图解：HTTP 范围请求，助力断点续传多线程下载的核心原理

Posted 2020-12-24 plokmju

题图：by Charles Loyer

一、序

Hi，大家好，我是承香墨影！

HTTP 协议在网络知识中占据了重要的地位，HTTP 协议最基础的就是请求和响应的报文，而报文又是由报文头（Header）和实体组成。大多数 HTTP 协议的使用方式，都是依赖设置不同的 HTTP 请求/响应 的 Header 来实现的。

本系列《实用 HTTP》就抛开常规的 Header 讲解式的表述方式，从实际问题出发，来分析这些 HTTP 协议的使用方式，到底是为了解决什么问题？同时讲解它是如何设计的和它实现原理。

HTTP 协议是一种无状态的“松散协议”，它不会记录不同请求的状态，并且因为它本身包含了两端（客户端和服务端），根据请求和响应来区分，它大部分的内容都只是一个建议，其实双边是可以不遵守此建议的。

“这里写了建议零售价 2 元...”

“哦，不接受建议！”

文本是本系列的第五篇，前四篇传送门：

• HTTP 的缓存机制
• HTTP 内容实体编码压缩机制
• HTTP 传输编码压缩机制
• HTTP 的 Cookie 细节

今天再来介绍一下 HTTP 的范围请求。范围请求主要是针对较大的文件的请求或者上传，可以仅操作它的某一段。

一个比较常见的场景，就是断点续传/下载，在网络情况不好的时候，可以在断开连接以后，仅继续获取部分内容。例如在网上下载软件，已经下载了 95% 了，此时网络断了，如果不支持范围请求，那就只有被迫重头开始下载。但是如果有范围请求的加持，就只需要下载最后 5% 的资源，避免重新下载。

另一个场景就是多线程下载，对大型文件，开启多个线程，每个线程下载其中的某一段，最后下载完成之后，在本地拼接成一个完整的文件，可以更有效的利用资源。

这算是两个比较常见的场景，接下来我们来看看范围请求的 HTTP 协议支持的技术细节。

二、HTTP 的范围请求

2.1 是否支持范围请求

HTTP 本身是一种无状态的“松散”协议，而在经历了很多版本的迭代之后，只在 HTTP/1.1（RFC2616） 之上，才支持范围请求。所以如果客户端或者服务端两端的某一端低于 HTTP/1.1，我们就不应该使用范围请求的功能。

而在 HTTP/1.1 中，很明确的声明了一个响应头部 Access-Ranges 来标记是否支持范围请求，它只有一个可选参数 bytes。

例如这里给了一个 MP4 的响应头，可以看到它是有 Accept-Ranges:bytes 来标记的，有此标记标识当前资源支持范围请求。

2.2 使用范围请求

如果已经确定双端都支持范围请求，我们就可以在请求资源的时候使用它。

所有的文件最终都是存储在磁盘或者内存中的字节，对于待操作的文件可以将其以字节为单位分割。这样只需要 HTTP 支持请求该文件从 n 到 n+x 这个范围内的资源，就可以实现范围请求了。

HTTP/1.1 中定义了一个 Ranges 的请求头，来指定请求实体的范围。它的范围取值是在 0 - Content-Length 之间，使用 - 分割。。

例如已经下载了 1000 bytes 的资源内容，想接着继续下载之后的资源内容，只要在 HTTP 请求头部，增加 Ranges:bytes=1000- 就可以了。

Range 还有几种不同的方式来限定范围，可以根据需要灵活定制：

1. 500-1000：指定开始和结束的范围，一般用于多线程下载。

2. 500- ：指定开始区间，一直传递到结束。这个就比较适用于断点续传、或者在线播放等等。

3. -500：无开始区间，只意思是需要最后 500 bytes 的内容实体。

4. 100-300,1000-3000：指定多个范围，这种方式使用的场景很少，了解一下就好了。

HTTP 协议是一种双边协商的协议，既然请求头部已经确定是使用 Ranges 了，还有响应头部中，也需要使用 Content-Ragne 这个响应头来标记响应的实体内容范围。

Content-Range 的格式也很清晰，首先标记它的单位是 bytes 然后标记当前传递的内容实体范围和总长度。

Content-Range: bytes 100-999/1000

在这个例子中，会传递 100 ~ 999 范围的内容实体，而该资源文件的总大小是 1000 bytes。并且此时的 HTTP 响应状态码为 206 Partial Content 。

HTTP 206 Partial Content 成功状态响应代码表示请求已成功，并且主体包含所请求的数据区间，该数据区间是在请求的 Range 首部指定的。

有关 206 状态码的解释可以参考：https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Status/206

所以一个正常的流程应该如下图所示：

注意这里的每个 HTTP 事务中的响应头里，都是会包含 Content-Length 的，只是它包含的是当前范围请求响应的内容实体长度，而非此资源完整的长度。

到这里基本上算是讲清楚 HTTP 范围请求的正确流程了，接下来看看一些特殊的情况。

2.3 资源变化

当我们在一些下载工具中，下载大尺寸资源的时候，偶尔中间暂停过再重新下载，可能会遇见它又重头开始下载的情况。

这看似是 HTTP 的范围请求失效了，但是实际上并不一定如此，很可能是因为请求的资源，在请求的这个过程中，发生了改变。

假如你下载的过程中，下载的源资源文件发生了变化，但是 URL 没有改变，此时文件长度可能已经变化了（这是非常容易发现的），极端情况下就算没有长度没有变化，你再继续下载，很可能最终下载完成之后，无法将下载的内容拼接成我们需要的文件。

如果我们需要从服务器上下载某个资源，一定要预防此资源可能发生的变动。在之前讲 HTTP 缓存的时候讲到，在 HTTP 协议中，可以通过 ETag 或者 Last-Modified 来标识当前资源是否变化。

• ETag：当前文件的一个验证令牌指纹，用于标识文件的唯一性。
• Last-Modified：标记当前文件最后被修改的时间。

在 HTTP 的范围请求中，也可以使用这两个字段来区分分段请求的资源，是否有修改过，只需要在请求头中，将它放在 If-Range 这个请求报文头中即可。If-Range 使用 ETag 或者 Last-Modified 两个参数任意一个，原样填入即可。

此时，如果两次操作的都是同一个资源文件，就会继续返回 206 状态码，开始后续的操作，反之则会返回 200 状态码，表示文件发生改变，要从头下载。

需要注意的是 If-Range 需要和 Range 配合起来使用，否则会被服务端忽略。

再额外提一点，如果客户端请求报文头中，对 Range 填入的范围错误，会返回 416 状态码。

HTTP 416 Range Not Satisfiable 错误状态码意味着服务器无法处理所请求的数据区间。最常见的情况是所请求的数据区间不在文件范围之内，也就是说，Range 首部的值，虽然从语法上来说是没问题的，但是从语义上来说却没有意义。

有关 416 状态码，可以参考：https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Status/416

三、范围请求的例子

3.1 用 Chrome 播放一个适配

前面介绍的概念，很多技术点其实描述的都是某一个请求片段，接下来我们以一个实际的例子来说明范围请求的具体细节。

在这个例子中，我找了一个视频的播放地址，直接在 Chrome 中进行播放。正常播放之后，再随手拖动视频进度，之后无操作让其自动播放一段时间，来看看 HTTP 的事务报文。

简单描述一下情况，自然播放的时候，会首先想资源的 URL 发送请求，返回 200 的响应码，可以判断出当前资源支持 Accept-Ranges，接下来会去使用 Range 发送范围请求，得到的响应码就是 206，并返回对应范围的实体内容。而在每次拖动进度的时候，都会去重新发送一个范围请求，依照拖动的进度来计算请求范围。此处不存在资源被修改的情况，所以不会出现重新请求下载的情况。

就不一个一个对 HTTP 事务截图了，大概抽象了一下流程，如下图所示：

可以看到，一次资源下载其实包含了很多次的请求过程，我们需要站在全局的角度来看到它。

四、范围请求小结

到这里我们就已经把 HTTP 范围请求的整个流程都说明清楚了。

再重新整理一下关键点：

1. HTTP 范围请求，需要 HTTP/1.1 及之上支持，如果双端某一段低于此版本，则认为不支持。

2. 通过响应头中的 Accept-Ranges 来确定是否支持范围请求。

3. 通过在请求头中添加 Range 这个请求头，来指定请求的内容实体的字节范围。

4. 在响应头中，通过 Content-Range 来标识当前返回的内容实体范围，并使用 Content-Length 来标识当前返回的内容实体范围长度。

5. 在请求过程中，可以通过 If-Range 来区分资源文件是否变动，它的值来自 ETag 或者 Last-Modifled。如果资源文件有改动，会重新走下载流程。

再配一张流程图，就更清晰了。

到此 HTTP 范围请求的所有关键技术点，就已经讲解清楚。范围请求被用在诸如：断点续传、多线程下载等场景下，大部分 CDN 上的资源都是支持范围请求的，具体你能在什么场景下应用，就看你的想象力了。

还有什么更多的想法，欢迎留言讨论。

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