在分布式架構(gòu)中，服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Service Gateway）的出現(xiàn)有其必然性。為了幫你理解這種必然性，我們先來討論一下常見的分布式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

一、為什么需要服務(wù)網(wǎng)關(guān)？

圖中各個(gè)客戶端和后臺(tái)服務(wù)直接交互，我們可以看出三點(diǎn)核心問題。

圖 1 分布式系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1. 隔離性

首先，客戶端與服務(wù)之間應(yīng)該確保隔離性，這是架構(gòu)設(shè)計(jì)的一條基本原則。

隨著業(yè)務(wù)需求的變化和時(shí)間的演進(jìn)，各個(gè)服務(wù)的劃分和實(shí)現(xiàn)通常都會(huì)做相應(yīng)的調(diào)整和升級(jí)。但因?yàn)楝F(xiàn)在服務(wù)端的訪問入口是直接暴露給客戶端的，所以如何實(shí)現(xiàn)服務(wù)端的調(diào)整和升級(jí)對(duì)客戶端透明是一個(gè)痛點(diǎn)。

圖 2 服務(wù)端功能演進(jìn)示意圖

2. 訪問粒度

更為重要的是，客戶端與服務(wù)端之間應(yīng)該具備靈活的訪問粒度。

我們知道，每個(gè)服務(wù)的職責(zé)在于提供某一個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的訪問入口，而客戶端一般都需要整合多項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有的分布式架構(gòu)中，一個(gè)客戶端需要和多個(gè)服務(wù)交互。但是客戶端請(qǐng)求和服務(wù)提供的訪問入口在粒度上往往是不一致的，那么不同場(chǎng)景就需要具備對(duì)應(yīng)的粒度關(guān)系。

3. 安全性

最后，在客戶端和服務(wù)端的訪問過程中，也勢(shì)必涉及安全、性能等一系列非功能性需求。

從設(shè)計(jì)原則上講，這些非功能性需求應(yīng)該是獨(dú)立開發(fā)和演進(jìn)的，但現(xiàn)狀是它們的實(shí)現(xiàn)常被夾雜在服務(wù)端代碼中，與業(yè)務(wù)功能混淆，維護(hù)性很差。這也是我們?cè)陂_發(fā)分布式系統(tǒng)時(shí)的一大痛點(diǎn)。

為了解決上述三個(gè)問題，確?？蛻舳撕头?wù)端交互過程的合理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，我們需要從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來分析。

在軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)組件之間的關(guān)系已經(jīng)不好把控時(shí)，經(jīng)典的做法就是引入分層思想，也就是在這兩個(gè)組件之間加入一個(gè)中間層。而在分布式環(huán)境下，我們就可以在客戶端和服務(wù)端之間架設(shè)一層服務(wù)網(wǎng)關(guān)。

圖 3 服務(wù)網(wǎng)關(guān)示意圖

在分布式系統(tǒng)中，架構(gòu)設(shè)計(jì)上的一個(gè)核心要點(diǎn)就是：要確保所有來自客戶端的請(qǐng)求都通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)，再路由轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)。這樣，在網(wǎng)關(guān)層我們就可以統(tǒng)一攔截和處理請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)訪問粒度的控制、隔離性以及非功能性需求。

那么究竟什么是服務(wù)網(wǎng)關(guān)？它是如何有效解決這些問題呢？讓我們一起來詳細(xì)看一下服務(wù)網(wǎng)關(guān)提供的解決方案。

二、服務(wù)網(wǎng)關(guān)提供了什么樣的解決方案？

從概念上講，所謂的網(wǎng)關(guān)（Gateway）是在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)的一種組件。而在分布式架構(gòu)中，服務(wù)網(wǎng)關(guān)本質(zhì)上也是一個(gè)后臺(tái)服務(wù)，為客戶端提供唯一的訪問入口。

1. 路由和解耦

在服務(wù)網(wǎng)關(guān)中，業(yè)務(wù)路由支持是它的基礎(chǔ)功能。針對(duì)不同的客戶端請(qǐng)求，路由機(jī)制能確保將這些請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到最合適的服務(wù)進(jìn)行處理。

因此，在網(wǎng)關(guān)層，我們可以統(tǒng)一管理各種服務(wù)，為客戶端請(qǐng)求提供更加簡(jiǎn)單高效的路由支持。同時(shí)，我們也可以制定靈活的路由策略，常見的包括黑白名單、動(dòng)態(tài)規(guī)則等。

圖 4 服務(wù)網(wǎng)關(guān)的路由機(jī)制

服務(wù)路由功能帶來的作用就是解耦。對(duì)于任何系統(tǒng)交互行為而言，解耦都是必須要考慮的設(shè)計(jì)原則。而從設(shè)計(jì)模式上講，我們也可以把服務(wù)網(wǎng)關(guān)看做是外觀（Facade）模式的一種具體表現(xiàn)形式。外觀模式的作用就是把復(fù)雜度屏蔽在系統(tǒng)內(nèi)部，從而降低耦合度。

圖 5 網(wǎng)關(guān)模式示意圖

基于服務(wù)網(wǎng)關(guān)的這種解耦作用，我們就可以解決客戶端和服務(wù)端之間的隔離性問題。因?yàn)榉?wù)網(wǎng)關(guān)使得客戶端和服務(wù)器端在調(diào)用關(guān)系和部署環(huán)境上實(shí)現(xiàn)了解耦，向客戶端隱藏了應(yīng)用如何被劃分到各個(gè)服務(wù)的細(xì)節(jié)。這樣，后臺(tái)服務(wù)的演進(jìn)過程顯然就可以不影響到客戶端的訪問過程。

2. 服務(wù)適配和 API 優(yōu)化

服務(wù)網(wǎng)關(guān)的第二個(gè)核心功能是服務(wù)適配，即可以根據(jù)客戶端請(qǐng)求來動(dòng)態(tài)組合服務(wù)端資源，并返回最優(yōu)的響應(yīng)結(jié)果。

日常開發(fā)時(shí)，服務(wù)網(wǎng)關(guān)作為單一入口，通過轉(zhuǎn)換和適配請(qǐng)求，完成與后臺(tái)服務(wù)體系的整合。一個(gè)典型的場(chǎng)景就是在多客戶端應(yīng)用中，考慮到不同客戶端頁面展示的差異性，就算是針對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，需要返回的數(shù)據(jù)可能也會(huì)有所不同。

而服務(wù)網(wǎng)關(guān)可以向每個(gè)客戶端提供最優(yōu)的 API，實(shí)現(xiàn)按需獲取數(shù)據(jù)。例如，對(duì)于同樣的用戶信息分頁查詢功能，PC 端和 APP 端的分頁大小就會(huì)不一樣，我們需要針對(duì)不同客戶端提供最合適的 API。

圖 6 針對(duì)客戶端的最優(yōu) API 示意圖

另一方面，我們可以想象通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)，聚合后臺(tái)服務(wù)的調(diào)用過程，提供統(tǒng)一面向客戶端的聚合服務(wù)效果，這樣就減少了客戶端與服務(wù)端的交互次數(shù)。

典型的例子就是在電商系統(tǒng)中，原本客戶端的一次請(qǐng)求，可能需要同時(shí)訪問用戶服務(wù)和訂單服務(wù)，才能獲取想要的訂單詳細(xì)信息，現(xiàn)在我們可以把所有需要的信息統(tǒng)一，在網(wǎng)關(guān)層聚合之后再返回給客戶端，這也是優(yōu)化 API 的一個(gè)場(chǎng)景的維度。

圖 7 使用網(wǎng)關(guān)聚合服務(wù)調(diào)用示意圖

基于服務(wù)網(wǎng)關(guān)的這種優(yōu)化 API 的作用，我們就可以解決客戶端與服務(wù)之間的訪問粒度問題。服務(wù)網(wǎng)關(guān)確保了控制訪問粒度的高效性和靈活性。

3. 訪問控制和切面支持

最后，我們需要強(qiáng)調(diào)一下服務(wù)網(wǎng)關(guān)所具備的訪問控制功能，同樣體現(xiàn)在多個(gè)方面。

例如，在高并發(fā)系統(tǒng)中，通常會(huì)采用限流和降級(jí)的手段來防止服務(wù)不可用。這時(shí)候在服務(wù)網(wǎng)關(guān)上，我們就可以設(shè)置對(duì)應(yīng)閾值或規(guī)則來限制客戶端請(qǐng)求流轉(zhuǎn)到后臺(tái)服務(wù)。

圖 8 網(wǎng)關(guān)的安全性和訪問控制功能示意圖

再比如說，對(duì)于來自客戶端的任何請(qǐng)求都需要考慮安全性，而服務(wù)網(wǎng)關(guān)是統(tǒng)一管理安全性的絕佳場(chǎng)所。實(shí)現(xiàn)訪問安全性的前提是提供用戶認(rèn)證，我們可以將用于身份認(rèn)證的部分功能抽取到網(wǎng)關(guān)層。而常見的安全性技術(shù)如密鑰交換、報(bào)文加解密等功能也都可以在網(wǎng)關(guān)中加以實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)網(wǎng)關(guān)的訪問控制功能可以說為開發(fā)人員提供了強(qiáng)大的切面支持。通過切面，可以把常見的安全性、性能等需求從業(yè)務(wù)代碼中抽離出來，從而解決在分布式系統(tǒng)中如何有效實(shí)現(xiàn)非功能性需求的問題。

三、Zuul 和 Spring Cloud Gateway

介紹完服務(wù)網(wǎng)關(guān)所提供的解決方案之后，我們接下來討論具體的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)工具。

這里，我們選擇 Spring 家族中的 Spring Cloud 展開，這是目前最主流的微服務(wù)開發(fā)框架。在 Spring Cloud 中，實(shí)際上提供了兩款服務(wù)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)工具，一款是集成 Netflix 中的 Zuul 網(wǎng)關(guān)，一款是自研的 Spring Cloud Gateway。

1. Netflix Zuul

正如我們前面分析的，Zuul 網(wǎng)關(guān)為開發(fā)人員提供了動(dòng)態(tài)路由、訪問監(jiān)控、安全控制等功能。對(duì)于服務(wù)網(wǎng)關(guān)而言，最重要的功能就是服務(wù)路由。在這里，你可以看這個(gè)配置示例：

zuul:
 prefix:  /springsystem
    routes:
       userservice: /user/**

配置代表了在大型分布式系統(tǒng)中服務(wù)網(wǎng)關(guān)比較常見的一種應(yīng)用場(chǎng)景，即在各個(gè)服務(wù)請(qǐng)求地址上添加一個(gè)前綴 prefix 來標(biāo)識(shí)模塊和子系統(tǒng)。同時(shí)，我們?cè)凇皉outes”配置段中使用"/user"來為 userservice 這個(gè)服務(wù)名稱指定請(qǐng)求根地址。這樣，所有通過"/user"地址訪問的請(qǐng)求都將被自動(dòng)路由到該服務(wù)中。

2. Spring Cloud Gateway

Spring Cloud Gateway 是 Spring 官方自己開發(fā)的一款服務(wù)網(wǎng)關(guān)，在技術(shù)體系上，Spring Cloud Gateway，基于最新的 Spring 5 和 Spring Boot 2 以及用于響應(yīng)式編程的 Project Reactor 框架，提供響應(yīng)式、非阻塞式 IO 模型，所以性能上 Spring Cloud Gateway 顯然要更勝一籌。作為新一代服務(wù)網(wǎng)關(guān)，我們接下來重點(diǎn)展開 Spring Cloud Gateway。

Spring Cloud Gateway 的基本結(jié)構(gòu)中包含兩個(gè)核心組件，一個(gè)是過濾器（Filter），一個(gè)是謂詞（Predicate）。

圖 9 Spring Cloud Gateway 基本架構(gòu)圖

過濾器：Spring Cloud Gateway 中的過濾器與傳統(tǒng) Servlet 中的過濾器是同一個(gè)概念，在響應(yīng) HTTP 請(qǐng)求之前或之后，用于修改請(qǐng)求本身及對(duì)應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果。

謂詞：而所謂謂詞，本質(zhì)上是一種判斷條件，用于將 HTTP 請(qǐng)求與路由進(jìn)行匹配。Spring Cloud Gateway 內(nèi)置了大量的謂詞組件，可以分別對(duì) HTTP 請(qǐng)求的消息頭、請(qǐng)求路徑等常見的路由媒介進(jìn)行自動(dòng)匹配以便決定路由結(jié)果。

我們來看一下一條基于 Spring Cloud Gateway 的完整路由配置的基本結(jié)構(gòu)，如下所示：

spring:
 cloud:
 gateway:
      routes:
      - id: userroute
        uri: lb://userservice
        predicates:
        - Path=/user/**
        filters:
        - PrefixPath=/springsystem

在上述“routes”配置段中，首先我們使用 id 配置項(xiàng)指定了這條路由信息的編號(hào)，這個(gè)例子中是“userroute”。而 uri 配置項(xiàng)中的“l(fā)b”代表負(fù)載均衡 LoadBalance，也就是說在訪問 url 指定的服務(wù)名稱時(shí)需要集成負(fù)載均衡機(jī)制。

然后我們使用了謂詞來對(duì)請(qǐng)求路徑進(jìn)行匹配，這里的“Path=/user/**”代表所有以“/user”開頭的請(qǐng)求都將被路由到這條路徑中。

最后我們還定義了一個(gè)過濾器，這個(gè)過濾器的作用是為訪問路徑添加前綴，這樣當(dāng)請(qǐng)求“/user/”時(shí)，最后轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)服務(wù)的路徑將會(huì)變?yōu)椤?springsystem/user/”，而這個(gè)路徑會(huì)被路由到 userservice 這個(gè)服務(wù)中。

四、總結(jié)

可以說，在當(dāng)下的分布式系統(tǒng)開發(fā)過程中，服務(wù)網(wǎng)關(guān)已經(jīng)是一個(gè)必備組件。很難想象，客戶端在訪問后臺(tái)服務(wù)時(shí)沒有通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行統(tǒng)一的路由和訪問控制。一旦我們?cè)诜?wù)調(diào)用過程中添加了一個(gè)網(wǎng)關(guān)層，那么開發(fā)人員就可以集中處理服務(wù)路由、服務(wù)適配以及常見的安全控制、限流降級(jí)等非功能性需求。