為什么大型互聯網都需要網關服務？

前言

假設你正在開發一個電商網站，那么這里會涉及到很多后端的微服務，比如會員、商品、推薦服務等等。

那么這里就會遇到一個問題，APP/Browser怎么去訪問這些后端的服務? 如果業務比較簡單的話，可以給每個業務都分配一個獨立的域名(https://service.api.company.com)，但這種方式會有幾個問題:

• 每個業務都會需要鑒權、限流、權限校驗等邏輯，如果每個業務都各自為戰，自己造輪子實現一遍，會很蛋疼，完全可以抽出來，放到一個統一的地方去做。

• 如果業務量比較簡單的話，這種方式前期不會有什么問題，但隨著業務越來越復雜，比如淘寶、亞馬遜打開一個頁面可能會涉及到數百個微服務協同工作，如果每一個微服務都分配一個域名的話，一方面客戶端代碼會很難維護，涉及到數百個域名，另一方面是連接數的瓶頸，想象一下你打開一個APP，通過抓包發現涉及到了數百個遠程調用，這在移動端下會顯得非常低效。

• 每上線一個新的服務，都需要運維參與，申請域名、配置Nginx等，當上線、下線服務器時，同樣也需要運維參與，另外采用域名這種方式，對于環境的隔離也不太友好，調用者需要自己根據域名自己進行判斷。

• 另外還有一個問題，后端每個微服務可能是由不同語言編寫的、采用了不同的協議，比如HTTP、Dubbo、GRPC等，但是你不可能要求客戶端去適配這么多種協議，這是一項非常有挑戰的工作，項目會變的非常復雜且很難維護。

• 后期如果需要對微服務進行重構的話，也會變的非常麻煩，需要客戶端配合你一起進行改造，比如商品服務，隨著業務變的越來越復雜，后期需要進行拆分成多個微服務，這個時候對外提供的服務也需要拆分成多個，同時需要客戶端配合你進行改造，非常蛋疼。

API Gateway

更好的方式是采用API網關，實現一個API網關接管所有的入口流量，類似Nginx的作用，將所有用戶的請求轉發給后端的服務器，但網關做的不僅僅只是簡單的轉發，也會針對流量做一些擴展，比如鑒權、限流、權限、熔斷、協議轉換、錯誤碼統一、緩存、日志、監控、告警等，這樣將通用的邏輯抽出來，由網關統一去做，業務方也能夠更專注于業務邏輯，提升迭代的效率。

通過引入API網關，客戶端只需要與API網關交互，而不用與各個業務方的接口分別通訊，但多引入一個組件就多引入了一個潛在的故障點，因此要實現一個高性能、穩定的網關，也會涉及到很多點。

API注冊

業務方如何接入網關?一般來說有幾種方式。

• 第一種采用插件掃描業務方的API，比如Spring MVC的注解，并結合Swagger的注解，從而實現參數校驗、文檔&&SDK生成等功能，掃描完成之后，需要上報到網關的存儲服務。

• 手動錄入。比如接口的路徑、請求參數、響應參數、調用方式等信息，但這種方式相對來說會麻煩一些，如果參數過多的話，前期錄入會很費時費力。

• 配置文件導入。比如通過SwaggerOpenAPI等，比如阿里云的網關:

協議轉換

內部的API可能是由很多種不同的協議實現的，比如HTTP、Dubbo、GRPC等，但對于用戶來說其中很多都不是很友好，或者根本沒法對外暴露，比如Dubbo服務，因此需要在網關層做一次協議轉換，將用戶的HTTP協議請求，在網關層轉換成底層對應的協議，比如HTTP -> Dubbo, 但這里需要注意很多問題，比如參數類型，如果類型搞錯了，導致轉換出問題，而日志又不夠詳細的話，問題會很難定位。

服務發現

網關作為流量的入口，負責請求的轉發，但首先需要知道轉發給誰，如何尋址，這里有幾種方式:

• 寫死在代碼/配置文件里，這種方式雖然比較挫，但也能使用，比如線上仍然使用的是物理機，IP變動不會很頻繁，但擴縮容、包括應用上下線都會很麻煩，網關自身甚至需要實現一套健康監測機制。

• 域名。采用域名也是一種不錯的方案，對于所有的語言都適用，但對于內部的服務，走域名會很低效，另外環境隔離也不太友好，比如預發、線上通常是同一個數據庫，因此網關讀取到的可能是同一個域名，這時候預發的網關調用的就是線上的服務。

• 注冊中心。采用注冊中心就不會有上述的這些問題，即使是在容器環境下，節點的IP變更比較頻繁，但節點列表的實時維護會由注冊中心搞定，對網關是透明的，另外應用的正常上下線、包括異常宕機等情況，也會由注冊中心的健康檢查機制檢測到，并實時反饋給網關。并且采用注冊中心性能也沒有額外的性能損耗，采用域名的方式，額外需要走一次DNS解析、Nginx轉發等，中間多了很多跳，性能會有很大的下降，但采用注冊中心，網關是和業務方直接點對點的通訊，不會有額外的損耗。

服務調用

網關由于對接很多種不同的協議，因此可能需要實現很多種調用方式，比如HTTP、Dubbo等，基于性能原因，最好都采用異步的方式，而Http、Dubbo都是支持異步的，比如apache就提供了基于NIO實現的異步HTTP客戶端。

因為網關會涉及到很多異步調用，比如攔截器、HTTP客戶端、dubbo、redis等，因此需要考慮下異步調用的方式，如果基于回調或者future的話，代碼嵌套會很深，可讀性很差，可以參考zuul和spring cloud gateway的方案，基于響應式進行改造。

優雅下線

優雅下線也是網關需要關注的一個問題，網關底層會涉及到很多種協議，比如HTTP、Dubbo，而HTTP又可以繼續細分，比如域名、注冊中心等，有些自身就支持優雅下線，比如Nginx自身是支持健康監測機制的，如果檢測到某一個節點已經掛掉了，就會把這個節點摘掉，對于應用正常下線，需要結合發布系統，首先進行邏輯下線，然后對后續Nginx的健康監測請求直接返回失敗(比如直接返回500),然后等待一段時間(根據Nginx配置決定)，然后再將應用實際下線掉。另外對于注冊中心的其實也類似，一般注冊中心是只支持手動下線的，可以在邏輯下線階段調用注冊中心的接口將節點下線掉，而有些不支持主動下線的，需要結合緩存的配置，讓應用延遲下線。另外對于其他比如Dubbo等原理也是類似。

性能

網關作為所有流量的入口，性能是重中之重，早期大部分網關都是基于同步阻塞模型構建的，比如Zuul 1.x。但這種同步的模型我們都知道，每個請求/連接都會占用一個線程，而線程在JVM中是一個很重的資源，比如Tomcat默認就是200個線程，如果網關隔離沒有做好的話，當發生網絡延遲、FullGC、第三方服務慢等情況造成上游服務延遲時，線程池很容易會被打滿，造成新的請求被拒絕，但這個時候其實線程都阻塞在IO上，系統的資源被沒有得到充分的利用。另外一點，容易受網絡、磁盤IO等延遲影響。需要謹慎設置超時時間，如果設置不當，且服務隔離做的不是很完善的話，網關很容易被一個慢接口拖垮。

而異步化的方式則完全不同，通常情況下一個CPU核啟動一個線程即可處理所有的請求、響應。一個請求的生命周期不再固定于一個線程，而是會分成不同的階段交由不同的線程池處理，系統的資源能夠得到更充分的利用。而且因為線程不再被某一個連接獨占，一個連接所占用的系統資源也會低得多，只是一個文件描述符加上幾個監聽器等，而在阻塞模型中，每條連接都會獨占一個線程，而線程是一個非常重的資源。對于上游服務的延遲情況，也能夠得到很大的緩解，因為在阻塞模型中，慢請求會獨占一個線程資源，而異步化之后，因為單條連接所占用的資源變的非常低，系統可以同時處理大量的請求。

如果是JVM平臺，Zuul 2、Spring Cloud gateway等都是不錯的異步網關選型，另外也可以基于Netty、Spring Boot2.x的webflux、vert.x或者servlet3.1的異步支持進行自研。

緩存

對于一些冪等的get請求，可以在網關層面根據業務方指定的緩存頭做一層緩存，存儲到Redis等二級緩存中，這樣一些重復的請求，可以在網關層直接處理，而不用打到業務線，降低業務方的壓力，另外如果業務方節點掛掉，網關也能夠返回自身的緩存。

限流

限流對于每個業務組件來說，可以說都是一個必須的組件，如果限流做不好的話，當請求量突增時，很容易導致業務方的服務掛掉，比如雙11、雙12等大促時，接口的請求量是平時的數倍，如果沒有評估好容量，又沒有做限流的話，很容易服務整個不可用，因此需要根據業務方接口的處理能力，做好限流策略，相信大家都見過淘寶、百度搶紅包時的降級頁面。

因此一定要在接入層做好限流策略，對于非核心接口可以直接將降級掉，保障核心服務的可用性，對于核心接口，需要根據壓測時得到的接口容量，制定對應的限流策略。限流又分為幾種:

• 單機。單機性能比較高，不涉及遠程調用，只是本地計數，對接口RT影響最小。但需要考慮下限流數的設置，比如是針對單臺網關、還是整個網關集群，如果是整個集群的話，需要考慮到網關縮容、擴容時修改對應的限流數。

• 分布式。分布式的就需要一個存儲節點維護當前接口的調用數，比如redis、sentinel等，這種方式由于涉及到遠程調用，會有些性能損耗，另外也需要考慮到存儲掛掉的問題，比如redis如果掛掉，網關需要考慮降級方案，是降級到本地限流，還是直接將限流功能本身降級掉。

另外還有不同的策略:簡單計數、令牌桶等，大部分場景下其實簡單計數已經夠用了，但如果需要支持突發流量等場景時，可以采用令牌桶等方案。還需要考慮根據什么限流，比如是IP、接口、用戶維度、還是請求參數中的某些值，這里可以采用表達式，相對比較靈活。

穩定性

穩定性是網關非常重要的一環，監控、告警需要做的很完善才可以，比如接口調用量、響應時間、異常、錯誤碼、成功率等相關的監控告警，還有線程池相關的一些，比如活躍線程數、隊列積壓等，還有些系統層面的，比如CPU、內存、FullGC這些基本的。

網關是所有服務的入口，對于網關的穩定性的要求相對于其他服務會更高，最好能夠一直穩定的運行，盡量少重啟，但當新增功能、或者加日志排查問題時，不可避免的需要重新發布，因此可以參考zuul的方式，將所有的核心功能都基于不同的攔截器實現，攔截器的代碼采用Groovy編寫，存儲到數據庫中，支持動態加載、編譯、運行，這樣在出了問題的時候能夠第一時間定位并解決，并且如果網關需要開發新功能，只需要增加新的攔截器，并動態添加到網關即可，不需要重新發布。

熔斷降級

熔斷機制也是非常重要的一項。若某一個服務掛掉、接口響應嚴重超時等發生，則可能整個網關都被一個接口拖垮，因此需要增加熔斷降級，當發生特定異常的時候，對接口降級由網關直接返回，可以基于Hystrix或者Resilience4j實現。

日志

由于所有的請求都是由網關處理的，因此日志也需要相對比較完善，比如接口的耗時、請求方式、請求IP、請求參數、響應參數(注意脫敏)等，另外由于可能涉及到很多微服務，因此需要提供一個統一的traceId方便關聯所有的日志，可以將這個traceId置于響應頭中，方便排查問題。

隔離

比如線程池、http連接池、redis等應用層面的隔離，另外也可以根據業務場景，將核心業務部署帶單獨的網關集群，與其他非核心業務隔離開。

網關管控平臺

這塊也是非常重要的一環，需要考慮好整個流程的用戶體驗，比如接入到網關的這個流程，能不能盡量簡化、智能，比如如果是dubbo接口，我們可以通過到git倉庫中獲取源碼、解析對應的類、方法，從而實現自動填充，盡量幫用戶減少操作；另外接口一般是從測試->預發->線上，如果每次都要填寫一遍表單會非常麻煩，我們能不能自動把這個事情做掉，另外如果網關部署到了多個可用區、甚至不同的國家，那這個時候，我們還需要接口數據同步功能，不然用戶需要到每個后臺都操作一遍，非常麻煩。

這塊個人的建議是直接參考阿里云、aws等提供的網關服務即可，功能非常全面。

其他

其他還有些需要考慮到的點，比如接口mock，文檔生成、sdk代碼生成、錯誤碼統一、服務治理相關的等，這里就不累述了。

總結

目前的網關還是中心化的架構，所有的請求都需要走一次網關，因此當大促或者流量突增時，網關可能會成為性能的瓶頸，而且當網關接入的大量接口的時候，做好流量評估也不是一項容易的工作，每次大促前都需要跟業務方一起針對接口做壓測，評估出大致的容量，并對網關進行擴容，而且網關是所有流量的入口，所有的請求都是由網關處理，要想準確的評估出容量很復雜。可以參考目前比較流行的ServiceMesh，采用去中心化的方案，將網關的邏輯下沉到sidecar中，sidecar和應用部署到同一個節點，并接管應用流入、流出的流量，這樣大促時，只需要對相關的業務壓測，并針對性擴容即可，另外升級也會更平滑，中心化的網關，即使灰度發布，但是理論上所有業務方的流量都會流入到新版本的網關，如果出了問題，會影響到所有的業務，但這種去中心化的方式，可以先針對非核心業務升級，觀察一段時間沒問題后，再全量推上線。另外ServiceMesh的方案，對于多語言支持也更友好。