前言
在微服务架构中，API 网关起着不可或缺的重要作用。
网关一词最早出现在网络设备，比如两个相互独立的局域网之间通过路由器进行通信，中间的路由被称之为网关。
任何一个应用系统如果需要被其他系统调用，就需要暴露 API，这些 API 代表着一个一个的功能点。
如果两个系统中间通信，在系统之间加上一个中介者协助 API 的调用，这个中介者就是 API 网关。
当然，API 网关可以放在两个系统之间，同时也可以放在客户端与服务端之间。
简单举个例子，API 相当于是我们获取信息的数据线，而当这样的“数据线”过多时，我们很难对这么多的 API 进行管控。这时候的 API 网关就相当于是一个收纳工具+ 保护套，帮我们把各式各样的 API 进行统一管理，并维护 API 的安全性与稳定性。
然而实际上API网关的功能远远不止上述举例中的那么简单，它要更加强大更高效。今天我们就来详细介绍一下 API 网关与 API 网关的功能。
为何要使用 API 网关
我们知道在微服务架构中，大型服务都被拆分成了独立的微服务，每个微服务通常会以RESTFUL API的形式对外提供服务。但是在UI方面，我们可能需要在一个页面上显示来自不同微服务的数据，此时就会需要一个统一的入口来进行API的调用。上图中我们可以看到，API Gateway就在此场景下充当了多个服务的大门，系统的统一入口，从面向对象设计的角度看，它与外观模式类似，API Gateway封装了系统的内部复杂结构，同时它还可能具有其他API管理/调用的通用功能，如认证，限流，流控等功能。
网关作为系统的唯一入口，也就是说，进入系统的所有请求都需要经过 API 网关。
当系统外部的应用或者客户端访问系统的时候，都会遇到这样的情况：
- 系统要判断它们的权限
- 如果传输协议不一致，需要对协议进行转换
- 如果调用水平扩展的服务，需要做负载均衡
- 一旦请求流量超出系统承受的范围，需要做限流操作
- 针对每个请求以及回复，系统会记录响应的日志
也就是说，只要是涉及到对系统的请求，并且能够从业务中抽离出来的功能，都有可能在网关上实现。
例如：协议转换，负载均衡，请求路由，流量控制等等。后面我们会一一给大家介绍这些功能。
在了解 API 网关有哪些基本功能以后，来看看它可以服务于哪些系统或者客户端。
API 网关服务定位
API 网关拥有处理请求的能力，从定位来看分为 5 类：
①面向 WebApp，这部分的系统以网站和 H5 应用为主。通过前后端分离的设计，将大部分的业务功能都放在了后端，前面的 Web App 只展示页面的内容。
②MobileApp，这里的 Mobile 指的是 iOS 和 Android，设计思路和 WebApp 基本相同。
区别是 API 网关需要做一些移动设备管理的工作（MDM）。例如：设备的注册，激活，使用，淘汰等，全生命周期的管理。
由于移动设备的特殊性，导致了我们在考虑移动设备请求的时候，需要考虑请求，设备，使用者之间的关系。
③面向合作伙伴的 OpenAPI，通常系统会给合作伙伴提供接口。这些接口会全部开放或者部分开发，在有条件限制（时间，流量）的情况下给合作伙伴访问。因此需要更多考虑 API 网关的流量和安全以及协议转换的管理。
④企业内部可扩展 API，给企业内部的其他部门或者项目使用，也可以作为中台输出的一部分，支持其他系统。这里需要更多地考虑划分功能边界，认证和授权问题。
⑤面向 IOT 设备，会接收来自 IOT 设备的请求，特别是工业传感器等设备。这里需要考虑协议转换和数据过滤。
API 网关架构
既然谈了 API 网关的功能和定位，接下来说说它的架构：
API 网关拆分成为 3 个系统：
- Gateway-Core（核心）
- Gateway-Admin（管理）
- Gateway-Monitor（监控）
Gateway-Core 核心网关，负责接收客户端请求，调度、加载和执行组件，将请求路由到上游服务端，并处理其返回的结果。
大多数的功能都在这一层完成，例如：验证，鉴权，负载均衡，协议转换，服务路由，数据缓存。如果没有其他两个子系统，它也是可以单独运行的。
Gateway-Admin 网关管理界面，可以进行 API、组件等系统基础信息的配置；例如：限流的策略，缓存配置，告警设置。
Gateway-Monitor 监控日志、生成各种运维管理报表、自动告警等；管理和监控系统主要是为核心系统服务的，起到支撑的作用。
API 网关技术原理
上面谈到了网关的架构思路，这里谈几点技术原理。平时我们在使用网关的时候，多注重其实现的功能。例如：路由，负载均衡，限流，缓存，日志，发布等等。
实际上这些功能的背后有一些原理我们可以了解，这样在应用功能的时候会更加笃定。下面是几个原理分享给大家。
协议转换
每个系统内部服务之间的调用，可以统一使用一种协议，例如：HTTP，GRPC。
假设每个系统使用的协议不同，那么系统之间的调用或者数据传输，就存在协议转换的问题了。如果解决这个问题呢？API 网关通过泛化调用的方式实现协议之间的转化。
实际上就是将不同的协议转换成“通用协议”，然后再将通用协议转化成本地系统能够识别的协议。
这一转化工作通常在 API 网关完成。通用协议用得比较多的有 JSON，当然也有使用 XML 或者自定义 JSON 文件的。
链式处理
设计模式中有一种责任链模式，它将“处理请求”和“处理步骤”分开。每个处理步骤，只关心这个步骤上需要做的处理操作，处理步骤存在先后顺序。
消息从第一个“处理步骤”流入，从最后一个“处理步骤”流出，每个步骤对经过的消息进行处理，整个过程形成了一个链条。在 API 网关中也用到了类似的模式。
Zuul 网关过滤器链式处理
异步请求
所有的请求通过 API 网关访问应用服务，一旦吞吐量上去了，如何高效地处理这些请求？拿 Zuul 为例，Zuul1 采用：一个线程处理一个请求的方式。线程负责接受请求，然后调用应用返回结果。如果把网络请求看成一次 IO 操作的话，处理请求的线程，从接受请求，到服务返回响应，都是阻塞状态。
同时，如果多个线程都处在这种状态，会导致系统缓慢。因为每个网关能够开启的线程数量是有限的，特别是在访问的高峰期。
每个线程处理一个请求为了解决这个问题，Zuul2 启动了异步请求的机制。每个请求进入网关的时候，会被包装成一个事件，CPU 内核会维持一个监听器，不断轮询“请求事件”。一旦，发现请求事件，就会调用对应的应用。获取应用返回的信息以后，按照请求的要求把数据/文件放到指定的缓冲区，同时发送一个通知事件，告诉请求端数据已经就绪，可以从这个缓冲获取数据/文件。这个过程是异步的，请求的线程不用一直等待数据的返回。它在请求完毕以后，就直接返回了，这时它可以做其他的事情。
当请求数据被 CPU 内核获取，并且发送到指定的数据缓冲区时，请求的线程会接到“数据返回”的通知，然后就直接使用数据，不用自己去做取数据的操作。
API 网关实现功能
说起对 API 网关的使用，我们还是对具体功能更加感兴趣。让我们一起来看看它实现了哪些功能。
负载均衡
当网关后面挂接同一应用的多个副本时，每次用户的请求都会通过网关的负载均衡算法，路由到对应的服务上面。例如：随机算法，权重算法，Hash 算法等等。如果上游服务采取微服务的架构，也可以和注册中心合作实现动态的负载均衡。
当微服务动态挂载（动态扩容）的时候，可以通过服务注册中心获取微服务的注册信息，从而实现负载均衡。
路由选择
这个不言而喻，网关可以根据请求的 URL 地址解析，知道需要访问的服务。再通过路由表把请求路由到目标服务上去。
有时候因为网络原因，服务可能会暂时的不可用，这个时候我们希望可以再次对服务进行重试。
流量控制
限流是 API 网关常用的功能之一，当上游服务超出请求承载范围，或者服务因为某种原因无法正常使用，都会导致服务处理能力下滑。这个时候，API 网关作为“看门人”，就可以限制流入的请求，让应用服务器免受冲击。
限流实际上就是限制流入请求的数量，其算法不少，有令牌桶算法，漏桶算法，连接数限制等等。这里我们就介绍三个常用的，一般通过 Nginx+Lua 来实现。
统一鉴权
访问应用服务器的请求都需要拥有一定权限，如果说每访问一个服务都需要验证一次权限，这个对效率是很大的影响。可以把权限认证放到 API 网关来进行。目前比较常见的做法是，用户通过登录服务获取 Token，把它存放到客户端，在每次请求的时候把这个 Token 放入请求头，一起发送给服务器。API 网关要做的事情就是解析这个 Token，知道访问者是谁（鉴定），他能做什么/访问什么（权限）。说白了就是看访问者能够访问哪些 URL，这里根据权限/角色定义一个访问列表。如果要实现多个系统的 OSS（Single Sign On 单点登录），API 网关需要和 CAS（Central Authentication Service 中心鉴权服务）做连接，来确定请求者的身份和权限。
熔断降级
在实际生产中，一些服务很有可能因为某些原因发生故障而不可用，比如服务内部错误、网络延迟等，如果放任故障服务不管，可能会因为级联故障导致雪崩效应，使得整个系统瘫痪。为此，我们需要对不可用服务的调用快速失败。
当某服务在短时间内多次发生调用失败，服务消费方的断路器会被断开。开路的断路器就像电路跳闸一样，阻止消费方向故障服务发送请求，直接返回失败或者执行消费方的降级逻辑。断路器通常在一定时间后关闭，在这期间可以为底层服务提供足够的空间来恢复。
当应用服务出现异常，不能继续提供服务的时候，也就是说应用服务不可用了。作为 API 网关需要做出处理，把请求导入到其他服务上。或者对服务进行降级处理，例如：用兜底的服务数据返回客户端，或者提示服务暂时不可用。同时通过服务注册中心，监听存在问题的服务，一旦服务恢复，随即恢复路由请求到该服务。
例如：Zuul 中提供了 ZuulFallbackProvider 接口来实现熔断，它提供两个方法，一个指明熔断拦截的服务 getRoute，一个指定返回内容 ClientHttpResponse。
public interface ZuulFallbackProvider {
/**
* The route this fallback will be used for.
* @return The route the fallback will be used for.
*/
public String getRoute();
/**
* Provides a fallback response.
* @return The fallback response.
*/
public ClientHttpResponsefallbackResponse();
}
我们通过自定义的 Fallback 方法，并且将其指定给某个 Route 来实现该 Route 访问出问题的熔断处理。
主要继承 ZuulFallbackProvider 接口来实现，ZuulFallbackProvider 默认有两个方法，一个用来指明熔断拦截哪个服务，一个定制返回内容。
发布测试
在发布版本的时候会采用：金丝雀发布和蓝绿发布。作为 API 网关可以使用路由选择和流量切换来协助上述行为。这里以金丝雀发布为例，看看 API 网关如何做路由转换的。
假设将 4 个服务从 V1 更新到 V2 版本，这 4 个服务的流量请求由 1 个 API 网关管理。
那么先将一台服务与 API 网关断开，部署 V2 版本的服务，然后 API 网关再将流量导入到 V2 版本的服务上。
这里流量的导入可以是逐步进行的，一旦 V2 版本的服务趋于稳定。再如法炮制，将其他服务替换成 V2 版本。
金丝雀发布一般先发 1 台，或者一个小比例，例如 2% 的服务器，主要做流量验证用，也称为金丝雀（Canary）测试（灰度测试）。
其来历是，旷工下矿洞前，先放一只金丝雀探查是否有毒气，金丝雀发布由此得名。
金丝雀测试需要完善的监控设施配合，通过监控指标反馈，观察金丝雀的健康状况，作为后续发布或回滚的依据。
如果金丝测试通过，则把剩余的 V1 版本全部升级为 V2 版本。如果金丝雀测试失败，则直接回退金丝雀，发布失败。
缓存数据
我们可以在 API 网关缓存一些修改频率不高的数据。例如：用户信息，配置信息，通过服务定期刷新这个缓存就行了：
- 用户请求先访问 API 网关，如果发现有缓存信息，直接返回给用户。
- 如果没有发现缓存信息，回源到应用服务器获取信息。
- 另外，有一个缓存更新服务，定期把应用服务器中的信息更新到网关本地缓存中。
日志记录
通过 API 网关上的过滤器我们可以加入日志服务，记录请求和返回信息。同时可以建立一个管理员的界面去监控这些数据。
日志服务简图日志记录了以后，可以做很多功能扩展。我们整理了以下几点供大家参考：
- 报表分析：针对服务访问情况，提供可视化展示。
- 实时查询：了解实时关键信息，例如：吞吐量，并发数。在秒杀活动的时候，会特别关注。
- 异常告警：针对关键参数进行监控，对于统计结果支持阈值报警，对接阿里云通知中心、短信、钉钉进行告警。
- 日志投递：将日志进行归档，存放到文件库或者数据仓库中，以便后期分析。
总结
API 网关是系统内外通讯的中介者。从定位上来说它服务 WebApp，MobileApp，合作伙伴 OpenAPI，企业内部可扩展 API，以及 IOT 设备。从架构设计角度来说，分为 Gateway-Core（核心）、Gateway-Admin（管理）、Gateway-Monitor（监控）三部分。API 网关需要注意的技术原理有，协议转换，链式处理以及异步请求。它的应用比较广泛，例如：负载均衡，路由选择，流量控制，统一鉴权，熔断降级，发布测试，缓存数据，日志记录等。比较流行的开源 API网关有 Kong，Traefik，Ambassador，Zuul。从使用上来说他们各有千秋，可以根据项目的情况选取。