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基准测试SSH加密算法：为您的网络选择最快的加密方式

使用scp、ssh、dd和pv安全地基准测试SSH加密算法，然后根据您的实际硬件选择AES-GCM或ChaCha20。

基准测试SSH加密算法：为您的网络选择最快的加密方式

当加密传输速度低于网络允许的速度时，对SSH加密算法进行基准测试非常有用。加密算法并不总是瓶颈，但在快速链路或小型CPU上，它可能决定scp、sftp或rsync -e ssh是否能充分利用连接带宽。

正确的答案取决于您的客户端、服务器、CPU特性、OpenSSH构建以及网络路径。在全面更改默认设置之前，请在自己的环境中进行测试。

理解SSH加密算法及其作用

SSH加密算法是一种用于加密和解密SSH客户端与服务器之间交换数据的算法。其主要目标是确保通信的机密性、完整性和真实性。当您发起SSH连接时，客户端和服务器会协商一组双方都支持的算法（加密算法、MAC、密钥交换方法），最终达成最强且最优先的选项。这个协商过程对于建立安全通道至关重要。

不同的加密算法采用不同的数学运算，导致计算需求各异。一些算法针对硬件加速进行了优化，利用专门的CPU指令，而另一些则设计为在更广泛的处理器上高效运行于软件中。因此，加密算法的选择直接影响CPU利用率和数据传输速度。

现代SSH加密算法的性能关键

在现代SSH环境中，两类认证加密算法因其出色的安全性和性能平衡而脱颖而出：AES-GCM和ChaCha20-Poly1305。两者都提供带关联数据的认证加密（AEAD），意味着它们在一次操作中同时加密数据并提供完整性检查，比旧的先加密后MAC方法更高效、更安全。

AES-GCM（高级加密标准 - 伽罗瓦/计数器模式）

AES-GCM是一种非常流行且广泛采用的块密码，运行在伽罗瓦/计数器模式下。它提供强大的安全性，并且在具有AES硬件支持的系统上特别快。大多数现代CPU（Intel、AMD以及越来越多的ARM处理器）包含专用指令集（如x86/x64架构上的AES-NI），可显著加速AES操作，使AES-GCM极其高效。

  • 优点：在硬件加速CPU上性能出色，安全性强，广泛支持。
  • 缺点：在纯软件实现中可能较慢（例如，在没有AES-NI的旧款或专用CPU上）。

ChaCha20-Poly1305

ChaCha20-Poly1305是由Daniel J. Bernstein开发的流密码。它以其软件友好的设计而闻名，即使在没有特定加密硬件加速的CPU上也能表现良好。这使其成为各种硬件的绝佳选择，包括嵌入式系统、旧款处理器或硬件加速不可用或未针对其他算法优化的环境。

  • 优点：软件性能出色，安全性强，抗时序侧信道攻击。
  • 缺点：在现代桌面/服务器CPU上，通常不如硬件加速的AES-GCM快。

影响加密算法性能的因素

“最快”的加密算法并非普遍固定；它取决于几个关键因素：

  1. CPU架构和硬件加速：这是最重要的因素。如果您的CPU具有AES-NI或类似指令，AES-GCM几乎肯定会优于ChaCha20-Poly1305。如果没有，ChaCha20-Poly1305可能领先。
  2. SSH客户端和服务器实现：SSH软件（例如OpenSSH）及其使用的加密库（例如OpenSSL）的效率会影响实际性能。较新的版本通常包含优化。
  3. 网络条件：虽然与加密速度无直接关系，但网络延迟和可用带宽可能掩盖或放大加密性能的感知差异。在非常慢的网络上，加密的CPU成本可能相对于网络限制微不足道。在非常快的网络上（例如10 Gbps或更高），CPU绑定的加密可能成为瓶颈。
  4. 数据量和类型：使用不同数据大小（小文件与大文件）和类型（可压缩与不可压缩）进行基准测试可能揭示不同的性能特征。例如，非常小的传输可能主要由连接建立开销主导，而非加密速度。

如何基准测试SSH加密性能

基准测试涉及明确告诉SSH使用特定加密算法，然后测量传输已知数据量所需的时间。这允许直接比较。

1. 识别支持的加密算法

在开始之前，检查您的SSH客户端支持哪些加密算法：

ssh -Q cipher

然后使用详细的SSH输出来查看实际连接协商了什么：

ssh -vvv user@your_server

查找类似debug1: kex: server->client cipher: [email protected] MAC: <implicit> compression: none的行。服务器策略由sshd_config中的Ciphers控制，但有效支持取决于客户端和服务器。

2. 使用ssh -c指定加密算法

ssh客户端允许您使用-c标志指定所需的加密算法。您可以提供一个逗号分隔的列表，客户端将尝试使用列表中第一个支持的加密算法。

要测试的常见加密算法：

3. 选择传输方法和数据源

为了进行一致的基准测试，您需要一种传输已知数据量的方法。

  • scp（安全复制）：适合传输文件。使用一个大的、不可压缩的文件，以确保加密算法是瓶颈，而不是压缩或磁盘I/O。
  • sftp（SSH文件传输协议）：类似于scp，如果您更喜欢该协议则很有用。
  • dd（数据复制器）：可以生成数据流并通过SSH管道传输，适用于纯吞吐量测试，无需客户端文件系统开销。

实际基准测试步骤

假设您想从客户端到服务器进行基准测试。您需要在客户端（或服务器）上有一个足够大（例如1GB）的测试文件，以便进行有意义的测量，但不要太大以至于测试耗时过长。创建不可压缩测试文件的好方法是使用/dev/urandom。仅在禁用SSH压缩时使用/dev/zero，因为全零数据高度可压缩。

在客户端（创建1GB虚拟文件）：

pwd=$(pwd)
dd if=/dev/urandom of=$pwd/dummy_1GB.bin bs=1M count=1024 iflag=fullblock

使用scp进行基准测试：

  1. 测试AES256-GCM：

    echo "Testing AES256-GCM..."
time scp -c [email protected] dummy_1GB.bin user@your_server:/tmp/test_gcm.bin

  2. 测试ChaCha20-Poly1305：

    echo "Testing ChaCha20-Poly1305..."
time scp -c [email protected] dummy_1GB.bin user@your_server:/tmp/test_chacha.bin

  3. 测试AES128-GCM（通常最快）：

    echo "Testing AES128-GCM..."
time scp -c [email protected] dummy_1GB.bin user@your_server:/tmp/test_aes128_gcm.bin

使用dd和pv进行基准测试（实时吞吐量）：

此方法通过SSH管道传输数据，并可以显示实时速度，减少磁盘I/O作为瓶颈。pv（管道查看器）提供进度和吞吐量信息。

安装pv（如果尚未安装）：

sudo apt-get install pv # Debian/Ubuntu
sudo yum install pv     # RHEL/CentOS
sudo brew install pv    # macOS

  1. 使用dd和pv测试AES256-GCM：

    echo "Testing AES256-GCM with dd..."
dd if=/dev/zero bs=1M count=1024 | pv | ssh -o Compression=no -c [email protected] user@your_server "cat > /dev/null"

  2. 使用dd和pv测试ChaCha20-Poly1305：

    echo "Testing ChaCha20-Poly1305 with dd..."
dd if=/dev/zero bs=1M count=1024 | pv | ssh -o Compression=no -c [email protected] user@your_server "cat > /dev/null"

提示：每个测试运行多次（例如3-5次），取平均值以考虑网络波动或系统负载。

解释结果和建议

运行基准测试后，比较time命令输出的real时间或pv报告的平均吞吐量。您可能会观察到明显的模式：

  • 具有AES-NI的现代CPU：您几乎肯定会发现[email protected]和[email protected]提供最高的吞吐量。由于轮数较少，AES-128通常比AES-256略快，但在硬件加速系统上差异可能微不足道。
  • 旧款CPU、ARM（无特定加密扩展）或虚拟机：ChaCha20-Poly1305可能表现与AES-GCM相当甚至更优，因为其软件优化设计在这些场景中表现出色。

建议：

  • 对于具有现代Intel/AMD CPU（和AES-NI）的高性能服务器：优先选择AES-GCM（尤其是[email protected]）。它利用硬件加速实现卓越的速度和安全性。
  • 对于多样化环境、旧硬件、基于ARM的系统或偏好软件性能的情况：ChaCha20-Poly1305是一个优秀的选择，提供强大的安全性，并在各种架构上保持一致的高性能，而不依赖硬件特定功能。
  • 安全第一：始终选择提供认证加密（AEAD）的加密算法。AES-GCM和ChaCha20-Poly1305都是AEAD加密算法，被认为是强大的。如果可能，避免使用旧的、非AEAD的加密算法，如aes*-cbc。

其他SSH性能考虑

虽然加密算法选择至关重要，但请记住，它是更广泛性能图景的一部分：

  • 压缩：SSH可以在加密前压缩数据（-o Compression=yes或~/.ssh/config中的Compression yes）。对于高度可压缩的数据在慢速链路上，这可以显著提高感知速度，即使它增加了轻微的CPU开销。对于已压缩的数据或非常快的链路，它可能降低性能。
  • 连接复用：OpenSSH中的ControlMaster等功能允许多个SSH会话重用单个底层TCP连接，减少后续连接的开销。
  • MTU（最大传输单元）：确保您的网络MTU已优化，以防止碎片化，这可能会降低性能。
  • SSH客户端/服务器版本：保持您的SSH客户端和服务器软件更新。较新版本通常包含性能改进和对更新、更快加密算法的支持。

根据您的测量结果选择

优化SSH加密算法选择可以提高安全传输性能，但仅在加密是限制因素时。运行多次测试，保持压缩和文件大小一致，并比较CPU使用率和传输时间。

对于许多现代服务器，由于硬件加速，AES-GCM表现良好。在旧系统、嵌入式硬件和一些虚拟化环境中，ChaCha20-Poly1305可能是更好的选择。除非您有可以隔离和记录的兼容性要求，否则请避免在正常使用中使用旧的CBC加密算法。