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Choerodon 的微服务之路(二):微服务网关

本文是 Choerodon 猪齿鱼微服务系列文章的第二篇。在《Choerodon的微服务之路(一):如何迈出关键的第一步》中,我们了解到在微服务架构中,一个完整的单体应用被拆分成多个有着独立部署能力的业务服务,每个服务可以使用不同的编程语言,不同的存储介质,来保持最低限度的集中式管理。本篇将介绍Choerodon在搭建微服务网关时考虑的一些问题以及两种常见的微服务网关。

▌文章的主要内容包括:

  • 为什么要使用API Gateway
  • 两种Gateway 模式
  • Choerodon 的网关

对于Choerodon 而言,前端通过ReactJs实现,后端服务则通过Java,GoLang等多种语言实现。我们通过将后端拆分成许多个单独的业务服务,选择不同的语言切实地帮助我们来实现系统功能,这种面向服务的模式给我们带来了开发的便捷性,但是也带来了新的问题。服务之间如何做到相互通信,前端与后端又是如何进行通信的,是我们需要去解决的问题。

回到微服务架构的领域,如果要解决基本的通信问题,基本上只要解决下面三个问题就可以了。

  • 服务网络通信能力
  • 服务间的数据交互格式
  • 服务间如何相互发现与调用

除了这些基本的问题以外,因为整个Choerodon是一个分布式的系统,开始时看似清晰的服务拆分,实则杂乱无章,有时候完成一个业务逻辑需要到不同的服务区调取接口,这是一件很痛苦的事,同时我们又不得不面对分布式的一些问题。包括负载均衡,链路追踪,限流,熔断,链路加密,服务鉴权等等一大堆的问题。于是一个面向服务治理、服务编排的组件——微服务网关,是我们首要考虑的解决方案。

为什么要使用API Gateway

我们回到文章开始时的三个问题,我们来考虑如何解决服务间的通信。

为什么使用HTTP?

HTTP是互联网上应用最为广泛的一种网络协议,是一个客户端和服务器端请求和应答的标准(TCP),无论在哪种语言中几乎都有原生的支持,即使没有,也有第三方库来支持。通过HTTP 减少网络传输,来解决服务间网络的通信问题。

为什么选择JSON 作为数据交互格式?

因为 JSON 本身轻量、简洁,不管是编写,传输,还是解析都更加高效,而且相对来说,每个语言支持地都比较好。通过对JSON 的序列化和反序列化来实现网络请求中的数据交互。

为什么使用K8S 来进行服务发现?

对于负载均衡而言,业内已经有多种成熟的解决方案了,也大多是通过DNS 的方式去发现服务。不论是使用硬件F5 来解决,或者软件nginx,甚至Spring Cloud 也提供了对Eureka、Consul 等多种服务发现的支持。不过由于Choerodon 使用K8s 来作为服务编排引擎,基于K8s Client 来实现服务发现则更符合我们的切实需求。

当然对于Choerodon 而言,我们需要的不仅仅是一个简单的通信方式,而是一个完整的微服务解决方案。

API Gateway(API 网关)作为微服务体系里面的一部分,其需要解决的问题和 Choerodon 需要解决的问题非常类似。顾名思义,是企业 IT 在系统边界上提供给外部访问内部接口服务的统一入口。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 网关是一个服务器,是系统的唯一入口。从面向对象设计的角度看,它与 Facade 模式类似。API 网关封装了系统内部架构,为每个客户端提供一个定制的API。它可能还具有其它职责,如身份验证、监控、负载均衡、缓存、请求分片与管理、静态响应处理。

如果没有 API 网关,大家可能想到的一贯做法是通过前端客户端与后端服务直接通信。这样会存在以下一些问题:

  • 客户端直连各个服务,耦合度太高
  • 所有的服务接口都需要暴露给客户端,会存在安全隐患
  • 当服务增多时,后端服务对于客户端而言则是一个噩梦
  • 多次访问不同的服务,请求数量过多,影响效率
  • 权限、身份校验等需要每个服务都实现,重复造轮子

Choerodon 通过使用 Spring Cloud Zuul,将所有的后端都通过统一的网关接入微服务体系中,并在网关层处理所有的非业务功能,同时提供统一的REST/HTTP 方式对外提供API。

单节点Gateway 模式

所谓的单节点Gateway 模式,也就是提供一个单一的Gateway 来支持不同的客户端访问。

这种模式下,大家会使用一个自定义 API 网关服务面对多个不同客户端应用程序。其中最大的好处就是所有的请求都受统一网关的控制,实现简单。对于请求的身份认证、负载均衡、监控等都可以在统一的网关中实现。

伴随这一好处的同时,也会带来一定的风险。因为随着后端服务的增多,网关的API 将针对不同客户端发展,越来越多。同时,由于接口权限、身份验证等都在网关中实现,统一网关也会变得越来越庞大,类似于一个单独的应用程序或者单体应用。

除此之外,也会引入一个新的问题,即资源隔离的问题。假设后端的一个服务突然变慢,由于所有的请求都使用同一个网关入口,可能会将网关拖垮,进而影响到其他服务接口的访问。

要解决这个问题,有两种方式可以去解决,一种是做线程池的隔离,可以给一些重要的业务一些单独的线程池,不重要的业务再放到一个大的单独的线程池里面。另一种就是给不同的业务设置不同的网关。

Spring Cloud 可以通过修改 ZUUL 和 hystrix 的配置,将信号量隔离修改为线程池隔离,提高性能。

zuul:
  ribbonIsolationStrategy: THREAD

hystrix:
  command:
    default:
      execution:
        isolation:
          strategy: THREAD #hystrix隔离策略,默认为THREAD
          thread:
            timeoutInMilliseconds: 20000 #hystrix超时时间
  threadpool:
    default:
      coreSize: 100 #并发执行的最大线程数
      maximumSize: 5000 #最大线程池大小
      allowMaximumSizeToDivergeFromCoreSize: true #允许maximumSize 配置生效
      maxQueueSize: -1 #设置最大队列大小,为-1时,使用SynchronousQueue
复制代码

线程池隔离仅仅做到了线程池的隔离,但是 CPU 和 Memory 之类资源的隔离其实并没有做。如果想要更加彻底的隔离方式,可以采用和线程池隔离类似的方式,给重要的服务用独立的网关来为其服务,不重要的服务,再给一个独立的网关来服务。这也就是多节点的Gateway 模式。

多节点Gateway 模式

多节点的Gateway 模式本身是一种BFF架构,即为不同的设备提供不同的API接口,引申而来,也可以按照不同的业务类型划分为多种业务场景下的网关。

上面这张图显示了一个简化版本的多API 网关。在这种情况下,每个API 的边界是基于BFF 模式,因此只提供每个客户端应用所有要的API。

这种模式带来的好处是根据不同颗粒度的API网关,在性能上能够做到更精确的控制。但是在服务网关中可以完成一系列的横切功能,例如权限校验、限流以及监控等,则需要在每个网关中重复实现。代码开发比较冗余。

可以说,这两种模式各有利弊,并不能单纯的比较其好坏,而应该根据实际的业务场景来选择适合自己的解决方案。

Choerodon 的网关

结合Choerodon 自身的核心业务,我们在不考虑多终端的情况下,最终选择了单一网关,并在此基础上,做了插件化的开发。

Choerodon 认为,一个网关应该包含两部分。

服务网关 = 路由转发 + 过滤器

路由转发:将外部的请求,转发到对应的微服务上 过滤器:包含一系列非功能的横切需求。例如权限校验、限流、监控等

我们在API 网关中保留了Spring Cloud Zuul 的路由转发,然后将权限校验等抽离到一个叫做gateway-helper 的服务中。如下图所示。

请求到达api-gateway 后,根据当前的HttpContext 上下文封装一个RibbonCommandContext 对象,该对象将包含了请求转发的gateway-helper 对应的信息。再由RibbonCommandFactory 根据RibbonCommandContext 对象生成一个RibbonCommand,由RibbonCommand 完成HTTP 请求的发送并的得到响应结果ClientHttpResponse。核心代码如下:

// GateWayHelperFilter.java
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain)
        throws ServletException, IOException {
    HttpServletRequest req = (HttpServletRequest) request;
    HttpServletResponse res = (HttpServletResponse) response;
    RibbonCommandContext commandContext = buildCommandContext(req);
    try (ClientHttpResponse clientHttpResponse = forward(commandContext)) {
        if (clientHttpResponse.getStatusCode().is2xxSuccessful()) {
            request.setAttribute(HEADER_JWT, clientHttpResponse.getHeaders().getFirst(HEADER_JWT));
            chain.doFilter(request, res);
        } else {
            setGatewayHelperFailureResponse(clientHttpResponse, res);
        }
    } catch (ZuulException e) {
        res.setStatus(HttpStatus.INTERNAL_SERVER_ERROR.value());
        res.setCharacterEncoding("utf-8");
        try (PrintWriter out = res.getWriter()) {
            out.println(e.getMessage());
            out.flush();
        }
    }
}

private RibbonCommandContext buildCommandContext(HttpServletRequest req) {
    Boolean retryable = gatewayHelperProperties.isRetryable();
    String verb = getVerb(req);
    MultiValueMap<String, String> headers = buildZuulRequestHeaders(req);
    MultiValueMap<String, String> params = buildZuulRequestQueryParams(req);
    InputStream requestEntity;
    long contentLength;
    String requestService = gatewayHelperProperties.getServiceId();
    requestEntity = new ByteArrayInputStream("".getBytes());
    contentLength = 0L;
    return new RibbonCommandContext(requestService, verb, req.getRequestURI(), retryable,
            headers, params, requestEntity, this.requestCustomizers, contentLength);
}

private ClientHttpResponse forward(RibbonCommandContext context) throws ZuulException {
    RibbonCommand command = this.ribbonCommandFactory.create(context);
    try {
        return command.execute();
    } catch (HystrixRuntimeException ex) {
        throw new ZuulException(ex, "Forwarding gateway helper error", 500, ex.getMessage());
    }
}
复制代码

可以看到,我们在api-gateway 服务中完成了对请求的首次转发。请求到达gateway-helper。在gateway-helper 中,针对配置进行判断,如果有自定义的helper,则会重定向到自定义的helper 上进行后续的处理。否则的话按照默认的逻辑进行权限校验。核心代码如下:

// RequestRootFilter.java
public boolean filter(final HttpServletRequest request) {
    String uri = RequestRibbonForwardUtils.buildZuulRequestUri(request);
    String service = RequestRibbonForwardUtils.getHelperServiceByUri(helperZuulRoutesProperties, uri);
    if (StringUtils.isEmpty(service)) {
        return requestPermissionFilter.permission(request) && requestRatelimitFilter.through(request);
    }
    return customGatewayHelperFilter(request, service, uri);
}

private boolean customGatewayHelperFilter(final HttpServletRequest request, final String service, final String uri) {
    ClientHttpResponse clientHttpResponse = null;
    try {
        RibbonCommandContext commandContext = RequestRibbonForwardUtils.buildCommandContext(request, requestCustomizers, service, uri);
        clientHttpResponse = RequestRibbonForwardUtils.forward(commandContext, ribbonCommandFactory);
        return clientHttpResponse.getStatusCode().is2xxSuccessful();
    } catch (Exception e) {
        LOGGER.warn("error.customGatewayHelperFilter");
        return false;
    } finally {
        if (clientHttpResponse != null) {
            clientHttpResponse.close();
        }
    }
}   
复制代码

RequestPermissionFilter 中,我们对请求进行权限校验,来判断该用户是否有对应资源的操作权限。核心代码如下:

//RequestPermissionFilterImpl.java
public boolean permission(final HttpServletRequest request) {
    if (!permissionProperties.isEnabled()) {
        return true;
    }
    //如果是文件上传的url,以/zuul/开否,则去除了/zuul再进行校验权限
    String requestURI = request.getRequestURI();
    if (requestURI.startsWith(ZUUL_SERVLET_PATH)) {
        requestURI = requestURI.substring(5, requestURI.length());
    }
    //skipPath直接返回true
    for (String skipPath : permissionProperties.getSkipPaths()) {
        if (matcher.match(skipPath, requestURI)) {
            return true;
        }
    }
    //如果获取不到该服务的路由信息,则不允许通过
    ZuulRoute route = ZuulPathUtils.getRoute(requestURI, helperZuulRoutesProperties.getRoutes());
    if (route == null) {
        LOGGER.info("error.permissionVerifier.permission, can't find request service route, "
                + "request uri {}, zuulRoutes {}", request.getRequestURI(), helperZuulRoutesProperties.getRoutes());
        return false;
    }
    String requestTruePath = ZuulPathUtils.getRequestTruePath(requestURI, route.getPath());
    final RequestInfo requestInfo = new RequestInfo(requestURI, requestTruePath,
            route.getServiceId(), request.getMethod());
    final CustomUserDetails details = DetailsHelper.getUserDetails();
    //如果是超级管理员用户,且接口非内部接口,则跳过权限校验
    if (details != null && details.getAdmin() != null && details.getAdmin()) {
        return passWithinPermissionBySql(requestInfo);
    }
    //判断是不是public接口获取loginAccess接口
    if (passPublicOrLoginAccessPermissionByMap(requestInfo, details)
            || passPublicOrLoginAccessPermissionBySql(requestInfo, details)) {
        return true;
    }
    if (details == null || details.getUserId() == null) {
        LOGGER.info("error.permissionVerifier.permission, can't find userDetail {}", requestInfo);
        return false;
    }
    //其他接口权限权限审查
    if (passSourcePermission(requestInfo, details.getUserId())) {
        return true;
    }
    LOGGER.info("error.permissionVerifier.permission when passSourcePermission {}", requestInfo);
    return false;
}
复制代码

通过上述的代码片段可以看到。在Choerodon 中,可以自主实现自己的geteway-helper,来对请求进行更复杂的控制。

Choerodon 支持在页面上对路由信息进行配置和修改,控制路由的动态调整。如下图所示。

以看到,通过页面对路由进行修改后,路由动态更新到 api-gateway及gateway-heler。通过配置中心实时生效,避免了修改代码重新部署带来的麻烦。

总结

回顾一下这篇文章,我们介绍了Choerodon 在搭建微服务网关时考虑的一些问题以及两种常见的微服务网关,并且通过代码介绍了Choerodon 的网关时如何实现的。这些都是我们实践过程中的一些做法和体会,希望大家可以结合自己的业务来参考。

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