淺析如何設(shè)計一個億級網(wǎng)關(guān)

1.背景

1.1 什么是API網(wǎng)關(guān)

API網(wǎng)關(guān)可以看做系統(tǒng)與外界聯(lián)通的入口，我們可以在網(wǎng)關(guān)進行處理一些非業(yè)務(wù)邏輯的邏輯，比如權(quán)限驗證，監(jiān)控，緩存，請求路由等等。

1.2 為什么需要API網(wǎng)關(guān)

• RPC協(xié)議轉(zhuǎn)成HTTP

由于在內(nèi)部開發(fā)中我們都是以RPC協(xié)議(thrift or dubbo)去做開發(fā)，暴露給內(nèi)部服務(wù)，當(dāng)外部服務(wù)需要使用這個接口的時候往往需要將RPC協(xié)議轉(zhuǎn)換成HTTP協(xié)議。

• 請求路由

在我們的系統(tǒng)中由于同一個接口新老兩套系統(tǒng)都在使用，我們需要根據(jù)請求上下文將請求路由到對應(yīng)的接口。

• 統(tǒng)一鑒權(quán)

對于鑒權(quán)操作不涉及到業(yè)務(wù)邏輯，那么可以在網(wǎng)關(guān)層進行處理，不用下層到業(yè)務(wù)邏輯。

• 統(tǒng)一監(jiān)控

由于網(wǎng)關(guān)是外部服務(wù)的入口，所以我們可以在這里監(jiān)控我們想要的數(shù)據(jù)，比如入?yún)⒊鰠?，鏈路時間。

• 流量控制，熔斷降級

對于流量控制，熔斷降級非業(yè)務(wù)邏輯可以統(tǒng)一放到網(wǎng)關(guān)層。

有很多業(yè)務(wù)都會自己去實現(xiàn)一層網(wǎng)關(guān)層，用來接入自己的服務(wù)，但是對于整個公司來說這還不夠。

1.3 統(tǒng)一API網(wǎng)關(guān)

統(tǒng)一的API網(wǎng)關(guān)不僅有API網(wǎng)關(guān)的所有的特點，還有下面幾個好處:

• 統(tǒng)一技術(shù)組件升級

在公司中如果有某個技術(shù)組件需要升級，那么是需要和每個業(yè)務(wù)線溝通，通常幾個月都搞不定。舉個例子如果對于入口的安全鑒權(quán)有重大安全隱患需要升級，如果速度還是這么慢肯定是不行，那么有了統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)升級是很快的。

• 統(tǒng)一服務(wù)接入

對于某個服務(wù)的接入也比較困難，比如公司已經(jīng)研發(fā)出了比較穩(wěn)定的服務(wù)組件，正在公司大力推廣，這個周期肯定也特別漫長，由于有了統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)，那么只需要統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一接入。

• 節(jié)約資源

不同業(yè)務(wù)不同部門如果按照我們上面的做法應(yīng)該會都自己搞一個網(wǎng)關(guān)層，用來做這個事，可以想象如果一個公司有100個這種業(yè)務(wù)，每個業(yè)務(wù)配備4臺機器，那么就需要400臺機器。并且每個業(yè)務(wù)的開發(fā)RD都需要去開發(fā)這個網(wǎng)關(guān)層，去隨時去維護，增加人力。如果有了統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)層，那么也許只需要50臺機器就可以做這100個業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)層的事，并且業(yè)務(wù)RD不需要隨時關(guān)注開發(fā)，上線的步驟。

2.統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

2.1 異步化請求

對于我們自己實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)層，由于只有我們自己使用，對于吞吐量的要求并不高所以，我們一般同步請求調(diào)用即可。

對于我們統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)層，如何用少量的機器接入更多的服務(wù)，這就需要我們的異步，用來提高更多的吞吐量。對于異步化一般有下面兩種策略：

• Tomcat/Jetty+NIO+servlet3

這種策略使用的比較普遍，京東，有贊，Zuul，都選取的是這個策略，這種策略比較適合HTTP。在Servlet3中可以開啟異步。

• Netty+NIO

Netty為高并發(fā)而生，目前唯品會的網(wǎng)關(guān)使用這個策略，在唯品會的技術(shù)文章中在相同的情況下Netty是每秒30w+的吞吐量，Tomcat是13w+,可以看出是有一定的差距的，但是Netty需要自己處理HTTP協(xié)議，這一塊比較麻煩。

對于網(wǎng)關(guān)是HTTP請求場景比較多的情況可以采用Servlet，畢竟有更加成熟的處理HTTP協(xié)議。如果更加重視吞吐量那么可以采用Netty。

2.1.1 全鏈路異步

對于來的請求我們已經(jīng)使用異步了，為了達到全鏈路異步所以我們需要對去的請求也進行異步處理，對于去的請求我們可以利用我們rpc的異步支持進行異步請求所以基本可以達到下圖:

由在web容器中開啟servlet異步，然后進入到網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)線程池中進行業(yè)務(wù)處理，然后進行rpc的異步調(diào)用并注冊需要回調(diào)的業(yè)務(wù)，最后在回調(diào)線程池中進行回調(diào)處理。

2.2 鏈式處理

在設(shè)計模式中有一個模式叫責(zé)任鏈模式，他的作用是避免請求發(fā)送者與接收者耦合在一起，讓多個對象都有可能接收請求，將這些對象連接成一條鏈，并且沿著這條鏈傳遞請求，直到有對象處理它為止。通過這種模式將請求的發(fā)送者和請求的處理者解耦了。在我們的各個框架中對此模式都有實現(xiàn)，比如servlet里面的filter，springmvc里面的Interceptor。

在Netflix Zuul中也應(yīng)用了這種模式，如下圖所示:

這種模式在網(wǎng)關(guān)的設(shè)計中我們可以借鑒到自己的網(wǎng)關(guān)設(shè)計:

• preFilters：前置過濾器，用來處理一些公共的業(yè)務(wù)，比如統(tǒng)一鑒權(quán)，統(tǒng)一限流，熔斷降級，緩存處理等，并且提供業(yè)務(wù)方擴展。

• routingFilters: 用來處理一些泛化調(diào)用，主要是做協(xié)議的轉(zhuǎn)換，請求的路由工作。

• postFilters: 后置過濾器，主要用來做結(jié)果的處理，日志打點，記錄時間等等。

• errorFilters: 錯誤過濾器，用來處理調(diào)用異常的情況。

這種設(shè)計在有贊的網(wǎng)關(guān)也有應(yīng)用。

2.3 業(yè)務(wù)隔離

上面在全鏈路異步的情況下不同業(yè)務(wù)之間的影響很小，但是如果在提供的自定義FiIlter中進行了某些同步調(diào)用，一旦超時頻繁那么就會對其他業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。所以我們需要采用隔離之術(shù)，降低業(yè)務(wù)之間的互相影響。

2.3.1 信號量隔離

信號量隔離只是限制了總的并發(fā)數(shù)，服務(wù)還是主線程進行同步調(diào)用。這個隔離如果遠程調(diào)用超時依然會影響主線程，從而會影響其他業(yè)務(wù)。因此，如果只是想限制某個服務(wù)的總并發(fā)調(diào)用量或者調(diào)用的服務(wù)不涉及遠程調(diào)用的話，可以使用輕量級的信號量來實現(xiàn)。有贊的網(wǎng)關(guān)由于沒有自定義filter所以選取的是信號量隔離。

2.3.2 線程池隔離

最簡單的就是不同業(yè)務(wù)之間通過不同的線程池進行隔離，就算業(yè)務(wù)接口出現(xiàn)了問題由于線程池已經(jīng)進行了隔離那么也不會影響其他業(yè)務(wù)。在京東的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)之中就是采用的線程池隔離，比較重要的業(yè)務(wù)比如商品或者訂單 都是單獨的通過線程池去處理。但是由于是統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)平臺，如果業(yè)務(wù)線眾多，大家都覺得自己的業(yè)務(wù)比較重要需要單獨的線程池隔離，如果使用的是Java語言開發(fā)的話那么，在Java中線程是比較重的資源比較受限，如果需要隔離的線程池過多不是很適用。如果使用一些其他語言比如Golang進行開發(fā)網(wǎng)關(guān)的話，線程是比較輕的資源，所以比較適合使用線程池隔離。

2.3.3 集群隔離

如果有某些業(yè)務(wù)就需要使用隔離但是統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)又沒有線程池隔離那么應(yīng)該怎么辦呢？那么可以使用集群隔離，如果你的某些業(yè)務(wù)真的很重要那么可以為這一系列業(yè)務(wù)單獨申請一個集群或者多個集群，通過機器之間進行隔離。

2.4 請求限流

流量控制可以采用很多開源的實現(xiàn)，比如阿里最近開源的Sentinel和比較成熟的Hystrix。

一般限流分為集群限流和單機限流:

• 利用統(tǒng)一存儲保存當(dāng)前流量的情況，一般可以采用Redis，這個一般會有一些性能損耗。

• 單機限流:限流每臺機器我們可以直接利用Guava的令牌桶去做，由于沒有遠程調(diào)用性能消耗較小。

2.5 熔斷降級

這一塊也可以參照開源的實現(xiàn)Sentinel和Hystrix，這里不是重點就不多提了。

2.6 泛化調(diào)用

泛化調(diào)用指的是一些通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，比如將HTTP轉(zhuǎn)換成Thrift。在一些開源的網(wǎng)關(guān)中比如Zuul是沒有實現(xiàn)的，因為各個公司的內(nèi)部服務(wù)通信協(xié)議都不同。比如在唯品會中支持HTTP1,HTTP2,以及二進制的協(xié)議，然后轉(zhuǎn)化成內(nèi)部的協(xié)議，淘寶的支持HTTPS,HTTP1,HTTP2這些協(xié)議都可以轉(zhuǎn)換成，HTTP,HSF,Dubbo等協(xié)議。

2.6.1泛化調(diào)用

如何去實現(xiàn)泛化調(diào)用呢？由于協(xié)議很難自動轉(zhuǎn)換，那么其實每個協(xié)議對應(yīng)的接口需要提供一種映射。簡單來說就是把兩個協(xié)議都能轉(zhuǎn)換成共同語言，從而互相轉(zhuǎn)換。

一般來說共同語言有三種方式指定:

• json：json數(shù)據(jù)格式比較簡單,解析速度快，較輕量級。在Dubbo的生態(tài)中有一個HTTP轉(zhuǎn)Dubbo的項目是用JsonRpc做的，將HTTP轉(zhuǎn)化成JsonRpc再轉(zhuǎn)化成Dubbo。

比如可以將一個 www.baidu.com/id = 1 GET 可以映射為json：

代碼塊

{
?“method”:?"getBaidu"
?"param"?:?{
?"id"?:?1
?}
}

• xml:xml數(shù)據(jù)比較重，解析比較困難，這里不過多討論。

• 自定義描述語言:一般來說這個成本比較高需要自己定義語言來進行描述并進行解析，但是其擴展性，自定義個性化性都是最高。例:spring自定義了一套自己的SPEL表達式語言

對于泛化調(diào)用如果要自己設(shè)計的話JSON基本可以滿足，如果對于個性化的需要特別多的話倒是可以自己定義一套語言。

2.7 管理平臺

上面介紹的都是如何實現(xiàn)一個網(wǎng)關(guān)的技術(shù)關(guān)鍵。這里需要介紹網(wǎng)關(guān)的一個業(yè)務(wù)關(guān)鍵。有了網(wǎng)關(guān)之后，需要一個管理平臺如何去對我們上面所描述的技術(shù)關(guān)鍵進行配置,包括但不限于下面這些配置:

• 限流

• 熔斷

• 緩存

• 日志

• 自定義filter

• 泛化調(diào)用

3.總結(jié)

最后一個合理的標準網(wǎng)關(guān)應(yīng)該按照如下去實現(xiàn):

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