HTTP協(xié)議的使用方式和設計原理講解

HTTP 協(xié)議在網(wǎng)絡知識中占據(jù)了重要的地位，HTTP 協(xié)議最基礎的就是請求和響應的報文，而報文又是由報文頭（Header）和實體組成。大多數(shù) Http 協(xié)議的使用方式，都是依賴設置不同的 HTTP 請求/響應 的 Header 來實現(xiàn)的。

本系列《實用 HTTP》就拋開常規(guī)的 Header 講解式的表述方式，從實際問題出發(fā)，來分析這些 HTTP 協(xié)議的使用方式，到底是為了解決什么問題？同時講解它是如何設計的和它實現(xiàn)原理。

HTTP 協(xié)議是一種無狀態(tài)的“松散協(xié)議”，它不會記錄不同請求的狀態(tài)，并且因為它本身包含了兩端（客戶端和服務端），根據(jù)請求和響應來區(qū)分，它大部分的內容都只是一個建議，其實雙邊是可以不遵守此建議的。

“這里寫了建議零售價 2 元…”

“哦，不接受建議！”

在上一篇文章中，聊到了 HTTP 的緩存機制，其實緩存的主要起因就是為了減少網(wǎng)絡請求次數(shù)，來達到快速響應的目的。而除了減少網(wǎng)絡請求之外，其實我們還可以通過對實體內容，進行編碼壓縮的方式，減少傳輸?shù)膬热荽笮?，從而加快響應的速度?/p>

本文就就繼續(xù)來聊聊 HTTP 的實體內容壓縮編碼機制。

HTTP 的內容編碼

2.1 為什么要對內容進行編碼？

編碼的目的就是為了壓縮報文實體內容的大小，而通過壓縮服務器響應報文傳輸?shù)膬热輰嶓w，在一定程度上就可以加快響應的速度。

畢竟傳輸一個 10kb 的內容，會比傳輸一個 100kb 的內容快很多。這就是需要使用內容編碼進行壓縮的原因。

2.2 壓縮編碼

說到壓縮編碼，就先簡單聊聊壓縮算法，對于壓縮算法而言，分為兩類：

無損壓縮算法

有損壓縮算法

從名稱上就可以理解，無損壓縮意味著它是可以被還原的，通常被應用在文本，而有損壓縮會對原始數(shù)據(jù)進行修改，以加大壓縮率的目的，對文件進行有損失的壓縮，這是一種不可逆的操作，通常一些對質量要求不高的圖片和視頻上，雖然壓縮以后可能會導致文件模糊，但是勉強還可以看。

而在 HTTP 協(xié)議中，通常我們只會對文本內容，進行壓縮編碼。一個主要的原因在于，壓縮本身是會消耗服務器資源的，而文件比多媒體文件輕便了很多。并且多媒體文件多數(shù)情況下，本身就已經(jīng)是高度壓縮的二進制格式，再次進行壓縮的意義也不大。

2.3 設計一個“壓縮協(xié)議”

前面提到，HTTP 協(xié)議是一種松散的 “協(xié)商協(xié)議”，需要客戶端和服務端雙端配合，才可以生效。而壓縮算法有很多種，到底應該選擇哪一種，也是需要雙方協(xié)商的。

如果我們嘗試設計一下這個 HTTP 的 “壓縮協(xié)議”，主要需要關注這兩點。

1. 通知服務端，客戶端支持的壓縮算法

一個 HTTP 事務，總是由客戶端發(fā)起請求，而服務端將響應返回。那么客戶端就要在發(fā)起請求的時候，率先告知服務端，當前客戶端支持的壓縮算法。

通?？蛻舳藭С侄喾N壓縮算法，為了讓服務端有選擇的空間，應該允許傳遞多個支持的壓縮算法。既然有多選的空間，那么就一定要有優(yōu)先級的概念。

類似于我們在市場上交易，我接受人民幣、美元、比特幣的交易，但是因為我使用人民幣更方便，所以我需要指明交易方，如果方便的話最好通過人民幣交易。

2. 服務端選擇支持的壓縮算法壓縮內容

服務端接受到客戶端的請求后，辨識出客戶端支持的壓縮算法，現(xiàn)在當前環(huán)境最優(yōu)的一種壓縮算法對響應內容體進行壓縮，然后將壓縮后的內容返回。

為了讓客戶端接收到響應后，能明確知道服務端使用的壓縮算法，還需要在響應中明確指明，當前的響應實體的數(shù)據(jù)使用的壓縮算法（當然也可以不壓縮）。

2.4 HTTP 的“壓縮協(xié)議”

前面我們自己設計的兩個條件，都是基于 HTTP 報文中的報文頭來實現(xiàn)的。接下來我們看看 HTTP 協(xié)議中，是如何設計“壓縮協(xié)議”的。

1. 請求頭中的 Accept-Encoding

客戶端為了告知服務端當前支持的壓縮編碼，可以在請求頭中，增加 Accept-Encoding 這個頭部字段，用來指定當前客戶端支持的壓縮編碼，如果有多個可以使用逗號 ， 進行分割。

為了滿足優(yōu)先級，其實是可以通過 ， 分割的順序來指定的。HTTP 協(xié)議中，還可以使用 Q 值來說明編碼的優(yōu)先級，Q 值的取值范圍是 0.0 ~ 1.0。0.0 表示客戶端不想接受此編碼，而 1.0 則表示希望使用此編碼，不過通常我們不需要明確的指定它，大家了解一下即可。

2. 響應頭中的 content-encoding

服務端為了在響應報文里體現(xiàn)當前對內容壓縮使用的編碼格式，會在響應頭中使用 Content-Encoding 標記，它是一個明確值，所以只可能有一個。

編碼的目的就是為了壓縮，所以當服務端選擇壓縮內容實體的時候，同時還會修改 Content-Length 來明確表示當前實體被編碼壓縮后的長度。

發(fā)兩張壓縮前和壓縮后的流程圖，就清晰了。

壓縮前：

壓縮后：

HTTP 的編碼類型

3.2 HTTP 編碼類型

HTTP 定義了一些標準的內容編碼類型，并且可以擴展更多的編碼類型。由互聯(lián)網(wǎng)號碼分配機構（IANA）對各種編碼進行標準化，它給每個內容編碼算法分配一個唯一的代號。

Content-Encoding 就是用這些標準化的代號來說明編碼使用的算法。

比較常用的算法有：

gzip：表明實體采用 GNU zip 編碼。

compress：表明實體采用 Unix 的文件壓縮程序。

deflate：表明使用是用 zlib 的格式壓縮的。

br：表明實體使用 Brotli 算法的壓縮格式。

idenTIty：表明沒有對實體進行編碼，為默認值。

在這些算法中，除了 idenTIty 之外，都是無損壓縮，他們都是需要可還原成原始的文本內容的。gzip 通常是效率最高的，使用最廣泛的。

但是 gzip 對媒體文件的壓縮效果相對較差，本身 JPG/PNG 這類文件已經(jīng)是一種高度壓縮的二進制文件，開啟 gzip 效果甚微還會浪費大量 CPU 資源。

瀏覽器的默認實現(xiàn)中，這些壓縮編碼通常只會作用在文本內容上，就是 Content-Type 為 text/Xxx 的請求上，而對于一些媒體文件，則不會使用這種方式對其進行壓縮。

3.2 GZIP

既然 gzip 是 HTTP 的內容編碼中，比較常用的一種編碼方式，這里拋磚引玉，簡單介紹一些 gzip，其他編碼方式，有興趣的可以自行查閱相關資料。

gzip 編碼是采用的 GNU Zip 編碼，是一種無損的壓縮算法，用于減少傳輸報文實體的大小，它是可逆的壓縮算法，不會導致信息損失。

gzip 的壓縮效率相對較高，并且使用也是最為廣泛的，我們在工作中如果不特殊說明，說到的 HTTP 壓縮，通常就是指的 gzip。

gzip 的原理，簡單來說，就是會去掃描整個文本的字符串，找到一樣的字符串，就只保留一個并分配一個標識，然后將其他相同的字符串使用這個標識替換，使整個文件變小。在還原的時候，只需要將每個標識代表的字符串，替換還原，就可以還原成最初的內容實體。

這種壓縮算法，非常適用于現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，HTML、CSS、JavaScript 以及 Json 中，都包含了大量重復的字符串，所以在這里使用 gzip 是非常合適的。

gzip 具體能壓縮多少，完全取決于壓縮的實體內容，內容文本中，包含越多相同的字符串，壓縮率就越高，相反則越低。在理想狀態(tài)下，gzip 的壓縮率能高達 70%。

四、內容編碼的完整過程

到此我們就算了解清楚 HTTP 對內容編碼的完整流程了。大致流程如下圖。

再總結幾個關鍵點：

1. 請求頭中，通過 Accept-Encoding 來指定客戶端支持的內容編碼格式。

2. 服務端選擇一個支持的內容編碼去壓縮原始響應內容實體。

3. 修改響應頭，增加 Content-Encoding 用于指定使用的編碼方式，并且修改 Content-Length 來表明壓縮后的內容大小。

4. 內容壓縮的算法有很多，但是 gzip 是最常用的。

5. 內容壓縮算法，都是基于無損壓縮，最終都需要在客戶端將內容還原。

小結

一個報文通常會包含報文頭部和報文實體，而本文介紹的 HTTP 壓縮編碼，主要是針對報文實體內容中，文本內容的壓縮編碼，并為涉及到報文頭部的壓縮。主要是因為在 HTTP/1中，報文頭部始終是以 ASCII 文本傳輸，沒有經(jīng)過任何壓縮，而在 HTTP/2 中才對其實現(xiàn)了解決方案，所以 HTTP 的編碼壓縮只是針對報文實體的，這句話并不全對，這個有機會以后再說。

除了內容編碼之外，HTTP 還有傳輸編碼，這個同樣也是有機會再說。