个推微服务网关架构实践

作者：个推应用平台基础架构高级研发工程师阿飞

在微服务架构中，不同的微服务可以有不同的网络地址，各个微服务之间通过互相调用完成用户请求，客户端可能通过调用 N 个微服务的接口完成一个用户请求。因此，在客户端和服务端之间增加一个 API 网关成为多数微服务架构的必然选择。

在个推的微服务实践中，API 网关也起着至关重要的作用。一方面，API 网关是个推微服务体系对外的唯一入口；另一方面，API 网关中实现了很多后端服务的共性需求，避免了重复建设。

个推微服务网关的设计与实现

**个推微服务主要是基于 Docker 和 Kubernetes 进行实践的。**在整个微服务架构中，最底层的是个推私有部署的 Kubernetes 集群，在集群之上，部署了应用服务。

**个推的应用服务体系共分为三层，最上一层是网关层，接着是业务层，最下面是基础层服务。**在部署应用服务时，我们使用了 Kubernetes 的命名空间对不同产品线的产品进行隔离。除了应用服务外，Kubernetes 集群上还部署了 Consul 来实现配置的管理、Kube-DNS 实现服务注册与发现，以及一些辅助系统来进行应用和集群的管理。

下图是个推微服务体系的架构图。

个推对 API 网关的功能需求主要有以下几方面：

要支持配置多个产品，为不同的产品提供不同的端口；
动态路由；
URI 的重写；
服务的注册与发现；
负载均衡；
安全相关的需求，如 session 校验等；
流量控制；
链路追踪；
A/B Testing。

在对市面上已有的网关产品进行调研后，我们的技术团队发现，它们并不太适合应用于个推的微服务体系。第一，个推配置的管理都是基于 Consul 实现的，而大部分网关产品都需要基于一些 DB 存储，来进行配置的管理；第二，大部分的网关产品提供的功能比较通用，也比较完善，这同时也降低了配置的复杂度以及灵活性；第三，大部分的网关产品很难直接融入到个推的微服务架构体系中。

最终，个推选择使用了 OperResty 和 Lua 进行自研网关，在自研的过程中，我们也借鉴了其他网关产品的一些设计，如 Kong 和 Orange 的插件机制等。

个推的 API 网关的插件设计如下图所示。

OpenResty 对请求的处理分为多个阶段。个推 API 网关的插件主要是在 Set、Rewrite、Access、Header_filter、Body_filter、Log 这六个阶段做相应的处理，其中，每一个插件都可以在一个或多个阶段起到相应的作用。在一个请求到达 API 网关之后，网关会根据配置为该请求选择插件，然后根据每个插件的规则，进一步过滤出匹配规则的插件，最后对插件进行实例化，对流量进行相应的处理。

我们可以通过举例来理解这个过程，如上图所示，localhost:8080/api/demo/test/hello 这个请求到达网关后，网关会根据 host 和端口确定产品信息，并提取出 URI(/api/demo/test/hello)，然后根据产品的具体配置，筛选出需要使用的插件—— Rewrite_URI、Dyups 和 Auth，接下来根据每个插件的规则配置进行过滤，过滤后，只有 Rewrite_URI 和 Dyups 两个插件被选中。之后实例化这两个插件，在各个阶段对请求进行处理。请求被转发到后端服务时，URI 就被 rewrite 为“/demo/test/hello ”，upstream 也被设置为“ prod1-svc1 ”。请求由后端服务处理之后，响应会经网关返回给客户端，这就是整个插件的设计和工作的流程。为了优化性能，我们将插件的实例化延缓到了请求真正开始处理时，在此之前，网关会通过产品配置和规则，过滤掉不需要执行的插件。从图中也可以看出，每个插件的规则配置都很简单，并且没有统一的格式，这也确保了插件配置的简单灵活。

网关的配置均为热更新，通过 Consul 和 Consul-Template 来实现，配置在 Consul 上进行更新后，Consul-Template 会将其实时地拉取下来，然后通过以下两种方式进行更新。

（ 1 ）通过调用 Update API，将配置更新到 shared-dict 中。

（ 2 ）更新配置文件，利用 Reload OpenResty 实现配置文件的更新。

个推微服务网关提供的主要功能

1.动态路由

动态路由主要涉及到三个方面：服务注册、服务发现和请求转发。

如下图所示，服务的注册和发现是基于 Kubernetes 的 Service 和 Kube-DNS 实现的，在 Consul 中，会维持一个服务的映射表，应用的每一个微服务都对应 Kubernetes 上的一个 Service，每创建一个 Service 都会在 Consul 上的服务映射表中添加一项（会被实时更新到网关的共享内存中）。网关每收到一个请求都会从服务映射表中查询到具体的后端服务（即 Kubernetes 中的 Service 名），并进行动态路由。Kube-DNS 可以将 Service 的域名解析成 Kubernetes 内部的 ClusterIP，而 Service 代理了多个 Pod，会将流量均衡地转发到不同的 Pod 上。

2.流量控制

流量控制主要是通过一个名为“ Counter ”的后端服务和网关中的流控插件实现的。**Counter 负责存储请求的访问次数和限值，并且支持按时间维度进行计数。**流控插件负责拦截流量，调用 Counter 的接口进行超限查询，如果 Counter 返回请求超限，网关就会直接拒绝访问，实现限次的功能，再结合时间维度就可以实现限频的需求。同时流控插件通过输出日志信息到 fluent-bit，由 fluent-bit 聚合计次来更新 Counter 中的计数。

3.链路追踪

整个微服务体系的链路追踪是基于分布式的链路追踪系统 Zipkin 来实现的。通过在网关安装 Zipkin 插件和在后端服务中引入 Zipkin 中间件，实现最终的链路追踪功能。具体架构如下图所示。

4. A/B 测试

在 A/B 测试的实现中，有以下几个关键点：

（ 1 ）所有的策略信息都配置在 Consul 上，并通过 Consul-Template 实时生效到各个微服务的内存中；

（ 2 ）每条策略均有指明，调用一个微服务时应调用 A 还是 B （默认为 A ）；

（ 3 ）网关中实现 A/B 插件，在请求到达网关时，通过 A/B 插件配置的规则，即可确定请求适用的 A/B 策略；

（ 4 ）网关会将请求适用的 A/B 策略通过 URL 参数传递下去；

（ 5 ）每个微服务通过传递下来的策略，选择正确的服务进行访问。

下图给出了两种场景下的调用链路。

总结

以上就是个推微服务网关的设计和主要功能的实现。之后，个推的技术团队会不断提升 API 网关的弹性设计，使其能够在故障出现时，缩小故障的影响范围；同时，我们也会继续将网关与 DevOps 平台做进一步地结合，以确保网关在迭代更新时，能够有更多的自动化测试来保证质量，