浅析微服务架构API网关的作用

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姚 刚 吴海莉 王从镔摘要：近年来微服务架构被广泛使用，系统后台服务支持的对象从之前单一的Web应用，扩展到多种应用场景。API网关作为系统的入口，已经成为微服务架构中不可或缺的部分，尤其是随着5G网络的迅速发展，各服务之间的流量变化呈现出爆发性的增长，迫使API网关被赋予了更多的功能和作用。论文通过对API网关的概念、架构及作用、服务定位的论述，分析了企业如何进行API网关的选型与设计。关键词：微服务；API网关；选型；设计一、API网关网关一词最早出现于互联网，是实现不同设备之间互联的网络连接设备。实现两个系统或两个服务的通信，在中间负责API的调用，我们把这个网关称之为API网关（API Gateway）。在微服务架构中为了提高系统的性能，微服务化各应用服务，各服务之间的调用变得更多，也更为频繁。API网关主要负责服务的路由请求、负载均衡、协议转换等工作，但是随着微服务架构的变迁，5G网络和移动应用的迅猛发展，需求不断增加，业务快速增长，各服务之间的流量变化呈现出爆发性的增长趋势，迫使API网关催生出更多的功能。Core（核心网关）系统的功能主要是对客户请求的接收，它将请求指向给上层的服务端，并且会把这些处理结果返回给客户端或下层服务端。API网关负载均衡、协议转换、路由服务等大部分功能都在核心网关系统中完成；Admin（网关管理）系统负责配置系统的各种策略，如：限流、缓存以及告警等基础信息；Monitor（监控日志）系统负责生成运维管理报表等。Admin和Monitor主要是为Core服务，但是如果没有Admin和Monitor两个系统，作为核心网关Core系统也可以独立运行。如图1所示，API 网关系统架构图。API 网关在系统中具有重要的地位。它既是系统的入口，又是客户端与服务端之间的一层挡板，在整个微服务架构中起承上启下的作用。API 网关主要的作用有以下三个方面：1.系统隔离作用。作为企业系统的边界，负责隔离内部系统与外部访问，从而保障了后台服务的二、API 网关系统架构及作用API 网关可以拆分成Core、Admin、Monitor 三个系统。图1 API 网关系统架构图16

安全性。2.解耦作用。不再担心其他方面对微服务的不利影响，它能够灵活、高效地调整微服务系统的各方，因为减少了客户端与服务的耦合，所以服务可以独立自由的运行。3.应用基础设施。通过提供的访问地址，对服务请求进行处理，有利于实现应用层面的扩展。另外API网关在减少变更流程、提升访问效率、降低服务开发成本、便于扩展等方面都具有独特的优势。一个基于HTTP的服务请求，首先通过DNS解析，然后进行负载均衡，再把这个请求分配到OpenResty API Gataway，在OpenResty API Gataway中主要实现安全、限流、缓存、日志、监控和身份认证等功能，另外还可以实现制定服务的注册、路由重写等策略；通过OpenResty API Gataway的服务请求，负载均衡地传输到不同的 Aggr API Gateway中，在Aggr API Gateway中可以使用超时、缓存、熔断、重试、查询聚合等策略，如图2所示，API网关在微服务架构中的作用图。图中黄色框区域由开发人员进行程序开发，通过 Json配置与聚合代码的方式实现聚合服务；请求由Aggr API Gateway 到后端各Micro Service属于内部通讯，使用通讯协议进行RPC调用。图2 API网关在微服务架构中的作用图三、API 网关服务定位API 网关具有处理请求的能力，其服务定位有以下分类，如图3所示，API网关在微服务架构中的应用场景图。图3 API网关在微服务架构中的应用场景图REGION INFO 数字地方（一）Web App，面向Web应用系统以网站和 H5 应用为主。Web App不是全功能的Web App，在物理形态上它通过前后端分离设计，把大部分的业务功能都放在了后端，前端 Web App仅仅实现页面展示功能。（二）Mobile App，面向移动应用此设计思路与Web App很相似，后端服务的消费者和使用者都是Mobile App，但是对于设备的注册、使用、激活等Mobile的API网关还具有移动设备管理的职能（MDM），因此对于移动设备服务请求，需要考虑请求与使用者和设备的关系。（三）Partner Open API，面向合作伙伴的开放API为了实现业务形态的对外开放，系统对合作伙伴在有时间、流量等限制条件的情况下提供接口访问服务，这些接口会全部或部分的开放，因此Partner Open API需要流量、安全、以及协议转换等管理，API网关需要增加流量控制、令牌等方面的安全管控功能。（四）External API，面向外部API主要用于外部用户的接入，如今很多系统都会依靠外部合作伙伴来实现流量导入，如第三方支付平台的使用等，此时API 网关需要更多地考虑功能的边界划分、认证、授权等访问控制类问题，在边界上为内部服务调用和外部的API访问制定相应的控制策略。（五）IoT SmartDevice，面向IoT智能设备接收来自IOT设备的请求，如工业传感器等物联网设备，需要考虑协议转换和数据过滤等问题。在微服务架构下的API网关，主要是把企业内部API处理请求的能力推荐给其他应用使用，因此Web App、Mobile App、Partner OpenAPI三种场景会较多的使用，相对而言External API和IoT SmartDevice用的比较少。四、企业API网关选型与设计（一）企业API网关选型[1]企业API网关选型主要考虑安全性、高性能、高可用性、扩展性，以及API生命周期管理等几个方面。1.安全性。安全性是任何系统选型的第一位要素。API网关给企业系统带来诸多优点，但其中最大的优点就是保障了后台服务的安全性，在微服务中企业把服务暴露给外部使用，各服务之间相互调用，需要防止外部系统或服务恶意的访问行为，尤其是涉及商务交易、电子支付等服务，更是需全面考虑安全性问题。因此，在通讯链路的创建、数据的加密和完整性等方面都需要确保系统的安全性。2.高可用性。API网关作为逻辑上的单点，存在故障的风险，一旦发生故障，对系统将会致命性的打击，高可用的API网关是整个企业系统稳定运行的基本保障。17

REGION INFO 数字地方在企业API网关选型时，需要考虑网关的自动伸缩能力，以及系统在运行状态下的热更新能力等。3.高性能。API 网关作为系统的入口，所有的服务请求都会通过网关进行转发，每分钟甚至每秒钟千万次的访问量，使API网关承受着巨大的性能压力，犹如人体心脏、血流压力一旦超出心脏自身的承受能力，心脏和身体都会出现问题。5G网络的快速发展，海量的移动终端服务请求时刻需要与后端的服务进行交互，高性能API网关是应对大流量、高并发服务请求的有力保障。4.扩展性。日志、安全、监控、鉴权等一些非功能性问题，会随着企业系统业务需求和规模的改变而变化，在这种情况下，我们不需对网关层进行频繁的改动以适应新变化，只需要在网关层建立一种调整机制，灵活地进行调整，即可保证网关层的稳定。5.生命周期管理。API的全生命周期一般包括：计划、设计、实施、发布、操作、监控、维护和下线等过程，其中安全策略贯穿于整个生命周期。如图4所示，API全生命周期图。面对不同的服务和用户，需要提供不同的访问策略，但这些策略都需要遵循基本的安全性。为了适应各种服务需求，在API的使用过程中改造和升级已经成为API管理的一项日常性工作，致使API生命周期在不断的发生调整和改变。因此，API网关需要建立一个配套系统，负责对微服务系统的使用者和管理者进行API服务的运维管理。图4 API全生命周期图（二）企业API网关设计[2-3]企业级API网关，除了具备请求转发、协议转换、路由等这些基本功能外，还需要满足高性能、高适用性和易维护的设计要求。另外在网关实施中，需要规划好网关层与服务层的交互方式，减少客户端与服务的耦合。1.功能性设计。API网关的功能包括：安全防护、流量控制、请求管理、开发、告警、API生命周期管理等。满足功能是API网关设计的基本要求。2.高性能设计。传统的基于线程的并发模型一个请求分配一个进程，随着这些进程数量的增加，当服务需求调用在频繁切换时候，系统性能会急剧下降。微服务架构下所有的服务请求都通过API网关进行转发，高性能的API网关可以应对大数据流量增长的多进程问题。因此在设计企业API网关时，必须考虑企业系统应对请求服务增长量的问题。3.高适用性设计。高适用性包括高可用性和易扩展性。无状态的cookie+session服务器方式的网关层设计，网关不负责session的维护；接受请求、转发请求、返回数据给请求者是网关处理一个服务请求的一般过程，其中各环节都是功能扩展点；前端和后端的服务管理需要，配置映射关系，解耦网关层对服务层的依赖；另外还需要保证服务在下线和上线过程的压力分配。4.易维护设计。API网关的选型与设计都需要考虑网关层与服务层的协作问题，网关层需要知道API的接口形式，以及发布的地址等信息，在API上线和发布过程中网关层密切配合，可靠的API网关设计可以使API管理更高效，运行维护更便捷。五、结语通过对微服务架构API网关的分析和论述，我们可以看出API网关在微服务架构中具有极其重要的作用，成为架构中不可获缺的部分。虽然API网关在系统中主要发挥隔离作用、解耦作用、应用基础设施的作用，但是随着移动应用和5G网络的迅猛发展，各服务间数据流的快速增长催生了API网关，诸如：限流、缓存、告警等更多的功能。企业API网关的选型和设计以安全性为前提，需要围绕API的全生命周期中各环节制定相应策略，同时随着系统不断变化和新需求的增长，还需要保证系统的稳定运行，选择和设计一个功能完善，且高性能、高适用性、易维护的API网关是成熟企业系统的关键。H参考文献[1]张晶,黄小锋,李春阳.微服务框架的设计与实现[J]. 计算机系统应用,2017(06).

[2] 廖俊杰,陶智勇.微服务API网关的设计及应用[J].自动化技术与应用,2019(08).[3]李春阳,刘迪,崔蔚,等.基于微服务架构的统一应用开发平台[J].计算机系统应用,2017(04).

（作者单位：中国石油勘探开发研究院西北分院）18