Gzip 是什么

Gzip 是一種用于數(shù)據(jù)壓縮的編碼格式，經(jīng)常被使用在基于 HTTP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸中。Gzip 功能允許服務(wù)器在傳輸數(shù)據(jù)是對其進(jìn)行壓縮，從而減小傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，加快頁面加載速度，這對于節(jié)省帶寬和提高用戶體驗非常有用。本文將從 Gzip 使用場景、Gzip 原理、Gzip 在 nginx 中的應(yīng)用以及華為云 API網(wǎng)關(guān)的 Gzip 功能實現(xiàn)幾個方面介紹 Gzip。

Gzip 使用場景

Gzip 能夠提升傳輸速度和降低帶寬消耗，因此適合應(yīng)用 Gzip 的場景有很多。

網(wǎng)頁傳輸：在 web 開發(fā)中，使用 Gzip 可以減小文件大小，從而加快頁面加載速度。

移動應(yīng)用通信：在移動應(yīng)用中，使用 Gzip 可以降低移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)消耗，加快數(shù)據(jù)傳輸速度，提升用戶體驗。

文件備份和傳輸：在進(jìn)行文件備份或者文件傳輸時，使用 Gzip 可以減小備份文件的大小，節(jié)省存儲空間和傳輸帶寬。

網(wǎng)絡(luò)傳輸限制：在網(wǎng)絡(luò)帶寬受限的環(huán)境下，使用Gzip可以減小數(shù)據(jù)傳輸量，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

API 通信：對于RESTfulAPI或其他數(shù)據(jù)接口的傳輸，使用Gzip可以降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減少對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，提升響應(yīng)速度。

Gzip 原理

gzip 使用 deflate 算法進(jìn)行壓縮。其原理主要包括 LZ77 算法以及 Huffman 編碼（哈夫曼編碼）。

LZ77 算法

LZ77 算法是將重復(fù)字符串替換為長度距離對來達(dá)到壓縮的目的。長度是重復(fù)字符串的長度，距離是重復(fù)字符串與第一個出現(xiàn)該字符串的距離，下圖是一個簡單的示例：

在 LZ77 算法中，主要運用了基于滑動窗口的字典壓縮算法。首先是滑動窗口：

以上圖為例，一開始，查找區(qū)是沒有字符的。滑動窗口從 K 開始移動，依次在查找區(qū)嘗試查找當(dāng)前指向字符及之后字符的最長匹配，直到滑動窗口區(qū)不再有字符為止。這里就涉及到另外一個問題了，如何在查找區(qū)中快速的找到與滑動窗口中匹配的字符，LZ77 顯然不會采取暴力遍歷查找的方法，通常使用哈希數(shù)組來實現(xiàn)字典的快速搜索。在哈希數(shù)組中有兩個數(shù)組，一個數(shù)組用來存放最新重復(fù)字符串的哈希地址，一個數(shù)組用來解決哈希沖突。具體以下圖為例進(jìn)行說明：

當(dāng)?shù)谝淮螔呙?ABC 時，對應(yīng)數(shù)組 1 中 4 號位置為空，因此不用轉(zhuǎn)化為長度距離對。當(dāng)?shù)诙螔呙璧?ABC 時，對應(yīng)數(shù)組 1 中 4 號位置存放的是 1，于是將 4 號位置替換為 6，再將 1 放置在數(shù)組 2 中的 6 號位置，此時數(shù)組 2 的 6 號位置存放的是 1，對當(dāng)前字符串后的字符繼續(xù)和 1 位置對應(yīng)字符后的字符繼續(xù)進(jìn)行匹配，記錄最長匹配字符長度。然后在數(shù)組 2 中查找 1 號位置，如果為空則結(jié)束匹配，最后將匹配到的最長字符替換為長度距離對。

Huffman 編碼

Huffman 編碼的原理是基于哈夫曼樹。哈夫曼樹是一種最優(yōu)二叉樹，是一種帶權(quán)路徑長度最短的二叉樹。

以下是哈夫曼樹的構(gòu)造過程：

假設(shè)有 A、B、C、D、E 五個字母，他們對應(yīng)出現(xiàn)的次數(shù)分別為 5，6，8，12，20

構(gòu)造哈夫曼樹的基本流程：將 A、B、C、D、E 看作是只有一個結(jié)點的樹，其中出現(xiàn)的次數(shù)作為他們的權(quán)值。將權(quán)值和最小的兩個數(shù)進(jìn)行合并稱為一個新樹，權(quán)值較小的樹作為左子樹，權(quán)值較大的樹作為右子樹，新樹的根結(jié)點權(quán)值為兩子樹之和，然后將新樹也加入到樹的集合中，重復(fù)上述流程知道又有一棵樹為止。

針對哈夫曼樹編碼，左分支為 0，右分支為 1?？傻贸?A、B、C、D、E 的編碼如下：

從最后的編碼來看，出現(xiàn)次數(shù)最多的 E 的編碼長度比出現(xiàn)次數(shù)較少的 A 或 B 要少。最終頻率高的字符會使用較短的編碼，頻率低的字符會使用較長的編碼，總體的編碼長度就會變小，從而達(dá)到壓縮的結(jié)果。

Gzip 在 Nginx 中的應(yīng)用

Nginx 作為當(dāng)下很流行的開源網(wǎng)頁服務(wù)器和反向代理服務(wù)器，原生支持了 Gzip 的功能。但是在 Nginx 中 Gzip 功能默認(rèn)是不開啟，需要在配置文件中配置相關(guān)指令才可以開啟 Gzip 功能。常見的配置項如下：

華為云 API網(wǎng)關(guān)的 Gzip 功能

華為云API網(wǎng)關(guān)(APIG)為企業(yè)和開發(fā)者提供的高性能、高可用、高安全的云原生網(wǎng)關(guān)服務(wù)，融合安全、負(fù)載均衡、流量入口治理、微服務(wù)流量治理、運維等多項能力，也支持 Gzip 壓縮功能。用戶可以通過一鍵式開關(guān)控制 Gzip 功能的開啟。同時 APIG 還開放了壓縮等級，用戶可以通過配置不同的壓縮等級，根據(jù)自己的需求對 Gzip 功能進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)。當(dāng)一個客戶端發(fā)送一個 HTTP 請求時，需要包含一個 Accept-Encoding 頭部用來指示客戶端支持的壓縮算法。

APIG 會根據(jù) GZIP 開關(guān)來判斷是否進(jìn)行壓縮。在開關(guān)開啟的狀態(tài)下，APIG 會將響應(yīng)內(nèi)容壓縮，然后將壓縮后的響應(yīng)發(fā)送給客戶端(如果客戶端已經(jīng)進(jìn)行 Gzip 壓縮，那么 APIG 將不會進(jìn)行二次壓縮)?？蛻舳耸盏巾憫?yīng)后，會根據(jù)響應(yīng)頭部的 Content-Encoding 字段判斷是否經(jīng)過了壓縮。如果響應(yīng)被壓縮了，客戶端會進(jìn)行解壓縮，以獲取原始的內(nèi)容。

可以參考以下步驟打開 Gzip 開關(guān)及設(shè)置壓縮等級：

打開華為云 APIG 控制臺，依次進(jìn)入實例管理-->配置參數(shù)，在頁面列表中找到參數(shù) gzip 如下：

如上圖，gzip 功能為開啟狀態(tài)，且壓縮等級為 6。

此外，APIG 還提供了 Debug 功能用以調(diào)試 Gzip 功能。首先依次打開 API 列表,然后點擊創(chuàng)建 API。

在填寫好 API 詳細(xì)信息后，在后端配置選項頁面選擇 Mock 后端，并且增加 header 參數(shù)-content-length（參數(shù)值需要大于等于 1028,否則 gzip 功能將不生效。）

然后進(jìn)入 API 的調(diào)試界面，在 Headers 中添加參數(shù)：Accept-Encoding，對應(yīng)參數(shù)值為 gzip。在響應(yīng)結(jié)果中，如果有 Content-Encoding:gzip出現(xiàn)，即代表 Gzip 功能生效。

Gzip 自首次發(fā)布以來，已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)上常用的壓縮格式之一。各種高性能的開源代理如 Nginx、Envoy 等都原生支持 Gzip 的功能。在傳輸速度和降低帶寬消耗方面，Gzip 有著十分強大的優(yōu)勢，希望本文能幫助到想要了解 Gzip 背后原理及其應(yīng)用的人。

另外，如果你有更多關(guān)于華為云產(chǎn)品的疑問，可掃碼添加華為云專家的聯(lián)系方式，咨詢相關(guān)問題。

審核編輯 黃宇