作者|郑治国
编辑|品高云小编

API Gateway(API GW / API 网关),顾名思义,是出现在系统边界上的一个面向 API 的、串行集中式的强管控服务,这里的边界是企业 IT 系统的边界,主要起到隔离外部访问与内部系统的作用。在微服务概念的流行之前,API 网关的实体就已经诞生了,例如银行、证券等领域常见的前置机系统,它也是解决访问认证、报文转换、访问统计等问题的。

API 网关的流行,源于近几年来,移动应用与企业间互联需求的兴起。移动应用、企业互联,使得后台服务支持的对象,从以前单一的 Web 应用,扩展到多种使用场景,且每种使用场景对后台服务的要求都不尽相同。这不仅增加了后台服务的响应量,还增加了后台服务的复杂性。随着微服务架构概念的提出,API 网关成为了微服务架构的一个标配组件。

一、网关的几种使用场景

  1. 面向 Web App 的网关 。这类场景,在物理形态上类似前后端分离,此时的 Web App 已经不是全功能的 Web App,而是根据场景定制、场景化的 App。
  2. 面向 Mobile App 的网关 。这类场景,移动 App 是后端 Service 的使用者,此时的 API GW 还需要承担一部分 MDM(此处是指移动设备管理,不是主数据管理)的职能。
  3. 面向 Partner OpenAPI 的网关 。这类场景,主要为了满足业务形态对外开放,与企业外部合作伙伴建立生态圈,此时的 API GW 需要增加配额、流控、令牌等一系列安全管控功能。
  4. 面向 Partner ExternalAPI 的网关。 这类场景,主要是为了满足企业自身业务的需要,实现对企业自有业务的映射。一个典型的例子就是使用「合作方账号登录」、「使用第三方支付平台支付」等等。此时的 API GW 就需要在边界上,为企业内部 Service 统一调用外部的 API 做统一的认证、授权、以及访问控制。
  5. 面向 IoT SmartDevice 的网关。 这类场景主要在传统企业,尤其是工业企业,传感器、物理设备从工业控制协议向 IP 转换,导致物理链路上会存在一部分公网链路。此时的 API GW 所需要满足的「内外兼修」的双向数据流,设备一般通过一个「客户侧」的集中网关在和企业的接入网关进行通信。

在我们讲的微服务架构下的 API 网关, 一般指的是前两种使用场景 。即,主要是把企业内部的 API 能力,暴露给其他应用或合作伙伴使用。

二、网关的作用和价值

网关层作为客户端与服务端的一层挡板,主要起到了三大类作用:

第一类作用是隔离作用,作为企业系统边界,隔离外网系统与内网系统。

第二类作用是解耦作用,通过解耦,使得微服务系统的各方能够独立、自由、高效、灵活地调整,而不用担心给其他方面带来影响。

第三类作用是脚手架作用,提供了一个地点,方便通过扩展机制对请求进行一系列加工和处理。

内外的隔离

企业为了保护内部系统的安全性,内网与外网都是隔离的,企业的服务应用都是运行在内网环境中,为了安全的考量,一般都不允许外部直接访问。API 网关部署在防火墙外面,起到一层挡板作用,内部系统只接受 API 网关转发过来的请求。网关通过白名单或校验规则,对访问进行了初步的过滤。相比防火墙,这种软件实现的过滤规则,更加动态灵活。

多方的解耦

在微服务架构下,整个环境包括服务的提供者、服务的消费者、服务运维人员、安全管理人员等,每个角色的职责和述求都不同。例如:服务消费者已经需要提出一些新的服务需求,以快速应对业务变化;服务提供者,作为业务服务的沉淀方,希望保持服务的通用性与稳定性,很难应对快速的变化。有了 API 网关这一层,可以很好的解耦各方的相互依赖关系,让各方更加专注自己的目标。

1.    解耦功能与非功能。

企业在把服务提供给外部访问时,除了实现业务逻辑功能外,还面临许多非功能性的要求。例如:需要防范黑客攻击,需要应对突发的访问量、需要确认用户的权限,需要对访问进行监控等。这些非功能逻辑,不能与业务逻辑的开发混在一起,需要有专业的人员甚至专业的团队来处理。

2.    解耦客户端与服务提供者

客户端与服务提供者分属于不同的团队,工作性质要求也不相同。对于服务提供者来说,他主要的职责是对业务进行抽象,提供可复用的业务功能,他们需要对业务模型进行深入的思考和沉淀,不能轻易为了响应外部的需求而破坏业务模型的稳定性。而业务的快速变化,又要求企业快速提供接口来满足客户端需求。这就需要一个中间层,来对服务层的接口进行封装,以及时响应客户端的需求。

通过解耦,服务层可以使用统一的接口、协议和报文格式来暴露服务,而不必考虑客户端的多种形态。

3.    网关层是否需要实现服务的编排?

在介绍 API 网关的一些文章中,提到了网关层的服务编排能力。从解耦的角度出发,服务的编排不适合在网关层进行。对服务的编排,其实是提供了一种业务能力,如果把服务的编排放在了网关层,实际上是把一部分业务能力放在了网关层,这样一来,服务层、网关层都有一些业务能力,造成团队职责的不清,也不利于业务能力的沉淀。

插件的脚手架

网关层除了请求的路由、转发外,还需要负责安全、鉴权、限流、监控等。这些功能的实现方式,往往随着业务的变化不断调整。例如权限控制方面,早期可能只需要简单的用户 + 密码方式,后续用户量大了后,可能会使用高性能的第三方解决方案。又例如,针对不同的监控方案,需要记录不同的日志文件。

所以,这些能力不能一开始就固化在网关平台上,而应该是一种可配置的方式,便于修改和替换。这就要求网关层提供一套机制,可以很好地支持这种动态扩展。

带来的好处

这里总结下网关的价值:

  • 网关层对外部和内部进行了隔离,保障了后台服务的安全性。
  • 对外访问控制由网络层面转换成了运维层面,减少变更的流程和错误成本
  • 减少客户端与服务的耦合,服务可以独立发展。通过网关层来做映射。
  • 通过网关层聚合,减少外部访问的频次,提升访问效率。
  • 节约后端服务开发成本,减少上线风险。
  • 为服务熔断,灰度发布,线上测试提供简单方案。
  • 便于扩展。

三、企业级 API 网关需要具备的条件

微服务架构下,企业 API 网关的定位

API 网关作为对外提供服务的入口,就像企业服务的大门。一方面,要有足够的能力,应对大量的对外访问,另一方面,还要给对内的服务提供一定的安全保障。

除此之外,企业提供的 API 服务多种多样,API 网关要能够对这些 API 的全生命周期进行便捷的管理,例如服务发布、调整、下架、计费、监控等。

企业环境下,API 网关需要考虑哪些要素

1.    安全性问题

企业在把服务暴露给外部使用时,首先要确保服务使用的安全,防止外部的恶意访问对公司业务的影响,特别是涉及交易方面的服务,更是要全面考虑安全性。为确保安全,需要考虑在通讯链路的建立、通讯数据的加密、数据的完整性、不可抵赖性等方面。

2.    性能问题。

作为企业 API 的入口,所有的请求都会经过 API 网关进行转发,可想而知,对 API 网关的访问压力是巨大的,有的网站甚至达到每分钟上千万的访问量。特别是在一些互联网企业,海量的移动终端每时每刻都需要与后端的服务进行交互,如果不能保证网关的高性能,企业在网关层需要投入大量的设备和成本。曾在一家互联网公司发生过,由于网关性能问题,网关的机器数量,需要与后台服务器的数量保持同步增长。这种情况显然是企业服务忍受的。

3.    高可用问题。

API 网关作为逻辑上的单点,一旦发生问题,将造成企业服务的不可用,对企业来说可能造成的致命的影响。计算短时间的不可用,也会给企业带来直接的经济损失。所以,如何保证 API 网关的 7*24 小时的稳定运行,网关的自动伸缩、API 的热更新等问题,都是企业级的网关需要考虑的。

4.    扩展性问题

前面说到,企业网关提供了一个脚手架,一些非功能性的问题,例如日志、安全、负载均衡策略、鉴权等。这些插件会随着企业业务规模等的变化进行不断的强化与调整。这就需要网关层提供这样一种机制,使得可以灵活地进行这些调整和变化,而不用频繁对网关层进行改动,确保网关层的稳定性。

5.    API 高效运维的问题

API 在上线、发布过程中,都需要涉及到网关层的配合,例如,需要网关层知道 API 发布的地址,API 的接口形式、报文格式,也需要网关层对后台 API 进行封装。在 API 调整后,需要作出相应的修改。所以,API 网关设计时,需要明确网关层与服务层的职责切分与协作模式,使得 API 的管理、发布更加高效。

6.    API 全生命周期管理的问题

API 服务的全生命周期,包括服务的开发、测试、上线发布;服务使用的申请、开通;服务分类分级别的管理、服务使用情况的监控、计费等等。

一个企业可能会暴露成百上千个 API,日常也会经常进行 API 的发布、升级、改造、下架等操作。对不同的服务,不同的访问者,需要提供不同的服务访问策略。有的商业 API 公司,还需要对 API 的使用进行付费。所以,与 API 网关配套的, 需要一套完善的自助系统 ,提供给服务的提供者、管理者、使用者,来对服务的发布、使用、和运营。

业界常用的 API 网关方案

业界 API 网关解决方案有很多,包括商业的、开源的。例如 Tyk、Kong、API Umbrella、ApiAxle、Netflix Zuul、WSO2 API Manager、ClydeIO 等。下面介绍三种常见的 API 网关方案。

1.Nginx + Lua

Nginx 是由 Igor Sysoev 为俄罗斯访问量第二的 Rambler.ru 站点开发的,一个高性能的 HTTP 和反向代理服务器。2012 年,Nginx 荣获年度云计算开发奖,并成长为世界第二大 Web 服务器。全世界流量最高的前 1000 名网站中,超过 25% 都使用 Nginx 来处理海量的互联网请求。

Nginx 性能极高,Nginx 先天的事件驱动型设计、全异步的网络 I/O 处理机制、极少的进程间切换以及许多优化设计,都使得 Nginx 天生善于处理高并发压力下的互联网请求。Nginx 的稳定性也在各大网站得到验证。官方提供的常用模块都非常稳定,每个 worker 进程相对独立,master 进程在 1 个 worker 进程出错时可以快速“拉起”新的 worker 子进程提供服务。支持热部署,可以不停机更新配置文件、更新日志文件、更新服务器程序版本。

Nginx 的设计极具扩展性,它完全是由多个不同功能、不同层次、不同类型且耦合度极低的模块组成。因此,当对某一个模块修复 Bug 或进行升级时,可以专注于模块自身,无须在意其他。

Nginx 使用最自由的 BSD 许可协议,允许用户在自己的项目中直接使用或修改 Nginx 源码,有大量的插件可以利用。但是,Nginx 模块需要用 C 开发,而且必须符合一系列复杂的规则。虽然通过第三方模块,可以支持 Nginx 与 Perl、Lua 等脚本语言集成工作,但对使用者的要求还是很高。

Nginx 可以说是一款能够工业化 API 网关,在国内的很多互联网公司,例如阿里、新浪等都得到很好的应用。

2.Spring Cloud Zuul

Zuul Netflix 公司开源的一个 API 网关组件。提供了认证 & 鉴权、限流、动态路由,监控,弹性,安全、负载均衡、协助单点压测、静态响应等边缘服务的框架。

Zuul 的基本功能:

  • 验证与安全保障: 识别面向各类资源的验证要求并拒绝那些与要求不符的请求。
  • 审查与监控: 在边缘位置追踪有意义数据及统计结果,从而为我们带来准确的生产状态结论。
  • 动态路由: 以动态方式根据需要将请求路由至不同后端集群处。
  • 压力测试: 逐渐增加指向集群的负载流量,从而计算性能水平。
  • 负载分配: 为每一种负载类型分配对应容量,并弃用超出限定值的请求。
  • 静态响应处理: 在边缘位置直接建立部分响应,从而避免其流入内部集群。
  • Netflix 公司还利用 Zuul 的功能通过金丝雀版本实现精确路由与压力测试。
  • 虽然提供的功能还算丰富,但都比较弱,很难满足高要求的场景。

Zuul 处理每个请求的方式是针对每个请求是用一个线程来处理。通常情况下,为了提高性能,所有请求会被放到处理队列中,从线程池中选取空闲线程来处理该请求。2016 年底,Netflix 将它们的网关服务 Zuul 进行了升级,全新的 Zuul 2 将 HTTP 请求的处理方式从同步变成了异步,以提升其处理性能。除了 Netflix 公司,目前 Zuul 在企业中用的还比较少,性能和稳定性方面还有待进一步观察。

从 Zuul 的架构图上可以看出,Zuul 更像是一个过滤器框架,其自身的路由、日志、反向代理、ddos 预防等功能都是通过过滤器实现的。提供了 PRE、ROUTING、POST 和 ERROR 四个扩展点,可以很容易的添加自定义的过滤器。

Zuul 的搭建非常简便,使用和配置也很简单。Zuul 的开源社区比较活跃,一直在更新状态,但版本不算太稳定,在使用的过程中,还有一些坑要踩。例如重定向问题、异常处理问题,还没有解决的很好,需要自己重写一些 filter。

如果从通盘考虑, 这种方案不是最佳方案。但如果自己的团队对整体技术设施把控有限,且团队规模不大,没有专门的网关开发人员的情况下,Zuul 是一款快速上手的最佳方案。

3.Mashape Kong

Kong 是 Mashape 提供的一款 API 管理软件,它本身是基于 Ngnix+Lua 的,但比 Nginx 提供了更简单的配置方式,数据采用了 Apache Cassandra/PostgreSQL 存储,并且提供了一些优秀的插件,比如验证,日志,调用频次限制等。

Kong 的一个非常诱人的地方就是提供了大量的插件来扩展应用,通过设置不同的插件可以为服务提供各种增强的功能。Kong 默认插件插件包括:

  • 身份认证:Kong 提供了 Basic Authentication、Key authentication、OAuth2.0 authentication、HMAC authentication、JWT、LDAP authentication 认证实现。
  • 安全:ACL(访问控制)、CORS(跨域资源共享)、动态 SSL、IP 限制、爬虫检测实现。
  • 流量控制:请求限流(基于请求计数限流)、上游响应限流(根据 upstream 响应计数限流)、请求大小限制。限流支持本地、Redis 和集群限流模式。
  • 分析监控:Galileo(记录请求和响应数据,实现 API 分析)、Datadog(记录 API Metric 如请求次数、请求大小、响应状态和延迟,可视化 API Metric)、Runscope(记录请求和响应数据,实现 API 性能测试和监控)。
  • 转换:请求转换、响应转换

Kong 本身也是基于 Nginx 的,所以在性能和稳定性上都没有问题。Kong 作为一款商业软件,在 Nginx 上做了很扩展工作,而且还有很多付费的商业插件。Kong 本身也有付费的企业版,其中包括技术支持、使用培训服务以及 API 分析插件。

从对上面三种方案的比较中可以看到,Spring Cloud Zuul 非常适合创业初期的团队,快速搭建一个“基本可用”的 API 网关。Nginx 适合有较强研发团队,自主开发企业自己的 API 网关。Kong 适合于没有自身研发团队,但需要拥有企业级 API 网关能力的公司。

如何设计一个好的企业级 API 网关产品

功能上的考量

1.API 生命周期管理功能

覆盖 API 的定义、测试、发布的整个生命周期管理,便捷的日常管理、版本管理,支持热升级和快速回滚。

2. 开发和使用支持功能

提供页面调试工具,自动生成 API 文档和 SDK,大大降低人力成本。

3. 安全防护功能

API 请求到达网关需要经过严格的身份认证、权限认证,才能到达后端服务。支持算法签名,支持 SSL 加密。

4. 流量控制功能

  • 可控制单位时间内 API 允许被调用次数。用来保护企业的后端服务,实现业务分级和用户分级。
  • 支持对 API 流控,您可以根据 API 的重要程度来配置不同流控,从而保障重要业务的稳定运行;
  • 支持用户、应用和例外流控,您可以根据用户的重要性来配置不同流控,从而可以保证大用户的权益;
  • 流控粒度:分钟、小时、天。

5. 请求管理功能

  • 可根据配置进行参数类型、参数值(范围、枚举、正则、Json Schema)的校验,减少后端对非法请求、无效请求的资源消耗和处理成本。
  • 可以在 API 网关定义参数映射规则,网关通过映射规则将后端服务通过映射翻译成任何形式,以满足不同用户的不同需求,从而避免功能重复开发。

6. 监控告警功能

  • 提供实时、可视化的 API 监控,包括:调用量、调用方式、响应时间、错误率,让您能够清楚的了解 API 的运行状况和用户的行为习惯。
  • 支持自定义报警规则,来针对异常情况进行报警,降低故障处理时间。
  • 提供可订阅的数据分析报表和智能分析。

7.API 交易功能

提供 API 交易市场,计量计费、Quota 控制、运营售卖等需求。

网关的高性能设计

传统的基于线程的并发模型(Thread-based concurrency),为每一个请求分配一个线程或进程。这种模型编程简单,可以将处理一个完整请求的代码编写在一个代码路径中。这种模型的弊端是,随着线程 (进程) 数的上升,操作系统在这些线程 (进程) 之间的频繁切换,将急剧降低系统的性能。

另一种更高效的并发模型是事件驱动的并发模型(Event-driven concurrency)。在这种模型中,每一个请求在系统被表示成一个有限状态机(FSM)。每一个 FSM 的状态表示请求的一系列的操作。服务器由一组线程 / 进程(一般是 one per CPU)循环处理各种来自队列的事件 (Event)。

这种模型要求每一个状态的操作是短暂的并且是非阻塞的,所以 Event-driven concurrency 模型一般都用了非阻塞的 I/O 接口(NIO)。

普元的产品中,为增加系统的吞吐量,是采用了基于事件的并发模型的 SEDA 的架构。SEDA 架构的核心思想是:把一个请求处理过程分成几个 Stage,每个 Stage 可由不同的 handle 进行处理,不同资源消耗的 Stage 使用不同数量的线程来处理,handle 之间采用异步通讯的模式。

网关的高可用设计

保证高可用一般做法是解决单点故障给系统整体带来的影响。普元在产品设计时,为确保高可用,考虑了如下几点要素:

1、无状态设计原则。网关层为保证高可以,易于伸缩,快速启动,需要设计成无状态的。用户的状态数据我们通常使用 session 对象来封装,网关层要设计成无状态的,也就是说,不能由网关来负责 session 的维护。那由谁来维护 session 相关的信息呢?我们是采用 cookie+session 服务器的方式 ;

a)    用户在登录页完成登录操作后,服务器会生成一个登录 session 信息,保存起来,设置个失效时间,并设置到用户的 cookie 里。

b)    用户后续的每次请求里会带着这个 cookie 信息,服务端会对这个 cookie 信息进行校验,通过了就认为是合法用户,执行请求操作。

2、优雅下线原则:当网关发现某一个节点不可用时(例如请求响应时间超过阀值),不是直接断开与此节点的连接,而是先把此节点标记为不可用(后续不在发送请求到此节点),但还会留出一段时间让之前的请求都响应完毕。

3、Slow start 特性:当网关监听到有一台新的服务注册上来时,考虑到有些服务启动后,刚开始会有许多初始化的工作,此时服务对请求的响应速度是比较慢的。如果一开始就给这台服务分配太多的压力,有可能导致服务瞬间被压垮。为了避免这种情况,网关层需要考虑支持 Slow Start 特性。即,经过一段时间,逐渐把压力增加到预设的值。

网关的扩展性设计

网关的扩展性设计时,需要考虑下面几点:

  1. 在哪些地点进行拦截处理
  2. 拦截器的处理顺序
  3. 如何在拦截器间传递数据
  4. 支持在线关闭或启动一个拦截器

在哪些地点进行拦截处理

我们知道,网关对请求的处理,可以分为三个阶段:接受请求、路由并转发请求、接受服务的返回数据并返回给请求者,除此之外,还有一种情况是处理错误。所以我们也可以在这四个地方添加扩展点。

  • 接受到请求后
  • 定位到一个服务,并准备转发之前
  • 接受到服务的返回数据,返回给客户端之前
  • 当服务调用失败后

拦截器的处理顺序

拦截器的处理顺序,可以分为两大类:一类为网关平台自带的拦截器,例如安全校验、日志记录等;一类为网关层逻辑开发的,例如格式转换等。一般来说,网关先执行网关平台自带的拦截器,再执行为了业务逻辑编写的拦截器。当然,网关也需要提供一种机制,可以较容易地调整拦截器的执行顺序。最简单的一种方法,就是给每个拦截器定义一个优先级,网关按优先级顺序依次调用各拦截器。

如何在拦截器间传递数据

对网关层来说,它接收和处理的数据都是 Request 对象,网关层在接收到请求后,把请求封装为 Request 对象,为了让后续的 filter 能够获得这个对象,可以考虑把 Request 对象保存在线程变量中。

支持在线关闭或启用一个拦截器

有些拦截器,例如一些调试日志的拦截器,通常情况下都是关闭的,只有在出现问题的时候才需要打开。为了保证网关的高可用,网关层必须具备在线启用或关闭拦截器的能力。一般,网关需要提供 restful 接口方式,来关闭和启用一个拦截器。类似这样的命令:PUT /apigateway/v1/filters/filterName?enable=value

API 管理与动态发布设计

对服务管理来说,分为前端服务管理与后端服务管理。前端服务指的是网关层暴露给客户端使用的服务 API,后端服务指的是服务层提供的业务服务 API。一个服务暴露给客户端使用,除了网关层和服务层提供服务的代码外,还需要配置前端服务与后端服务的映射关系。

API 的描述

要对 API 进行管理,首先要对 API 进行描述。我们常见的接口描述语言有 yaml、json、xml、PB 等,这几种语言各有优劣。普元选择的对 API 契约的描述方式,是参考 swagger spec 规范,使用 yaml 语言来描述。当然,swagger 的描述是针对 restful 接口的,我们可以针对自己接口定义的需要,自定义自己的描述属性。例如,普元在对微服务描述的时候,扩展了 x-primeton-service、x-primeton-operation 等属性来对服务进行描述。例如:

有了 API 接口契约,除了用来描述服务接口外,还可以:

  1. 使用契约,自动生成服务的 API 文档。
  2. 使用契约,自动生成客户端的调用代码。
  3. 使用契约,生成服务接口的测试框架代码。

前后端服务映射

网关层 API 调用服务层 API,有多种方式。例如,可以由按照服务层 API 的服务契约,生成一段客户端代码,发布给网关层使用。这种方式的弊端是,网关层代码依赖于服务层代码,服务层频繁修改和调整接口时,导致网关层的代码很难维护。

可以通过配置前后端服务映射的方式,解耦网关层对服务层的依赖。当服务层的 API(例如服务名、参数名等)发生变化时,只需调整映射关系,无需对网关层的代码进行调整。网关层按照映射,自动装配服务层 API 所需要的数据格式。这样,网关层团队与服务层团队可以相互不受干扰地开发各自的服务。

映射的设置,包括服务 URL 的映射与参数的映射。有了前面提供的服务契约描述,可以可视化的配置这种映射关系。

API 上架

前后端的服务发布后,并配置了映射关系后,就可以把服务暴露给外部使用了。在上架过程中,还需要设置访问权限、流量控制等信息。这一块,每个企业的业务要求都不一样,就不做过多介绍了。

四、总结

API 网关作为企业能力开放的一个门户,除了具备基本的请求转发、协议转换、路由等功能,以及高性能和高稳定性外,还需具备良好的扩展性,已便于网关能力的不断增强。在网关实施过程中,要规划好网关层与服务层的交互方式,尽量使得网关层与服务层解耦,便于各个团队工作的独立性。另外,在 API 的管理上,需要提供 API 全生命周期的发布、配置、鉴权、流控、监控等配套的管理功能。这样,才能让 API 网关真正在企业中运转起来。

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