架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?

目录

一、概述

二、高性能网关核心设计

2.1. 异步流程设计

2.2. 流式转发&单线程

2.3 其他优化

三、网关业务形态

四、网关治理

4.1 多协议兼容

4.2 路由模块

4.3 模块编排

五、总结


一、概述

类似于许多企业的做法,携程 API 网关是伴随着微服务架构一同引入的基础设施,其最初版本于 2014 年发布。随着服务化在公司内的迅速推进,网关逐步成为应用程序暴露在外网的标准解决方案。后续的“ALL IN 无线”、国际化、异地多活等项目,网关都随着公司公共业务与基础架构的共同演进而不断发展。截至 2021 年 7 月,整体接入服务数量超过 3000 个,日均处理流量达到 200 亿。

在技术方案方面,公司微服务的早期发展深受 NetflixOSS 的影响,网关部分最早也是参考了 Zuul 1.0 进行的二次开发,其核心可以总结为以下四点:

  • server端:Tomcat NIO + AsyncServlet

  • 业务流程:独立线程池,分阶段的责任链模式

  • client端:Apache HttpClient,同步调用

  • 核心组件:Archaius(动态配置客户端),Hystrix(熔断限流),Groovy(热更新支持)架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?_第1张图片

众所周知,同步调用会阻塞线程,系统的吞吐能力受 IO 影响较大。

作为行业的领先者,Zuul 在设计时已经考虑到了这个问题:通过引入 Hystrix,实现资源隔离和限流,将故障(慢 IO)限制在一定范围内;结合熔断策略,可以提前释放部分线程资源;最终达到局部异常不会影响整体的目标。

然而,随着公司业务的不断发展,上述策略的效果逐渐减弱,主要原因有两方面:

  • 业务出海:网关作为海外接入层,部分流量需要转回国内,慢 IO 成为常态

  • 服务规模增长:局部异常成为常态,加上微服务异常扩散的特性,线程池可能长期处于亚健康状态

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全异步改造是携程 API 网关近年来的一项核心工作,本文也将围绕此展开,探讨我们在网关方面的工作与实践经验。

重点包括:性能优化、业务形态、技术架构、治理经验等。

二、高性能网关核心设计

2.1. 异步流程设计

全异步 = server端异步 + 业务流程异步 + client端异步

对于server与client端,我们采用了 Netty 框架,其 NIO/Epoll + Eventloop 的本质就是事件驱动的设计。

我们改造的核心部分是将业务流程进行异步化,常见的异步场景有:

  • 业务 IO 事件:例如请求校验、身份验证,涉及远程调用

  • 自身 IO 事件:例如读取到了报文的前 xx 字节

  • 请求转发:包括 TCP 连接,HTTP 请求

从经验上看,异步编程在设计和读写方面相比同步会稍微困难一些,主要包括:

  • 流程设计&状态转换

  • 异常处理,包括常规异常与超时

  • 上下文传递,包括业务上下文与trace log

  • 线程调度

  • 流量控制

特别是在Netty上下文内,如果对 ByteBuf 的生命周期设计不完善,很容易导致内存泄漏。

围绕这些问题,我们设计了对应外围框架,最大努力对业务代码抹平同步/异步差异,方便开发;同时默认兜底与容错,保证程序整体安全。

在工具方面,我们使用了 RxJava,其主要流程如下图所示。架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?_第3张图片

  • Maybe

  • RxJava 的内置容器类,表示正常结束、有且仅有一个对象返回、异常三种状态

  • 响应式,便于整体状态机设计,自带异常处理、超时、线程调度等封装

  • Maybe.empty()/Maybe.just(T),适用同步场景

  • 工具类RxJavaPlugins,方便切面逻辑封装

  • Filter

  • 代表一块独立的业务逻辑,同步&异步业务统一接口,返回Maybe

  • 异步场景(如远程调用)统一封装,如涉及线程切换,通过maybe.obesrveOn(eventloop)切回

  • 异步filter默认增加超时,并按弱依赖处理,忽略错误

public interface Processor {    
    ProcessorType getType();
    
    int getOrder();
    
    boolean shouldProcess(RequestContext context);
    
    //对外统一封装为Maybe    
    Maybe process(RequestContext context) throws Exception; 
}
public abstract class AbstractProcessor implements Processor { 
    //同步&无响应,继承此方法 
    //场景:常规业务处理 
    protected void processSync(RequestContext context) throws Exception {}


    //同步&有响应,继承此方法,健康检测
    //场景:健康检测、未通过校验时的静态响应
    protected T processSyncAndGetReponse(RequestContext context) throws Exception {
        process(context);
        return null;
    };


    //异步,继承此方法
    //场景:认证、鉴权等涉及远程调用的模块
    protected Maybe processAsync(RequestContext context) throws Exception 
    {
        T response = processSyncAndGetReponse(context);
        if (response == null) {
            return Maybe.empty();
        } else {
            return Maybe.just(response);
        }
    };


    @Override
    public Maybe process(RequestContext context) throws Exception {
        Maybe maybe = processAsync(context);
        if (maybe instanceof ScalarCallable) {
            //标识同步方法,无需额外封装
            return maybe;
        } else {
            //统一加超时,默认忽略错误
            return maybe.timeout(getAsyncTimeout(context), TimeUnit.MILLISECONDS,
                                 Schedulers.from(context.getEventloop()), timeoutFallback(context));
        }
    }


    protected long getAsyncTimeout(RequestContext context) {
        return 2000;
    }


    protected Maybe timeoutFallback(RequestContext context) {
        return Maybe.empty();
    }
}
  • 整体流程

  • 沿用责任链的设计,分为inbound、outbound、error、log四阶段

  • 各阶段由一或多个filter组成

  • filter顺序执行,遇到异常则中断,inbound期间任意filter返回response也触发中断

public class RxUtil{
    //组合某阶段(如Inbound)内的多个filter(即Callable>)
    public static  Maybe concat(Iterable>> iterable) {
        Iterator>> sources = iterable.iterator();
        while (sources.hasNext()) {
            Maybe maybe;
            try {
                maybe = sources.next().call();
            } catch (Exception e) {
                return Maybe.error(e);
            }
            if (maybe != null) {
                if (maybe instanceof ScalarCallable) {
                    //同步方法
                    T response = ((ScalarCallable)maybe).call();
                    if (response != null) {
                        //有response,中断
                        return maybe;
                    }
                } else {
                    //异步方法
                    if (sources.hasNext()) {
                        //将sources传入回调,后续filter重复此逻辑
                        return new ConcattedMaybe(maybe, sources);
                    } else {
                        return maybe;
                    }
                }
            }
        }
        return Maybe.empty();
    }
}
public class ProcessEngine{
    //各个阶段,增加默认超时与错误处理
    private void process(RequestContext context) {
        List>> inboundTask = get(ProcessorType.INBOUND, context);
        List>> outboundTask = get(ProcessorType.OUTBOUND, context);
        List>> errorTask = get(ProcessorType.ERROR, context);
        List>> logTask = get(ProcessorType.LOG, context);

        RxUtil.concat(inboundTask)    //inbound阶段                    
            .toSingle()        //获取response                          
            .flatMapMaybe(response -> {
                context.setOriginResponse(response);
                return RxUtil.concat(outboundTask);
            })            //进入outbound
            .onErrorResumeNext(e -> {
                context.setThrowable(e);
                return RxUtil.concat(errorTask).flatMap(response -> {
                    context.resetResponse(response);
                    return RxUtil.concat(outboundTask);
                });
            })            //异常则进入error,并重新进入outbound
            .flatMap(response -> RxUtil.concat(logTask))  //日志阶段
            .timeout(asyncTimeout.get(), TimeUnit.MILLISECONDS, Schedulers.from(context.getEventloop()),
                     Maybe.error(new ServerException(500, "Async-Timeout-Processing"))
                    )            //全局兜底超时
            .subscribe(        //释放资源
            unused -> {
                logger.error("this should not happen, " + context);
                context.release();
            },
            e -> {
                logger.error("this should not happen, " + context, e);
                context.release();
            },
            () -> context.release()
        );
    }   
}

2.2. 流式转发&单线程

以HTTP为例,报文可划分为initial line/header/body三个组成部分架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?_第4张图片

在携程,网关层业务不涉及请求体body。

因为无需全量存,所以解析完请求头header后可直接进入业务流程。

同时,如果收到请求体body部分:

①若已向upstream转发请求,则直接转发;

②否则,需要将其暂时存储,等待业务流程处理完毕后,再将其与initial line/header一并发送;

③对upstream端响应的处理方式亦然。

对比完整解析HTTP报文的方式,这样处理:

  • 更早进入业务流程,意味着upstream更早接收到请求,可以有效地降低网关层引入的延迟

  • body生命周期被压缩,可降低网关自身的内存开销

尽管性能有所提升,但流式处理也大大增加了整个流程的复杂性。

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在非流式场景下,Netty Server端编解码、入向业务逻辑、Netty Client端的编解码、出向业务逻辑,各个子流程相互独立,各自处理完整的HTTP对象。而采用流式处理后,请求可能同时处于多个流程中,这带来了以下三个挑战:

  • 线程安全问题:如果各个流程使用不同的线程,那么可能会涉及到上下文的并发修改;

  • 多阶段联动:比如Netty Server请求接收一半遇到了连接中断,此时已经连上了upstream,那么upstream侧的协议栈是走不完的,也必须随之关闭连接;

  • 边缘场景处理:比如upstream在请求未完整发送情况下返回了404/413,是选择继续发送、走完协议栈、让连接能够复用,还是选择提前终止流程,节约资源,但同时放弃连接?再比如,upstream已收到请求但未响应,此时Netty Server突然断开,Netty Client是否也要随之断开?等等。

为了应对这些挑战,我们采用了单线程的方式,核心设计包括:

  • 上线文绑定Eventloop,Netty Server/业务流程/Netty Client在同个eventloop执行;

  • 异步filter如因IO库的关系,必须使用独立线程池,那在后置处理上必须切回;

  • 流程内资源做必要的线程隔离(如连接池);

单线程方式避免了并发问题,在处理多阶段联动、边缘场景问题时,整个系统处于确定的状态下,有效降低了开发难度和风险;此外,减少线程切换,也能在一定程度上提升性能。然而,由于 worker 线程数较少(一般等于 CPU 核数),eventloop 内必须完全避免 IO 操作,否则将对系统的吞吐量造成重大影响。

2.3 其他优化

  • 内部变量懒加载

对于请求的 cookie/query 等字段,如果没有必要,不提前进行字符串解析

  • 堆外内存&零拷贝

结合前文的流式转发设计,进一步减少系统内存占用。

  • ZGC

由于项目升级到 TLSv1.3,引入了 JDK11(JDK8 支持较晚,8u261 版本,2020.7.14),同时也尝试了新一代的垃圾回收算法,其实际表现确实如人们所期待的那样出色。尽管 CPU 占用有所增加,但整体 GC 耗时下降非常显著。

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  • 定制的HTTP编解码

由于 HTTP 协议的历史悠久及其开放性,产生了很多“不良实践”,轻则影响请求成功率,重则对网站安全构成威胁。

  • 流量治理

对于请求体过大(413)、URI 过长(414)、非 ASCII 字符(400)等问题,一般的 Web 服务器会选择直接拒绝并返回相应的状态码。由于这类问题跳过了业务流程,因此在统计、服务定位和故障排查方面会带来一些麻烦。通过扩展编解码,让问题请求也能完成路由流程,有助于解决非标准流量的管理问题。

  • 请求过滤

例如 request smuggling(Netty 4.1.61.Final 修复,2021.3.30 发布)。通过扩展编解码,增加自定义校验逻辑,可以让安全补丁更快地得以应用。

三、网关业务形态

作为独立的、统一的入向流量收口点,网关对企业的价值主要展现在三个方面:

  • 解耦不同网络环境:典型场景包括内网&外网、生产环境&办公区、IDC内部不同安全域、专线等;

  • 天然的公共业务切面:包括安全&认证&反爬、路由&灰度、限流&熔断&降级、监控&告警&排障等;

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  • 高效、灵活的流量控制

这里展开讲几个细分场景:

  • 私有协议

在收口的客户端(APP)中,框架层会拦截用户发起的 HTTP 请求,通过私有协议(SOTP)的方式传送到服务端。

选址方面:①通过服务端分配 IP,防止 DNS 劫持;②进行连接预热;③采用自定义的选址策略,可以根据网络状况、环境等因素自行切换。

交互方式上:①采用更轻量的协议体;②统一进行加密与压缩与多路复用;③在入口处由网关统一转换协议,对业务无影响。

  • 链路优化

关键在于引入接入层,让远程用户就近访问,解决握手开销过大的问题。同时,由于接入层与 IDC 两端都是可控的,因此在网络链路选择、协议交互模式等方面都有更大的优化空间。

  • 异地多活

与按比例分配、就近访问策略等不同,在异地多活模式下,网关(接入层)需要根据业务维度的 shardingKey 进行分流(如 userId),防止底层数据冲突。架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?_第10张图片

四、网关治理

下所示的图表概括了网上网关的工作状态。纵向对应我们的业务流程:各种渠道(如 APP、H5、小程序、供应商)和各种协议(如 HTTP、SOTP)的流量通过负载均衡分配到网关,通过一系列业务逻辑处理后,最终被转发到后端服务。经过第二章的改进后,横向业务在性能和稳定性方面都得到了显著提升。架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?_第11张图片

另一方面,由于多渠道/协议的存在,网上网关根据业务进行了独立集群的部署。早期,业务差异(如路由数据、功能模块)通过独立的代码分支进行管理,但是随着分支数量的增加,整体运维的复杂性也在不断提高。在系统设计中,复杂性通常也意味着风险。因此,如何对多协议、多角色的网关进行统一管理,如何以较低的成本快速为新业务构建定制化的网关,成为了我们下一阶段的工作重点。

解决方案已经在图中直观地呈现出来,一是在协议上进行兼容处理,使网上代码在一个框架下运行;二是引入控制面,对网上网关的差异特性进行统一管理。

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4.1 多协议兼容

多协议兼容的方法并不新颖,可以参考 Tomcat 对 HTTP/1.0、HTTP/1.1、HTTP/2.0 的抽象处理。尽管 HTTP 在各个版本中增加了许多新特性,但在进行业务开发时,我们通常无法感知到这些变化,关键在于 HttpServletRequest 接口的抽象。

在携程,网上网关处理的都是请求 - 响应模式的无状态协议,报文结构也可以划分为元数据、扩展头、业务报文三部分,因此可以方便地进行类似的尝试。相关工作可以用以下两点来概括:

  • 协议适配层:用于屏蔽不同协议的编解码、交互模式、对 TCP 连接的处理等

  • 定义通用中间模型与接口:业务面向中间模型与接口进行编程,更好地关注到协议对应的业务属性上架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?_第13张图片

4.2 路由模块

路由模块是控制面的两个主要组成部分之一,除了管理网关与服务之间的映射关系外,服务本身可以用以下模型来概括:

{
    //匹配方式
    "type": "uri",

    //HTTP默认采用uri前缀匹配,内部通过树结构寻址;私有协议(SOTP)通过服务唯一标识定位。
    "value": "/hotel/order",
    "matcherType": "prefix",

    //标签与属性
    //用于portal端权限管理、切面逻辑运行(如按核心/非核心)等
    "tags": [
        "owner_admin",
        "org_framework",
        "appId_123456"
    ],
    "properties": {
        "core": "true"
    },

    //endpoint信息
    "routes": [{
        //condition用于二级路由,如按app版本划分、按query重分配等
        "condition": "true",
        "conditionParam": {},
        "zone": "PRO",

        //具体服务地址,权重用于灰度场景
        "targets": [{
            "url": "http://test.ctrip.com/hotel",
            "weight": 100
        }
                   ]
    }]
}

4.3 模块编排

模块调度是控制面的另一个关键组成部分。我们在网关处理流程中设置了多个阶段(图中用粉色表示)。除了熔断、限流、日志等通用功能外,运行时,不同网关需要执行的业务功能由控制面统一分配。这些功能在网关内部有独立的代码模块,而控制面则额外定义了这些功能对应的执行条件、参数、灰度比例和错误处理方式等。这种调度方式也在一定程度上保证了模块之间的解耦。架构设计内容分享(四十四):日流量200亿,携程网关的架构设计?_第14张图片

{
    //模块名称,对应网关内部某个具体模块
    "name": "addResponseHeader",

    //执行阶段
    "stage": "PRE_RESPONSE",

    //执行顺序
    "ruleOrder": 0,

    //灰度比例
    "grayRatio": 100,

    //执行条件
    "condition": "true",
    "conditionParam": {},

    //执行参数
    //大量${}形式的内置模板,用于获取运行时数据
    "actionParam": {
        "connection": "keep-alive",
        "x-service-call": "${request.func.remoteCost}",
        "Access-Control-Expose-Headers": "x-service-call",
        "x-gate-root-id": "${func.catRootMessageId}"
    },

    //异常处理方式,可以抛出或忽略
    "exceptionHandle": "return"
}

五、总结

网关在各种技术交流平台上一直是备受关注的话题,有很多成熟的解决方案:易于上手且发展较早的 Zuul 1.0、高性能的 Nginx、集成度高的 Spring Cloud Gateway、日益流行的 Istio 等等。

最终的选型还是取决于各公司的业务背景和技术生态。

因此,在携程,我们选择了自主研发的道路。

技术在不断发展,我们也在持续探索,包括公共网关与业务网关的关系、新协议(如 HTTP3)的应用、与 ServiceMesh 的关联等等。

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