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URL編碼與解碼原理

       通常如果一樣東西需要編碼,說明這樣東西並不適合傳輸。原因多種多樣,如Size過大,包含隱私資料,對於Url來說,之所以要進行編碼,是因為Url中有些字元會引起歧義。

  例如,Url引數字串中使用key=value鍵值對這樣的形式來傳參,鍵值對之間以&符號分隔,如/s?q=abc&ie=utf-8。如果你的value字串中包含了=或者&,那麼勢必會造成接收Url的伺服器解析錯誤,因此必須將引起歧義的&和=符號進行轉義,也就是對其進行編碼。

  又如,Url的編碼格式採用的是ASCII碼,而不是Unicode,這也就是說你不能在Url中包含任何非ASCII字元,例如中文。否則如果客戶端瀏覽器和服務端瀏覽器支援的字符集不同的情況下,中文可能會造成問題。

      Url編碼的原則:就是使用安全的字元(沒有特殊用途或者特殊意義的可列印字元)去表示那些不安全的字元。

  預備知識:URI是統一資源標識的意思,通常我們所說的URL只是URI的一種。典型URL的格式如下所示。下面提到的URL編碼,實際上應該指的是URI編碼。

foo://example.com:8042/over/there?name=ferret#nose

\_/ \______________/ \________/\_________/ \__/

|         |              |         |        |

  scheme     authority                path      query   fragment

  哪些字元需要編碼

  RFC3986文件規定,Url中只允許包含英文字母(a-zA-Z)、數字(0-9)、-_.~4個特殊字元以及所有保留字元。RFC3986文件對Url的編解碼問題做出了詳細的建議,指出了哪些字元需要被編碼才不會引起Url語義的轉變,以及對為什麼這些字元需要編碼做出了相應的解釋。

  US-ASCII字符集中沒有對應的可列印字元:Url中只允許使用可列印字元。US-ASCII碼中的10-7F位元組全都表示控制字元,這些字元都不能直接出現在Url中。同時,對於80-FF位元組(ISO-8859-1),由於已經超出了US-ACII定義的位元組範圍,因此也不可以放在Url中。

  保留字元:Url可以劃分成若干個元件,協議、主機、路徑等。有一些字元(:/?#[]@)是用作分隔不同元件的。例如:冒號用於分隔協議和主機,/用於分隔主機和路徑,?用於分隔路徑和查詢引數,等等。還有一些字元(!$&'()*+,;=)用於在每個元件中起到分隔作用的,如=用於表示查詢引數中的鍵值對,&符號用於分隔查詢多個鍵值對。當元件中的普通資料包含這些特殊字元時,需要對其進行編碼。

  RFC3986中指定了以下字元為保留字元:! * ' ( ) ; : @ & = + $ , / ? # [ ]

  不安全字元:還有一些字元,當他們直接放在Url中的時候,可能會引起解析程式的歧義。這些字元被視為不安全字元,原因有很多。

  • 空格:Url在傳輸的過程,或者使用者在排版的過程,或者文字處理程式在處理Url的過程,都有可能引入無關緊要的空格,或者將那些有意義的空格給去掉。
  • 引號以及<>:引號和尖括號通常用於在普通文字中起到分隔Url的作用
  • #:通常用於表示書籤或者錨點
  • %:百分號本身用作對不安全字元進行編碼時使用的特殊字元,因此本身需要編碼
  • {}|\^[]`~:某一些閘道器或者傳輸代理會篡改這些字元

  需要注意的是,對於Url中的合法字元,編碼和不編碼是等價的,但是對於上面提到的這些字元,如果不經過編碼,那麼它們有可能會造成Url語義的不同。因此對於Url而言,只有普通英文字元和數字,特殊字元$-_.+!*'()還有保留字元,才能出現在未經編碼的Url之中。其他字元均需要經過編碼之後才能出現在Url中。

  但是由於歷史原因,目前尚存在一些不標準的編碼實現。例如對於~符號,雖然RFC3986文件規定,對於波浪符號~,不需要進行Url編碼,但是還是有很多老的閘道器或者傳輸代理會進行編碼。

  如何對Url中的非法字元進行編碼

  Url編碼通常也被稱為百分號編碼(Url Encoding,also known as percent-encoding),是因為它的編碼方式非常簡單,使用%百分號加上兩位的字元——0123456789ABCDEF——代表一個位元組的十六進位制形式。Url編碼預設使用的字符集是US-ASCII。例如a在US-ASCII碼中對應的位元組是0x61,那麼Url編碼之後得到的就是%61,我們在位址列上輸入http://g.cn/search?q=%61%62%63,實際上就等同於在google上搜索abc了。又如@符號在ASCII字符集中對應的位元組為0x40,經過Url編碼之後得到的是%40。

  對於非ASCII字元,需要使用ASCII字符集的超集進行編碼得到相應的位元組,然後對每個位元組執行百分號編碼。對於Unicode字元,RFC文件建議使用utf-8對其進行編碼得到相應的位元組,然後對每個位元組執行百分號編碼。如"中文"使用UTF-8字符集得到的位元組為0xE4 0xB8 0xAD 0xE6 0x96 0x87,經過Url編碼之後得到"%E4%B8%AD%E6%96%87"。

  如果某個位元組對應著ASCII字符集中的某個非保留字元,則此位元組無需使用百分號表示。例如"Url編碼",使用UTF-8編碼得到的位元組是0x55 0x72 0x6C 0xE7 0xBC 0x96 0xE7 0xA0 0x81,由於前三個位元組對應著ASCII中的非保留字元"Url",因此這三個位元組可以用非保留字元"Url"表示。最終的Url編碼可以簡化成"Url%E7%BC%96%E7%A0%81" ,當然,如果你用"%55%72%6C%E7%BC%96%E7%A0%81"也是可以的。

  由於歷史的原因,有一些Url編碼實現並不完全遵循這樣的原則,下面會提到。

  Javascript中的escape, encodeURI和encodeURIComponent的區別

  Javascript中提供了3對函式用來對Url編碼以得到合法的Url,它們分別是escape / unescape, encodeURI / decodeURI和encodeURIComponent / decodeURIComponent。由於解碼和編碼的過程是可逆的,因此這裡只解釋編碼的過程。

  這三個編碼的函式——escape,encodeURI,encodeURIComponent——都是用於將不安全不合法的Url字元轉換為合法的Url字元表示,它們有以下幾個不同點。

  安全字元不同:

  下面列出了這三個函式的安全字元(即函式不會對這些字元進行編碼)

  • escape(69個):*/@+-._0-9a-zA-Z
  • encodeURI(82個):!#$&'()*+,/:;[email protected]_~0-9a-zA-Z
  • encodeURIComponent(71個):!'()*-._~0-9a-zA-Z

  相容性不同:escape函式是從Javascript 1.0的時候就存在了,其他兩個函式是在Javascript 1.5才引入的。但是由於Javascript 1.5已經非常普及了,所以實際上使用encodeURI和encodeURIComponent並不會有什麼相容性問題。

  對Unicode字元的編碼方式不同:這三個函式對於ASCII字元的編碼方式相同,均是使用百分號+兩位十六進位制字元來表示。但是對於Unicode字元,escape的編碼方式是%uxxxx,其中的xxxx是用來表示unicode字元的4位十六進位制字元。這種方式已經被W3C廢棄了。但是在ECMA-262標準中仍然保留著escape的這種編碼語法。encodeURI和encodeURIComponent則使用UTF-8對非ASCII字元進行編碼,然後再進行百分號編碼。這是RFC推薦的。因此建議儘可能的使用這兩個函式替代escape進行編碼。

  適用場合不同:encodeURI被用作對一個完整的URI進行編碼,而encodeURIComponent被用作對URI的一個元件進行編碼。從上面提到的安全字元範圍表格來看,我們會發現,encodeURIComponent編碼的字元範圍要比encodeURI的大。我們上面提到過,保留字元一般是用來分隔URI元件(一個URI可以被切割成多個元件,參考預備知識一節)或者子元件(如URI中查詢引數的分隔符),如:號用於分隔scheme和主機,?號用於分隔主機和路徑。由於encodeURI操縱的物件是一個完整的的URI,這些字元在URI中本來就有特殊用途,因此這些保留字元不會被encodeURI編碼,否則意義就變了。

  元件內部有自己的資料表示格式,但是這些資料內部不能包含有分隔元件的保留字元,否則就會導致整個URI中元件的分隔混亂。因此對於單個元件使用encodeURIComponent,需要編碼的字元就更多了。

  表單提交

  當Html的表單被提交時,每個表單域都會被Url編碼之後才在被髮送。由於歷史的原因,表單使用的Url編碼實現並不符合最新的標準。例如對於空格使用的編碼並不是%20,而是+號,如果表單使用的是Post方法提交的,我們可以在HTTP頭中看到有一個Content-Type的header,值為application/x-www-form-urlencoded。大部分應用程式均能處理這種非標準實現的Url編碼,但是在客戶端Javascript中,並沒有一個函式能夠將+號解碼成空格,只能自己寫轉換函式。還有,對於非ASCII字元,使用的編碼字符集取決於當前文件使用的字符集。例如我們在Html頭部加上

<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=gb2312" />

  這樣瀏覽器就會使用gb2312去渲染此文件(注意,當HTML文件中沒有設定此meta標籤,則瀏覽器會根據當前使用者喜好去自動選擇字符集,使用者也可以強制當前網站使用某個指定的字符集)。當提交表單時,Url編碼使用的字符集就是gb2312。

  之前在使用Aptana(為什麼專指aptana下面會提到)遇到一個很迷惑的問題,就是在使用encodeURI的時候,發現它編碼得到的結果和我想的很不一樣。下面是我的示例程式碼:

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" 
"http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-transitional.dtd">
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">
    <head>
        <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=gb2312" />
    </head>
    <body>
        <script type="text/javascript">
            document.write(encodeURI("中文"));
        </script>
    </body>
</html>

  執行結果輸出%E6%B6%93%EE%85%9F%E6%9E%83。顯然這並不是使用UTF-8字符集進行Url編碼得到的結果(在Google上搜索"中文",Url中顯示的是%E4%B8%AD%E6%96%87)。

  所以我當時就很質疑,難道encodeURI還跟頁面編碼有關,但是我發現,正常情況下,如果你使用gb2312進行Url編碼也不會得到這個結果的才是。後來終於被我發現,原來是頁面檔案儲存使用的字符集和Meta標籤中指定的字符集不一致導致的問題。Aptana的編輯器預設情況下使用UTF-8字符集。也就是說這個檔案實際儲存的時候使用的是UTF-8字符集。但是由於Meta標籤中指定了gb2312,這個時候,瀏覽器就會按照gb2312去解析這個文件,那麼自然在"中文"這個字串這裡就會出錯,因為"中文"字串用UTF-8編碼過後得到的位元組是0xE4 0xB8 0xAD 0xE6 0x96 0x87,這6個位元組又被瀏覽器拿gb2312去解碼,那麼就會得到另外三個漢字"涓枃"(GBK中一個漢字佔兩個位元組),這三個漢字在傳入encodeURI函式之後得到的結果就是%E6%B6%93%EE%85%9F%E6%9E%83。因此,encodeURI使用的還是UTF-8,並不會受到頁面字符集的影響。

  對於包含中文的Url的處理問題,不同瀏覽器有不同的表現。例如對於IE,如果你勾選了高階設定"總是以UTF-8傳送Url",那麼Url中的路徑部分的中文會使用UTF-8進行Url編碼之後傳送給服務端,而查詢引數中的中文部分使用系統預設字符集進行Url編碼。為了保證最大互操作性,建議所有放到Url中的元件全部顯式指定某個字符集進行Url編碼,而不依賴於瀏覽器的預設實現。

  另外,很多HTTP監視工具或者瀏覽器位址列等在顯示Url的時候會自動將Url進行一次解碼(使用UTF-8字符集),這就是為什麼當你在Firefox中訪問Google搜尋中文的時候,位址列顯示的Url包含中文的緣故。但實際上傳送給服務端的原始Url還是經過編碼的。你可以在位址列上使用Javascript訪問location.href就可以看出來了。在研究Url編解碼的時候千萬別被這些假象給迷惑了。

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