PHP的SSL/TLS握手优化：利用OpenSSL扩展的会话复用（Session Resumption）

PHP的SSL/TLS握手优化：利用OpenSSL扩展的会话复用（Session Resumption）

大家好，今天我们要探讨一个对于提升PHP应用性能至关重要的主题：SSL/TLS握手优化，特别是利用OpenSSL扩展的会话复用机制。 在HTTPS协议中，SSL/TLS握手是建立安全连接的关键步骤，但它也是一个计算密集型过程，会消耗大量资源并增加延迟。优化这个过程，可以显著提升网站的响应速度和用户体验。

1. SSL/TLS握手过程回顾

首先，让我们快速回顾一下完整的SSL/TLS握手过程。它主要包含以下步骤：

1. Client Hello: 客户端发送一个 "Client Hello" 消息给服务器，包含客户端支持的 TLS 版本、密码套件列表、随机数等信息。

2. Server Hello: 服务器收到 "Client Hello" 后，选择一个客户端和服务器都支持的 TLS 版本和密码套件，然后发送 "Server Hello" 消息给客户端，包含服务器选择的 TLS 版本、密码套件、随机数以及服务器证书。

3. Certificate (可选): 服务器将自己的数字证书发送给客户端，用于身份验证。

4. Server Key Exchange (可选): 如果选择的密码套件需要，服务器会发送 "Server Key Exchange" 消息，包含用于密钥交换的公开信息。

5. Certificate Request (可选): 如果服务器需要客户端的证书进行身份验证，会发送 "Certificate Request" 消息。

6. Server Hello Done: 服务器发送 "Server Hello Done" 消息，表示服务器 Hello 阶段完成。

7. Certificate (可选): 如果服务器请求客户端证书，客户端发送自己的数字证书。

8. Client Key Exchange: 客户端生成一个预主密钥 (Pre-Master Secret)，使用服务器的公钥加密后发送给服务器。

9. Change Cipher Spec: 客户端发送 "Change Cipher Spec" 消息，通知服务器后续通信将使用加密。

10. Finished: 客户端发送 "Finished" 消息，包含一个基于握手过程信息的哈希值，用于验证握手过程的完整性。

11. Change Cipher Spec: 服务器发送 "Change Cipher Spec" 消息，通知客户端后续通信将使用加密。

12. Finished: 服务器发送 "Finished" 消息，包含一个基于握手过程信息的哈希值，用于验证握手过程的完整性。

13. Application Data: 双方开始使用加密连接传输应用数据。

这个完整的握手过程涉及到多次网络往返和复杂的加密计算，对服务器资源消耗较大。

2. 会话复用（Session Resumption）的原理

会话复用 (Session Resumption) 是一种优化 SSL/TLS 握手过程的技术，它允许客户端和服务器重用之前建立的会话密钥，从而避免完整的握手过程。主要有两种实现方式：

• Session ID: 服务器在第一次握手时生成一个唯一的会话 ID，并将其发送给客户端。客户端在后续的连接请求中携带这个会话 ID。如果服务器仍然保留该会话 ID 对应的信息，则可以直接使用之前的会话密钥，无需重新协商。

• Session Ticket (TLS Session Resumption without Server-Side State): 服务器在第一次握手时，将完整的会话信息（包括会话密钥）加密后生成一个 Session Ticket，发送给客户端。客户端在后续的连接请求中携带这个 Session Ticket。服务器收到 Session Ticket 后，解密并验证其有效性，如果有效，则可以直接使用其中的会话密钥，无需保存会话状态。

两种方式的对比：

特性	Session ID	Session Ticket
服务器端状态	需要保存会话状态，占用服务器内存	无需保存会话状态，减轻服务器压力
安全性	依赖服务器端会话管理的安全性	依赖 Session Ticket 加密算法的安全性
适用场景	服务器资源充足，对安全性要求高的场景	服务器资源有限，需要横向扩展的场景
实现复杂度	相对简单	相对复杂，需要考虑 Session Ticket 的加密和轮换

3. PHP中使用OpenSSL扩展实现会话复用

PHP的OpenSSL扩展提供了对SSL/TLS协议的支持，我们可以利用它来实现会话复用。

3.1 检查OpenSSL扩展是否启用

首先，确保你的PHP环境中已经启用了OpenSSL扩展。可以通过 phpinfo() 函数查看。

<?php
phpinfo();
?>

在输出的信息中查找 "openssl" 关键字，如果存在，则表示OpenSSL扩展已经启用。如果没有启用，需要在 php.ini 文件中启用它。

3.2 使用 stream_context_create 函数配置SSL/TLS选项

我们可以使用 stream_context_create 函数创建一个流上下文，并设置SSL/TLS相关的选项。

<?php

$contextOptions = [
    'ssl' => [
        'verify_peer' => true, // 验证服务器证书
        'verify_peer_name' => true, // 验证服务器主机名
        'allow_self_signed' => false, // 不允许自签名证书
        'cafile' => '/path/to/cacert.pem', // CA证书路径
        'disable_compression' => true, // 禁用压缩，防止CRIME攻击
        'session_cache' => STREAM_CRYPTO_SESSION_CACHE_BOTH, // 启用会话缓存，同时使用Session ID和Session Ticket
        'session_cache_size' => 1024, // 会话缓存大小，单位：会话数
        'session_cache_timeout' => 300, // 会话缓存超时时间，单位：秒
    ],
];

$context = stream_context_create($contextOptions);

// 使用流上下文创建连接
$socket = stream_socket_client('tls://example.com:443', $errno, $errstr, 30, STREAM_CLIENT_CONNECT, $context);

if (!$socket) {
    echo "Error: $errstr ($errno)n";
} else {
    // 连接成功，进行数据传输
    fwrite($socket, "GET / HTTP/1.1rnHost: example.comrnConnection: closernrn");
    $response = stream_get_contents($socket);
    echo $response;
    fclose($socket);
}

?>

代码解释:

• verify_peer: 启用服务器证书验证。
• verify_peer_name: 启用服务器主机名验证。
• allow_self_signed: 禁止使用自签名证书。
• cafile: 指定CA证书的路径，用于验证服务器证书的有效性。 必须配置正确的CA证书才能验证服务器证书。可以从 Mozilla 下载CA证书包。
• disable_compression: 禁用压缩，防止CRIME攻击。 CRIME攻击利用TLS压缩算法的漏洞来恢复加密数据。
• session_cache: 设置会话缓存类型。 STREAM_CRYPTO_SESSION_CACHE_BOTH 表示同时使用 Session ID 和 Session Ticket。 也可以设置为 STREAM_CRYPTO_SESSION_CACHE_SERVER (仅 Session ID) 或者 STREAM_CRYPTO_SESSION_CACHE_CLIENT (仅 Session Ticket)。
• session_cache_size: 设置会话缓存的大小。 根据服务器的内存大小和预期的并发连接数进行调整。
• session_cache_timeout: 设置会话缓存的超时时间。 会话在超时后将被从缓存中移除。

3.3 Session Ticket的密钥轮换

对于Session Ticket，定期轮换密钥非常重要，以防止密钥泄露导致的安全风险。 OpenSSL扩展本身并没有提供自动密钥轮换机制，需要手动实现。

以下是一个简单的Session Ticket密钥轮换的示例：

<?php

// 密钥存储文件
define('SESSION_TICKET_KEY_FILE', '/path/to/session_ticket_keys.json');

// 密钥轮换周期，单位：秒
define('SESSION_TICKET_KEY_ROTATION_INTERVAL', 86400); // 1天

/**
 * 获取Session Ticket密钥
 *
 * @return array
 */
function getSessionTicketKeys(): array
{
    if (!file_exists(SESSION_TICKET_KEY_FILE)) {
        return generateSessionTicketKeys();
    }

    $keys = json_decode(file_get_contents(SESSION_TICKET_KEY_FILE), true);

    if (!is_array($keys) || count($keys) === 0) {
        return generateSessionTicketKeys();
    }

    // 检查密钥是否过期
    if (time() - $keys['last_rotation'] > SESSION_TICKET_KEY_ROTATION_INTERVAL) {
        return generateSessionTicketKeys();
    }

    return $keys;
}

/**
 * 生成Session Ticket密钥
 *
 * @return array
 */
function generateSessionTicketKeys(): array
{
    $keys = [
        'keys' => [],
        'last_rotation' => time(),
    ];

    // 生成多个密钥，用于密钥轮换
    for ($i = 0; $i < 3; $i++) {
        $keys['keys'][] = bin2hex(random_bytes(16)); // 生成16字节的密钥
    }

    file_put_contents(SESSION_TICKET_KEY_FILE, json_encode($keys));

    return $keys;
}

// 获取Session Ticket密钥
$sessionTicketKeys = getSessionTicketKeys();

$contextOptions = [
    'ssl' => [
        // ... 其他SSL/TLS选项
        'session_ticket_key' => implode(',', $sessionTicketKeys['keys']), // 将密钥以逗号分隔的字符串形式传递给OpenSSL
    ],
];

$context = stream_context_create($contextOptions);

// ... 使用流上下文创建连接

?>

代码解释:

• SESSION_TICKET_KEY_FILE: 定义密钥存储文件的路径。
• SESSION_TICKET_KEY_ROTATION_INTERVAL: 定义密钥轮换的周期。
• getSessionTicketKeys(): 获取Session Ticket密钥。如果密钥文件不存在，或者密钥已过期，则生成新的密钥。
• generateSessionTicketKeys(): 生成Session Ticket密钥。这里生成了3个密钥，用于密钥轮换。
• session_ticket_key: 将密钥以逗号分隔的字符串形式传递给OpenSSL。

重要提示:

• 密钥存储文件必须设置合适的权限，确保只有运行PHP的账户可以访问。
• 密钥轮换周期应该根据安全需求进行调整。
• 应该使用更安全的随机数生成器，例如 random_compat 库。

4. Nginx配置配合Session Resumption

除了PHP代码，还需要在Nginx配置中启用Session Resumption。

ssl_session_cache shared:SSL:10m; # 共享会话缓存，大小为10MB
ssl_session_timeout 10m; # 会话超时时间，10分钟
ssl_session_tickets on; # 启用Session Ticket
ssl_session_ticket_key /etc/nginx/ssl/session_ticket.key; # Session Ticket密钥文件

配置解释:

• ssl_session_cache: 设置共享会话缓存，用于存储Session ID。 shared:SSL:10m 表示创建一个名为 "SSL" 的共享内存区域，大小为 10MB。
• ssl_session_timeout: 设置会话超时时间。
• ssl_session_tickets: 启用Session Ticket。
• ssl_session_ticket_key: 指定Session Ticket密钥文件。

密钥轮换：

Nginx也需要定期轮换Session Ticket密钥。可以使用以下命令生成新的密钥文件：

openssl rand -rand /dev/urandom 48 > /etc/nginx/ssl/session_ticket.key

然后重新加载Nginx配置。

重要提示:

• 确保Nginx版本支持Session Ticket。
• Session Ticket密钥文件必须设置合适的权限，确保只有运行Nginx的账户可以访问。
• 多个Nginx服务器应该使用相同的Session Ticket密钥，以实现会话共享。

5. 测试会话复用

可以使用 openssl s_client 命令测试会话复用是否生效。

openssl s_client -connect example.com:443 -tls1_2

第一次连接时，会进行完整的握手过程。在随后的连接中，如果会话复用生效，则不会显示完整的证书链信息。

也可以通过抓包工具（例如 Wireshark）来分析SSL/TLS握手过程，查看是否使用了Session ID或者Session Ticket。

6. 性能监控与调优

启用会话复用后，需要监控其性能指标，例如会话复用率、握手时间等。可以使用各种监控工具，例如 Prometheus、Grafana 等。

如果会话复用率较低，可以考虑以下因素：

• 会话缓存大小是否足够？
• 会话超时时间是否过短？
• 客户端是否支持会话复用？
• 网络环境是否不稳定？

根据监控结果，调整相关参数，以达到最佳性能。

7. 安全考虑

会话复用虽然可以提升性能，但也存在一些安全风险：

• Session ID预测攻击: 如果Session ID的生成算法不够安全，攻击者可能预测出有效的Session ID，从而窃取会话。
• Session Ticket密钥泄露: 如果Session Ticket密钥泄露，攻击者可以解密Session Ticket，从而窃取会话。
• 重放攻击: 攻击者可能截获Session Ticket，并在之后重放，从而冒充用户。

为了降低这些风险，应该采取以下措施：

• 使用安全的随机数生成器生成Session ID和Session Ticket密钥。
• 定期轮换Session Ticket密钥。
• 限制Session Ticket的有效期。
• 实施适当的重放攻击防御机制。
• 保持OpenSSL库和Nginx版本的更新，及时修复安全漏洞。

8. 总结

SSL/TLS 会话复用是优化 PHP 应用性能的有效手段，可以显著降低握手延迟和资源消耗。通过配置 OpenSSL 扩展和 Nginx，可以轻松实现会话复用。 但是，必须重视安全问题，并采取相应的安全措施，以确保应用的安全性。 通过仔细的配置，定期的密钥轮换，以及持续的性能监控，我们可以充分利用会话复用带来的性能优势，同时最大限度地降低安全风险。