使用API Gateway处理微服务请求转发、合并

前面两篇Docker微服务的服务发现以及Docker微服务的服务间通信机制。主要介绍了如何解决微服务的服务发现和通信问题。
在微服务的架构体系中，为了减少服务间的耦合，在划分服务间的限界上下文的时候。会尽量减少微服务之间的 调用。在实际的需求场景中，往往要同时请求多个微服务资源。

解耦微服务的调用

如下面一个场景，”用户订单列表“的一个聚合页面，需要请求”用户服务“获取基础用户信息，以及”订单服务“获取订单信息，再通过请求”商品服务“获取订单列表的商品聚合订单上的商品信息。如下图所示的场景 ：

如果让客户端发出多个请求来解决多个信息聚合，则会增加客户端的复杂度。比较合理的方式就是增加API Gateway层。API Gateway跟微服务一样，也可以部署、运行在Docker容器中，也是一个Springboot应用。如下，通过Gateway API进行转发后：

所有的请求的信息，由Gateway进行聚合，Gateway也是进入系统的唯一节点。并且Gateway和所有微服务，以及提供给客户端的也是Restful风格API。Gateway层的引入可以很好的解决信息的聚合问题。而且可以更好得适配不同的客户端的请求，比如H5的页面不需要展示用户信息，而iOS客户端需要展示用户信息，则只需要添加一个Gateway API请求资源即可，微服务层的资源不需要进行变更。

API Gateway的特点

API gateway除了可以进行请求的合并、转发。还需要有其他的特点，才能成为一个完整的Gateway。

响应式编程

Gateway是所有客户端请求的入口。就像Facade模式。为了提高请求的性能，最好选择一套非阻塞I/O的框架。在一些多客户端的场景下，前文举例的“用户订单列表”。对于每个微服务请求不一定需要同步的。比如获取用户信息，以及获取订单列表，就是两个独立请求。然后，获取订单的商品详情，需要等订单信息返回之后，根据订单的商品id列表再去请求商品微服务。为了减少整个请求的响应时间，需要Gateway能够并发处理相互独立的请求。一种解决方案就是采用响应式编程。
目前使用Java技术栈的响应式编程方式有，Java8的CompletableFuture，以及ReactiveX提供的基于JVM的实现-RxJava。

ReactiveX是一个使用可观察数据流进行异步编程的编程接口，ReactiveX结合了观察者模式、迭代器模式和函数式编程的精华。除了RxJava还有RxJS,RX.NET等多语言的实现。

对于Gateway来说，RxJava提供的Observable可以很好的解决并行的独立I/O请求，并且如果微服务项目中使用Java8，那对RxJava的函数学习吸收会更快，基于Lambda风格的响应式编程，可以使代码更加简洁。中文文档可以阅读RxJava文档和教程。
通过响应式编程的Observable模式，可以很简洁、方便得创建事件流、数据流，以及用简洁的函数进行数据的组合和转换，同时可以订阅任何可观察的数据流并执行操作。
如下图所示的“用户订单列表”的资源请求时序图：

响应式编程可以更好的处理各种线程同步、并发请求，通过Observables和Schedulers提供了透明的数据流、事件流的线程处理。对于敏捷模式下，响应式编程的代码更加简洁，更好维护。作为为了适配不同客户端以及会频繁变更的Gateway来说，是一个很好的解决方案。

鉴权

通过Gateway作为系统的唯一入口，那么所有的鉴权，都可以围绕Gateway去做。在Springboot工程中，基础的授权可以使用Spring Security（Spring Security也可以集成在Spring MVC项目中）。Spring Security主要使用AOP对资源请求进行拦截，内部维护了一个角色的Filter Chain。因为微服务都是通过Gateway请求的，所以微服务的@Secured可以根据Gateway的资源请求鉴权级别进行设置。对于各不同客户端的Token信息的加密、存储以及验证，需要应用自己完成。经过Gateway鉴权之后，解析后的token信息可以直接传递给微服务层。
如果应用需要授权（对资源请求需要管理不同的角色、权限），也只要在Gateway的Rest API基础上基于AOP来做即可。统一管理鉴权和授权，这也是使用类似Facade模式的Gateway API的好处之一。

负载均衡

API Gateway跟Microservice一样，作为Springboot应用，提供Rest api。所以同样运行在Docker容器中。Gateway和微服务之间的服务发现还是可以采用前篇所述的客户端发现模式，或者服务端发现模式。
在集群环境下，API Gateway 可以暴露统一的端口，其实例会运行在不同IP的服务器上。因为我们是使用阿里云的ECS作为容器的基础设施，所以在集群环境的负载均衡也是使用阿里云的负载均衡SLB,域名解析也使用AliyunDNS。下图是一个简单的网络请求的示意：

为了不暴露服务的端口和资源地址，也可以在Gateway之上再部署Nginx服务，外部的负载均衡设施比如SLB可以将请求转发到Nginx服务器，请求通过Nginx再转发给Gateway端口。如果是自建机房的集群，就需要搭建高可用的负载均衡中心。为了跨机器请求，最好使用Consul,Consul（Consul Template）+Registor+Haproxy来做服务发现和负载均衡中心。

缓存

对于一些高QPS的请求，可以在API Gateway做多级缓存。分布式的缓存可以使用Mongo,Redis，Memcached等。如果是一些对实时性要求不高的，变化频率不高但是高QPS的页面级请求，也可以在Gateway层做本地缓存。而且Gateway可以让缓存方案更灵活和通用。

API Gateway的错误处理

在Gateway的具体实现过程中，错误处理也是一个很重要的事情。对于Gateway的错误处理，可以使用Hystrix来处理请求的熔断。并且RxJava自带的onErrorReturn回调也可以方便得处理错误信息的返回。对于熔断机制，主要需要处理以下几个方面：

• 服务请求的容错处理
  作为一个合理的Gateway，其应该只负责处理数据流、事件流，而不应该处理业务逻辑。在
  处理多个微服务的请求时，会出现微服务请求的超时、不可用的情况。在一些特定的场景下，
  需要能够合理得处理部分失败。比如上例中的“用户订单列表”，当“User”微服务出现错误时，不应该影响“Order”数据的请求。最好的处理方式就是给当时错误的用户信息一个默认的返回，比如显示一个默认头像，默认用户昵称。然后对于正确的订单，以及商品信息给与正确的数据返回。如果这种场景下，当“Order”领域的微服务异常时，则应该给客户端一个错误码，以及合理的错误提示信息。这样的处理可以尽量在部分系统不可用时提升用户体验。使用RxJava时，具体的实现方式就是针对不同的客户端请求的情况，写好onErrorReturn，做好错误数据兼容即可。
• 异常的捕捉和记录
  Gateway主要是做请求的转发、合并。为了能清楚得排查问题，定位到具体哪个服务、甚至是哪个Docker容器的问题，需要Gateway能对不同类型的异常、业务错误进行捕捉和记录。如果使用FeignClinet来请求微服务资源，可以通过对ErrorDecoder接口的实现，来针对Response结果进行进一步的过滤处理，以及在日志中记录下所有请求信息。如果是使用Spring Rest Template,则可以通过定义一个定制化的RestTempate，并对返回的ResponseEntity进行解析。在返回序列化之后的结果对象之前，对错误信息进行日志记录。
• 超时机制
  Gateway线程中大多是IO线程，为了防止因为某一微服务请求阻塞，导致Gateway过多的等待线程，耗尽线程池、队列等系统资源。需要Gateway中提供超时机制，对超时接口能进行优雅的服务降级。
  在SpringCloud的Feign项目中集成了Hystrix。Hystrix提供了比较全面的超时处理的熔断机制。默认情况下，超时机制是开启的。除了可以配置超时相关的参数，Netflix还提供了基于Hytrix的实时监控Netflix -Dashboard,并且集群服务只需再附加部署Netflix-Turbine。通用的Hytrix的配置项可以参考Hystrix-Configuration。
  如果是使用RxJava的Observable的响应式编程，想对不同的请求设置不同的超时时间，可以直接在Observable的timeout()方法的参数进行设置回调的方法以及超时时间等。
• 重试机制
  对于一些关键的业务，在请求超时时，为了保证正确的数据返回，需要Gateway能提供重试机制。如果使用SpringCloudFeign，则其内置的Ribbon，会提供的默认的重试配置，可以通过设置spring.cloud.loadbalancer.retry.enabled=false将其关闭。Ribbon提供的重试机制会在请求超时或者socket read timeout触发，除了设置重试，也可以定制重试的时间阀值以及重试次数等。
  对于除了使用Feign，也使用Spring RestTemplate的应用，可以通过自定义的RestTemplate,对于返回的ResponseEntity对象进行结果解析，如果请求需要重试（比如某个固定格式的error-code的方式识别重试策略），则通过Interceptor进行请求拦截，以及回调的方式invoke多次请求。

小结

对于微服务的架构，通过一个独立的API Gateway,可以进行统一的请求转发、合并以及协议转换。可以更灵活得适配不同客户端的请求数据。而且对于不同客户端的版本兼容的请求可以很好地进行屏蔽，让微服务更加纯粹。微服务只要关注内部的领域服务的设计，事件的处理。
API gateway还可以对微服务的请求进行一定的容错、服务降级。使用响应式编程来实现API gateway可以使线程同步、并发的代码更简洁，更易于维护。在对于微服务的请求可以统一通过FeignClint。代码也会很有层次。如下图，示例

• Clint负责服务发现、负载均衡以及发出请求，并获取ResponseEntity对象。
• Translator将ResponseEntity转换成Observable对象，以及对异常进行统一日志采集，类似于DDD中防腐层的概念。
• Adapter调用各个Translator，使用Observable函数，对请求的数据流进行合并。如果存在多个数据的组装，可以增加一层Assembler专门处理DTO->Model的转换。
• Controller,提供Restful资源的管理，每个Controller只请求唯一的Adapter。

在下一篇文章中，会继续介绍一下基于Docker的微服务的持续集成方案以及实践。