Go 1.12 TLS 1.3 简单测试

《TLS 1.3 当前(2018.10)支持与部署之现状》中,我们提到 Go 将在 1.12 中支持 TLS 1.3. 作为一个 Gopher, 终于在前几天盼来了 golang 1.12 的发布。

但是从 release 日志看,本次对选择性的部分支持 TLS 1.3, 且默认处于关闭状态:

Go 1.12 adds opt-in support for TLS 1.3 in the crypto/tls package as specified by RFC 8446. It can be enabled by adding the value tls13=1 to the GODEBUG environment variable. It will be enabled by default in Go 1.13.

如果要开启 TLS 1.3, 需要设置环境变量:GODEBUG=tls13=1.

本次发布的 TLS 1.3 的 cipher suite 无法配置,也不支持 0-RTT 模式:

TLS 1.3 cipher suites are not configurable. All supported cipher suites are safe, and if PreferServerCipherSuites is set in Config the preference order is based on the available hardware.

Early data (also called “0-RTT mode”) is not currently supported as a client or server.

要知道,没有 0-RTT 的 TLS 1.3 是没有灵魂的,对本次版本的失望那是肯定的。但是依然在第一时间升级了 Go 版本,简单测试了一下国内网络环境下 TLS 1.3 与 1.2 的握手延迟。如果对 TLS 1.3 握手延迟还不太熟悉,可以参见拙文《TLS1.3/QUIC 是怎样做到 0-RTT 的》 以及 TLS 1.3 Handshake Protocol.

测试代码

需要说明的是,这个测试是不严谨,里面没有考虑 cipher suite 以及 early data 的差异。测试结果定性意义大于定量意义。

测试结果

测试使用的目标服务器地址是 blog.cloudflare.com:443, 我的网络环境下,ping 延迟为 226 ms (1-RTT).

从结果看,有如下结论:

  1. TLS 1.3 平均比 TLS 1.2 建立连接的延迟低约 1-RTT, 跟理论分析是吻合的。但是,
  2. 从 max 项可以看出,部分时候国内到目标服务器网络不稳定带来的波动比 TLS 本身协议优化的 RTT 大的多。因此,稳定高延迟的网络链路有时候比低延迟高抖动的网络更有实际意义。
  3. TLS 建立在 TCP 基础上,TCP 的握手延迟在 TLS 层面是优化不掉的,或者说不是 TLS 的管辖范围,因此,在允许的情况下,尽量复用连接。

TLS 1.3 当前(2018.10)支持与部署之现状

今年8月10日,历经三年有余,TLS 1.3 最终版本终于得以发布——RFC 8446. 关于 RFC 的详细介绍可以进一步阅读 A Detailed Look at RFC 8446 (a.k.a. TLS 1.3). TLS 1.3 因为其在握手延迟以及安全性上的改进 (可以参考拙文《TLS1.3/QUIC 是怎样做到 0-RTT 的》),毫不夸张的说,这是一件将深刻而长远影响互联网发展的技术里程碑。那么将 TLS 1.3 尽快平滑应用到线上环境无疑是一件势在必行的事情了。

在我日常的工作中,对于 TLS 1.3 的支持和部署主要关注两个层面: 编程语言(Go, Java)、 API gateway (Nginx) 和浏览器. 下面分别介绍一下这三个层面 TLS 1.3 的支持部署现状。(因为 RFC 8446 已经发布,因此本文中说的支持如无特殊说明,都是指对最终版本 RFC 8446 的支持。)

编程语言对 TLS 1.3 的支持

Go 方面,官方在 TLS 1.3 draft 阶段一直没有跟进。因此,有一个关于对 TLS 1.3 支持的 issue 从 2015 年 open 至今都没有关闭:crypto/tls: add support for TLS 1.3. 其实 Go 发布版本和改进标准库的效率还是挺高的,对于 TLS 1.3 上的“不作为”更多是因为 Go 在兼容性上的承诺导致其并适合在最终版发布前实现互不兼容的 draft 方案。

而 Go 1.11 的发布时间(2018.08.24)与 RFC 8446 的发布时间比较接近,没有足够时间实现并发布该特性。从 golang-dev 小组讨论 Re: crypto/tls and TLS 1.3 看,由于 1.11 没有实现 TLS 1.3 ,那么 1.12 实现 TLS 1.3 基本是板上钉钉的事了:

The key scheduling fact is that the Go 1.11 feature freeze is just a week away, so we decided that it would be too rushed to merge the 1.3 patches for it. I definitely aim to have TLS 1.3 in Go 1.12.

根据惯例, Go 1.12 的发布时间将会是 2019.02~03. 如果期间你实在想用 Go 编程测试 TLS 1.3, 可以尝试使用 CloudFlare 的 tls-tris 库。根据 Go net/http 标准库维护者 Brad Fitzpatrick 的消息,这个库将会被合并到标准库作为 Go 官方 TLS 1.3 的实现。因此,如果你不得不用这个库干一些生成环境的活也大可放心,即使日后升级 Go 1.12, 接口兼容性还是有保证的。

Java 方面,由于 Java 11 出生时间好(2018.09.25), 因此是出生就支持 TLS 1.3 RFC 8446, 具体可以参见 JEP 332: Transport Layer Security (TLS) 1.3. Java 11 是 LTS 版本,因此,如果有条件升级到 11, 推荐使用 Java 11 实现的 TLS 1.3 以及配套的 HttpClient;如果生产环境暂无法升级 Java 版本,推荐使用 OkHttp. 关于 Java Http Client 选型可以参见Java HTTP 组件库选型看这篇就够了

Nginx 对 TLS 1.3 的支持

准确讲应该是 Nginx 所使用 SSL lib 对 TLS 1.3 的支持。在这方面,Boring SSL 跟进速度飞快,在 RFC 发布后第4天实现了对最终版本的支持。OpenSSL 虽然很早就跟进了 draft 的实现,但是对最终版本的支持需要 1.1.1-pre9 及以后的版本:

The OpenSSL git master branch (and the 1.1.1-pre9 beta version) contain our development TLSv1.3 code which is based on the final version of RFC8446 and can be used for testing purposes (i.e. it is not for production use). Earlier beta versions of OpenSSL 1.1.1 implemented draft versions of the standard. Those versions contained the macro TLS1_3_VERSION_DRAFT_TXT in the tls1.h header file which identified the specific draft version that was implemented. This macro has been removed from 1.1.1-pre9 and the current master branch.

TLSv1.3 is enabled by default in the latest development versions (there is no need to explicitly enable it). To disable it at compile time you must use the “no-tls1_3” option to “config” or “Configure”.

Although the latest 1.1.1 versions support the final standard version, other applications that support TLSv1.3 may still be using older draft versions. This is a common source of interoperability problems. If two peers supporting different TLSv1.3 draft versions attempt to communicate then they will fall back to TLSv1.2.

而第一个 OpenSSL 1.1.1 release 是在 2018.09.11, 因此如果你跟我一样是 OpenSSL 的死忠粉,当前阶段 Nginx 支持 TSL 1.3 的最佳方式是 Nginx 1.15.5 + OpenSSL 1.1.1. 而这种脏活、苦活、累活当然是交给 Docker 解决了:从源代码编译 nginx docker 镜像开启 TLS 1.3,项目地址可以参见 docker-nginx.

配置 Nginx 支持 TLS 1.3 需要注意一点:默认情况下 Nginx 因为安全原因,没有开启 TLS 1.3 0-RTT,可以通过添加 ssl_early_data on; 指令开启 0-RTT. 完整配置可以参考 nginx.conf.

浏览器对 TLS 1.3 的支持

当前阶段,Chrome 69 和 Firefox 62 都只支持到 draft 28, 而 draft 28 与最终版本是不兼容的。因此,要测试体验 TLS 1.3 final 需要使用 Chrome Beta 测试版。然后在 chrome://flags/#tls13-variant 开启 TLS 1.3 final:

扩展阅读

100行代码实现基于 QUIC 的 http 代理

本站开启支持 QUIC 的方法与配置后,主观感觉从国内访问快了很多。看了一下Chrome的timing, 大部分建立连接都能够做到0-RTT:

既然这样,顺手实现一个基于QUIC的http代理,把平时查资料时使用的网络也顺带加速一下。(对了,前两天看到Google发布了Outline, 看来这项运动从来都不缺少运动员哪……)

http 代理原理

http 代理处理http和https请求的方式有所不同。对于http请求:

  1. 浏览器与代理服务器建立TCP连接后,将http请求发送给代理服务器。
  2. 代理服务器将http请求发送给目标服务器。
  3. 代理服务器获取到相应结果以后,将结果发送给浏览器。

这里有一个细节需要注意,浏览器向代理服务器发送的http请求URI与直接访问有所不同。

浏览器直接访问 GET http://www.yahoo.com 的http请求格式为:

GET / HTTP/1.1
User-Agent: Quic-Proxy
...

而向代理服务器发送的http请求格式为:

GET http://www.yahoo.com HTTP/1.1
User-Agent: Quic-Proxy
...

也就是浏览器想代理服务器发送的http请求URI中包含了scheme和host,目的是为了让代理服务器知道这个代理请求要访问的目标服务器地址。

对于https请求,一般是通过CONNECT建立隧道:

  1. 浏览器向代理服务器建立TCP连接,发送CONNECT请求。
  2. 代理服务器根据CONNECT请求中包含的host信息,向目标服务器建立TCP连接,然后向浏览器返回200连接成功的响应。
  3. 这时代理服务器同时维持着连接浏览器和目标服务器的TCP连接。
  4. 从浏览器的角度看,相当于建立了一条直连目标服务器的TCP隧道。然后直接在该隧道上进行TLS握手,发送http请求即可实现访问目标服务器的目的。

QUIC Proxy的设计与实现

QUIC Proxy 部署结构图

QUIC Proxy的部署结构与上面http代理原理稍微有所不同。主要区别是增加了qpclient。主要原因是应用程序与代理服务器支架的请求是明文传输(http请求代理是全明文,https请求代理时的CONNECT头会泄露目标服务器信息)。我们是要隐私的人(虽然小扎可能并不care),因此,在应用程序与qpserver之间加了一个qpclient,之间使用QUIC作为传输层。

实现

QUIC Proxy使用Go实现,猴急的同学可以直接到github看源码:Quic Proxy, a http/https proxy using QUIC as transport layer.

代码比较简单,基于标准库的http.Server根据http代理的原理进行了一点http请求的修改。然后,因为qpclientqpserver之间使用QUIC作为transport,而QUIC上的每一个connection都是可以多路复用(multiplexing)的,因此,对于qpserver需要自己实现一个传入http.Server的listener:

type QuicListener struct {
    quic.Listener
    chAcceptConn chan *AcceptConn
}

type AcceptConn struct {
    conn net.Conn
    err  error
}

func NewQuicListener(l quic.Listener) *QuicListener {
    ql := &QuicListener{
        Listener:     l,
        chAcceptConn: make(chan *AcceptConn, 1),
    }
    go ql.doAccept()
    return ql
}

func (ql *QuicListener) doAccept() {
    for {
        sess, err := ql.Listener.Accept()
        if err != nil {
            log.Error("accept session failed:%v", err)
            continue
        }
        log.Info("accept a session")

        go func(sess quic.Session) {
            for {
                stream, err := sess.AcceptStream()
                if err != nil {
                    log.Error("accept stream failed:%v", err)
                    sess.Close(err)
                    return
                }
                log.Info("accept stream %v", stream.StreamID())
                ql.chAcceptConn <- &AcceptConn{
                    conn: &QuicStream{sess: sess, Stream: stream},
                    err:  nil,
                }
            }
        }(sess)
    }
}

func (ql *QuicListener) Accept() (net.Conn, error) {
    ac := <-ql.chAcceptConn
    return ac.conn, ac.err
}

同样的,qpclientqpserver建立连接也需要考虑到多路复用的问题,实现实现一个基于QUIC的dialer:

type QuicStream struct {
    sess quic.Session
    quic.Stream
}

func (qs *QuicStream) LocalAddr() net.Addr {
    return qs.sess.LocalAddr()
}

func (qs *QuicStream) RemoteAddr() net.Addr {
    return qs.sess.RemoteAddr()
}

type QuicDialer struct {
    skipCertVerify bool
    sess           quic.Session
    sync.Mutex
}

func NewQuicDialer(skipCertVerify bool) *QuicDialer {
    return &QuicDialer{
        skipCertVerify: skipCertVerify,
    }
}

func (qd *QuicDialer) Dial(network, addr string) (net.Conn, error) {
    qd.Lock()
    defer qd.Unlock()

    if qd.sess == nil {
        sess, err := quic.DialAddr(addr, &tls.Config{InsecureSkipVerify: qd.skipCertVerify}, nil)
        if err != nil {
            log.Error("dial session failed:%v", err)
            return nil, err
        }
        qd.sess = sess
    }

    stream, err := qd.sess.OpenStreamSync()
    if err != nil {
        log.Info("[1/2] open stream from session no success:%v, try to open new session", err)
        qd.sess.Close(err)
        sess, err := quic.DialAddr(addr, &tls.Config{InsecureSkipVerify: true}, nil)
        if err != nil {
            log.Error("[2/2] dial new session failed:%v", err)
            return nil, err
        }
        qd.sess = sess

        stream, err = qd.sess.OpenStreamSync()
        if err != nil {
            log.Error("[2/2] open stream from new session failed:%v", err)
            return nil, err
        }
        log.Info("[2/2] open stream from new session OK")
    }

    log.Info("addr:%s, stream_id:%v", addr, stream.StreamID())
    return &QuicStream{sess: qd.sess, Stream: stream}, nil
}

好吧,我承认实现代码似乎在200行左右……但是,我们实现了一个client和一个server, 平均下来基本控制在100行左右,对吧……(😂逃……)

部署

:需要golang版本 >= 1.9

1. 在远程服务器上安装 qpserver

go get -u github.com/liudanking/quic-proxy/qpserver

2. 启动qpserver:

qpserver -v -l :3443 -cert YOUR_CERT_FILA_PATH -key YOUR_KEY_FILE_PATH

3. 在本地安装 qpclient

go get -u github.com/liudanking/quic-proxy/qpclient

4. 启动 qpclient:

qpclient -v -k -proxy http://YOUR_REMOTE_SERVER:3443 -l 127.0.0.1:18080

5. 设置应用程序代理:

以 Chrome with SwitchyOmega 为例:

Enjoy!