HTTP 传输大文件的几种方案

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在 [JavaScript 中如何实现大文件并发上传？] 这两篇文章中， 介绍了如何利用 async-pool 这个库来优化传输大文件的功能。本文 将为大家介绍一下 HTTP 传输大文件的几种方案。不过在介绍具体的方案之前，我们先使用 Node.js 的 fs 模块来生成一个 “大” 文件。

const fs = require("fs");

const writeStream = fs.createWriteStream(__dirname + "/big-file.txt");
for (let i = 0; i <= 1e5; i++) {
  writeStream.write(`${i} 我是阿宝哥，欢迎关注全栈修仙之路\n`, "utf8");
}

writeStream.end();

以上代码成功运行后，在当前的执行目录下将会生成一个大小为 5.5 MB 的文本文件，该文件将作为以下方案的 “素材”。准备工作完成之后，我们先来介绍第一种方案 —— 数据压缩。

一、数据压缩

当使用 HTTP 进行大文件传输时，我们可以考虑对大文件进行压缩。通常浏览器在发送请求时，都会携带 accept 和 accept-* 请求头信息，用于告诉服务器当前浏览器所支持的文件类型、支持的压缩格式列表和支持的语言。

accept: */*
accept-encoding: gzip, deflate, br
accept-language: zh-CN,zh;q=0.9

gzip 的压缩率通常能够超过 60%，而 br 算法是专门为 HTML 设计的，压缩效率和性能比 gzip 还要好，能够再提高 20% 的压缩密度。

上述 HTTP 请求头中的 Accept-Encoding 字段，用于将客户端能够理解的内容编码方式（通常是某种压缩算法）告诉给服务端。通过内容协商的方式，服务端会选择一个客户端所支持的方式，并通过响应头 Content-Encoding 来通知客户端该选择。

cache-control: max-age=2592000
content-encoding: gzip
content-type: application/x-javascript

以上的响应头告诉浏览器返回的 JS 脚本，是经过 gzip 压缩算法处理过的。不过需要注意的是，gzip 等压缩算法通常只对文本文件有较好的压缩率，而图片、音视频等多媒体文件数据本身就已经是高度压缩的，再用 gzip 进行压缩也不会有好的压缩效果，甚至还可能会出现变大的情况。

了解完 Accept-Encoding 和 Content-Encoding 字段，我们来验证一下未开启 gzip 和开启 gzip 的效果。

1.1 未开启 gzip

const fs = require("fs");
const http = require("http");
const util = require("util");
const readFile = util.promisify(fs.readFile);

const server = http.createServer(async (req, res) => {
  res.writeHead(200, {
    "Content-Type": "text/plain;charset=utf-8",
  });
  const buffer = await readFile(__dirname + "/big-file.txt");
  res.write(buffer);
  res.end();
});

server.listen(3000, () => {
  console.log("app starting at port 3000");
});

1.2 开启 gzip

const fs = require("fs");
const zlib = require("zlib");
const http = require("http");
const util = require("util");
const readFile = util.promisify(fs.readFile);
const gzip = util.promisify(zlib.gzip);

const server = http.createServer(async (req, res) => {
  res.writeHead(200, {
    "Content-Type": "text/plain;charset=utf-8",
    "Content-Encoding": "gzip"
  });
  const buffer = await readFile(__dirname + "/big-file.txt");
  const gzipData = await gzip(buffer);
  res.write(gzipData);
  res.end();
});

server.listen(3000, () => {
  console.log("app starting at port 3000");
});

观察上面两张图，我们可以直观感受到当传输 5.5 MB 的 big-file.txt 文件时，若开启 gzip 压缩后，文件被压缩成 256 kB。这样就大大加快了文件的传输。在实际工作场景中，我们可以使用 nginx 或 koa-static 来开启 gzip 压缩功能。接下来，我们来介绍另一个方案 —— 分块传输编码。

二、分块传输编码

分块传输编码主要应用于如下场景，即要传输大量的数据，但是在请求在没有被处理完之前响应的长度是无法获得的。例如，当需要用从数据库中查询获得的数据生成一个大的 HTML 表格的时候，或者需要传输大量的图片的时候。

要使用分块传输编码，则需要在响应头配置 Transfer-Encoding 字段，并设置它的值为 chunked 或 gzip, chunked：

Transfer-Encoding: chunked
Transfer-Encoding: gzip, chunked

响应头 Transfer-Encoding 字段的值为 chunked，表示数据以一系列分块的形式进行发送。需要注意的是 Transfer-Encoding 和 Content-Length 这两个字段是互斥的，也就是说响应报文中这两个字段不能同时出现。下面我们来看一下分块传输的编码规则：

了解完分块传输编码的相关知识后，阿宝哥将使用 big-file.txt 文件的前 100 行数据来演示分块传输编码是如何实现的。

2.1 数据分块

const buffer = fs.readFileSync(__dirname + "/big-file.txt");
const lines = buffer.toString("utf-8").split("\n");
const chunks = chunk(lines, 10);

function chunk(arr, len) {
  let chunks = [],
    i = 0,
    n = arr.length;
  while (i < n) {
    chunks.push(arr.slice(i, (i += len)));
  }
  return chunks;
}

2.2 分块传输

// http-chunk-server.js
const fs = require("fs");
const http = require("http");

// 省略数据分块代码
http
  .createServer(async function (req, res) {
    res.writeHead(200, {
      "Content-Type": "text/plain;charset=utf-8",
      "Transfer-Encoding": "chunked",
      "Access-Control-Allow-Origin": "*",
    });
    for (let index = 0; index < chunks.length; index++) {
      setTimeout(() => {
        let content = chunks[index].join("&");
        res.write(`${content.length.toString(16)}\r\n${content}\r\n`);
      }, index * 1000);
    }
    setTimeout(() => {
      res.end();
    }, chunks.length * 1000);
  })
  .listen(3000, () => {
    console.log("app starting at port 3000");
  });

使用 node http-chunk-server.js 命令启动服务器之后，在浏览中访问 http://localhost:3000/ 地址，你将看到以下输出结果：

上图是第 1 个数据块返回的内容，当所有数据块都传输完成之后，服务器会返回终止块，即向客户端发送 0\r\n\r\n。此外，对于返回的分块数据，我们也可以利用 fetch API 中的响应对象，以流的形式来读取已返回的数据块，即通过 response.body.getReader() 来创建读取器，然后调用 reader.read() 方法来读取数据。

2.3 流式传输

其实当使用 Node.js 向客户端返回大文件时，我们最好使用流的形式来返回文件流，这样能避免处理大文件时，占用过多的内存。具体实现方式如下所示：

const fs = require("fs");
const zlib = require("zlib");
const http = require("http");

http
  .createServer((req, res) => {
    res.writeHead(200, {
      "Content-Type": "text/plain;charset=utf-8",
      "Content-Encoding": "gzip",
    });
    fs.createReadStream(__dirname + "/big-file.txt")
      .setEncoding("utf-8")
      .pipe(zlib.createGzip())
      .pipe(res);
  })
  .listen(3000, () => {
    console.log("app starting at port 3000");
  });

当使用流的形式来返回文件数据时，HTTP 响应头 Transfer-Encoding 字段的值为 chunked，表示数据以一系列分块的形式进行发送。

Connection: keep-alive
Content-Encoding: gzip
Content-Type: text/plain;charset=utf-8
Date: Sun, 06 Jun 2021 01:02:09 GMT
Transfer-Encoding: chunked

如果你对 Node.js Stream 感兴趣的话，可以阅读阿宝哥 Github 上 semlinker/node-deep —— 深入学习 Node.js Stream 基础篇 这篇文章。

项目地址：https://github.com/semlinker/node-deep

三、范围请求

HTTP 协议范围请求允许服务器只发送 HTTP 消息的一部分到客户端。范围请求在传送大的媒体文件，或者与文件下载的断点续传功能搭配使用时非常有用。如果在响应中存在 Accept-Ranges 首部（并且它的值不为 “none”），那么表示该服务器支持范围请求。

在一个 Range 首部中，可以一次性请求多个部分，服务器会以 multipart 文件的形式将其返回。如果服务器返回的是范围响应，需要使用 206 Partial Content 状态码。假如所请求的范围不合法，那么服务器会返回 416 Range Not Satisfiable 状态码，表示客户端错误。服务器允许忽略 Range 首部，从而返回整个文件，状态码用 200 。

3.1 Range 语法

Range: <unit>=<range-start>-
Range: <unit>=<range-start>-<range-end>
Range: <unit>=<range-start>-<range-end>, <range-start>-<range-end>
Range: <unit>=<range-start>-<range-end>, <range-start>-<range-end>, <range-start>-<range-end>

了解完 Range 语法之后，我们来看一下实际的使用示例：

3.1.1 单一范围
$ curl http://i.imgur.com/z4d4kWk.jpg -i -H "Range: bytes=0-1023"
3.1.2 多重范围
$ curl http://www.example.com -i -H "Range: bytes=0-50, 100-150"

3.2 Range 请求示例

3.2.1 服务端代码
// http/range/koa-range-server.js
const Koa = require("koa");
const cors = require("@koa/cors");
const serve = require("koa-static");
const range = require('koa-range');

const app = new Koa();

// 注册中间件
app.use(cors()); // 注册CORS中间件
app.use(range); // 注册范围请求中间件
app.use(serve(".")); // 注册静态资源中间件

app.listen(3000, () => {
  console.log("app starting at port 3000");
});
3.2.2 客户端代码
<!DOCTYPE html>
<html lang="zh-cn">
  <head>
    <meta charset="UTF-8" />
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge" />
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0" />
    <title>大文件范围请求示例（阿宝哥）</title>
  </head>
  <body>
    <h3>大文件范围请求示例（阿宝哥）</h3>
    <div id="msgList"></div>
    <script>
      const msgList = document.querySelector("#msgList");
      function getBinaryContent(url, start, end, responseType = "arraybuffer") {
        return new Promise((resolve, reject) => {
          try {
            let xhr = new XMLHttpRequest();
            xhr.open("GET", url, true);
            xhr.setRequestHeader("range", `bytes=${start}-${end}`);
            xhr.responseType = responseType;
            xhr.onload = function () {
              resolve(xhr.response);
            };
            xhr.send();
          } catch (err) {
            reject(new Error(err));
          }
        });
      }

      getBinaryContent(
        "http://localhost:3000/big-file.txt",
        0, 100, "text"
      ).then((text) => {
        msgList.append(`${text}`);
      });
    </script>
  </body>
</html>

使用 node koa-range-server.js 命令启动服务器之后，在浏览中访问 http://localhost:3000/index.html 地址，你将看到以下输出结果：

该示例对应的 HTTP 请求头和响应头（只包含部分头部信息）分别如下所示：

3.2.3 HTTP 请求头
GET /big-file.txt HTTP/1.1
Host: localhost:3000
Connection: keep-alive
Referer: http://localhost:3000/index.html
Accept-Encoding: identity
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8,id;q=0.7
Range: bytes=0-100
3.2.4 HTTP 响应头
HTTP/1.1 206 Partial Content
Vary: Origin
Accept-Ranges: bytes
Last-Modified: Sun, 06 Jun 2021 01:40:19 GMT
Cache-Control: max-age=0
Content-Type: text/plain; charset=utf-8
Date: Sun, 06 Jun 2021 03:01:01 GMT
Connection: keep-alive
Content-Range: bytes 0-100/5243
Content-Length: 101

关于范围请求的相关内容就介绍到这里，想了解它在实际工作中的应用，可以继续阅读 [JavaScript 中如何实现大文件并行下载？]

四、总结

本文 介绍了 HTTP 传输大文件的 3 种方案，希望了解完这些知识后，对大家今后的工作能有一些帮助。在实际使用中，大家要注意 Transfer-Encoding 和 Content-Encoding 之间的区别。Transfer-Encoding 在传输后会被自动解码还原出原始数据，而 Content-Encoding 则必须由应用自行解码。

五、参考资源

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