网不好怎么办?TLS握手带宽直降80%,BabaSSL是怎么做到的?

发布于 2022-5-6 18:32
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前言


随着 5G 网络的建设,加速了移动互联网应用的发展,包括短视频、在线教育、物联网等领域。但是在现实生活中,依然存在网络信号不好的场景,包括地下商场、车库、地铁等地方,或者是由于网络拥塞导致的弱网环境下,应用在使用过程中加载缓慢,导致用户体验变差。这时候就需要对弱网环境进行优化,而手段之一就是想办法降低网络数据传输。
为了保障数据的安全性,通常使用 TLS/SSL 进行加密传输。当客户端访问服务器后台时,客户端会先和服务器进行 TLS 握手。在 TLS 完整握手时,服务端会发送证书链用于身份认证,而握手时数据传输的大部分都来自于证书。
有什么办法可以减少 TLS 握手的带宽消耗呢?如果证书可以被压缩,甚至“消失”,那就可以大大降低数据传输。RFC 8879 TLS Certificate Compression 就是为了解决这个问题,在 TLS 1.3 握手时提供证书压缩功能。
BabaSSL 是一款开源的密码库产品,在 GitHub 和 OpenAnolis 龙蜥社区开源,并加入到龙蜥社区(OpenAnolis)的商密软件栈 SIG 组,且作为 Anolis 商密 OS 的核心组件之一,替代 OpenSSL 成为系统默认的基础密码算法库;基于  OpenSSL 1.1 版本并保持兼容性,在 OpenSSL 的基础上实现了一系列自主可控的安全特性,包括各种国密算法、国密标准的实现以及大量提高密钥安全强度的特性实现。

目前,BabaSSL 已经支持 TLS 证书压缩功能,而 OpenSSL 还不支持。
TLS 证书压缩介绍

网不好怎么办?TLS握手带宽直降80%,BabaSSL是怎么做到的?-开源基础软件社区

1、如果客户端支持证书压缩,在 ClientHello 消息中携带 compress_certificate 扩展,该扩展中包含支持的压缩算法列表;

2、服务端收到 ClientHello,发现对方支持证书压缩,如果服务端也支持证书压缩,同时支持客户端声明的压缩方法,则使用该算法压缩 Certificate 消息;
3、服务端发送 CompressedCertificate 消息,代替原来的 Certificate 消息,CompressedCertificate 消息中包含压缩算法,解压后的长度和压缩的 Certificate 消息;
4、 客户端收到 CompressedCertificate 消息后,使用其中的 algorithm 解压,如果解压成功,则进行后续处理,否则关闭连接并发送 bad_certificate 警告。
服务端发送 CertificateRequest 消息,然后客户端发送 CompressedCertificate 消息的处理流程和上述类似,不再赘述。
标准中定义的压缩算法:
网不好怎么办?TLS握手带宽直降80%,BabaSSL是怎么做到的?-开源基础软件社区除了 RFC 中定义的这 3 种算法,用户还可以使用其他算法,值 16384 到 65535 用于留给用户自已使用。
实战TLS证书压缩

开源 BabaSSL 密码库已经支持 TLS 证书压缩功能,需要在构建 BabaSSL 时开启该功能,config 后添加 enable-cert-compression。
可以在设置 SSL_CTX 时,添加证书压缩算法,代码示例如下:

#include <openssl/ssl.h>
#include <zlib.h>

static int zlib_compress(SSL *s,
                         const unsigned char *in, size_t inlen,
                         unsigned char *out, size_t *outlen)
{

    if (out == NULL) {
        *outlen = compressBound(inlen);
        return 1;
    }

    if (compress2(out, outlen, in, inlen, Z_DEFAULT_COMPRESSION) != Z_OK)
        return 0;

    return 1;
}

static int zlib_decompress(SSL *s,
                           const unsigned char *in, size_t inlen,
                           unsigned char *out, size_t outlen)
{
    size_t len = outlen;

    if (uncompress(out, &len, in, inlen) != Z_OK)
        return 0;

    if (len != outlen)
        return 0;

    return 1;
}

int main() {
    const SSL_METHOD *meth = TLS_client_method();
    SSL_CTX *ctx = SSL_CTX_new(meth); 

    /* 配置证书、私钥... */
    
    /* 例如:设置压缩算法为zlib */
    SSL_CTX_add_cert_compression_alg(ctx, TLSEXT_cert_compression_zlib,
                                    zlib_compress, zlib_decompress);

    SSL *con = SSL_new(ctx);
    
    /* 握手... */
    
    return 0;
}

也可以使用 BabaSSL 提供的 s_client 和 s_server 来使用 TLS 证书压缩功能:

# 服务端
/opt/babassl/bin/openssl s_server -accept 127.0.0.1:34567 -cert server.crt -key server.key -tls1_3 -cert_comp zlib -www -quiet

# 客户端
/opt/babassl/bin/openssl s_client -connect 127.0.0.1:34567 -tls1_3 -cert_comp zlib -ign_eof -trace

测试压缩算法和压缩率

服务端配置证书链,CA 证书 + 中间 CA + 域名证书,TLS 1.3 握手且开启证书压缩,对比各个压缩算法的压缩率如下:
网不好怎么办?TLS握手带宽直降80%,BabaSSL是怎么做到的?-开源基础软件社区有些压缩算法是支持设置字典的,比如 brotli、zstd。可以提前计算好字典内容,预埋到客户端和服务端,然后在压缩和解压的时候使用该字典,可以让证书链完美“消失”。例如上表中使用 zstd + 字典时,压缩前的 Certficate 消息为 2666 字节,压缩后只有 18 字节。

开启证书压缩功能后,可以大大降低握手时的传输,尤其是使用字典时,例如 zstd + 字典时数据如下:
关闭证书压缩,握手共传输:3331 字节
开启证书压缩:握手共传输:698 字节
压缩率:698/3331 * 100% = 20.95%,握手带宽降低接近 80%。

结语

TLS 会话复用时不需要发送证书,所以,在完整握手时,就可以通过证书压缩来优化。
在双向认证的场景下,即服务端开启了客户端认证,如果客户端和服务端都开启 TLS 证书压缩功能,压缩效果更明显,可以节省 TLS 握手中 80% 以上的带宽。
后面 BabaSSL 还会支持 Compact TLS 1.3,即 TLS 1.3 的袖珍版,保持协议同构的前提下,占用最小的带宽。欢迎使用和关注 BabaSSL。
BabaSSL项目地址(文末可直接跳转):

https://github.com/BabaSSL/BabaSSL

商密软件栈SIG :基于 Anolis OS,在整个系统软件层面(包括硬件,固件,bootloader,内核以及 OS)实现以国密算法为主的全栈国密操作系统,结束一直以来国密算法生态碎片化的状况,在技术方面打造社区和生态,在资质合规方面致力于为行业提供基于国密的信息安全标准。
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