转载和积累系列 - Nodejs 实现静态服务器
本文是我对V5Node项目的总结，该项目的特性包括：
- 项目大多数的文件都是属于静态文件，只有数据部分存在动态请求。
- 数据部分的请求都呈现为RESTful的特性。
所以项目主要包含两个部分就是静态服务器和RESTful服务器。本文讲的是静态文件服务器部分。
既是一个新的项目，那么创建v5node目录是应该的。既是一个Node应用，创建一个app.js文件也是应该的。
我们的app.js文件里的结构很明确：
var PORT = 8000;
var http = require('http');
var server = http.createServer(function (request, response) {
// TODO
});
server.listen(PORT);
console.log("Server runing at port: " + PORT + ".");
因为当前要实现的功能是静态文件服务器，那么以Apache为例，让我们回忆一下静态文件服务器都有哪些功能。
浏览器发送URL，服务端解析URL，对应到硬盘上的文件。如果文件存在，返回200状态码，并发送文件到浏览器端；如果文件不存在，返回404状态码，发送一个404的文件到浏览器端。
以下两图是Apache经典的两种状态。
现在需求已经明了，那么我们开始实现吧。
实现路由
路由部分的实现在《The Node Beginner Book》已经被描述过，此处不例外。
添加url模块是必要的，然后解析pathname。
以下是实现代码：
var server = http.createServer(function (request, response) {
var pathname = url.parse(request.url).pathname;
response.write(pathname);
response.end();
});
现在的代码是向浏览器端输出请求的路径，类似一个echo服务器。接下来我们为其添加输出对应文件的功能。
读取静态文件
为了不让用户在浏览器端通过请求/app.js查看到我们的代码，我们设定用户只能请求assets目录下的文件。服务器会将路径信息映射到assets目录。
涉及到了文件读取的这部分，自然不能避开fs(file system)这个模块。同样，涉及到了路径处理，path模块也是需要的。
我们通过path模块的path.exists方法来判断静态文件是否存在磁盘上。不存在我们直接响应给客户端404错误。
如果文件存在则调用fs.readFile方法读取文件。如果发生错误，我们响应给客户端500错误，表明存在内部错误。正常状态下则发送读取到的文件给客户端，表明200状态。
var server = http.createServer(function (request, response) {
var pathname = url.parse(request.url).pathname;
var realPath = "assets" + pathname;
path.exists(realPath, function (exists) {
if (!exists) {
response.writeHead(404, {
'Content-Type': 'text/plain'
});
response.write("This request URL " + pathname + " was not found on this server.");
response.end();
} else {
fs.readFile(realPath, "binary", function (err, file) {
if (err) {
response.writeHead(500, {
'Content-Type': 'text/plain'
});
response.end(err);
} else {
response.writeHead(200, {
'Content-Type': 'text/html'
});
response.write(file, "binary");
response.end();
}
});
}
});
});
以上这段简单的代码加上一个assets目录，就构成了我们最基本的静态文件服务器。
那么眼尖的你且看看，这个最基本的静态文件服务器存在哪些问题呢？答案是MIME类型支持。因为我们的服务器同时要存放html, css, js, png, gif, jpg等等文件。并非每一种文件的MIME类型都是text/html的。
MIME类型支持
像其他服务器一样，支持MIME的话，就得一张映射表。
exports.types = {
"css": "text/css",
"gif": "image/gif",
"html": "text/html",
"ico": "image/x-icon",
"jpeg": "image/jpeg",
"jpg": "image/jpeg",
"js": "text/javascript",
"json": "application/json",
"pdf": "application/pdf",
"png": "image/png",
"svg": "image/svg+xml",
"swf": "application/x-shockwave-flash",
"tiff": "image/tiff",
"txt": "text/plain",
"wav": "audio/x-wav",
"wma": "audio/x-ms-wma",
"wmv": "video/x-ms-wmv",
"xml": "text/xml"
};
以上代码另存在mime.js文件中。该文件仅仅只列举了一些常用的MIME类型，以文件后缀作为key，MIME类型为value。那么引入mime.js文件吧。
var mime = require("./mime").types;
我们通过path.extname来获取文件的后缀名。由于extname返回值包含”.”，所以通过slice方法来剔除掉”.”，对于没有后缀名的文件，我们一律认为是unknown。
var ext = path.extname(realPath); ext = ext ? ext.slice(1) : 'unknown';
接下来我们很容易得到真正的MIME类型了。
var contentType = mime[ext] || "text/plain";
response.writeHead(200, {'Content-Type': contentType});
response.write(file, "binary");
response.end();
对于未知的类型，我们一律返回text/plain类型。
缓存支持/控制
在MIME支持之后，静态文件服务器看起来已经很完美了。任何静态文件只要丢进assets目录之后就可以万事大吉不管了。看起来已经达到了Apache作为静态文件服务器的相同效果了。我们实现这样的服务器用的代码只有这么多行而已。是不是很简单呢？
但是，我们发现用户在每次请求的时候，服务器每次都要调用fs.readFile方法去读取硬盘上的文件的。当服务器的请求量一上涨，硬盘IO会吃不消。
在解决这个问题之前，我们有必要了解一番前端浏览器缓存的一些机制和提高性能的方案。
- GZip压缩文件可以减少响应的大小，能够达到节省带宽的目的。
- 浏览器缓存中存有文件副本的时候，不能确定有效的时候，会生成一个条件get请求。
- 在请求的头中会包含 If-Modified-Since。
- 如果服务器端文件在这个时间后发生过修改，则发送整个文件给前端。
- 如果没有修改，则返回304状态码。并不发送整个文件给前端。
- 另外一种判断机制是ETag。在此并不讨论。
- 如果副本有效，这个get请求都会省掉。判断有效的最主要的方法是服务端响应的时候带上Expires的头。
- 浏览器会判断Expires头，直到制定的日期过期，才会发起新的请求。
- 另一个可以达到相同目的的方法是返回Cache-Control: max-age=xxxx。
欲了解更多缓存机制，请参见Steve Sounders著作的《高性能网站建设指南》。
为了简化问题，我们只做如下这几件事情：
- 为指定几种后缀的文件，在响应时添加Expires头和Cache-Control: max-age头。超时日期设置为1年。
- 由于这是静态文件服务器，为所有请求，响应时返回Last-Modified头。
- 为带If-Modified-Since的请求头，做日期检查，如果没有修改，则返回304。若修改，则返回文件。
对于以上的静态文件服务器，Node给的响应头是十分简单的：
Connection: keep-alive Content-Type: text/html Transfer-Encoding: chunked
对于指定后缀文件和过期日期，为了保证可配置。那么建立一个config.js文件是应该的。
exports.Expires = {
fileMatch: /^(gif|png|jpg|js|css)$/ig,
maxAge: 60 * 60 * 24 * 365
};
引入config.js文件。
var config = require("./config");
我们在相应之前判断后缀名是否符合我们要添加过期时间头的条件。
var ext = path.extname(realPath);
ext = ext ? ext.slice(1) : 'unknown';
if (ext.match(config.Expires.fileMatch)) {
var expires = new Date();
expires.setTime(expires.getTime() + config.Expires.maxAge * 1000);
response.setHeader("Expires", expires.toUTCString());
response.setHeader("Cache-Control", "max-age=" + config.Expires.maxAge);
}
这次的响应头中多了两个header。
Cache-Control: max-age=31536000 Connection: keep-alive Content-Type: image/png Expires: Fri, 09 Nov 2012 12:55:41 GMT Transfer-Encoding: chunked
浏览器在发送请求之前由于检测到Cache-Control和Expires（Cache-Control的优先级高于Expires，但有的浏览器不支持Cache-Control，这时采用Expires），如果没有过期，则不会发送请求，而直接从缓存中读取文件。
接下来我们为所有请求的响应都添加Last-Modified头。
读取文件的最后修改时间是通过fs模块的fs.stat()方法来实现的。关于stat的详细介绍请参见此处。
fs.stat(realPath, function (err, stat) {
var lastModified = stat.mtime.toUTCString();
response.setHeader("Last-Modified", lastModified);
});
我们同时也要检测浏览器是否发送了If-Modified-Since请求头。如果发送而且跟文件的修改时间相同的话，我们返回304状态。
if (request.headers[ifModifiedSince] && lastModified == request.headers[ifModifiedSince]) {
response.writeHead(304, "Not Modified");
response.end();
}
如果没有发送或者跟磁盘上的文件修改时间不相符合，则发送回磁盘上的最新文件。
通过Expires和Last-Modified两个方案以及与浏览器之间的通力合作，会节省相当大的一部分网络流量，同时也会降低部分硬盘IO的请求。如果在这之前还存在CDN的话，整个方案就比较完美了。
由于Expires和Max-Age都是由浏览器来进行判断的，如果判断成功，http请求都不会发送到服务端的，这里只能通过fiddler和浏览器配合进行测试。但是Last-Modified却是可以通过curl来进行测试的。
#:~$ curl --header "If-Modified-Since: Fri, 11 Nov 2011 19:14:51 GMT" -i http://localhost:8000 HTTP/1.1 304 Not Modified Content-Type: text/html Last-Modified: Fri, 11 Nov 2011 19:14:51 GMT Connection: keep-alive
注意，我们看到这个304请求的响应是不带body信息的。所以，达到我们节省带宽的需求。只需几行代码，就可以省下许多的带宽费用。
但是，貌似我们有提到gzip这样的东西。对于CSS、JS等文件如果不采用GZip的话，还是会浪费掉部分网络带宽。那么接下来把GZip代码添加进来。
GZip启用
如果你是前端达人，你应该是知道YUI Compressor或Google Closure Complier这样的压缩工具的。在这基础上，再进行gzip压缩，则会减少很多的网络流量。那么，我们看看Node中，怎么把gzip搞起来。
要用到gzip，就需要zlib模块，该模块在Node的0.5.8版本开始原生支持。
var zlib = require("zlib");
对于图片一类的文件，不需要进行gzip压缩，所以我们在config.js中配置一个启用压缩的列表。
exports.Compress = {
match: /css|js|html/ig
};
这里为了防止大文件，也为了满足zlib模块的调用模式，将读取文件改为流的形式进行读取。
var raw = fs.createReadStream(realPath);
var acceptEncoding = request.headers['accept-encoding'] || "";
var matched = ext.match(config.Compress.match);
if (matched && acceptEncoding.match(/\bgzip\b/)) {
response.writeHead(200, "Ok", {
'Content-Encoding': 'gzip'
});
raw.pipe(zlib.createGzip()).pipe(response);
} else if (matched && acceptEncoding.match(/\bdeflate\b/)) {
response.writeHead(200, "Ok", {
'Content-Encoding': 'deflate'
});
raw.pipe(zlib.createDeflate()).pipe(response);
} else {
response.writeHead(200, "Ok");
raw.pipe(response);
}
对于支持压缩的文件格式以及浏览器端接受gzip或deflate压缩，我们调用压缩。若不，则管道方式转发给response。
启用压缩其实就这么简单。如果你有fiddler的话，可以监听一下请求，会看到被压缩的请求。
安全问题
我们搞了一大堆的事情，但是安全方面也不能少。想想哪一个地方是最容易出问题的？
我们发现上面的这段代码写得还是有点纠结的，通常这样纠结的代码我是不愿意拿出去让人看见的。但是，假如一个同学用浏览器访问http://localhost:8000/../app.js 怎么办捏？
不用太害怕，浏览器会自动干掉那两个作为父路径的点的。浏览器会把这个路径组装成http://localhost:8000/app.js的，这个文件在assets目录下不存在，返回404 Not Found。
但是聪明一点的同学会通过curl -i http://localhost:8000/../app.js 来访问。于是，问题出现了。
# curl -i http://localhost:8000/../app.js
HTTP/1.1 200 Ok
Content-Type: text/javascript
Last-Modified: Thu, 10 Nov 2011 17:16:51 GMT
Expires: Sat, 10 Nov 2012 04:59:27 GMT
Cache-Control: max-age=31536000
Connection: keep-alive
Transfer-Encoding: chunked
var PORT = 8000;
var http = require("http");
var url = require("url");
var fs = require("fs");
var path = require("path");
var mime = require("./mime").types;
那么怎么办呢？暴力点的解决方案就是禁止父路径。
首先替换掉所有的..，然后调用path.normalize方法来处理掉不正常的/。
var realPath = path.join("assets", path.normalize(pathname.replace(/\.\./g, "")));
于是这个时候通过curl -i http://localhost:8000/../app.js 访问，/../app.js会被替换掉为//app.js。normalize方法会将//app.js返回为/app.js。再加上真实的assets，就被实际映射为assets/app.js。这个文件不存在，于是返回404。搞定父路径问题。与浏览器的行为保持一致。
Welcome页的锦上添花
再来回忆一下Apache的常见行为。当进入一个目录路径的时候，会去寻找index.html页面，如果index.html文件不存在，则返回目录索引。目录索引这里我们暂不考虑，如果用户请求的路径是/结尾的，我们就自动为其添加上index.html文件。如果这个文件不存在，继续返回404错误。
如果用户请求了一个目录路径，而且没有带上/。那么我们为其添加上/index.html，再重新做解析。
那么不喜欢硬编码的你，肯定是要把这个文件配置进config.js。这样你就可以选择各种后缀作为welcome页面。
exports.Welcome = {
file: "index.html"
};
那么第一步，为/结尾的请求，自动添加上”index.html”。
if (pathname.slice(-1) === "/") {
pathname = pathname + config.Welcome.file;
}
第二步，如果请求了一个目录路径，并且没有以/结尾。那么我们需要做判断。如果当前读取的路径是目录，就需要添加上/和index.html
if (stats.isDirectory()) {
realPath = path.join(realPath, "/", config.Welcome.file);
}
由于我们目前的结构发生了一点点变化。所以需要重构一下函数。而且，fs.stat方法具有比fs.exsits方法更多的功能。我们直接替代掉它。
就这样。一个各方面都比较完整的静态文件服务器就这样打造完毕。
Range支持，搞定媒体断点支持
关于http1.1中的Range定义，可以参见这两篇文章：
- http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616-sec14.html
- http://labs.apache.org/webarch/http/draft-fielding-http/p5-range.html
接下来，我将简单地介绍一下range的作用和其定义。
当用户在听一首歌的时候，如果听到一半（网络下载了一半），网络断掉了，用户需要继续听的时候，文件服务器不支持断点的话，则用户需要重新下载这个文件。而Range支持的话，客户端应该记录了之前已经读取的文件范围，网络恢复之后，则向服务器发送读取剩余Range的请求，服务端只需要发送客户端请求的那部分内容，而不用整个文件发送回客户端，以此节省网络带宽。
那么HTTP1.1规范的Range是怎样一个约定呢。
- 如果Server支持Range，首先就要告诉客户端，咱支持Range，之后客户端才可能发起带Range的请求。
response.setHeader('Accept-Ranges', 'bytes'); - Server通过请求头中的Range: bytes=0-xxx来判断是否是做Range请求，如果这个值存在而且有效，则只发回请求的那部分文件内容，响应的状态码变成206，表示Partial Content，并设置Content-Range。如果无效，则返回416状态码，表明Request Range Not Satisfiable（http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616-sec10.html#sec10.4.17 ）。如果不包含Range的请求头，则继续通过常规的方式响应。
- 有必要对Range请求做一下解释。
ranges-specifier = byte-ranges-specifier byte-ranges-specifier = bytes-unit "=" byte-range-set byte-range-set = 1#( byte-range-spec | suffix-byte-range-spec ) byte-range-spec = first-byte-pos "-" [last-byte-pos] first-byte-pos = 1*DIGIT last-byte-pos = 1*DIGIT
上面这段定义来自w3定义的协议http://www.w3.org/Protocols/rfc2616/rfc2616-sec14.html#sec14.35。大致可以表述为Range: bytes=[start]-[end][,[start]-[end]]。简言之有以下几种情况：
bytes=0-99，从0到99之间的数据字节。
bytes=-100，文件的最后100个字节。
bytes=100-，第100个字节开始之后的所有字节。
bytes=0-99,200-299，从0到99之间的数据字节和200到299之间的数据字节。
那么，我们就开始实现吧。首先判断Range请求和检测其是否有效。为了保持代码干净，我们封装一个parseRange方法，这个方法属于util性质的，那么我们放进utils.js文件。
var utils = require("./utils");
我们暂且不支持多区间。于是遇见逗号，就报416错误。
exports.parseRange = function (str, size) {
if (str.indexOf(",") != -1) {
return;
}
var range = str.split("-"),
start = parseInt(range[0], 10),
end = parseInt(range[1], 10);
// Case: -100
if (isNaN(start)) {
start = size - end;
end = size - 1;
// Case: 100-
} else if (isNaN(end)) {
end = size - 1;
}
// Invalid
if (isNaN(start) || isNaN(end) || start > end || end > size) {
return;
}
return {
start: start,
end: end
};
};
如果满足Range的条件，则为响应添加上Content-Range和修改掉Content-Lenth。
response.setHeader("Content-Range", "bytes " + range.start + "-" + range.end + "/" + stats.size);
response.setHeader("Content-Length", (range.end - range.start + 1));
非常开心的一件事情是，Node的读文件流，原生支持range读取。
var raw = fs.createReadStream(realPath, {"start": range.start, "end": range.end});
设置状态码为206。
由于选取Range之后，依然还是需要经过GZip的。于是代码已经有点面条的味道了。重构一下吧。于是代码大致如此：
var compressHandle = function (raw, statusCode, reasonPhrase) {
var stream = raw;
var acceptEncoding = request.headers['accept-encoding'] || "";
var matched = ext.match(config.Compress.match);
if (matched && acceptEncoding.match(/\bgzip\b/)) {
response.setHeader("Content-Encoding", "gzip");
stream = raw.pipe(zlib.createGzip());
} else if (matched && acceptEncoding.match(/\bdeflate\b/)) {
response.setHeader("Content-Encoding", "deflate");
stream = raw.pipe(zlib.createDeflate());
}
response.writeHead(statusCode, reasonPhrase);
stream.pipe(response);
};
if (request.headers["range"]) {
var range = utils.parseRange(request.headers["range"], stats.size);
if (range) {
response.setHeader("Content-Range", "bytes " + range.start + "-" + range.end + "/" + stats.size);
response.setHeader("Content-Length", (range.end - range.start + 1));
var raw = fs.createReadStream(realPath, {
"start": range.start,
"end": range.end
});
compressHandle(raw, 206, "Partial Content");
} else {
response.removeHeader("Content-Length");
response.writeHead(416, "Request Range Not Satisfiable");
response.end();
}
} else {
var raw = fs.createReadStream(realPath);
compressHandle(raw, 200, "Ok");
}
通过curl --header "Range:0-20" -i http://localhost:8000/index.html请求测试一番试试。
HTTP/1.1 206 Partial Content Server: Node/V5 Accept-Ranges: bytes Content-Type: text/html Content-Length: 21 Last-Modified: Fri, 11 Nov 2011 19:14:51 GMT Content-Range: bytes 0-20/54 Connection: keep-alive <html> <body> <h1>I
index.html文件并没有被整个发送给客户端。这里之所以没有完全的21个字节，是因为\t和\r都各算一个字节。
再用curl --header "Range:0-100" -i http://localhost:8000/index.html反向测试一下吧。
HTTP/1.1 416 Request Range Not Satisfiable Server: Node/V5 Accept-Ranges: bytes Content-Type: text/html Last-Modified: Fri, 11 Nov 2011 19:14:51 GMT Connection: keep-alive Transfer-Encoding: chunked
嗯，要的就是这个效果。至此，Range支持完成，这个静态文件服务器支持一些流媒体文件。
嗯。就这么简单。
本文转载自CNode社区田永强的文章。