深入浅出了解华为云 API 网关的 Gzip 功能
gzip 是什么
gzip 是一种用于数据压缩的编码格式，经常被使用在基于 http 协议的网络传输中。gzip 功能允许服务器在传输数据是对其进行压缩，从而减小传输的数据量，加快页面加载速度，这对于节省带宽和提高用户体验非常有用。本文将从 gzip 使用场景、gzip 原理、gzip 在 nginx 中的应用以及华为云 api 网关的 gzip 功能实现几个方面介绍 gzip。
gzip 使用场景
gzip 能够提升传输速度和降低带宽消耗，因此适合应用 gzip 的场景有很多。
网页传输：在 web 开发中，使用 gzip 可以减小文件大小，从而加快页面加载速度。
移动应用通信：在移动应用中，使用 gzip 可以降低移动网络的数据消耗，加快数据传输速度，提升用户体验。
文件备份和传输：在进行文件备份或者文件传输时，使用 gzip 可以减小备份文件的大小，节省存储空间和传输带宽。
网络传输限制：在网络带宽受限的环境下，使用 gzip 可以减小数据传输量，提升网络性能。
api 通信：对于 restful api 或其他数据接口的传输，使用 gzip 可以降低传输的数据量，减少对网络带宽的占用，提升响应速度。
gzip 原理
gzip 使用 deflate 算法进行压缩。其原理主要包括 lz77 算法以及 huffman 编码（哈夫曼编码）。
lz77 算法
lz77 算法是将重复字符串替换为长度距离对来达到压缩的目的。长度是重复字符串的长度，距离是重复字符串与第一个出现该字符串的距离，下图是一个简单的示例：
在 lz77 算法中，主要运用了基于滑动窗口的字典压缩算法。首先是滑动窗口：
以上图为例，一开始，查找区是没有字符的。滑动窗口从 k 开始移动，依次在查找区尝试查找当前指向字符及之后字符的最长匹配，直到滑动窗口区不再有字符为止。这里就涉及到另外一个问题了，如何在查找区中快速的找到与滑动窗口中匹配的字符，lz77 显然不会采取暴力遍历查找的方法，通常使用哈希数组来实现字典的快速搜索。在哈希数组中有两个数组，一个数组用来存放最新重复字符串的哈希地址，一个数组用来解决哈希冲突。具体以下图为例进行说明：
当第一次扫描 abc 时，对应数组 1 中 4 号位置为空，因此不用转化为长度距离对。当第二次扫描到 abc 时，对应数组 1 中 4 号位置存放的是 1，于是将 4 号位置替换为 6，再将 1 放置在数组 2 中的 6 号位置，此时数组 2 的 6 号位置存放的是 1，对当前字符串后的字符继续和 1 位置对应字符后的字符继续进行匹配，记录最长匹配字符长度。然后在数组 2 中查找 1 号位置，如果为空则结束匹配，最后将匹配到的最长字符替换为长度距离对。
huffman 编码
huffman 编码的原理是基于哈夫曼树。哈夫曼树是一种最优二叉树，是一种带权路径长度最短的二叉树。
以下是哈夫曼树的构造过程：
假设有 a、b、c、d、e 五个字母，他们对应出现的次数分别为 5，6，8，12，20
构造哈夫曼树的基本流程：将 a、b、c、d、e 看作是只有一个结点的树，其中出现的次数作为他们的权值。将权值和最小的两个数进行合并称为一个新树，权值较小的树作为左子树，权值较大的树作为右子树，新树的根结点权值为两子树之和，然后将新树也加入到树的集合中，重复上述流程知道又有一棵树为止。
针对哈夫曼树编码， 左分支为 0，右分支为 1。可得出 a、b、c、d、e 的编码如下：
从最后的编码来看，出现次数最多的 e 的编码长度比出现次数较少的 a 或 b 要少。最终频率高的字符会使用较短的编码，频率低的字符会使用较长的编码，总体的编码长度就会变小，从而达到压缩的结果。
gzip 在 nginx 中的应用
nginx 作为当下很流行的开源网页服务器和反向代理服务器，原生支持了 gzip 的功能。但是在 nginx 中 gzip 功能默认是不开启，需要在配置文件中配置相关指令才可以开启 gzip 功能。常见的配置项如下：
华为云 api 网关的 gzip 功能
华为云 api 网关(apig)为企业和开发者提供的高性能、高可用、高安全的云原生网关服务，融合安全、负载均衡、流量入口治理、微服务流量治理、运维等多项能力，也支持 gzip 压缩功能。用户可以通过一键式开关控制 gzip 功能的开启。同时 apig 还开放了压缩等级，用户可以通过配置不同的压缩等级，根据自己的需求对 gzip 功能进行性能调优。当一个客户端发送一个 http 请求时，需要包含一个 accept-encoding 头部用来指示客户端支持的压缩算法。
apig 会根据 gzip 开关来判断是否进行压缩。在开关开启的状态下，apig 会将响应内容压缩，然后将压缩后的响应发送给客户端(如果客户端已经进行 gzip 压缩，那么 apig 将不会进行二次压缩)。客户端收到响应后，会根据响应头部的 content-encoding 字段判断是否经过了压缩。如果响应被压缩了，客户端会进行解压缩，以获取原始的内容。
可以参考以下步骤打开 gzip 开关及设置压缩等级：
打开华为云 apig 控制台，依次进入实例管理-->配置参数，在页面列表中找到参数 gzip 如下：
如上图，gzip 功能为开启状态，且压缩等级为 6。
此外，apig 还提供了 debug 功能用以调试 gzip 功能。首先依次打开 api 列表, 然后点击创建 api。
在填写好 api 详细信息后，在后端配置选项页面选择 mock 后端，并且增加 header 参数-content-length（参数值需要大于等于 1028, 否则 gzip 功能将不生效。）
然后进入 api 的调试界面，在 headers 中添加参数：accept-encoding，对应参数值为 gzip。在响应结果中，如果有 content-encoding: gzip 出现，即代表 gzip 功能生效。
gzip 自首次发布以来，已经成为互联网上常用的压缩格式之一。各种高性能的开源代理如 nginx、envoy 等都原生支持 gzip 的功能。在传输速度和降低带宽消耗方面，gzip 有着十分强大的优势，希望本文能帮助到想要了解 gzip 背后原理及其应用的人。
另外，如果你有更多关于华为云产品的疑问，可扫码添加华为云专家的联系方式，咨询相关问题。
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gzip 能够提升传输速度和降低带宽消耗，因此适合应用 gzip 的场景有很多。
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移动应用通信：在移动应用中，使用 gzip 可以降低移动网络的数据消耗，加快数据传输速度，提升用户体验。
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api 通信：对于 restful api 或其他数据接口的传输，使用 gzip 可以降低传输的数据量，减少对网络带宽的占用，提升响应速度。
gzip 原理
gzip 使用 deflate 算法进行压缩。其原理主要包括 lz77 算法以及 huffman 编码（哈夫曼编码）。
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lz77 算法是将重复字符串替换为长度距离对来达到压缩的目的。长度是重复字符串的长度，距离是重复字符串与第一个出现该字符串的距离，下图是一个简单的示例：
在 lz77 算法中，主要运用了基于滑动窗口的字典压缩算法。首先是滑动窗口：
以上图为例，一开始，查找区是没有字符的。滑动窗口从 k 开始移动，依次在查找区尝试查找当前指向字符及之后字符的最长匹配，直到滑动窗口区不再有字符为止。这里就涉及到另外一个问题了，如何在查找区中快速的找到与滑动窗口中匹配的字符，lz77 显然不会采取暴力遍历查找的方法，通常使用哈希数组来实现字典的快速搜索。在哈希数组中有两个数组，一个数组用来存放最新重复字符串的哈希地址，一个数组用来解决哈希冲突。具体以下图为例进行说明：
当第一次扫描 abc 时，对应数组 1 中 4 号位置为空，因此不用转化为长度距离对。当第二次扫描到 abc 时，对应数组 1 中 4 号位置存放的是 1，于是将 4 号位置替换为 6，再将 1 放置在数组 2 中的 6 号位置，此时数组 2 的 6 号位置存放的是 1，对当前字符串后的字符继续和 1 位置对应字符后的字符继续进行匹配，记录最长匹配字符长度。然后在数组 2 中查找 1 号位置，如果为空则结束匹配，最后将匹配到的最长字符替换为长度距离对。
huffman 编码
huffman 编码的原理是基于哈夫曼树。哈夫曼树是一种最优二叉树，是一种带权路径长度最短的二叉树。
以下是哈夫曼树的构造过程：
假设有 a、b、c、d、e 五个字母，他们对应出现的次数分别为 5，6，8，12，20
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从最后的编码来看，出现次数最多的 e 的编码长度比出现次数较少的 a 或 b 要少。最终频率高的字符会使用较短的编码，频率低的字符会使用较长的编码，总体的编码长度就会变小，从而达到压缩的结果。
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gzip 自首次发布以来，已经成为互联网上常用的压缩格式之一。各种高性能的开源代理如 nginx、envoy 等都原生支持 gzip 的功能。在传输速度和降低带宽消耗方面，gzip 有着十分强大的优势，希望本文能帮助到想要了解 gzip 背后原理及其应用的人。
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