一篇了解爬虫技术方方面面

Posted 2021-11-22 magedu

原理

  传统爬虫从一个或若干初始网页的URL开始，获得初始网页上的URL，在抓取网页的过程中，不断从当前页面上抽取新的URL放入队列,直到满足系统的一定停止条件。聚焦爬虫的工作流程较为复杂，需要根据一定的网页分析算法过滤与主题无关的链接，保留有用的链接并将其放入等待抓取的URL队列。

  然后，它将根据一定的搜索策略从队列中选择下一步要抓取的网页URL，并重复上述过程，直到达到系统的某一条件时停止。另外，所有被爬虫抓取的网页将会被系统存贮，进行一定的分析、过滤，并建立索引，以便之后的查询和检索；

所以一个完整的爬虫一般会包含如下三个模块：

1、网络请求模块

2、爬取流程控制模块

3、内容分析提取模块

网络请求

  我们常说爬虫其实就是一堆的http(s)请求，找到待爬取的链接，然后发送一个请求包，得到一个返回包，当然，也有HTTP长连接(keep-alive)或h5中基于stream的websocket协议，这里暂不考虑；

所以核心的几个要素就是：

url

请求header、body

响应herder、内容

URL

  爬虫开始运行时需要一个初始url，然后会根据爬取到的html文章，解析里面的链接，然后继续爬取，这就像一棵多叉树，从根节点开始，每走一步，就会产生新的节点。为了使爬虫能够结束，一般都会指定一个爬取深度(Depth)。

Http请求

  http请求信息由请求方法(method)、请求头(headers)、请求正文(body)三部分组成。由于method一般是header中的第一行，也可以说请求头中包含请求方法，下面是chrome访问请求头的一部分：

原理

  传统爬虫从一个或若干初始网页的URL开始，获得初始网页上的URL，在抓取网页的过程中，不断从当前页面上抽取新的URL放入队列,直到满足系统的一定停止条件。聚焦爬虫的工作流程较为复杂，需要根据一定的网页分析算法过滤与主题无关的链接，保留有用的链接并将其放入等待抓取的URL队列。

  然后，它将根据一定的搜索策略从队列中选择下一步要抓取的网页URL，并重复上述过程，直到达到系统的某一条件时停止。另外，所有被爬虫抓取的网页将会被系统存贮，进行一定的分析、过滤，并建立索引，以便之后的查询和检索；

所以一个完整的爬虫一般会包含如下三个模块：

1、网络请求模块

2、爬取流程控制模块

3、内容分析提取模块

网络请求

  我们常说爬虫其实就是一堆的http(s)请求，找到待爬取的链接，然后发送一个请求包，得到一个返回包，当然，也有HTTP长连接(keep-alive)或h5中基于stream的websocket协议，这里暂不考虑；

所以核心的几个要素就是：

url

请求header、body

响应herder、内容

URL

  爬虫开始运行时需要一个初始url，然后会根据爬取到的html文章，解析里面的链接，然后继续爬取，这就像一棵多叉树，从根节点开始，每走一步，就会产生新的节点。为了使爬虫能够结束，一般都会指定一个爬取深度(Depth)。

Http请求

  http请求信息由请求方法(method)、请求头(headers)、请求正文(body)三部分组成。由于method一般是header中的第一行，也可以说请求头中包含请求方法，下面是chrome访问请求头的一部分：

对于爬虫需要注意的是请求方法是post时，需要将请求的参数先进行urlencode后再发送，后台收到请求信息后可能会做一些校验，这可能会影响到爬取，相关的header字段如下：

Basic Auth

  这是一种古老的、不安全的用户验证方式，一般会有用户授权的限制，会在headers的Autheration字段里要求加入用户名密码(明文)，如果验证失败则请求就会失败，现在这种认证方式正在被淘汰。

Referer

  链接的来源，通常在访问链接时，都要带上Referer字段，服务器会进行来源验证，后台通常会用此字段作为防盗链的依据。

User-Agent

  后台通常会通过此字段判断用户设备类型、系统以及浏览器的型号版本。有些编程语言包里网络请求会自定义User-Agent，可以被辨别出来，爬虫中可以设置为浏览器的ua.

Cookie

  一般在用户登录或者某些操作后，服务端会在返回包中包含Cookie信息要求浏览器设置Cookie，没有Cookie会很容易被辨别出来是伪造请求；

  也有本地通过JS，根据服务端返回的某个信息进行处理生成的加密信息，设置在Cookie里面；

javascript加密操作

  在进行敏感数据传输时，一般都会通过javascript进行加密，例如qq空间就会对用户登陆密码进行RSA加密后再发送给服务器，因此，爬虫在模拟登陆时需要自己去请求公钥，然后加密。

自定义字段

  因为http的headers可以自定义地段，所以第三方可能会加入了一些自定义的字段名称或者字段值，这也是需要注意的。

流程控制

  所谓爬取流程，就是按照什么样的规则顺序去爬。在爬取任务不大的情况下，爬取的流程控制不会太麻烦，很多爬取框架都已经帮你做了如scrapy，只需要自己实现解析的代码。

  但在爬取一些大型网站时，例如全网抓取京东的评论，微博所有人的信息，关注关系等等，这种上十亿到百亿次设置千亿次的请求必须考虑效率，否则一天只有86400秒，那么一秒钟要抓100次，一天也才8640w次请求，也需要100多天才能到达十亿级别的请求量。

  涉及到大规模的抓取，一定要有良好的爬虫设计，一般很多开源的爬虫框架也都是有限制的，因为中间涉及到很多其他的问题，例如数据结构，重复抓取过滤的问题，当然最重要的是要把带宽利用满。

  所以分布式抓取很重要，这时流程控制就会很重要，分布式最重要的就是多台机器不同线程的调度和配合，通常会共享一个url队列，然后各个线程通过消息通信，如果想要抓的越多越快，那么对中间的消息系统的吞吐量要求也越高。

  现在也有一些开源的分布式爬取框架如scrapy-redis就是一个重写了scrapy的调度模块、队列、管道的包，redis数据库是用来在分布式中做请求队列共享，scrapyd是用来部署scrapy的,scrapyd-api用来启动获取数据。

内容分析提取

  请求headers的Accept-Encoding字段表示浏览器告诉服务器自己支持的压缩算法（目前最多的是gzip），如果服务器开启了压缩，返回时会对响应体进行压缩，爬虫需要自己解压；

  过去我们常需要获取的内容主要来源于网页html文档本身，也就是说，我们决定进行抓取的时候，都是html中包含的内容，但是随着这几年web技术飞速的发展，动态网页越来越多，尤其是移动端，大量的SPA应用，这些网站中大量的使用了ajax技术。

  我们在浏览器中看到的网页已不全是html文档说包含的，很多都是通过javascript动态生成的，一般来说，我们最终眼里看到的网页包括以下三种：

Html文档本身包含内容

  这种情况是最容易解决的，一般来讲基本上是静态网页已经写死的内容，或者动态网页，采用模板渲染，浏览器获取到HTML的时候已经是包含所有的关键信息，所以直接在网页上看到的内容都可以通过特定的HTML标签得到。

这种情况解析也是很简单的，一般的方法有一下几种：

CSS选择器

XPATH（这个值得学习一下）

正则表达式或普通字符串查找

JavaScript代码加载内容

  一般来说有两种情况：一种情况是在请求到html文档时，网页的数据在js代码中，而并非在html标签中，之所以我们看到的网页是正常的，那是因为，其实是由于执行js代码动态添加到标签里面的。

  所以这个时候内容在js代码里面的，而js的执行是在浏览器端的操作，所以用程序去请求网页地址的时候，得到的response是网页代码和js的代码，所以自己在浏览器端能看到内容，解析时由于js未执行，肯定找到指定HTML标签下内容肯定为空，如百度的主页就是这种，这个时候的处理办法，一般来讲主要是要找到包含内容的js代码串，然后通过正则表达式获得相应的内容，而不是解析HTML标签。

  另一种情况是在和用户交互时，JavaScript可能会动态生成一些dom，如点击某个按钮弹了一个对话框等；对于这种情况，一般这些内容都是一些用户提示相关的内容，没什么价值，如果确实需要，可以分析一下js执行逻辑，但这样的情况很少。

Ajax／Fetch异步请求

  这种情况是现在很常见的，尤其是在内容以分页形式显示在网页上，并且页面无刷新，或者是对网页进行某个交互操作后，得到内容。对于这种页面，分析的时候我们要跟踪所有的请求，观察数据到底是在哪一步加载进来的。然后当我们找到核心的异步请求的时候，就只需抓取这个异步请求就可以了，如果原始网页没有任何有用信息，也没必要去抓取原始网页了。

爬虫技术的现状

语言

  理论上来说，任何支持网络通信的语言都是可以写爬虫的，爬虫本身虽然语言关系不大，但是，总有相对顺手、简单的。目前来说，大多数爬虫是用后台脚本类语言写的，其中python无疑是用的最多最广的，并且页诞生了很多优秀的库和框架，如scrapy、BeautifulSoup 、pyquery、Mechanize等。

  但是一般来说，搜索引擎的爬虫对爬虫的效率要求更高，会选用c++、java、go(适合高并发)，我在大学时代就用c++实现了一个多线程的框架，但是发现和python实现的爬虫效率提升并不明显，原因是，对于简单爬虫，瓶颈在于数据分析及提取，而网络效率和语言关系并不大。

  值得一提的是，在近几年node发展非常快， 使得javascript遍地开花，有些人也开始尝试用node做爬虫，但是，这其实和其它后台脚本语言没什么区别，也不如 python简单， 因为你依旧不能在node 里发起ajax请求，不能执行原网页的dom。

  因为node的javascript 执行环境和浏览器的执行环境并不相同。那么，难道就真的不能像在浏览器中一样用js写爬虫，用jquery提取内容吗？

运行环境

  爬虫本身不区分到底是运行在windows还是Linux，又或是OSX，但从业务角度讲，我们把运行在服务端(后台)的，称之为后台爬虫。而现在，几乎所有的爬虫都是后台爬虫。

后台爬虫的三大问题

  后台爬虫在大行其道的时候，也有着些许棘手的、到目前也没有什么好的解决方案问题，而归根结底，这些问题的根本原因是由于后台爬虫的先天不足导致，在正式讨论之前，我们先思考一个问题，“爬虫和浏览器有什么异同？”。

相同点

  本质上都是通过http/https协议请求互联网数据

不同点

爬虫一般为自动化程序，无需用用户交互，而浏览器不是

运行场景不同；浏览器运行在客户端，而爬虫一般都跑在服务端

能力不同；浏览器包含渲染引擎、javascript虚拟机，而爬虫一般都不具备这两者。

了解了这些，我们再来看看后台面临的问题

问题一：交互问题

  有些网页往往需要和用户进行一些交互，进而才能走到下一步，比如输入一个验证码，拖动一个滑块，选几个汉字。网站之所以这么做，很多时候都是为了验证访问者到底是人还是机器。

  而爬虫程序遇到这种情况很难处理，传统的简单图片验证码可以通过图形处理算法读出内容，但是随着各种各样，花样百出，人神共愤的、变态的验证码越来越多（尤其是买火车票时，分分钟都想爆粗口），这个问题就越来越严重。

问题二：Javascript 解析问题

  如前文所述，javascript可以动态生成dom。目前大多数网页属于动态网页（内容由javascript动态填充），尤其是在移动端，SPA/PWA应用越来越流行，网页中大多数有用的数据都是通过ajax/fetch动态获取后然后再由js填充到网页dom树中，单纯的html静态页面中有用的数据很少。

  目前主要应对的方案就是对于js ajax/fetch请求直接请求ajax/fetch的url ，但是还有一些ajax的请求参数会依赖一段javascript动态生成，比如一个请求签名，再比如用户登陆时对密码的加密等等。

  如果一昧的去用后台脚本去干javascript本来做的事，这就要清楚的理解原网页代码逻辑，而这不仅非常麻烦，而且会使你的爬取代码异常庞大臃肿，但是，更致命的是，有些javascript可以做的事爬虫程序是很难甚至是不能模仿的，比如有些网站使用拖动滑块到某个位置的验证码机制，这就很难再爬虫中去模仿。

  其实，总结一些，这些弊端归根结底，是因为爬虫程序并非是浏览器，没有javascript解析引擎所致。针对这个问题，目前主要的应对策略就是在爬虫中引入Javascript 引擎，如PhantomJS，但是又有着明显的弊端，如服务器同时有多个爬取任务时，资源占用太大。

  还有就是，这些 无窗口的javascript引擎很多时候使用起来并不能像在浏览器环境中一样，页面内部发生跳转时，会导致流程很难控制。

问题三：IP限制

  这是目前对后台爬虫中最致命的。网站的防火墙会对某个固定ip在某段时间内请求的次数做限制，如果没有超过上线则正常返回数据，超过了，则拒绝请求，如qq 邮箱。

  值得说明的是，ip限制有时并非是专门为了针对爬虫的，而大多数时候是出于网站安全原因针对DOS攻击的防御措施。后台爬取时机器和ip有限，很容易达到上线而导致请求被拒绝。目前主要的应对方案是使用代理，这样一来ip的数量就会多一些，但代理ip依然有限，对于这个问题，根本不可能彻底解决。