深入淺出瞭解華為雲 API 閘道器的 Gzip 功能

Gzip 是什麼

Gzip 是一種用於資料壓縮的編碼格式，經常被使用在基於 HTTP 協議的網路傳輸中。Gzip 功能允許伺服器在傳輸資料是對其進行壓縮，從而減小傳輸的資料量，加快頁面載入速度，這對於節省頻寬和提高使用者體驗非常有用。本文將從 Gzip 使用場景、Gzip 原理、Gzip 在 nginx 中的應用以及華為雲 API 閘道器的 Gzip 功能實現幾個方面介紹 Gzip。

Gzip 使用場景

Gzip 能夠提升傳輸速度和降低頻寬消耗，因此適合應用 Gzip 的場景有很多。

網頁傳輸：在 web 開發中，使用 Gzip 可以減小檔案大小，從而加快頁面載入速度。

移動應用通訊：在移動應用中，使用 Gzip 可以降低行動網路的資料消耗，加快資料傳輸速度，提升使用者體驗。

檔案備份和傳輸：在進行檔案備份或者檔案傳輸時，使用 Gzip 可以減小備份檔案的大小，節省儲存空間和傳輸頻寬。

網路傳輸限制：在網路頻寬受限的環境下，使用 Gzip 可以減小資料傳輸量，提升網路效能。

API 通訊：對於 RESTful API 或其他資料介面的傳輸，使用 Gzip 可以降低傳輸的資料量，減少對網路頻寬的佔用，提升響應速度。

Gzip 原理

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

LZ77 演算法

LZ77 演算法是將重複字串替換為長度距離對來達到壓縮的目的。長度是重複字串的長度，距離是重複字串與第一個出現該字串的距離，下圖是一個簡單的示例：

在 LZ77 演算法中，主要運用了基於滑動視窗的字典壓縮演算法。首先是滑動視窗：

以上圖為例，一開始，查詢區是沒有字元的。滑動視窗從 K 開始移動，依次在查詢區嘗試查詢當前指向字元及之後字元的最長匹配，直到滑動視窗區不再有字元為止。這裡就涉及到另外一個問題了，如何在查詢區中快速的找到與滑動視窗中匹配的字元，LZ77 顯然不會採取暴力遍歷查詢的方法，通常使用雜湊陣列來實現字典的快速搜尋。在雜湊陣列中有兩個陣列，一個陣列用來存放最新重複字串的雜湊地址，一個陣列用來解決雜湊衝突。具體以下圖為例進行說明：

當第一次掃描 ABC 時，對應陣列 1 中 4 號位置為空，因此不用轉化為長度距離對。當第二次掃描到 ABC 時，對應陣列 1 中 4 號位置存放的是 1，於是將 4 號位置替換為 6，再將 1 放置在陣列 2 中的 6 號位置，此時陣列 2 的 6 號位置存放的是 1，對當前字串後的字元繼續和 1 位置對應字元後的字元繼續進行匹配，記錄最長匹配字元長度。然後在陣列 2 中查詢 1 號位置，如果為空則結束匹配，最後將匹配到的最長字元替換為長度距離對。

Huffman 編碼

Huffman 編碼的原理是基於哈夫曼樹。哈夫曼樹是一種最優二叉樹，是一種帶權路徑長度最短的二叉樹。

以下是哈夫曼樹的構造過程：

假設有 A、B、C、D、E 五個字母，他們對應出現的次數分別為 5，6，8，12，20

構造哈夫曼樹的基本流程：將 A、B、C、D、E 看作是隻有一個結點的樹，其中出現的次數作為他們的權值。將權值和最小的兩個數進行合併稱為一個新樹，權值較小的樹作為左子樹，權值較大的樹作為右子樹，新樹的根結點權值為兩子樹之和，然後將新樹也加入到樹的集合中，重複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。可得出 A、B、C、D、E 的編碼如下：

從最後的編碼來看，出現次數最多的 E 的編碼長度比出現次數較少的 A 或 B 要少。最終頻率高的字元會使用較短的編碼，頻率低的字元會使用較長的編碼，總體的編碼長度就會變小，從而達到壓縮的結果。

Gzip 在 Nginx 中的應用

Nginx 作為當下很流行的開源網頁伺服器和反向代理伺服器，原生支援了 Gzip 的功能。但是在 Nginx 中 Gzip 功能預設是不開啟，需要在配置檔案中配置相關指令才可以開啟 Gzip 功能。常見的配置項如下：

華為雲 API 閘道器的 Gzip 功能

華為雲 API 閘道器(APIG)為企業和開發者提供的高效能、高可用、高安全的雲原生閘道器服務，融合安全、負載均衡、流量入口治理、微服務流量治理、運維等多項能力，也支援 Gzip 壓縮功能。使用者可以透過一鍵式開關控制 Gzip 功能的開啟。同時 APIG 還開放了壓縮等級，使用者可以透過配置不同的壓縮等級，根據自己的需求對 Gzip 功能進行效能調優。當一個客戶端傳送一個 HTTP 請求時，需要包含一個 Accept-Encoding 頭部用來指示客戶端支援的壓縮演算法。

APIG 會根據 GZIP 開關來判斷是否進行壓縮。在開關開啟的狀態下，APIG 會將響應內容壓縮，然後將壓縮後的響應傳送給客戶端(如果客戶端已經進行 Gzip 壓縮，那麼 APIG 將不會進行二次壓縮)。客戶端收到響應後，會根據響應頭部的 Content-Encoding 欄位判斷是否經過了壓縮。如果響應被壓縮了，客戶端會進行解壓縮，以獲取原始的內容。

可以參考以下步驟開啟 Gzip 開關及設定壓縮等級：

開啟華為雲 APIG 控制檯，依次進入例項管理-->配置引數，在頁面列表中找到引數 gzip 如下：

如上圖，gzip 功能為開啟狀態，且壓縮等級為 6。

此外，APIG 還提供了 Debug 功能用以除錯 Gzip 功能。首先依次開啟 API 列表, 然後點選建立 API。

在填寫好 API 詳細資訊後，在後端配置選項頁面選擇 Mock 後端，並且增加 header 引數-content-length（引數值需要大於等於 1028, 否則 gzip 功能將不生效。）

然後進入 API 的除錯介面，在 Headers 中新增引數：Accept-Encoding，對應引數值為 gzip。在響應結果中，如果有 Content-Encoding: gzip 出現，即代表 Gzip 功能生效。

Gzip 自發布以來，已經成為網際網路上常用的壓縮格式之一。各種高效能的開源代理如 Nginx、Envoy 等都原生支援 Gzip 的功能。在傳輸速度和降低頻寬消耗方面，Gzip 有著十分強大的優勢，希望本文能幫助到想要了解 Gzip 背後原理及其應用的人。