爬蟲技術(shù)詳解

本文全面的介紹了爬蟲的原理、技術(shù)現(xiàn)狀、以及目前仍面臨的問題。如果你沒接觸過爬蟲，本文很適合你，如果你是一名資深的蟲師，那么文末的彩蛋你可能感興趣。

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一. 需求

萬維網(wǎng)上有著無數(shù)的網(wǎng)頁，包含著海量的信息，無孔不入、森羅萬象。但很多時候，無論出于數(shù)據(jù)分析或產(chǎn)品需求，我們需要從某些網(wǎng)站，提取出我們感興趣、有價值的內(nèi)容，但是縱然是進化到21世紀的人類，依然只有兩只手，一雙眼，不可能去每一個網(wǎng)頁去點去看，然后再復制粘貼。所以我們需要一種能自動獲取網(wǎng)頁內(nèi)容并可以按照指定規(guī)則提取相應內(nèi)容的程序，這就是爬蟲。

二. 原理

傳統(tǒng)爬蟲從一個或若干初始網(wǎng)頁的URL開始，獲得初始網(wǎng)頁上的URL，在抓取網(wǎng)頁的過程中，不斷從當前頁面上抽取新的URL放入隊列,直到滿足系統(tǒng)的一定停止條件。聚焦爬蟲的工作流程較為復雜，需要根據(jù)一定的網(wǎng)頁分析算法過濾與主題無關(guān)的鏈接，保留有用的鏈接并將其放入等待抓取的URL隊列。然后，它將根據(jù)一定的搜索策略從隊列中選擇下一步要抓取的網(wǎng)頁URL，并重復上述過程，直到達到系統(tǒng)的某一條件時停止。另外，所有被爬蟲抓取的網(wǎng)頁將會被系統(tǒng)存貯，進行一定的分析、過濾，并建立索引，以便之后的查詢和檢索；所以一個完整的爬蟲一般會包含如下三個模塊：   

1. 網(wǎng)絡請求模塊

2. 爬取流程控制模塊

3. 內(nèi)容分析提取模塊

三. 網(wǎng)絡請求

我們常說爬蟲其實就是一堆的http(s)請求，找到待爬取的鏈接，然后發(fā)送一個請求包，得到一個返回包，當然，也有HTTP長連接(keep-alive)或h6中基于stream的websocket協(xié)議，這里暫不考慮，所以核心的幾個要素就是：

1. url

2. 請求header、body

3. 響應herder、內(nèi)容

四. URL

爬蟲開始運行時需要一個初始url，然后會根據(jù)爬取到的html文章，解析里面的鏈接，然后繼續(xù)爬取，這就像一棵多叉樹，從根節(jié)點開始，每走一步，就會產(chǎn)生新的節(jié)點。為了使爬蟲能夠結(jié)束，一般都會指定一個爬取深度(Depth)。

五. Http請求

http請求信息由請求方法(method)、請求頭(headers)、請求正文(body)三部分組成。由于method一般是header中的第一行，也可以說請求頭中包含請求方法，下面是chrome訪問請求頭的一部分：

 GET / HTTP/1.1
 Connection:Keep-Alive
 Host:gsw.iguoxue.org
 User-Agent:Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_11_6) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/55.0.2883.95 Safari/537.36
 Accept-Encoding:gzip, deflate, sdch, br

本文不會解釋各個字段的意思，詳細的解釋請移步w3c Http Header Field Definitions . 對于爬蟲需要注意的是請求方法是post時，需要將請求的參數(shù)先進行urlencode后再發(fā)送，后臺收到請求信息后可能會做一些校驗，這可能會影響到爬取，相關(guān)的header字段如下：

1. Basic Auth

這是一種古老的、不安全的用戶驗證方式，一般會有用戶授權(quán)的限制，會在headers的Autheration字段里要求加入用戶名密碼(明文)，如果驗證失敗則請求就會失敗，現(xiàn)在這種認證方式正在被淘汰。

2. Referer

鏈接的來源，通常在訪問鏈接時，都要帶上Referer字段，服務器會進行來源驗證，后臺通常會用此字段作為防盜鏈的依據(jù)。

3. User-Agent

后臺通常會通過此字段判斷用戶設備類型、系統(tǒng)以及瀏覽器的型號版本。有些編程語言包里網(wǎng)絡請求會自定義User-Agent，可以被辨別出來，爬蟲中可以設置為瀏覽器的ua.

4. Cookie

一般在用戶登錄或者某些操作后，服務端會在返回包中包含Cookie信息要求瀏覽器設置Cookie，沒有Cookie會很容易被辨別出來是偽造請求；

也有本地通過JS，根據(jù)服務端返回的某個信息進行處理生成的加密信息，設置在Cookie里面；

5. JavaScript加密操作

在進行敏感數(shù)據(jù)傳輸時，一般都會通過javascript進行加密，例如qq空間就會對用戶登陸密碼進行RSA加密后再發(fā)送給服務器，因此，爬蟲在模擬登陸時需要自己去請求公鑰，然后加密。

6. 自定義字段

因為http的headers可以自定義地段，所以第三方可能會加入了一些自定義的字段名稱或者字段值，這也是需要注意的。

六. 流程控制

所謂爬取流程，就是按照什么樣的規(guī)則順序去爬。在爬取任務不大的情況下，爬取的流程控制不會太麻煩，很多爬取框架都已經(jīng)幫你做了如scrapy，只需要自己實現(xiàn)解析的代碼。但在爬取一些大型網(wǎng)站時，例如全網(wǎng)抓取京東的評論，微博所有人的信息，關(guān)注關(guān)系等等，這種上十億到百億次設置千億次的請求必須考慮效率，否則一天只有86400秒，那么一秒鐘要抓100次，一天也才8640w次請求，也需要100多天才能到達十億級別的請求量。涉及到大規(guī)模的抓取，一定要有良好的爬蟲設計，一般很多開源的爬蟲框架也都是有限制的，因為中間涉及到很多其他的問題，例如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重復抓取過濾的問題，當然最重要的是要把帶寬利用滿，所以分布式抓取很重要，這時流程控制就會很重要，分布式最重要的就是多臺機器不同線程的調(diào)度和配合，通常會共享一個url隊列，然后各個線程通過消息通信，如果想要抓的越多越快，那么對中間的消息系統(tǒng)的吞吐量要求也越高?，F(xiàn)在也有一些開源的分布式爬取框架如scrapy-redis就是一個重寫了scrapy的調(diào)度模塊、隊列、管道的包，redis數(shù)據(jù)庫是用來在分布式中做請求隊列共享，scrapyd是用來部署scrapy的,scrapyd-api用來啟動獲取數(shù)據(jù)。

七. 內(nèi)容分析提取

請求headers的Accept-Encoding字段表示瀏覽器告訴服務器自己支持的壓縮算法（目前最多的是gzip），如果服務器開啟了壓縮，返回時會對響應體進行壓縮，爬蟲需要自己解壓；

過去我們常需要獲取的內(nèi)容主要來源于網(wǎng)頁html文檔本身，也就是說，我們決定進行抓取的時候，都是html中包含的內(nèi)容，但是隨著這幾年web技術(shù)飛速的發(fā)展，動態(tài)網(wǎng)頁越來越多，尤其是移動端，大量的SPA應用，這些網(wǎng)站中大量的使用了ajax技術(shù)。我們在瀏覽器中看到的網(wǎng)頁已不全是html文檔說包含的，很多都是通過javascript動態(tài)生成的，一般來說，我們最終眼里看到的網(wǎng)頁包括以下三種：

Html文檔本身包含內(nèi)容

這種情況是最容易解決的，一般來講基本上是靜態(tài)網(wǎng)頁已經(jīng)寫死的內(nèi)容，或者動態(tài)網(wǎng)頁，采用模板渲染，瀏覽器獲取到HTML的時候已經(jīng)是包含所有的關(guān)鍵信息，所以直接在網(wǎng)頁上看到的內(nèi)容都可以通過特定的HTML標簽得到。這種情況解析也是很簡單的，一般的方法有一下幾種：

1. CSS選擇器

2. XPATH（這個值得學習一下）

3. 正則表達式或普通字符串查找

4. JavaScript代碼加載內(nèi)容

一般來說有兩種情況：一種情況是在請求到html文檔時，網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)在js代碼中，而并非在html標簽中，之所以我們看到的網(wǎng)頁是正常的，那是因為，其實是由于執(zhí)行js代碼動態(tài)添加到標簽里面的，所以這個時候內(nèi)容在js代碼里面的，而js的執(zhí)行是在瀏覽器端的操作，所以用程序去請求網(wǎng)頁地址的時候，得到的response是網(wǎng)頁代碼和js的代碼，所以自己在瀏覽器端能看到內(nèi)容，解析時由于js未執(zhí)行，肯定找到指定HTML標簽下內(nèi)容肯定為空，如百度的主頁就是這種，這個時候的處理辦法，一般來講主要是要找到包含內(nèi)容的js代碼串，然后通過正則表達式獲得相應的內(nèi)容，而不是解析HTML標簽。另一種情況是在和用戶交互時，JavaScript可能會動態(tài)生成一些dom，如點擊某個按鈕彈了一個對話框等；對于這種情況，一般這些內(nèi)容都是一些用戶提示相關(guān)的內(nèi)容，沒什么價值，如果確實需要，可以分析一下js執(zhí)行邏輯，但這樣的情況很少。

Ajax／Fetch異步請求

這種情況是現(xiàn)在很常見的，尤其是在內(nèi)容以分頁形式顯示在網(wǎng)頁上，并且頁面無刷新，或者是對網(wǎng)頁進行某個交互操作后，得到內(nèi)容。對于這種頁面，分析的時候我們要跟蹤所有的請求，觀察數(shù)據(jù)到底是在哪一步加載進來的。然后當我們找到核心的異步請求的時候，就只需抓取這個異步請求就可以了，如果原始網(wǎng)頁沒有任何有用信息，也沒必要去抓取原始網(wǎng)頁了。

八. 爬蟲技術(shù)的現(xiàn)狀

1. 語言

理論上來說，任何支持網(wǎng)絡通信的語言都是可以寫爬蟲的，爬蟲本身雖然語言關(guān)系不大，但是，總有相對順手、簡單的。目前來說，大多數(shù)爬蟲是用后臺腳本類語言寫的，其中python無疑是用的最多最廣的，并且頁誕生了很多優(yōu)秀的庫和框架，如scrapy、BeautifulSoup 、pyquery、Mechanize等。但是一般來說，搜索引擎的爬蟲對爬蟲的效率要求更高，會選用c++、java、go(適合高并發(fā))，我在大學時代就用c++實現(xiàn)了一個多線程的框架，但是發(fā)現(xiàn)和python實現(xiàn)的爬蟲效率提升并不明顯，原因是，對于簡單爬蟲，瓶頸在于數(shù)據(jù)分析及提取，而網(wǎng)絡效率和語言關(guān)系并不大。值得一提的是，在近幾年node發(fā)展非?？欤?使得javascript遍地開花，有些人也開始嘗試用node做爬蟲，但是，這其實和其它后臺腳本語言沒什么區(qū)別，也不如 python簡單， 因為你依舊不能在node 里發(fā)起ajax請求，不能執(zhí)行原網(wǎng)頁的dom。因為node的javascript 執(zhí)行環(huán)境和瀏覽器的執(zhí)行環(huán)境并不相同。那么，難道就真的不能像在瀏覽器中一樣用js寫爬蟲，用jquery提取內(nèi)容嗎？想法很大膽，我們暫且擱置。

2. 運行環(huán)境

爬蟲本身不區(qū)分到底是運行在windows還是Linux，又或是OSX，但從業(yè)務角度講，我們把運行在服務端(后臺)的，稱之為后臺爬蟲。而現(xiàn)在，幾乎所有的爬蟲都是后臺爬蟲。

3. 后臺爬蟲的三大問題

問題一：交互問題

有些網(wǎng)頁往往需要和用戶進行一些交互，進而才能走到下一步，比如輸入一個驗證碼，拖動一個滑塊，選幾個漢字。網(wǎng)站之所以這么做，很多時候都是為了驗證訪問者到底是人還是機器。而爬蟲程序遇到這種情況很難處理，傳統(tǒng)的簡單圖片驗證碼可以通過圖形處理算法讀出內(nèi)容，但是隨著各種各樣，花樣百出，人神共憤的、變態(tài)的驗證碼越來越多（尤其是買火車票時，分分鐘都想爆粗口），這個問題就越來越嚴重。

問題二：Javascript 解析問題

如前文所述，javascript可以動態(tài)生成dom。目前大多數(shù)網(wǎng)頁屬于動態(tài)網(wǎng)頁（內(nèi)容由javascript動態(tài)填充），尤其是在移動端，SPA/PWA應用越來越流行，網(wǎng)頁中大多數(shù)有用的數(shù)據(jù)都是通過ajax/fetch動態(tài)獲取后然后再由js填充到網(wǎng)頁dom樹中，單純的html靜態(tài)頁面中有用的數(shù)據(jù)很少。目前主要應對的方案就是對于js ajax/fetch請求直接請求ajax/fetch的url ，但是還有一些ajax的請求參數(shù)會依賴一段javascript動態(tài)生成，比如一個請求簽名，再比如用戶登陸時對密碼的加密等等，如果一昧的去用后臺腳本去干javascript本來做的事，這就要清楚的理解原網(wǎng)頁代碼邏輯，而這不僅非常麻煩，而且會使你的爬取代碼異常龐大臃腫，但是，更致命的是，有些javascript可以做的事爬蟲程序是很難甚至是不能模仿的，比如有些網(wǎng)站使用拖動滑塊到某個位置的驗證碼機制，這就很難再爬蟲中去模仿。其實，總結(jié)一些，這些弊端歸根結(jié)底，是因為爬蟲程序并非是瀏覽器，沒有javascript解析引擎所致。針對這個問題，目前主要的應對策略就是在爬蟲中引入Javascript 引擎，如PhantomJS，但是又有著明顯的弊端，如服務器同時有多個爬取任務時，資源占用太大。還有就是，這些 無窗口的javascript引擎很多時候使用起來并不能像在瀏覽器環(huán)境中一樣，頁面內(nèi)部發(fā)生跳轉(zhuǎn)時，會導致流程很難控制。

問題三：IP限制

這是目前對后臺爬蟲中最致命的。網(wǎng)站的防火墻會對某個固定ip在某段時間內(nèi)請求的次數(shù)做限制，如果沒有超過上線則正常返回數(shù)據(jù)，超過了，則拒絕請求，如qq 郵箱。值得說明的是，ip限制有時并非是專門為了針對爬蟲的，而大多數(shù)時候是出于網(wǎng)站安全原因針對DOS攻擊的防御措施。后臺爬取時機器和ip有限，很容易達到上線而導致請求被拒絕。目前主要的應對方案是使用代理，這樣一來ip的數(shù)量就會多一些，但代理ip依然有限，對于這個問題，根本不可能徹底解決。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作能帶來一定的幫助，同時也希望多多支持創(chuàng)新互聯(lián)！

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