说在前面
在40岁老架构师 尼恩的读者社区(50+)中,很多小伙伴拿到一线互联网企业如阿里、网易、有赞、希音、百度、滴滴的面试资格。
就在昨天,尼恩指导一个小伙伴简历,写了一个《高并发 Netty网关项目》,此项目帮这个小伙拿到 字节/阿里/微博/汽车之家 面邀, 所以说,这是一个牛逼的项目。
为了帮助大家拿到更多面试机会,拿到更多大厂offer,尼恩决定:9月份給大家出一章视频,来介绍这个项目的架构和实操,也就是《33章: 10Wqps 高并发 Netty网关架构与实操》,预计月底发布。并且提供一对一的简历指导,保证简历金光闪闪、脱胎换骨。
海报如下:
配合尼恩的视频, 会梳理几个工业级、生产级网关案例,作为架构素材、设计的素材。
此文,就是携程网关的架构设计。就是一个非常 牛逼的工业级、生产级网关案例。
日流量200亿,携程网关的架构设计
方案的作者:Butters,携程软件技术专家,专注于网络架构、API网关、负载均衡、Service Mesh等领域。
《尼恩 架构笔记》《尼恩高并发三部曲》《尼恩Java面试宝典》的PDF,请到公号【技术自由圈】获取
文章目录
- 说在前面
- 日流量200亿,携程网关的架构设计
- 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
- 说在最后:有问题可以找老架构取经
- 推荐阅读
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)
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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
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。
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- 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<T> {
ProcessorType getType();
int getOrder();
boolean shouldProcess(RequestContext context);
//对外统一封装为Maybe
Maybe<T> 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<T> processAsync(RequestContext context) throws Exception
{
T response = processSyncAndGetReponse(context);
if (response == null) {
return Maybe.empty();
} else {
return Maybe.just(response);
}
};
@Override
public Maybe<T> process(RequestContext context) throws Exception {
Maybe<T> 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<T> 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<Maybe<T>>)
public static <T> Maybe<T> concat(Iterable<? extends Callable<Maybe<T>>> iterable) {
Iterator<? extends Callable<Maybe<T>>> sources = iterable.iterator();
while (sources.hasNext()) {
Maybe<T> 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<T>)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<Callable<Maybe<Response>>> inboundTask = get(ProcessorType.INBOUND, context);
List<Callable<Maybe<Void>>> outboundTask = get(ProcessorType.OUTBOUND, context);
List<Callable<Maybe<Response>>> errorTask = get(ProcessorType.ERROR, context);
List<Callable<Maybe<Void>>> 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。
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。
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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。
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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。
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
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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。
注意:请点击图像以查看清晰的视图!
{
//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。
说在最后:有问题可以找老架构取经
架构之路,充满了坎坷
架构和高级开发不一样 , 架构问题是open/开放式的,架构问题是没有标准答案的
正由于这样,很多小伙伴,尽管耗费很多精力,耗费很多金钱,但是,遗憾的是,一生都没有完成架构升级。
所以,在架构升级/转型过程中,确实找不到有效的方案,可以来找40岁老架构尼恩求助.
前段时间一个小伙伴,他是跨专业来做Java,现在面临转架构的难题,但是经过尼恩几轮指导,顺利拿到了Java架构师+大数据架构师offer 。所以,如果遇到职业不顺,找老架构师帮忙一下,就顺利多了。
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