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使用API网关构建微服务

| 作者 谢丽 关注 11 他的粉丝 发布于 2015年7月22日. 估计阅读时间: 15 分钟 | QCon上海2018 关注大数据平台技术选型、搭建、系统迁移和优化的经验。

有关微服务的系列文章的第一篇介绍了微服务架构模式,讨论了使用微服务的优缺点,以及为什么它们虽然复杂度高却常常是复杂应用程序的理想选择。

当选择将应用程序构建为一组微服务时,需要确定应用程序客户端如何与微服务交互。在单体应用程序中,只有一组(通常是重复的、负载均衡的)端点。然而,在微服务架构中,每个微服务都会暴露一组通常是细粒度的端点。在本文中,我们将讨论一下这对客户端与应用程序之间的通信有什么影响,并提出一种使用API网关的方法。

引言

让我们想象一下,你要为一个购物应用程序开发一个原生移动客户端。你很可能需要实现一个产品详情页面,上面展示任何指定产品的信息。

例如,下图展示了在Amazon Android移动应用中滚动产品详情时看到的内容。

虽然这是个智能手机应用,产品详情页面也显示了大量的信息。例如,该页面不仅包含基本的产品信息(如名称、描述、价格),而且还显示了如下内容:

  • 购物车中的件数
  • 订单历史
  • 客户评论
  • 低库存预警
  • 送货选项
  • 各种推荐,包括经常与该产品一起购买的其它产品,购买该产品的客户购买的其它产品,购买该产品的客户看过的其它产品。
  • 可选的购买选项。

当使用单体应用程序架构时,移动客户端将通过向应用程序发起一次REST调用(GET api.company.com/productdetails/<productId>)来获取这些数据。负载均衡器将请求路由给N个相同的应用程序实例中的一个。然后,应用程序会查询各种数据库表,并将响应返回给客户端。

相比之下,当使用微服务架构时,产品详情页面显示的数据归多个微服务所有。下面是部分可能的微服务,它们拥有要显示在示例中产品详情页面上的数据:

  • 购物车服务——购物车中的件数
  • 订单服务——订单历史
  • 目录服务——产品基本信息,如名称、图片和价格
  • 评论服务——客户的评论
  • 库存服务——低库存预警
  • 送货服务——送货选项、期限和费用,这些单独从送货方的API获取
  • 推荐服务——建议的产品

我们需要决定移动客户端如何访问这些服务。让我们看看都有哪些选项。

客户端与微服务直接通信

从理论上讲,客户端可以直接向每个微服务发送请求。每个微服务都有一个公开的端点(https ://<serviceName>.api.company.name)。该URL将映射到微服务的负载均衡器,由它负责在可用实例之间分发请求。为了获取产品详情,移动客户端将逐一向上面列出的N个服务发送请求。

遗憾的是,这种方法存在挑战和局限。一个问题是客户端需求和每个微服务暴露的细粒度API不匹配。在这个例子中,客户端需要发送7个独立请求。在更复杂的应用程序中,可能要发送更多的请求。例如,按照Amazon的说法,他们在显示他们的产品页面时就调用了数百个服务。然而,客户端通过LAN发送许多请求,这在公网上可能会很低效,而在移动网络上就根本不可行。这种方法还使得客户端代码非常复杂。

客户端直接调用微服务的另一个问题是,部分服务使用的协议不是Web友好协议。一个服务可能使用Thrift二进制RPC,而另一个服务可能使用AMQP消息传递协议。不管哪种协议都不是浏览器友好或防火墙友好的,最好是内部使用。在防火墙之外,应用程序应该使用诸如HTTP和WebSocket之类的协议。

这种方法的另一个缺点是,它会使得微服务难以重构。随着时间推移,我们可能想要更改系统划分成服务的方式。例如,我们可能合并两个服务,或者将一个服务拆分成两个或更多服务。然而,如果客户端与微服务直接通信,那么执行这类重构就非常困难了。

由于这些问题的存在,客户端与微服务直接通信很少是合理的。

使用API网关

通常,一个更好的方法是使用所谓的API网关。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,它与外观模式类似。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、“请求整形(request shaping)”与管理、静态响应处理。

下图展示了API网关通常如何融入架构:

API网关负责服务请求路由、组合及协议转换。客户端的所有请求都首先经过API网关,然后由它将请求路由到合适的微服务。API网管经常会通过调用多个微服务并合并结果来处理一个请求。它可以在Web协议(如HTTP与WebSocket)与内部使用的非Web友好协议之间转换。

API网关还能为每个客户端提供一个定制的API。通常,它会向移动客户端暴露一个粗粒度的API。例如,考虑下产品详情的场景。API网关可以提供一个端点(/productdetails?productid=xxx),使移动客户端可以通过一个请求获取所有的产品详情。API网关通过调用各个服务(产品信息、推荐、评论等等)并合并结果来处理请求。

Netflix API网关是一个很好的API网关实例。Netflix流服务提供给数以百计的不同类型的设备使用,包括电视、机顶盒、智能手机、游戏系统、平板电脑等等。最初,Netflix试图为他们的流服务提供一个通用的API。然而他们发现,由于各种各样的设备都有自己独特的需求,这种方式并不能很好地工作。如今,他们使用一个API网关,通过运行特定于设备的适配器代码来为每个设备提供一个定制的API。通常,一个适配器通过调用平均6到7个后端服务来处理每个请求。Netflix API网关每天处理数十亿请求。

API网关的优点和不足

如你所料,使用API网关有优点也有不足。使用API网关的最大优点是,它封装了应用程序的内部结构。客户端只需要同网关交互,而不必调用特定的服务。API网关为每一类客户端提供了特定的API。这减少了客户端与应用程序间的交互次数,还简化了客户端代码。

API网关也有一些不足。它增加了一个我们必须开发、部署和维护的高可用组件。还有一个风险是,API网关变成了开发瓶颈。为了暴露每个微服务的端点,开发人员必须更新API网关。API网关的更新过程要尽可能地简单,这很重要。否则,为了更新网关,开发人员将不得不排队等待。不过,虽然有这些不足,但对于大多数现实世界的应用程序而言,使用API网关是合理的。

实现API网关

到目前为止,我们已经探讨了使用API网关的动机及其优缺点。下面让我们看一下需要考虑的各种设计问题。

性能和可扩展性

只有少数公司有Netflix的规模,每天需要处理数十亿请求。不管怎样,对于大多数应用程序而言,API网关的性能和可扩展性通常都非常重要。因此,将API网关构建在一个支持异步、I/O非阻塞的平台上是合理的。有多种不同的技术可以用于实现一个可扩展的API网关。在JVM上,可以使用一种基于NIO的框架,比如Netty、Vertx、Spring Reactor或JBoss Undertow中的一种。一个非常流行的非JVM选项是Node.js,它是一个以Chrome JavaScript引擎为基础构建的平台。另一个选项是使用NGINX Plus。NGINX Plus提供了一个成熟的、可扩展的、高性能Web服务器和一个易于部署的、可配置可编程的反向代理。NGINX Plus可以管理身份验证、访问控制、负载均衡请求、缓存响应,并提供应用程序可感知的健康检查和监控。

使用响应式编程模型

API网关通过简单地将请求路由给合适的后端服务来处理部分请求,而通过调用多个后端服务并合并结果来处理其它请求。对于部分请求,比如产品详情相关的多个请求,它们对后端服务的请求是独立于其它请求的。为了最小化响应时间,API网关应该并发执行独立请求。然而,有时候,请求之间存在依赖。在将请求路由到后端服务之前,API网关可能首先需要调用身份验证服务验证请求的合法性。类似地,为了获取客户意愿清单中的产品信息,API网关必须首先获取包含那些信息的客户资料,然后再获取每个产品的信息。关于API组合,另一个有趣的例子是Netflix Video Grid

使用传统的异步回调方法编写API组合代码会让你迅速坠入回调地狱。代码会变得混乱、难以理解且容易出错。一个更好的方法是使用响应式方法以一种声明式样式编写API网关代码。响应式抽象概念的例子有Scala中的Future、Java 8中的CompletableFuture和JavaScript中的Promise,还有最初是微软为.NET平台开发的Reactive Extensions(RX)。Netflix创建了RxJava for JVM,专门用于他们的API网关。此外,还有RxJS for JavaScript,它既可以在浏览器中运行,也可以在Node.js中运行。使用响应式方法将使你可以编写简单但高效的API网关代码。

服务调用

基于微服务的应用程序是一个分布式系统,必须使用一种进程间通信机制。有两种类型的进程间通信机制可供选择。一种是使用异步的、基于消息传递的机制。有些实现使用诸如JMS或AMQP那样的消息代理,而其它的实现(如Zeromq)则没有代理,服务间直接通信。另一种进程间通信类型是诸如HTTP或Thrift那样的同步机制。通常,一个系统会同时使用异步和同步两种类型。它甚至还可能使用同一类型的多种实现。总之,API网关需要支持多种通信机制。

服务发现

API网关需要知道它与之通信的每个微服务的位置(IP地址和端口)。在传统的应用程序中,或许可以硬连线这个位置,但在现代的、基于云的微服务应用程序中,这并不是一个容易解决的问题。基础设施服务(如消息代理)通常会有一个静态位置,可以通过OS环境变量指定。但是,确定一个应用程序服务的位置没有这么简单。应用程序服务的位置是动态分配的。而且,单个服务的一组实例也会随着自动扩展或升级而动态变化。总之,像系统中的其它服务客户端一样,API网关需要使用系统的服务发现机制,可以是服务器端发现,也可以是客户端发现。下一篇文章将更详细地描述服务发现。现在,需要注意的是,如果系统使用客户端发现,那么API网关必须能够查询服务注册中心,这是一个包含所有微服务实例及其位置的数据库。

处理局部失败

在实现API网关时,还有一个问题需要处理,就是局部失败的问题。该问题在所有的分布式系统中都会出现,无论什么时候,当一个服务调用另一个响应慢或不可用的服务,就会出现这个问题。API网关永远不能因为无限期地等待下游服务而阻塞。不过,如何处理失败取决于特定的场景以及哪个服务失败。例如,在产品详情场景下,如果推荐服务无响应,那么API网关应该向客户端返回产品详情的其它内容,因为它们对用户依然有用。推荐内容可以为空,也可以,比如说,用一个固定的TOP 10列表取代。不过,如果产品信息服务无响应,那么API网关应该向客户端返回一个错误信息。

如果缓存数据可用,那么API网关还可以返回缓存数据。例如,由于产品价格不经常变化,所以如果价格服务不可用,API网关可以返回缓存的价格数据。数据可以由API网关自己缓存,也可以存储在像Redis或Memcached那样的外部缓存中。通过返回默认数据或者缓存数据,API网关可以确保系统故障不影响用户的体验。

在编写代码调用远程服务方面,Netflix Hystrix是一个异常有用的库。Hystrix会将超出设定阀值的调用超时。它实现了一个“断路器(circuit breaker)”模式,可以防止客户端对无响应的服务进行不必要的等待。如果服务的错误率超出了设定的阀值,那么Hystrix会切断断路器,在一个指定的时间范围内,所有请求都会立即失败。Hystrix允许用户定义一个请求失败后的后援操作,比如从缓存读取数据,或者返回一个默认值。如果你正在使用JVM,那么你绝对应该考虑使用Hystrix。而如果你正在使用一个非JVM环境,那么你应该使用一个等效的库。

小结

对于大多数基于微服务的应用程序而言,实现一个API网关是有意义的,它可以作为系统的唯一入口。API网关负责服务请求路由、组合及协议转换。它为每个应用程序客户端提供一个定制的API。API网关还可以通过返回缓存数据或默认数据屏蔽后端服务失败。在本系列的下一篇文章中,我们将探讨服务间通信。


感谢郭蕾对本文的审校。

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微服务太多的话,事务如何控制? by 玮 易

微服务太多的话,事务如何控制?

在本系列的下一篇文章中,我们将探讨服务间通信。 by yin yuesheng

在本系列的下一篇文章中,我们将探讨服务间通信。

美女,后续章节,怎么等到今天还没等到呢?

Re: 微服务太多的话,事务如何控制? by 张 占辉

事物也是分散到每个微服务下,由服务自己去控制吧

Re: 在本系列的下一篇文章中,我们将探讨服务间通信。 by wang bo

就是 下一篇呢?还等着看呢

感人的截图 by Shooter Evan

竟然看到《pojo in action》。。。内牛满面

原文 by 杨 腾飞

www.nginx.com/blog/building-microservices-using... 翻译怎么不注明出处呢,这是一个系列的文章

Re: 微服务太多的话,事务如何控制? by 李 哲

在微服务中,事务都尽量控制在本地事务中,一旦出现分布式事务,将导致系统的复杂度无限增大。可以参考“最终一致性”的解决方案来处理部分“分布式事务”的问题。

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