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API 網(wǎng)關(guān)是什么？它有什么作用？為什么我們需要它？今天我們就來一起聊一聊。

一、定義 

在維基百科中，網(wǎng)關(guān)的定義是這樣的：

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)（英語：Gateway）是轉(zhuǎn)發(fā)其他服務(wù)器通信數(shù)據(jù)的服務(wù)器，接收從客戶端發(fā)送來的請求時，它就像自己擁有資源的源服務(wù)器一樣對請求進(jìn)行處理。有時客戶端可能都不會察覺，自己的通信目標(biāo)是一個網(wǎng)關(guān)。

從定義可以看出，網(wǎng)關(guān)也是一組服務(wù)器，它位于客戶端和服務(wù)器之間，是客戶端請求進(jìn)入服務(wù)器的唯一入口，如下圖，API 網(wǎng)關(guān)提供 幾個重要的功能：

• 身份驗(yàn)證和安全策略實(shí)施；
• 負(fù)載均衡和斷路；
• 協(xié)議轉(zhuǎn)換和服務(wù)發(fā)現(xiàn)；
• 監(jiān)控、日志記錄、分析和計(jì)費(fèi)；
• 緩存；

二、典型流程分析

下面我們通過客戶端向服務(wù)器發(fā)起一個HTTP請求這個經(jīng)典的流程來講解API網(wǎng)關(guān)及其重要的功能。

第一步：客戶端向 API 網(wǎng)關(guān)發(fā)送請求

客戶端向服務(wù)器發(fā)起一個請求，該請求通常是基于 HTTP協(xié)議，它可以是 REST、GraphQL 或其他一些更高級別的抽象。如下圖：

第二步：API 網(wǎng)關(guān)驗(yàn)證 HTTP 請求

API網(wǎng)關(guān)收到客戶端的請求后，會對 HTTP請求中的參數(shù)等進(jìn)行校驗(yàn)，如下圖：

第三步：IP 黑白名單校驗(yàn)

為了安全，可以在API網(wǎng)關(guān)設(shè)置IP黑白單，標(biāo)志允許和不允許訪問服務(wù)器的IP，API 網(wǎng)關(guān)根據(jù) IP黑白列表來允許和拒絕調(diào)用者的IP地址。如下圖：

同時，API網(wǎng)關(guān)還可以針對IP 地址和 HTTP標(biāo)頭等屬性執(zhí)行基本的速率限制檢查。例如，它可以拒絕來自超過一定速率的 IP地址的請求。如下圖：

第四步：身份驗(yàn)證和授權(quán)

API 網(wǎng)關(guān)將 HTTP請求傳遞給身份提供商以進(jìn)行身份驗(yàn)證和授權(quán)。API 網(wǎng)關(guān)從提供商處接收經(jīng)過身份驗(yàn)證的會話，其中包含允許請求執(zhí)行的操作范圍。如下圖：

認(rèn)證是驗(yàn)證用戶或客戶端身份的過程，用于確認(rèn)一個實(shí)體是否為其所聲稱的那個實(shí)體。在API的上下文中，這意味著確保請求方是合法的用戶或客戶端，并且有權(quán)訪問所請求的資源或服務(wù)。

常見的認(rèn)證方式包括：

• 基本認(rèn)證（Basic Authentication）：客戶端在請求頭中使用Base64編碼的用戶名和密碼進(jìn)行認(rèn)證。雖然簡單易用，但不是最安全的認(rèn)證方法，因?yàn)閼{據(jù)會以明文形式在請求中傳輸，容易被攔截和解碼。
• 令牌認(rèn)證（Token Authentication）：客戶端在請求頭中使用特定的令牌（Token）進(jìn)行認(rèn)證。令牌通常由身份驗(yàn)證后的服務(wù)頒發(fā)給客戶端，有效期有限，并且在每次請求中傳遞。相對于基本認(rèn)證，令牌認(rèn)證更安全，因?yàn)榱钆仆ǔ２话舾行畔ⅲ铱梢酝ㄟ^HTTPS加密進(jìn)行傳輸。
• OAuth認(rèn)證：OAuth是一種用于授權(quán)的開放標(biāo)準(zhǔn)。它允許用戶授權(quán)第三方應(yīng)用訪問他們存儲在另一個服務(wù)提供者上的資源，而無需提供他們的登錄憑據(jù)。OAuth通常用于允許用戶通過第三方身份驗(yàn)證進(jìn)行訪問。

授權(quán)是在認(rèn)證成功后，決定用戶或客戶端是否有權(quán)訪問特定資源或執(zhí)行特定操作的過程。它定義了用戶在系統(tǒng)中的權(quán)限和角色，并根據(jù)這些權(quán)限來限制對資源的訪問。

常見的授權(quán)方式包括：

• 角色-Based授權(quán)（Role-Based Authorization）：在角色-Based授權(quán)中，用戶被分配到不同的角色，每個角色有不同的權(quán)限。例如，管理員角色可能有權(quán)訪問所有資源，而普通用戶角色可能只有限制的權(quán)限。
• 資源-Based授權(quán)（Resource-Based Authorization）：在資源-Based授權(quán)中，訪問權(quán)限是直接授予特定資源的，而不是基于角色。每個資源都可以定義其自己的權(quán)限規(guī)則，決定哪些用戶或角色可以訪問它。
• 訪問令牌（Access Token）：在OAuth認(rèn)證中，訪問令牌是用于授權(quán)的重要組成部分。訪問令牌包含有關(guān)用戶或客戶端的授權(quán)信息，以及所被授權(quán)訪問的資源和權(quán)限。

綜合來說，認(rèn)證用于確認(rèn)用戶或客戶端的身份，而授權(quán)用于確定用戶或客戶端是否有權(quán)訪問特定資源或執(zhí)行特定操作。這兩個步驟共同確保只有合法且有權(quán)訪問的用戶或客戶端可以使用API，并保護(hù)系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。在API網(wǎng)關(guān)中，認(rèn)證和授權(quán)是非常重要的功能，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懙秸麄€系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)的保護(hù)。

第五步：流量控制和限流

客戶端請求的身份驗(yàn)證通過后，API網(wǎng)關(guān)可以做更高級別的流量控制和限流。如下圖：

流量控制和限流是在API網(wǎng)關(guān)中用于管理和控制請求流量的重要概念。它們有助于維護(hù)后端服務(wù)的穩(wěn)定性，防止過載，并提供更好的性能和可靠性。下面詳細(xì)解釋這兩個概念：

流量控制（Rate Limiting）是指對請求的速率進(jìn)行控制，以限制客戶端對API的請求頻率。這個過程可以確保后端服務(wù)不會受到過多請求的壓力，避免服務(wù)器資源過度消耗，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或響應(yīng)緩慢。常見的流量控制方法包括：

• 固定窗口計(jì)數(shù)器（Fixed Window Counter）：在固定時間窗口內(nèi)（例如每分鐘），對每個客戶端或API密鑰的請求計(jì)數(shù)。超過預(yù)設(shè)的請求數(shù)量限制時，拒絕額外的請求或延遲響應(yīng)。
• 滑動窗口計(jì)數(shù)器（Sliding Window Counter）：類似于固定窗口計(jì)數(shù)器，但窗口是滑動的，允許更靈活地控制請求速率。
• 令牌桶算法（Token Bucket Algorithm）：通過將令牌存放在桶中來控制請求速率。每個令牌代表一個請求，桶有一個固定容量。每當(dāng)有請求時，一個令牌將被消耗，當(dāng)桶中沒有令牌時，則限制進(jìn)一步的請求。

限流（Rate Limiting）是指在特定時間段內(nèi)，對請求的數(shù)量或速率進(jìn)行限制，防止請求超出系統(tǒng)的處理能力。與流量控制不同，限流不會拒絕額外的請求，而是將多余的請求暫時放置在隊(duì)列中，等待后續(xù)處理。常見的限流方法包括：

• 漏桶算法（Leaky Bucket Algorithm）：漏桶算法維護(hù)一個固定容量的桶，所有的請求都被放入這個桶中。然后，請求按照固定的速率從桶中流出。如果請求過多，超過桶的容量，那么多余的請求將會被緩存或丟棄。
• 令牌桶算法（Token Bucket Algorithm）：除了作為流量控制的方法，令牌桶算法也可以用于限流。與流量控制類似，多余的請求將被放置在桶中等待處理。

流量控制和限流是保護(hù)后端服務(wù)免受過多請求的有效手段。通過合理設(shè)置請求速率限制，可以平衡客戶端和服務(wù)端的交互，確保服務(wù)的可用性和穩(wěn)定性。在API網(wǎng)關(guān)中，流量控制和限流通常與認(rèn)證、授權(quán)和其他安全措施一起使用，共同構(gòu)成了一個安全、高效的API管理解決方案。

第六步：匹配后端服務(wù)器

當(dāng)HTTP驗(yàn)證通過之后，API 網(wǎng)關(guān)通過路徑匹配找到適當(dāng)?shù)暮蠖朔?wù)來處理請求。如下圖：

第七步：動態(tài)路由

匹配到對應(yīng)到服務(wù)器之后，則需要將請求動態(tài)路由到任意一臺匹配到的服務(wù)器。如下圖：

第8步：協(xié)議轉(zhuǎn)換

因?yàn)橛行┕驹谑褂梦⒎?wù)，微服務(wù)間使用了 RPC協(xié)議，所以在API網(wǎng)關(guān)，需要把HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的RPC協(xié)議。如下圖：

當(dāng)后端服務(wù)處理完請求后會將響應(yīng)返回給 API網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)會將響應(yīng)轉(zhuǎn)換回HTTP協(xié)議，并將響應(yīng)返回給客戶端。API網(wǎng)關(guān)還 提供其他關(guān)鍵服務(wù)。例如，API網(wǎng)關(guān)應(yīng)跟蹤錯誤，提供斷路功能以防止服務(wù)過載。API 網(wǎng)關(guān)還應(yīng)該提供日志記錄、監(jiān)控和分析服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)操作可觀察性。

監(jiān)視（Monitoring）和日志記錄（Logging）是在API網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可觀察性和故障排查的關(guān)鍵組成部分。它們幫助開發(fā)人員和系統(tǒng)管理員實(shí)時跟蹤API的使用情況、性能指標(biāo)和錯誤信息，從而更好地了解系統(tǒng)的健康狀況，快速發(fā)現(xiàn)并解決問題。下面詳細(xì)解釋這兩個概念：

監(jiān)視（Monitoring）是指對API網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)中的各種指標(biāo)和性能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時收集、分析和展示的過程。通過監(jiān)視，我們可以了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、負(fù)載情況以及資源使用情況，以便及時采取措施預(yù)防或解決潛在的問題。常見的監(jiān)視指標(biāo)包括：

• 請求量和響應(yīng)時間：跟蹤API網(wǎng)關(guān)收到的請求數(shù)量以及處理請求所花費(fèi)的時間。
• 錯誤率：記錄API網(wǎng)關(guān)處理請求時發(fā)生錯誤的次數(shù)，包括HTTP錯誤碼和自定義錯誤。
• 系統(tǒng)資源使用率：監(jiān)控CPU、內(nèi)存、磁盤和網(wǎng)絡(luò)的使用情況，以確保系統(tǒng)資源充足且沒有資源瓶頸。
• 請求隊(duì)列長度：跟蹤等待處理的請求隊(duì)列的長度，以防止請求堆積導(dǎo)致性能下降。
• 流量趨勢：了解API的請求流量趨勢，幫助預(yù)測系統(tǒng)的負(fù)載情況。

監(jiān)視可以通過各種監(jiān)控工具和服務(wù)實(shí)現(xiàn)，例如Prometheus、Grafana、DataDog等。監(jiān)視的結(jié)果可以以圖表、儀表板或警報(bào)的形式展示，讓開發(fā)人員和運(yùn)維團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崟r了解系統(tǒng)的狀態(tài)，做出相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整。

日志記錄（Logging）是指在API網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)中記錄關(guān)鍵事件、狀態(tài)和錯誤信息的過程。日志記錄是一種用于跟蹤和調(diào)試的重要工具，可以在出現(xiàn)問題時提供有價值的信息，幫助開發(fā)人員快速定位問題并進(jìn)行故障排查。常見的日志記錄內(nèi)容包括：

• 請求和響應(yīng)日志：記錄API網(wǎng)關(guān)收到的每個請求以及對應(yīng)的響應(yīng)，包括請求頭、請求體、響應(yīng)碼、響應(yīng)內(nèi)容等。
• 錯誤日志：記錄API網(wǎng)關(guān)處理請求時發(fā)生的錯誤，包括異常、HTTP錯誤碼等。
• 安全日志：記錄與安全相關(guān)的事件，如認(rèn)證失敗、授權(quán)拒絕等。
• 性能日志：記錄請求的處理時間、資源使用情況等性能指標(biāo)。
• 跟蹤日志：在多個微服務(wù)或后端服務(wù)之間，記錄請求的追蹤信息，幫助跟蹤請求的路徑和處理過程。

日志可以存儲在本地文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫中，也可以通過日志聚合工具（如ELK Stack：Elasticsearch、Logstash、Kibana）進(jìn)行集中管理和分析。日志記錄不僅在故障排查時有用，還可以幫助分析用戶行為、監(jiān)控安全風(fēng)險等。

綜合來說，監(jiān)視和日志記錄是在API網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可觀察性和故障排查的重要手段。通過監(jiān)視和日志記錄，我們可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，優(yōu)化系統(tǒng)性能，并提供更好的用戶體驗(yàn)。

三、總結(jié) 

本文通過分析客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個HTTP請求的經(jīng)典流程，講解了網(wǎng)關(guān)及其主要作用，因?yàn)槊總€公司的業(yè)務(wù)不一樣，所以上述過程也會有差異，另外，因?yàn)槊總€公司基礎(chǔ)服務(wù)的完善程度不一樣，所以對網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)不一樣。

比如：有些小公司因?yàn)闃I(yè)務(wù)流量小，直接使用了Nginx充當(dāng)了網(wǎng)關(guān)，然后購買了一些云安全服務(wù)，而有些業(yè)務(wù)體量大的公司，需要單獨(dú)開發(fā)API網(wǎng)關(guān)然后集群部署。

總之，網(wǎng)關(guān)就是后端服務(wù)器的一座保護(hù)傘，它對于來自客戶端的請求，起到了屏障作用。