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# 47 | 微服务API网关搭建三步曲（一）
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你好，我是温铭。
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今天这节课，OpenResty 专栏就要进入实战的章节了。我会用三节课的内容，来为你介绍如何实现一个微服务 API 网关。在这个过程中，我们不仅会涉及到前面学过的 OpenResty 知识，我也会从行业、产品、技术选型等多个维度，为你展示下，如何从头做一个新的产品和开源项目。
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## 微服务 API 网关有什么用？
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让我们先来看下微服务 API 网关的作用。下面这张图，是一个简要的说明：
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众所周知，API 网关并非一个新兴的概念，在十几年前就已经存在了，它的作用主要是作为流量的入口，统一处理和业务相关的请求，让请求更加安全、快速和准确地得到处理。它有以下几个传统功能：
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* 反向代理和负载均衡，这和 Nginx 的定位和功能是一致的；
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* 动态上游、动态 SSL 证书和动态限流限速等运行时的动态功能，这是开源版本 Nginx 并不具备的功能；
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* 上游的主动和被动健康检查，以及服务熔断功能；
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* 在 API 网关的基础上进行扩展，成为全生命周期的 API 管理平台。
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在最近几年，业务相关的流量，不再仅仅由PC客户端和浏览器发起，更多的来自手机、IoT 设备等，未来随着 5G 的普及，这些流量会越来越多。同时，随着微服务架构的结构变迁，服务之间的流量也开始爆发性地增长。在这种新的业务场景下，自然也催生了API 网关更多、更高级的功能：
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1. 云原生友好，架构要变得轻巧，便于容器化；
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2. 对接 Prometheus、Zipkin、SkyWalking 等统计、监控组件；
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3. 支持 gRPC 代理，以及 HTTP 到 gRPC 之间的协议转换，把用户的 HTTP 请求转为内部服务的 gRPC 请求；
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4. 承担 OpenID Relying Party 的角色，对接 Auth0、Okta 等身份认证提供商的服务，把流量安全作为头等大事来对待；
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5. 通过运行时动态执行用户函数的方式来实现 Serverless，让网关的边缘节点更加灵活；
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6. 不锁定用户，支持混合云的部署架构；
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7. 最后，网关节点要状态无关，可以随意地扩容和缩容。
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当一个微服务 API 网关具备了上述十几项功能时，就可以让用户的服务只关心业务本身；而和业务实现无关的功能，比如服务发现、服务熔断、身份认证、限流限速、统计、性能分析等，就可以在独立的网关层面来解决。
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从这个角度来看，API 网关既可以替代 Nginx 的所有功能，处理南北向的流量；也可以完成 Istio 控制面和 Envoy 数据面的角色，处理东西向的流量。
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## 为什么要新造轮子？
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正因为微服务 API 网关的地位如此重要，所以它一直处于兵家必争之地，传统的 IT 巨头在这个领域很早就都有布局。根据 2018 年 Gartner 发布的 API 全生命周期报告，谷歌、CA、IBM、红帽、Salesforce 都是处于领导地位的厂商，开发者更熟悉的 Kong 则处于远见者的区间内。
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那么，问题就来了，为什么我们还要新造一个轮子呢？
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简单来说，这是因为当前的微服务 API 网关都不足以满足我们的需求。我们首先来看闭源的商业产品，它们的功能都很完善，覆盖了 API 的设计、多语言 SDK、文档、测试和发布等全生命周期管理，并且提供 SaaS 服务，有些还与公有云做了集成，使用起来非常方便。但同时，它们也带来了两个痛点。
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第一个痛点，平台锁定问题。API 网关是业务流量的入口，它不像图片、视频等 CDN 加速的这种非业务流量可以随意迁移，API 网关上会绑定不少业务相关的逻辑。你一旦使用了闭源的方案，就很难平滑和低成本地迁移到其他平台。
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第二个痛点，无法二次开发的问题。一般的大中型企业都会有自己独特的需求，需要定制开发，但这时候你只能依靠厂商，而不能自己动手去做二次开发。
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这也是为什么开源的 API 网关方案开始流行的一个原因。不过，现有的开源产品也不是万能的，自身也有很多不足。
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第一，依赖 PostgreSQL、MySQL 等关系型数据库。这样，在配置发生变化的时候，网关节点只能轮询数据库。这不仅造成配置生效慢，也给代码增加了复杂度，让人难以理解；同时，数据库也会成为系统的单点和性能瓶颈，无法保证整体的高可用。如果你把 API 网关用于 Kubernetes 环境下，关系型数据库会显得更加笨重，不利于快速伸缩。
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第二，插件不能热加载。当你新增一个插件或者修改现有插件的代码后，必须要重载服务才能生效，这和修改 Nginx 配置后需要重载是一样的，显然会影响用户的请求。
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第三，代码结构复杂， 难以掌握。有些开源项目做了多层面向对象的封装，一些简单的逻辑也变得雾里看花。但其实，对于 API 网关这种场景，直来直去的表达会更加清晰和高效，也更有利于二次开发。
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所以，我们需要一个更轻巧、对云原生和开发友好的 API 网关。当然，我们也不能闭门造车，需要先深入了解已有 API 网关各自的特点，这时候，云原生软件基金会（CNCF）的全景图就是一个很好的参考：
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这张图筛选出了业界常见的 API 网关，以开源的方案为主，可以为我们下面的技术选型提供不少有价值的内容。
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## API 网关的核心组件和概念
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当然，在具体实现之前，我们还需要了解 API 网关有哪些核心组件。根据我们前面提到的 API 网关具备的功能点，它至少需要下面几个组件才能开始运行。
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首先是路由。它通过定义一些规则来匹配客户端的请求，然后根据匹配结果，加载、执行相应的插件，并把请求转发给到指定的上游。这些路由匹配规则可以由 host、uri、请求头等组成，我们熟悉的 Nginx 中的 location，就是路由的一种实现。
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其次是插件。这是 API 网关的灵魂所在，身份认证、限流限速、IP 黑白名单、Prometheus、Zipkin 等这些功能，都是通过插件的方式来实现的。既然是插件，那就需要做到即插即用；并且，插件之间不能互相影响，就像我们搭建乐高积木一样，需要用统一规则的、约定好的开发接口，来和底层进行交互。
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接着是schema。既然是处理 API 的网关，那么少不了要对 API 的格式做校验，比如数据类型、允许的字段内容、必须上传的字段等，这时候就需要有一层 schema 来做统一、独立的定义和检查。
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最后是存储。它用于存放用户的各种配置，并在有变更时负责推送到所有的网关节点。这是底层非常关键的基础组件，它的选型决定了上层的插件如何编写、系统能否保持高可用和可扩展性等，所以需要我们审慎地决定。
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另外，在这些核心组件之上，我们还需要抽象出几个 API 网关的常用概念，它们在不同的 API 网关之间都是通用的。
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先来说说Route。路由会包含三部分内容，即匹配的条件、绑定的插件和上游，如下图所示：
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我们可以直接在 Route 中完成所有的配置，这样最简单。但在 API 和上游很多的情况下，这样做就会有很多重复的配置。这时候，我们就需要 Service 和 Upstream 这两个概念来做一层抽象。
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我们接着来看Service。它是某类 API 的抽象，也可以理解为一组 Route 的抽象，它通常与上游服务是一一对应的，而Route 与 Service 之间通常是 N:1 的关系。我也用了一张图来表示：
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通过 Service 的这层抽象，我们就可以把重复的插件和上游剥离出来。这样，在插件和上游发生变更的时候，我们只需要修改 Service 就可以了，而不用去修改多个 Route 上绑定的数据。
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最后说说Upstream。还是继续上面的示例，如果两个 Route 中的上游是一样的，但是绑定的插件各自不同，那么我们就可以把上游单独抽象出来，如下图所示：
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这样，在上游节点发生变更时，Route 是完全无感知的，它们都在 Upstream 内部进行了处理。
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其实，从这三个主要概念的衍生过程中，我们也可以看到，这几个抽象都基于用户的实际场景，而不是生造出来的。自然，它们适用于所有的 API 网关，和具体的技术方案无关。
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## 写在最后
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今天这节课，我们介绍了微服务 API 网关的作用、功能、核心组件和抽象概念，它们都是 API 网关的基础。
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这里留给你一个思考题：关于传统的南北向流量，和微服务之间的东西向流量，你觉得 API 网关是否都可以处理呢？如果你已经在使用 API 网关了，你也可以写下当初技术选型时的思考。欢迎在留言区和我交流探讨，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友，一起学习和进步。
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