new TLS feature in Node-v0.12

1. Node-v0.12のTLSを
256倍使いこなす方法
大津 繁樹 (@jovi0608)
株式会社インターネットイニシアティブ(IIJ)
東京Node学園祭2014
2014年11月15日

2. 自己紹介
• 名前： 大津 繁樹
• 所属： 株式会社インターネットイニシアティブ(IIJ) アプリケーション開発部
• Twitter: @jovi0608
• ブログ： ぼちぼち日記 http://d.hatena.ne.jp/jovi0608/
• GitHub: https://github.com/shigeki/
• 新技術の検証・評価を行ってます。 (Node.js, SPDY, HTTP/2,HTML5)
• iij-http2の開発を通じてIETFのHTTP/2標準化作業に参画中
• Node-v0.11.x へのパッチ提出はわずか。でもほとんどTLS関連です。

3. TLS (Transport Layer Security)の利用状況
TLS通信
認証、暗号化、
改ざん防止
図参照 https://plus.google.com/+IlyaGrigorik/posts/7VSuQ66qA3C
GoogleによるChromeの統計調査
から、ここ2年間でhttpsサイトへ
のナビゲーションは28％から58％
に増加

4. IAB(Internet Architecture Board)からインターネッ
トの信頼性に関する声明
https://www.iab.org/2014/11/14/iab-statement-on-internet-confidentiality/
IABは、現在プロトコル設計者・開発者・運用者がインターネットトラフィックの
標準として暗号化を行うことが重要であると信じている。できる限り認証と共に暗
号を使うべきだが、認証なしの機密性を持つプロトコルでもRFC7258で記載された
「広範囲な盗聴行為」に対して有用となりえる。

5. 発表内容
• NodeのTLSモジュール大改造
• TLSSocket
• AES-NI
• PFS (Perfect Forward Secrecy)
• TLS False Start
• TLS Ticket
• OCSP Stapling
• TLS Dynamic Record
• SPDY, HTTP/2
• SPDYのメリットが一番よくわかるデモ
Node-v0.12でTLSを使うために有用な情報をお伝えします。
（でも256個もないです）
（注1： Node-v0.12はまだ未リリースですが、2014/11/10時点のv0.12ブランチHEADを対象としています。）
（注2： Node-v0.11.xはまだPOODLE対策がされていません。SSLv3を無効化するために、
secureOptions: require(‘constants’).SSL_OP_NO_SSLv3） をサーバオプションに追加しましょう。)

6. 目指せ A+ のTLSサーバ
ソースはこちら
https://gist.github.com/shigeki/986c53242f5bd3d78609
https://www.ssllabs.com/ssltest/index.html

7. Node TLSモジュールの大改造
Node-v0.10の問題：パフォーマンスが悪い、API
が扱いづらい
• 受信した暗号文をnetモジュールで受けてから
SecurePair オブジェクトで復号化
• 送信する平文もSecurePairオブジェクトで暗号
化してからnetモジュールで送信
• C++ → JS → C++ → JS のオーバヘッドが大きい
• 平文のCleartextStreamはnet.Socketと似て非な
るもの。
Node-v0.10のTLS処理概要
C++
JS
C++
JS
SecurePair
openssl
暗号文
平文 平文
暗号文
暗号文
net module
libuv
CleartextStream
CryptoStream

8. Node TLSモジュールの大改造
C++C++
JS
tls_wrap
libuv openssl
Node_BIO
TLSSocket
平文 平文
暗号文
Node-v0.12のTLS処理概要
Node-v0.12でパフォーマンスを改善、APIを統一
• opensslとlibuvでデータと共有する Node_BIO
を作成 → 両者の処理を一体化
• netモジュールのハンドルをtls_wrapが横取り →
C++の処理だけで平文データを生成
• net.Socketを継承するTLSSocketを新設 → イン
ターフェイスを統一 C++

9. TLSSocket
• Node-v0.10までの CleartextStream の替わり
• CleartextStreamのAPIの互換保持
• ちゃんと net.Socketを継承し、APIを完備
• TLS周りの通信に関する新規機能のAPIを追加
より直観的でわかり易くなった。
EventEmitter
Stream
Readable Writable
Duplex
Socket
TLSSocket

10. AES-NI (Advanced Encryption Standard New Instructions)
• Intel, AMDのCPUに搭載されているAES暗号の処理機能
• 最近のモデルには多く搭載されている。/proc/cpuinfo で確認
• openssl-1.0系に実装済。Node-v0.10.x, v0.11.xでも使える
• 環境変数でAES-NIの有効・無効化してNodeのcryptoのベンチ比較
AES-NI有効時 AES-NI無効時
22.8469
Gbit/sec
9.51245
Gbit/sec
AES-NI付きCPUのサーバを選んで使いましょう
AES-NIで2.4倍に性能向上！

11. PFS(Perfect Forward Secrecy)
• セッション毎に一時的に有効な公開鍵を交換して暗号鍵を共有す
る方式
• 証明書の秘密鍵が危殆化しても過去の通信データを復号化できな
い。今後主流となる鍵交換方式。
• Node-v0.12から ECDHE, DHE の2種類が利用可能
• ECDHEの方が性能が良いのでそっちを優先指定(デフォルト）
• ECDHEはデフォルトで何もせず利用できる。(prime256v1)
• DHEの利用dhparamファイルを生成と指定が必要。現状十分な強
度を持つには2048bit長以上で生成すること。

12. TLS False Start
ClientHello
ServerHello
Certificate
ServerHelloDone
ServerKeyExchange
ChangeCipherSpec
Finished
ハンドシェイク完了前に
暗号化したアプリデータ
をフライングで送信
application data
ClientKeyExchange
ChangeCipherSpec
Finished
• TLS接続を高速化する技術 (2RTT→1RTT)
• TLSハンドシェイク完了直前に暗号化したアプリケー
ションデータをフライングで送信
• Chromeで2010年より先行実装、でも想定外の挙動の
ため問題頻発。
• TLSハンドシェイク完了前なのでダウングレード攻撃の
リスクもあり一旦中止。
• NPNでプロトコル指定、PFS利用で利用可能に。
• IEやSafariなどは別の条件。

13. NodeでTLS False Startを使うには
NodeはデフォルトでNPN拡張を付与するのでPFSを利用すればク
ライアントはTLS False Startになる(*)
PFS利用していない時(AES128-GCM-SHA256)
PFS利用している時(ECDHE-RSA-AES128-SHA256)
TLS False Start によ
るTLSハンドシェイ
クの高速化
1RTT分
(*) IE, Safariは条件が違います

14. TLS Ticket
• サーバからクライアントにTLS再接続時に利用する
CipherSuite/MasterSecretが含まれた設定データ（チ
ケット）を暗号化して渡す。
• 渡したチケット情報はサーバ側では保持しない。
• クライアントは再接続時にチケットをサーバに送信。
サーバはチケットデータを復号化し、中のTLS設定
情報を利用して通信を再開する。
• チケット鍵が複数のサーバ間で共有できていれば別
サーバに行っても大丈夫。（ただし鍵管理が大変）
ClientHello
Sesstion Ticket Ext
ServerHello
SessionTicket Ext
Certificate
ServerHelloDone
ServerKeyExchange
NewSessionTicket
ChangeCipherSpec
Finished
ClientKeyExchange
ChangeCipherSpec
Finished

15. NodeでTLS Ticketを使う
• Node-v0.10で既に使えるが、単一プロセスのみ。
• Node-v0.12ではクラスタの複数プロセス間でチケット鍵が共有可
• Cluster でTLSを使っている方は、今すぐNode-v0.12へ
Node-v0.10.33 のTLSクラスター
Node-v0.12-pre のTLSクラスター

16. OCSP Stapling
• OCSP (Online Certificate Status Protocol)：
• 証明書が失効していないか確認するプロトコル
• TLS初期接続時にクライアントが認証局サーバに確認。オーバヘッド
• OCSP Stapling:
• TLSサーバがOCSPレスポンスを証明書とともにクライアントに送信
• クライアントが認証局に確認する必要がない。Web表示の高速化
OCSP
Response
証明書＋OCSP
Response
ClientHello +
status_request_v2 ext.

17. NodeでOCSP Staplingを使う
• Node-v0.12では OCSPRequest イベントを新設
• コールバックの引数にOCSPレスポンスデータ
を渡し、クライアントに送信
• 認証局のOCSPサーバにリクエストするのは結
構面倒なので、opensslで事前にリクエスト
データを作成すると良い
• OSCPレスポンスデータのキャッシュ管理も必
要。更新日時を取得するasn.1パーサも必要。
エラー時の処理判断も大切。
• 別途cronでOCSPレスポンスデータを管理する
手もある
server.on('OCSPRequest', function(cert, issuer, cb) {
var now = Date.now();
if (now > cache.nextUpdate && !cache.lock) {
cache.lock = true;
cache.der = null;
HandleOCSPrequest(cb);
} else {
var msg = cache.der ? 'cache hit!': 'terminated';
console.log( 'OCSP Response:', msg);
cb(null, cache.der);
}
});
ソースは、https://gist.github.com/shigeki/de5748cc0deb980bcb35
結果は openssl s_client –status –connect site:443 で確認

18. Dynamic TLS record (setMaxSendFragment)
• GoogleのIlya Grigorik氏が推奨しているTLSパラメータのチューニング手法
• 通常TLSに書き込まれるデータ長は、レコードサイズ最大の16Kであることが多い。
• 最初のレスポンスデータの取得は、16Kバイトを受信してからになる。
• 最初のデータを復号化するには10個のTCPパケット(1.5K)を受信が必要。
• TLSのレコードサイズをTCPの1セグメントのサイズに収まるように小さくすれば受信した1個目か
らデータの復号化が可能になる。
• よって受信したデータの1バイト目が表示される時間の短縮が図られる。
1.5K 1.5K
16K
これ一つで
復号可能よ
16K全部受信しな
いと復号できない

19. NodeでTLS Dynamic Recordをやるには
• Googleサーバでのチューニング方法(ATSで採用済)
• 最初は 1.3Kのレコードサイズ (1500 - 40 (IP) - 20 (TCP) - 40 (TCP options) - TLS overhead (60-100))
• 1Mバイト送信したらデフォルトの16Kに変更。
• 書き込みのアイドルが1秒以上になったら1.3Kに戻す。
• Nodeでは自動的にレコードサイズをチューニングする方法は不採用に
• 替わりに固定的に変更するAPI(setMaxSendFragment)を新設
• 1.3Kで固定すると大きいデータで分割オーバヘッドが高くなる可能性も。
server.on('secureConnection', function(tlsSocket) {
tlsSocket.setMaxSendFragment(1300);
});

20. 小さいTLS Record Sizeの効果(rtt=1000msec時)
MaxSendFragment 16K
default
MaxSendFragment 1.3K
Time To First Byte
の高速化
requestStart responseStart
responseStartrequestStart

21. SPDY, HTTP/2
• SPDY
• Googleが開発したWebの表示を高速化するプロトコル(TLSのみ)
• Google/Twitter/Facebook/Yahoo.comで使用中
• Chrome/Firefox/IE10/Safari 多数のブラウザでサポート中
• Nodeで使うなら node-spdy を使いましょう
• HTTP/2
• SPDYをベースとした次期HTTP仕様(TLS利用が中心)
• HTTP/1.1のセマンティクスを互換保持
• 現在仕様化作業の大詰め。来年前半には完了予定
• 現在Firefoxとのテストで利用中のnode-http2が使える
• 注意事項：
• node-v0.10で利用するとTLS要求仕様(AEAD+PFS)が合わず接続できない場合があります。node-v0.12を使いま
しょう。
• ただ開発は0.10系でやっているので未サポート
• ALPNはまだopensslのベータなためnodeでは使えません。
• 使う場合には私のfork版があります。 https://github.com/shigeki/node/tree/alpn_support
Ethernet
IP(v4/v6)
TCP
TLS
HTTP/2 Frame Layer
HTTP/1.1 Semantics

22. クライアント サーバ
１つの
ＴＣＰ接続
ストリーム(id:1)
フレーム
フレーム
ストリーム(id:3)
フレーム
フレーム
ストリーム(id:5)
フレーム
フレーム
HTTP
リクエスト
レスポンス
HTTP
リクエスト
レスポンス
HTTP
リクエスト
レスポンス
SPDY, HTTP/2の全二重多重化通信
仮想的なストリームチャンネルを生成して多重化を実現

23. HTTP Head of Line Blockingを回避
HTTP/2クライアント
画像サーバA
画像サーバB
Reverse
Proxy
HTTP/2
多重化通信
レスポンス
が速い
レスポンスが
遅い
HTTP/1.1クライアント
TCPを6本張れるけど、1本中
に同時1リクエストの制限
１本のTCP

24. SPDYのメリットが一番よくわかるデモ
多数の画像を表示して見え方に違いがあるのか？ (SPDY vs HTTP/1.1)
1. 少数画像 ｖｓ 多数画像。
2. 3枚目の画像毎に3秒のレスポンス遅延を入れる。

25. まとめ
Node-v0.12でTLS通信を最適化する方法はいろいろあります。
用法用量を守って正しくお使いください。
（special thanks to http://www.irasutoya.com/)