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亿级流量架构网关设计思路,常用网关对比,写得太好了。。(2)

简介: 本文准备围绕七个点来讲网关,分别是网关的基本概念、网关设计思路、网关设计重点、流量网关、业务网关、常见网关对比,对基础概念熟悉的朋友可以根据目录查看自己感兴趣的部分。
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流量网关

流量网关,顾名思义就是控制流量进入集群的网关,有很多工作需要在这一步做,对于一个服务集群,势必有很多非法的请求或者无效的请求,这时候要将请求拒之门外,降低集群的流量压力。

image.png定义全局性的、跟具体的后端业务应用和服务完全无关的策略网关就是上图所示的架构模型——流量网关。流量网关通常只专注于全局的Api管理策略,比如全局流量监控、日志记录、全局限流、黑白名单控制、接入请求到业务系统的负载均衡等,有点类似防火墙。Kong 就是典型的流量网关。


下面是kong的架构图,来自官网:https://konghq.com/

image.png

这里需要补充一点的是,业务网关一般部署在流量网关之后、业务系统之前,比流量网关更靠近业务系统。通常API网指的是业务网关。 有时候我们也会模糊流量网关和业务网关,让一个网关承担所有的工作,所以这两者之间并没有严格的界线。

业务网关

当一个单体应用被拆分成许许多多的微服务应用后,也带来了一些问题。一些与业务非强相关的功能,比如权限控制、日志输出、数据加密、熔断限流等,每个微服务应用都需要,因此存在着大量重复的代码实现。而且由于系统的迭代、人员的更替,各个微服务中这些功能的实现细节出现了较大的差异,导致维护成本变高。另一方面,原先单体应用下非常容易做的接口管理,在服务拆分后没有了一个集中管理的地方,无法统计已存在哪些接口、接口定义是什么、运行状态如何。


网关就是为了解决上述问题。作为微服务体系中的核心基础设施,一般需要具备接口管理、协议适配、熔断限流、安全防护等功能,各种开源的网关产品(比如 zuul)都提供了优秀高可扩展性的架构、可以很方便的实现我们需要的一些功能、比如鉴权、日志监控、熔断限流等。


与流量网关相对应的就是业务网关,业务网关更靠近我们的业务,也就是与服务器应用层打交道,那么有很多应用层需要考虑的事情就可以依托业务网关,例如在线程模型、协议适配、熔断限流,服务编排等。下面看看业务网关体系结构:

image.png

图片来自业务网关的落地实践:https://www.infoq.cn/article/cAcwMUNMJMQpIxGJYkcS


从这个途中可以看出业务网关主要职责以及所做的事情, 目前业务网关比较成熟的 API 网关框架产品有三个 分别是:Zuul1、Zuul2 和 SpringCloud Gateway, 后面再进行对比。

常见网关对比

既然对比,就先宏观上对各种网关有一个了解,后面再挑一些常用的或者说应用广泛的详细了解。

目前常见的开源网关大致上按照语言分类有如下几类:

  • Nginx+lua:OpenResty、Kong、Orange、Abtesting gateway 等
  • Java:Zuul/Zuul2、Spring Cloud Gateway、Kaazing KWG、gravitee、Dromara soul 等
  • Go:Janus、fagongzi、Grpc-gateway
  • Dotnet:Ocelot
  • NodeJS:Express Gateway、Micro Gateway

按照使用数量、成熟度等来划分,主流的有 4 个:

  • OpenResty
  • Kong
  • Zuul/Zuul2
  • Spring Cloud Gateway

OpenResty

OpenResty是一个流量网关,根据前面对流量网关的介绍就可以知道流量网关的指责。


OpenResty基于 Nginx 与 Lua 的高性能 Web 平台,其内部集成了大量精良的 Lua 库、第三方模块以及大多数的依赖项。用于方便地搭建能够处理超高并发、扩展性极高的动态 Web 应用、Web 服务和动态网关。


通过揉和众多设计良好的 Nginx 模块,OpenResty 有效地把 Nginx 服务器转变为一个强大的 Web 应用服务器,基于它开发人员可以使用 Lua 编程语言对 Nginx 核心以及现有的各种 Nginx C 模块进行脚本编程,构建出可以处理一万以上并发请求的极端高性能的 Web 应用


OpenResty 最早是顺应 OpenAPI 的潮流做的,所以 Open 取自“开放”之意,而Resty便是 REST 风格的意思。虽然后来也可以基于 ngx_openresty 实现任何形式的 web service 或者传统的 web 应用。


也就是说 Nginx 不再是一个简单的静态网页服务器,也不再是一个简单的反向代理了。第二代的 openresty 致力于通过一系列 nginx 模块,把nginx扩展为全功能的 web 应用服务器。


ngx_openresty 是用户驱动的项目,后来也有不少国内用户的参与,从 openresty.org 的点击量分布上看,国内和国外的点击量基本持平。


ngx_openresty 目前有两大应用目标:

  1. 通用目的的 web 应用服务器。在这个目标下,现有的 web 应用技术都可以算是和 OpenResty 或多或少有些类似,比如 Nodejs, PHP 等等。ngx_openresty 的性能(包括内存使用和 CPU 效率)算是最大的卖点之一。
  2. Nginx 的脚本扩展编程,用于构建灵活的 Web 应用网关和 Web 应用防火墙。有些类似的是 NetScaler。其优势在于 Lua 编程带来的巨大灵活性。

Kong

Kong基于OpenResty开发,也是流量层网关, 是一个云原生、快速、可扩展、分布式的Api 网关。继承了OpenResty的高性能、易扩展性等特点。Kong通过简单的增加机器节点,可以很容易的水平扩展。同时功能插件化,可通过插件来扩展其能力。而且在任何基础架构上都可以运行。具有以下特性:

  • 提供了多样化的认证层来保护Api。
  • 可对出入流量进行管制。
  • 提供了可视化的流量检查、监视分析Api。
  • 能够及时的转换请求和相应。
  • 提供log解决方案
  • 可通过api调用Serverless 函数。

Kong解决了什么问题

当我们决定对应用进行微服务改造时,应用客户端如何与微服务交互的问题也随之而来,毕竟服务数量的增加会直接导致部署授权、负载均衡、通信管理、分析和改变的难度增加。


面对以上问题,API GATEWAY是一个不错的解决方案,其所提供的访问限制、安全、流量控制、分析监控、日志、请求转发、合成和协议转换功能,可以解放开发者去把精力集中在具体逻辑的代码,而不是把时间花费在考虑如何解决应用和其他微服务链接的问题上。


图片来自Kong官网:

image.png

可以看到Kong解决的问题。专注于全局的Api管理策略,全局流量监控、日志记录、全局限流、黑白名单控制、接入请求到业务系统的负载均衡等。

Kong的优点以及性能

在众多 API GATEWAY 框架中,Mashape 开源的高性能高可用API网关和API服务管理层——KONG(基于 NGINX+Lua)特点尤为突出,它可以通过插件扩展已有功能,这些插件(使用 lua 编写)在API请求响应循环的生命周期中被执行。于此同时,KONG本身提供包括 HTTP 基本认证、密钥认证、CORS、TCP、UDP、文件日志、API请求限流、请求转发及 NGINX 监控等基本功能。目前,Kong 在 Mashape 管理了超过 15,000 个 API,为 200,000 开发者提供了每月数十亿的请求支持。

Kong架构

Kong提供一些列的服务,这就不得不谈谈内部的架构:

image.png

首先最底层是基于Nginx, Nginx是高性能的基础层, 一个良好的负载均衡、反向代理器,然后在此基础上增加Lua脚本库,形成了OpenResty,拦截请求, 响应生命周期,可以通过Lua编写脚本,所以插件比较丰富。

Zuul1.0

Zuul是所有从设备和web站点到Netflix流媒体应用程序后端请求的前门。作为一个边缘服务应用程序,Zuul被构建来支持动态路由、监视、弹性和安全性。它还可以根据需要将请求路由到多个Amazon自动伸缩组。


Zuul使用了一系列不同类型的过滤器,使我们能够快速灵活地将功能应用到服务中。

过滤器

过滤器是Zuul的核心功能。它们负责应用程序的业务逻辑,可以执行各种任务。

  • Type : 通常定义过滤器应用在哪个阶段
  • Async : 定义过滤器是同步还是异步
  • Execution Order : 执行顺序
  • Criteria : 过滤器执行的条件
  • Action : 如果条件满足,过滤器执行的动作


Zuul提供了一个动态读取、编译和运行这些过滤器的框架。过滤器之间不直接通信,而是通过每个请求特有的RequestContext共享状态。

下面是Zuul的一些过滤器:


Incoming


Incoming过滤器在请求被代理到Origin之前执行。这通常是执行大部分业务逻辑的地方。例如:认证、动态路由、速率限制、DDoS保护、指标。


Endpoint


Endpoint过滤器负责基于incoming过滤器的执行来处理请求。Zuul有一个内置的过滤器(ProxyEndpoint),用于将请求代理到后端服务器,因此这些过滤器的典型用途是用于静态端点。例如:健康检查响应,静态错误响应,404响应。


Outgoing


Outgoing过滤器在从后端接收到响应以后执行处理操作。通常情况下,它们更多地用于形成响应和添加指标,而不是用于任何繁重的工作。例如:存储统计信息、添加/剥离标准标题、向实时流发送事件、gziping响应。

过滤器类型

下面是与一个请求典型的生命周期对应的标准的过滤器类型:

  • PRE : 路由到Origin之前执行
  • ROUTING : 路由到Origin期间执行
  • POST : 请求被路由到Origin之后执行
  • ERROR : 发生错误的时候执行

这些过滤器帮助我们执行以下功能:

  • 身份验证和安全性 : 识别每个资源的身份验证需求,并拒绝不满足它们的请求
  • 监控 : 在边缘跟踪有意义的数据和统计数据,以便给我们一个准确的生产视图
  • 动态路由 : 动态路由请求到不同的后端集群
  • 压力测试 : 逐渐增加集群的流量,以评估性能
  • 限流 : 为每种请求类型分配容量,并丢弃超过限制的请求
  • 静态响应处理 : 直接在边缘构建一些响应,而不是将它们转发到内部集群

Zuul 1.0 请求生命周期2.png

Netflix宣布了通用API网关Zuul的架构转型。Zuul原本采用同步阻塞架构,转型后叫作Zuul2,采用异步非阻塞架构。Zuul2和Zuul1在架构方面的主要区别在于,Zuul2运行在异步非阻塞的框架上,比如Netty。Zuul1依赖多线程来支持吞吐量的增长,而Zuul 2使用的Netty框架依赖事件循环和回调函数。

Zuul2.0

Zuul 2.0 架构图

3.png

上图是Zuul2的架构,和Zuul1没有本质区别,两点变化:

  1. 前端用Netty Server代替Servlet,目的是支持前端异步。后端用Netty Client代替Http Client,目的是支持后端异步。
  2. 过滤器换了一下名字,用Inbound Filters代替Pre-routing Filters,用Endpoint Filter代替Routing Filter,用Outbound Filters代替Post-routing Filters。

Inbound Filters : 路由到 Origin 之前执行,可以用于身份验证、路由和装饰请求

Endpoint Filters : 可用于返回静态响应,否则内置的ProxyEndpoint过滤器将请求路由到Origin

Outbound Filters : 从Origin那里获取响应后执行,可以用于度量、装饰用户的响应或添加自定义header


有两种类型的过滤器:sync 和 async。因为Zuul是运行在一个事件循环之上的,因此从来不要在过滤中阻塞。如果你非要阻塞,可以在一个异步过滤器中这样做,并且在一个单独的线程池上运行,否则可以使用同步过滤器。


上文提到过Zuul2开始采用了异步模型


优势是异步非阻塞模式启动的线程很少,基本上一个CPU core上只需启一个事件环处理线程,它使用的线程资源就很少,上下文切换(Context Switch)开销也少。非阻塞模式可以接受的连接数大大增加,可以简单理解为请求来了只需要进队列,这个队列的容量可以设得很大,只要不超时,队列中的请求都会被依次处理。


不足,异步模式让编程模型变得复杂。一方面Zuul2本身的代码要比Zuul1复杂很多,Zuul1的代码比较容易看懂,Zuul2的代码看起来就比较费劲。另一方面异步模型没有一个明确清晰的请求->处理->响应执行流程(call flow),它的流程是通过事件触发的,请求处理的流程随时可能被切换断开,内部实现要通过一些关联id机制才能把整个执行流再串联起来,这就给开发调试运维引入了很多复杂性,比如你在IDE里头调试异步请求流就非常困难。另外ThreadLocal机制在这种异步模式下就不能简单工作,因为只有一个事件环线程,不是每个请求一个线程,也就没有线程局部的概念,所以对于CAT这种依赖于ThreadLocal才能工作的监控工具,调用链埋点就不好搞(实际可以工作但需要进行特殊处理)。


总体上,异步非阻塞模式比较适用于IO密集型(IO bound)场景,这种场景下系统大部分时间在处理IO,CPU计算比较轻,少量事件环线程就能处理。


Zuul 与 Zuul 2 性能对比

图片来源:https://www.slideshare.net/artgon/zuuls-journey-to-nonblocking

image.png

Netflix给出了一个比较模糊的数据,大致Zuul2的性能比Zuul1好20%左右,这里的性能主要指每节点每秒处理的请求数。为什么说模糊呢?因为这个数据受实际测试环境,流量场景模式等众多因素影响,你很难复现这个测试数据。即便这个20%的性能提升是确实的,其实这个性能提升也并不大,和异步引入的复杂性相比,这20%的提升是否值得是个问题。Netflix本身在其博文22和ppt11中也是有点含糊其词,甚至自身都有一些疑问的。


Spring Cloud Gateway

SpringCloud Gateway 是 Spring Cloud 的一个全新项目,该项目是基于 Spring 5.0,Spring Boot 2.0 和 Project Reactor 等技术开发的网关,它旨在为微服务架构提供一种简单有效的统一的 API 路由管理方式。


Spring Boot 基础就不介绍了,推荐下这个实战教程: https://github.com/javastacks/spring-boot-best-practice


SpringCloud Gateway 作为 Spring Cloud 生态系统中的网关,目标是替代 Zuul,在Spring Cloud 2.0以上版本中,没有对新版本的Zuul 2.0以上最新高性能版本进行集成,仍然还是使用的Zuul 2.0之前的非Reactor模式的老版本。而为了提升网关的性能,SpringCloud Gateway是基于WebFlux框架实现的,而WebFlux框架底层则使用了高性能的Reactor模式通信框架Netty。


Spring Cloud Gateway 的目标,不仅提供统一的路由方式,并且基于 Filter 链的方式提供了网关基本的功能,例如:安全,监控/指标,和限流。

Spring Cloud Gateway 底层使用了高性能的通信框架Netty

SpringCloud Gateway 特征

SpringCloud官方,对SpringCloud Gateway 特征介绍如下:

(1)基于 Spring Framework 5,Project Reactor 和 Spring Boot 2.0

(2)集成 Hystrix 断路器

(3)集成 Spring Cloud DiscoveryClient

(4)Predicates 和 Filters 作用于特定路由,易于编写的 Predicates 和 Filters

(5)具备一些网关的高级功能:动态路由、限流、路径重写

从以上的特征来说,和Zuul的特征差别不大。SpringCloud Gateway和Zuul主要的区别,还是在底层的通信框架上。

简单说明一下上文中的三个术语:

Filter(过滤器)

和Zuul的过滤器在概念上类似,可以使用它拦截和修改请求,并且对上游的响应,进行二次处理。过滤器为org.springframework.cloud.gateway.filter.GatewayFilter类的实例。

Route(路由)

网关配置的基本组成模块,和Zuul的路由配置模块类似。一个Route模块由一个 ID,一个目标 URI,一组断言和一组过滤器定义。如果断言为真,则路由匹配,目标URI会被访问。

Predicate(断言):

这是一个 Java 8 的 Predicate,可以使用它来匹配来自 HTTP 请求的任何内容,例如 headers 或参数。断言的输入类型是一个 ServerWebExchange。

几种网关的对比

网关限流鉴权监控易用性可维护性成熟度
Spring Cloud Gateway可以通过IP,用户,集群限流,提供了相应的接口进行扩展普通鉴权、auth2.0Gateway Metrics Filter简单易用spring系列可扩展强,易配置 可维护性好spring社区成熟,但gateway资源较少
Zuul2可以通过配置文件配置集群限流和单服务器限流亦可通过filter实现限流扩展filter中实现filter中实现参考资料较少可维护性较差开源不久,资料少
OpenResty需要lua开发需要lua开发需要开发简单易用,但是需要进行的lua开发很多可维护性较差,将来需要维护大量lua脚本很成熟资料很多
Kong根据秒,分,时,天,月,年,根据用户进行限流。可在原码的基础上进行开发普通鉴权,Key Auth鉴权,HMAC,auth2.0可上报datadog,记录请求数量,请求数据量,应答数据量,接收于发送的时间间隔,状态码数量,kong内运行时间简单易用,api转发通过管理员接口配置,开发需要lua脚本"可维护性较差,将来需要维护大量lua库相对成熟,用户问题汇总,社区,插件开源

参考:






image.png

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