 MB/s
Did 7779000 ChaCha20-Poly1305 (16 bytes) seal operations in 3000332us (2592713.1 ops/sec): 41.5 MB/s
Did 1139000 ChaCha20-Poly1305 (1350 bytes) seal operations in 3001412us (379488.1 ops/sec): 512.3 MB/s
Did 220000 ChaCha20-Poly1305 (8192 bytes) seal operations in 3006395us (73177.3 ops/sec): 599.5 MB/s

可以看到,尽管纯软件实现的 ChaCha20 算法已经十分优秀,但跟有 AES-NI 加持的 AES-GCM 比起来还是差距明显。

综上,我们很容易想到「仅针对支持 AES-NI 的终端使用 AES-GCM 算法,否则使用 ChaCha20」无疑是一个非常完美的方案。

BoringSSL

之前文章介绍过,基于 LibreSSL 编译 Nginx,可以轻松地使用 ChaCha20。但问题是一旦配置了 ChaCha20,只要终端支持,无论桌面设备还是移动设备都会使用它。

BoringSSL 是 Google 从 OpenSSL 拉出来的一个独立发展的分支,目前跟 OpenSSL 相比已经有很多不同之处了。BoringSSL 支持了一种名为「等价加密算法组(Equal preference cipher groups)」的配置(详情),正好可以满足我们这个需求。

基于 BoringSSL 编译 Nginx 之后,可以像下面这样配置 ssl_ciphers

ssl_ciphers [ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256|ECDHE-ECDSA-CHACHA20-POLY1305]:[ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256|ECDHE-RSA-CHACHA20-POLY1305]:ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-ECDSA-AES128-SHA:ECDHE-RSA-AES128-SHA:ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-SHA384:ECDHE-ECDSA-AES256-SHA:ECDHE-RSA-AES256-SHA:ECDHE-ECDSA-AES128-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-SHA256:AES128-GCM-SHA256:AES256-GCM-SHA384:DES-CBC3-SHA;

方括号之中的配置就是「等价加密算法组」,用竖线隔开的两种算法,会被自动应用于最合适的场景(支持 AES-NI 优先使用 AES-GCM,否则优先使用 ChaCha20)。最后的 DES-CBC3-SHA 是为了支持 Windows XP 上的 IE8 而加上去的。

下图中,同样是访问本博客,左侧是 Mac Chrome 的截图,右侧是 iPhone Chrome 的截图:

aes chacha20

可以看到(现在应该看不到,我为了测试其他功能又切回了 LibreSSL),只有移动端才使用了 ChaCha20。

这里简单介绍一下「等价加密算法组」的原理:我们知道客户端建立 TLS 连接时,在发送的 Client Hello 中会带上自己支持的加密算法,供服务端从中挑选。由于老旧客户端会支持一些不安全的加密算法,为了提高传输安全,通常会在服务端指定一个可用算法列表,最终使用的加密类型取决于二者的交集,并按服务端优先级取第一个;如果没有交集,直接终止会话。在 Nginx 中这个功能通过将 ssl_prefer_server_ciphers 设置为 on 开启。

那么问题来了,对于同时支持 AES-GCM 和 ChaCha20 的 Chrome 来说,服务端列表无论把哪个放前面都会导致另外一个完全没机会被选中。而「等价加密算法组」的意义在于,等价组内的算法具有相同优先级。这样,客户端可以把想要优先使用的加密算法放在前面。举例说明二者的区别(开启 ssl_prefer_server_ciphers 条件下):

  • 不支持等价组时,如果服务端列表是:A、B、C,浏览器 1 支持:A、B,最终使用 A;浏览器 2 支持 B、A,最终使用 A,浏览器 3 支持 C、A,最终使用 A
  • 支持等价组时,如果服务端列表是:[A|B]、C,浏览器 1 支持:A、B,最终使用 A;浏览器 2 支持 B、A,最终使用 B,浏览器 3 支持 C、A,最终使用 A

可以看到,开启 ssl_prefer_server_ciphers 可以让会话使用最安全的加密算法(前提是服务端配置正确),而「等价加密算法组」还可以让浏览器有局部调整的权限。

补充一下通过 Mac Chrome 和 iPhone Chrome 分别访问我的博客发送的加密算法列表(使用 wireshark 抓包,在 Client Hello 握手中可获得):

Mac Chrome:
Cipher Suites (17 suites)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02b)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)
Cipher Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0x009e)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcc14)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcc13)
Cipher Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcc15)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc00a)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc014)
Cipher Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0x0039)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc009)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc013)
Cipher Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0x0033)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0x009c)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0x0035)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0x002f)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA (0x000a)
Cipher Suite: TLS_EMPTY_RENEGOTIATION_INFO_SCSV (0x00ff)

iPhone Chrome:
Cipher Suites (15 suites)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcc14)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256 (0xcc13)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02b)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0xc02f)
Cipher Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0x009e)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc00a)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc009)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0xc013)
Cipher Suite: TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0xc014)
Cipher Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0x0033)
Cipher Suite: TLS_DHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0x0039)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256 (0x009c)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA (0x002f)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA (0x0035)
Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA (0x000a)

可以看到,Chrome 浏览器确实是会在不同平台上发送不同顺序的算法列表,只要服务端配置了「等价加密算法组」就可以实现本文所描述的功能。

最后提醒大家:现阶段 BoringSSL 不支持 OCSP Stapling。改用 BoringSSL 后,如果在 ssllabs 测试中发现这一项变成 off 不要吃惊。

详细配置步骤

之所以把这部分内容放在最后,是因为折腾起来有点费劲,嫌麻烦的同学可以直接忽略之后所有内容。

以下步骤在我两台系统为 Ubuntu 14.04.3 的 VPS 上都能正常执行。如果你遇到了问题,请留言指出。

首先,获取编译所需的 Nginx 和 BoringSSL 源码,Nginx 从 1.7.4 开始支持 BoringSSL,这里我直接使用最新版:

wget http://nginx.org/download/nginx-1.9.6.tar.gz
tar xzf nginx-1.9.6.tar.gz

git clone https://boringssl.googlesource.com/boringssl

现在,当前目录下应该有这两个子目录:

boringssl/
nginx-1.9.6/

确认无误后,还要做一些准备工作:

# 安装编译 BoringSSL 所需的 Golang
sudo apt-get install golang

# 安装编译 Nginx 所需的工具和依赖库
sudo apt-get install build-essential libpcre3 libpcre3-dev zlib1g-dev

# 忽略编译过程中的 Warning(不加这个,编到一半会因为 Warning 太多无法继续)
export CFLAGS="-Wno-error"

编译 BoringSSL:

# 进入 BoringSSL 源码根目录
cd boringssl

# 创建 build 目录并编译,完成后回到 BoringSSL 源码根目录
mkdir build && cd build && cmake ../ && make && cd ../

# 创建 .openssl 目录,并将库文件和编译后的文件放进去
mkdir -p .openssl/lib && cd .openssl && ln -s ../include . && cd ../
cp build/crypto/libcrypto.a build/ssl/libssl.a .openssl/lib

cd ../

现在可以编译 Nginx 了:

# 进入 Nginx 源码根目录
cd nginx-1.9.6

# 指定使用 BoringSSL 作为 SSL 库
./configure --with-openssl=../boringssl --with-http_v2_module --with-http_ssl_module

# 修改时间,避免 Nginx 再次编译 BoringSSL
touch ../boringssl/.openssl/include/openssl/ssl.h

touch 后可以开始 makemake install 了。这期间可能还会遇到这样一个报错:

'SSL_R_BLOCK_CIPHER_PAD_IS_WRONG' undeclared

这是因为 BoringSSL 删掉了这个变量。找到报错文件 src/event/ngx_event_openssl.c 中对应的位置:

    || n == SSL_R_BLOCK_CIPHER_PAD_IS_WRONG                  /*  129 */

删掉这一行,或者加个判断都可以解决问题:

#ifdef SSL_R_BLOCK_CIPHER_PAD_IS_WRONG
    || n == SSL_R_BLOCK_CIPHER_PAD_IS_WRONG                  /*  129 */
#endif

其他应该没什么问题了。make install 之前记得先停掉 nginx 服务,不然很可能需要手动杀死之前的 nginx 进程。一切妥当后,参考前文修改 ssl_ciphers 并启动服务,搞定收工!

更新:

使用 OpenSSL 1.0.2 加上 CloudFlare 的 patch,也可以实现本文一样的效果,同时还可以支持 OCSP Stapling,更为推荐!详见 neveta 的这篇文章:《Patch Openssl 使其支持 chacha20 算法》。

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