图解 HTTP [2] 内容编码

本帖最后由 空谷幽兰 于 2019-2-1 10:50 编辑

在上一篇文章中，聊到了 HTTP 的缓存机制，其实缓存的主要起因就是为了减少网络请求次数，来达到快速响应的目的。而除了减少网络请求之外，其实我们还可以通过对实体内容，进行编码压缩的方式，减少传输的内容大小，从而加快响应的速度。

本文就就继续来聊聊 HTTP 的实体内容压缩编码机制。

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1.1 为什么要对内容进行编码？

编码的目的就是为了压缩报文实体内容的大小，而通过压缩服务器响应报文传输的内容实体，在一定程度上就可以加快响应的速度。
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毕竟传输一个 10kb 的内容，会比传输一个 100kb 的内容快很多。这就是需要使用内容编码进行压缩的原因。

1.2 压缩编码
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说到压缩编码，就先简单聊聊压缩算法，对于压缩算法而言，分为两类：

无损压缩算法
有损压缩算法

👍🦼🍒🈚🪰‍从名称上就可以理解，无损压缩意味着它是可以被还原的，通常被应用在文本，而有损压缩会对原始数据进行修改，以加大压缩率的目的，对文件进行有损失的压缩，这是一种不可逆的操作，通常一些对质量要求不高的图片和视频上，虽然压缩以后可能会导致文件模糊，但是勉强还可以看。

而在 HTTP 协议中，通常我们只会对文本内容，进行压缩编码。一个主要的原因在于，压缩本身是会消耗服务器资源的，而文件比多媒体文件轻便了很多。并且多媒体文件多数情况下，本身就已经是高度压缩的二进制格式，再次进行压缩的意义也不大。

1.3 设计一个“压缩协议”
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前面提到，HTTP 协议是一种松散的 “协商协议”，需要客户端和服务端双端配合，才可以生效。而压缩算法有很多种，到底应该选择哪一种，也是需要双方协商的。

如果我们尝试设计一下这个 HTTP 的 “压缩协议”，主要需要关注这两点。

👀🎢🍌🅰🐥‍1. 通知服务端，客户端支持的压缩算法

一个 HTTP 事务，总是由客户端发起请求，而服务端将响应返回。那么客户端就要在发起请求的时候，率先告知服务端，当前客户端支持的压缩算法。

通常客户端会支持多种压缩算法，为了让服务端有选择的空间，应该允许传递多个支持的压缩算法。既然有多选的空间，那么就一定要有优先级的概念。

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类似于我们在市场上交易，我接受人民币、美元、比特币的交易，但是因为我使用人民币更方便，所以我需要指明交易方，如果方便的话最好通过人民币交易。

2. 服务端选择支持的压缩算法压缩内容
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服务端接受到客户端的请求后，辨识出客户端支持的压缩算法，现在当前环境最优的一种压缩算法对响应内容体进行压缩，然后将压缩后的内容返回。

为了让客户端接收到响应后，能明确知道服务端使用的压缩算法，还需要在响应中明确指明，当前的响应实体的数据使用的压缩算法（当然也可以不压缩）。

1.4 HTTP 的“压缩协议”🧑‍🍳‏🗑🤬🦴

前面我们自己设计的两个条件，都是基于 HTTP 报文中的报文头来实现的。接下来我们看看 HTTP 协议中，是如何设计“压缩协议”的。

1. 请求头中的 Accept-Encoding

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客户端为了告知服务端当前支持的压缩编码，可以在请求头中，增加 Accept-Encoding 这个头部字段，用来指定当前客户端支持的压缩编码，如果有多个可以使用逗号 , 进行分割。

为了满足优先级，其实是可以通过 , 分割的顺序来指定的。HTTP 协议中，还可以使用 Q 值来说明编码的优先级，Q 值的取值范围是 0.0 ~ 1.0。0.0 表示客户端不想接受此编码，而 1.0 则表示希望使用此编码，不过通常我们不需要明确的指定它，大家了解一下即可。

2. 响应头中的 content-encoding🧑‍🚀‍👙🔍🤔🤛

服务端为了在响应报文里体现当前对内容压缩使用的编码格式，会在响应头中使用 Content-Encoding 标记，它是一个明确值，所以只可能有一个。

编码的目的就是为了压缩，所以当服务端选择压缩内容实体的时候，同时还会修改 Content-Length 来明确表示当前实体被编码压缩后的长度。

🤙🏫🍍♻🐮‍发两张压缩前和压缩后的流程图，就清晰了。

压缩前：

压缩后：

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2.2 HTTP 编码类型

HTTP 定义了一些标准的内容编码类型，并且可以扩展更多的编码类型。由互联网号码分配机构（IANA）对各种编码进行标准化，它给每个内容编码算法分配一个唯一的代号。

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Content-Encoding 就是用这些标准化的代号来说明编码使用的算法。

比较常用的算法有：

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gzip：表明实体采用 GNU zip 编码。
compress：表明实体采用 Unix 的文件压缩程序。
deflate：表明使用是用 zlib 的格式压缩的。
br：表明实体使用 Brotli 算法的压缩格式。
identity：表明没有对实体进行编码，为默认值。

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在这些算法中，除了 identity 之外，都是无损压缩，他们都是需要可还原成原始的文本内容的。gzip 通常是效率最高的，使用最广泛的。

但是 gzip 对媒体文件的压缩效果相对较差，本身 JPG/PNG 这类文件已经是一种高度压缩的二进制文件，开启 gzip 效果甚微还会浪费大量 CPU 资源。
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浏览器的默认实现中，这些压缩编码通常只会作用在文本内容上，就是 Content-Type 为 text/Xxx 的请求上，而对于一些媒体文件，则不会使用这种方式对其进行压缩。

3.2 GZIP

既然 gzip 是 HTTP 的内容编码中，比较常用的一种编码方式，这里抛砖引玉，简单介绍一些 gzip，其他编码方式，有兴趣的可以自行查阅相关资料。

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gzip 编码是采用的 GNU Zip 编码，是一种无损的压缩算法，用于减少传输报文实体的大小，它是可逆的压缩算法，不会导致信息损失。

gzip 的压缩效率相对较高，并且使用也是最为广泛的，我们在工作中如果不特殊说明，说到的 HTTP 压缩，通常就是指的 gzip。

✋🛩🎂☪🐯‌gzip 的原理，简单来说，就是会去扫描整个文本的字符串，找到一样的字符串，就只保留一个并分配一个标识，然后将其他相同的字符串使用这个标识替换，使整个文件变小。在还原的时候，只需要将每个标识代表的字符串，替换还原，就可以还原成最初的内容实体。

这种压缩算法，非常适用于现在的互联网产品，HTML、CSS、JavaScript 以及 Json 中，都包含了大量重复的字符串，所以在这里使用 gzip 是非常合适的。

gzip 具体能压缩多少，完全取决于压缩的实体内容，内容文本中，包含越多相同的字符串，压缩率就越高，相反则越低。在理想状态下，gzip 的压缩率能高达 70%。
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到此我们就算了解清楚 HTTP 对内容编码的完整流程了。大致流程如下图。

再总结几个关键点：
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1. 请求头中，通过 Accept-Encoding 来指定客户端支持的内容编码格式。

2. 服务端选择一个支持的内容编码去压缩原始响应内容实体。
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3. 修改响应头，增加 Content-Encoding 用于指定使用的编码方式，并且修改 Content-Length 来表明压缩后的内容大小。

4. 内容压缩的算法有很多，但是 gzip 是最常用的。

5. 内容压缩算法，都是基于无损压缩，最终都需要在客户端将内容还原。
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一个报文通常会包含报文头部和报文实体，而本文介绍的 HTTP 压缩编码，主要是针对报文实体内容中，文本内容的压缩编码，并为涉及到报文头部的压缩。主要是因为在 HTTP/1中，报文头部始终是以 ASCII 文本传输，没有经过任何压缩，而在 HTTP/2 中才对其实现了解决方案，所以 HTTP 的编码压缩只是针对报文实体的，这句话并不全对，这个有机会以后再说。

除了内容编码之外，HTTP 还有传输编码，这个同样也是有机会再说。

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在本文中，说明了 HTTP 对报文实体内容的压缩策略和方法，希望对你有帮助。