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2017 HTTPS 调查

Dec 7, 2017 #https

这篇文章改写自 poi 的计算机网络课论文。

前言

自 1991 年,第一个带有文档的 HTTP ── HTTP V0.9 问世以来,HTTP 协议得到了广泛的运用。

Cisco 统计,在 2016 年,全球的的网络流量达到了惊人的 1.2 ZB 流量,其中视频的流量就达到了 73%。而目前的视频传输协议中最常用的分别是 Apple 的 HLS (HTTP Live Stream) 和 Google 的 DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) ,而两者都是基于 HTTP 的协议。

随着互联网的发展,网络通信中的安全性也得到了重视。在 1995 年,TLS 协议的前身 SSL 协议应运而生。而我们今天要讨论的就是在 SSL 诞生的 22 年之后,互联网上的 HTTPS 运用到达了什么程度。

总览

我收集了目前 Alexa 排名前 1,000 的网站,虽然数量不多但是都是无疑占据了互联网上大多数的流量,通过来一窥互联网当前 HTTPS 的普及程度。部分的数据来自于 ssllibs

实际上,我有 Alexa 前 1,000,000 的网站的名单。但是 ssllib 的 API 调用起来极其费时,对一个网站 ssl 配置的查询需要 2~3 分钟的时间,所以只能退而求其次。只考察前 1,000 个网站。

首先,在这 1,000 个网站中,目前有效的网站只有 981 个,其他的网站都无法成功解析其域名,可能是网站己经下线或者迁移到别的域名了,所以其是否支持 HTTPS 就不得而知了。

然后,在这 981 个网站中,支持 HTTPS 的恰好有 800 个,占比约有 81.5%。而在前 100 的网站中,只有 10 个网站不支持 HTTPS。

虽然这 800 个网站都支持 HTTPS 协议,但是他们在协议的实现上的不同也会产生安全性的差异。例如 RC4 加密曾经是 TLS 所采用的加密算法之一,但是在 2015 年遭到了破解,因此已经禁止在 TLS 中使用了。可目前仍然有网站使用 RC4 加密,甚至作为唯一的加密手段,那其 HTTPS 就形同虚设了。

TLS 版本

我统计了这 800 个网站所支持的最高的 TLS 协议的版本:

绝大多数的网站(98 %)的网站支持了 TLS 1.2 标准。比较遗憾的是,没有看到网站使用了最新的 TLS 1.3 标准,不过考虑到 TLS 1.3 还处在草案阶段,不使用也是合情合理的。此外,我也发现了还有 37 个网站仍在使用已经被认为是 不安全 的 SSL 3.0。

TLS 握手

TLS 中最常见的握手方式两种:一种是基于 RSA 算法的;另外一种是基于 DH(Diffie-Hellman) 算法。RSA 算法历史悠久,兼容性好;DH 算法在加密速度上更有优势,而且拥有前向安全性。 TLS 握手的一个目的就是保证安全性。DH 握手可以使用除了 RSA 以外的证书来提高性能,例如 ECC。ECC 证书内置了 ECDSA 公钥,使用了 ECC(Elliptic curve cryptography)算法,它的密钥更短 ── 256 bit 的 ECC 算法强度和 3072 bit 的 RSA 算法安全性相当 ── 而加密速度更快。在 800 个支持 HTTPS 的网站中,大多数的网站还是选择了传统的 RSA 证书,只有少量的网站(35 个)选择了 ECC 证书:

TLS 握手的另外一个目的就是可以验证网站的身份,即需要数字签名。目前主要的签名方式有两者,分别是 RSA 和 ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithms)。在这 800 个网站中,有 21 个网站使用了 ECDSA 签名:

从 HTTPS 到 HSTS

当一个网站部署了 HTTPS 后,当用户再发起 HTTP 请求时,应该主动将用户引导到更安全的 HTTPS。目前有两种方法引导:一是当用户发起 HTTP 请求时,直接将其重定向到 HTTPS;二是设置 HSTS 响应头。

在这 800 个网站中,当我们直接发起 HTTP 请求时,HTTP 的状态码分布为:

我们知道在 HTTP 的状态码中,20X 的状态码表示资源已经找到;30X 表示重定向;40X 的状态码表示资源不存在;50X 表示服务器发生了错误;因此,我们的粗略的统计为 573 个网站会将用户重定向到安全的 HTTPS 页面。其余的不会。

和直接重定向到 HTTPS 相比,HSTS 的方法要好得多:网站在 HTTP 应答头中加入 HSTS (Strict-Transport-Security)的信息。它指定了一个有效时间,在有效时间内,当浏览器下次访问该域名时将直接使用 HTTPS 协议访问。

上述两种办法都有一个缺陷:都需要先经过一次 HTTP 请求后,才能过渡到 HTTPS 请求。如果第一次的 HTTP 请求就遭到了劫持,那就无能为力了。所以,相比简单的设置 HSTS 应答头,加入 HSTS Preloading List 的意义更大。

HSTS Preloading List 的原理就是在浏览器中内置一张支持 HSTS 网站的列表,当用户访问当中的网站时,如果在有效期内的话,浏览器会直接使用 HTTPS 链接,不会再发起 HTTP 请求。

目前的 HSTS Preloading List 主要由 Chrome 维护,FirefoxEdge/IE 都在使用。截至 2017 年 11 月 30 号,Chrome 的 HSTS Preloading List 中一共有 41312 个域名。而在这 800 个支持 HTTPS 的域名中,有 124 个网站也在其中。

Chrome 的 HSTS Preloading List 支持 申请,所以可以见这个列表来的域名将会越来越多,最后覆盖到我们常用的域名。

维护证书安全

HTTPS 链接中,另一个容易受到攻击的地方就是证书。证书是由 CA(证书颁发机构)颁布的,而受信任的 CA 多达上百个。我们先来看看这 800 个网站的证书是由哪些 CA 颁发的:

现有的证书信任链还有一个问题就是任意一个受信任的 CA 都可以给任意一个域名颁发证书。所以如果出现了中间证书甚至是根证书被盗签时,对于浏览器来说是无法分辨的。

一种解决办法就是在应答头中加入 HPKP (HTTP Public Key Pinning) 信息:即将自己的证书指纹放在 HTTP 的应答头里,让浏览器记录这些信息。当浏览器下次访问时都会验证该指纹,如果指纹不对的话,即使证书合法,浏览器也会直接断开链接。

显然,HPKP 和 HSTS 一样也有 HTTP 被劫持的危险。所以也有相应的 HPKP Preloading List 。但是和 HSTS Preloading List 不同,个人用户 无法申请 将自己的网站加入其中。所以目前的 HPKP Preloading List 的规模还比较小,而在这 800 个网站中也只有 2 个网站设置了 HPKP 的应答头。

此外, Chrome 提出了另外一种解决办法,那就是 Certificate Transparency:即将整个证书签名的过程透明化,任何证书持有者和 CA 都可以将自己证书的记录提交到相应的 Certificate Logs 服务器中,而这整个记录都是受到审计和监控的;浏览器在访问网站时就会对证书进行校验,进而做出不同的反应。

下面就是一个支持 Certificate Transparency 的页面的例子:

但是,Certificate Transparency 目前只有 Chrome 支持。而 Chrome 知道其利用率还太低,所以即使在 Certificate Logs 服务器中查不到相应的证书也不会有太大影响。

结论

从上面的分析我们可以得出:尽管大多数的网站都已经支持 HTTPS 协议了,但是实现还是参差不齐。而面对一些新型的攻击,例如首次 HTTP 协议遭到劫持,证书被盗签等问题准备得还是不够充分。

P.S.

很可惜,没有收集到所有 1,000,000 个域名的 HTTPS 信息,不过还是可以统计一下其他的信息。例如,域名的长度:

和顶级域名的分布: