自研网关纳管Spring Cloud(一)

摘要: 本文主要从网关的需求，以及Spring Cloud Zuul的线程模型和源码瓶颈分析结合，目前最近一段时间自研网关中间件纳管Spring Cloud的经验汇总整理。

一.自研网关纳管Spring Cloud的原因

1.1 为什么要自研网关

1.网关配置实时生效，配置灰度，回滚等 2.网关的性能，特别是防刷，限流，WAF等 3.动态Filter ，目前Zuul可以做到动态Filter，Filter配置下发，实时动态Filter 4.对网关的监控，告警，流量调拨，网关集群。 5.流程审计，增加Dsboard便捷的操作。

1.2 回顾Web容器线程模型

Servlet只是基于Java技术的web组件，该组件由容器托管，用于生成动态内容。Servlet容器是web Server或application server 的一部分，供基于Request/Response发送模型的网络服务，解码基于MIME的请求，并格式化基于MIME的响应。Servlet容器包含并管理Servlet生命周期。典型的Servlet容器有Tomcat、Jetty。

如上图所示，Tomcat基于NIO的多线程模型，如下图所示，其基于典型的Acceptor/Reactor线程模型，在Tomcat的线程模型中，Worker线程用来处理Request。当容器收到一个Request后，调度线程从Worker线程池中选出一个Worker线程，将请求传递给该线程，然后由该线程来执行Servlet的service()方法。且该worker线程只能同时处理一个Request请求，如果过程中发生了阻塞，那么该线程就会被阻塞，而不能去处理其他任务。 Servlet默认情况下一个单例多线程。

回到zuul，zuul逻辑的入口是 ZuulServlet.service(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse)，ZuulServlet本质就是一个Servlet。

RequestContext提供了执行filter Pipeline所需要的Context，因为Servlet是 单例多线程，这就要求RequestContext即要线程安全又要Request安全。context使用ThreadLocal保存，这样每个worker线程都有一个与其绑定的RequestContext，因为worker仅能同时处理一个Request， 这就保证了RequestContext即是线程安全的，又是Request安全的。所谓Request 安全，即该Request的Context不会与其他同时处理Request冲突。 RequestContext继承了ConcurrentHashMap。

三个核心的方法preRoute(),route(), postRoute()，zuul对request处理逻辑都在这三个方法里， ZuulServlet交给ZuulRunner去执行。由于 ZuulServlet是单例，因此 ZuulRunner也仅有一个实例。

因此综上所述，Spring Cloud Zuul的Qps在 1000-2000Qps之间是有原因的，网关作为如此重要的组件，基于如上所述的需求，觉得自研网关中间件纳管Spring Cloud很有必要。

二.自研网关纳管Spring Cloud

2.1 网关整合Spring Cloud服务治理体系

2.1.1 整合服务治理体系思路

• 如果服务注册中心使用的是Eureka，可以不引入Spring Cloud Eureka相关的依赖，直接通过定时任务发起Eureka REST请求，网关自身维护一个缓存列表，自己写LB，找到服务列表转发。

优点：不需要引入Spring Cloud，对网关Server进行瘦身，洁癖讨厌各种引入无用的jar； 缺点: 注册中心使用Eureka，可以通过Eureka REST接口获取服务注册列表，但是换成ZK，Consul，或者Etcd，直接歇菜。

• 通过集成Spring Cloud Common中高度抽象的DiscoveryClient。

优点: 通过高度抽象的DiscoveryClient，无需关心实现细节和定时任务去刷新注册列表。 缺点：换注册中心，需要相应的更换对应配置和依赖，一堆有些无关紧要的jar，需要自己对其瘦身。

2.1.2 网关整合Spring Cloud Eureka

1.引入Spring Cloud Eureka Starter，排除不用的依赖，还需要努力瘦身ing。

1.  <dependency>

2.       <groupId>org.springframework.cloud</groupId>

3.      <artifactId>spring-cloud-starter-eureka</artifactId>

4.       <version>1.3.1.RELEASE</version>

5.         <exclusions>

6.                <exclusion>

7.                    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>

8.                    <artifactId>spring-cloud-netflix-core</artifactId>

9.                </exclusion>

10.                <exclusion>

11.                    <groupId>com.netflix.ribbon</groupId>

12.                    <artifactId>ribbon-eureka</artifactId>

13.                </exclusion>

14.                <exclusion>

15.                    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>

16.                    <artifactId>spring-cloud-starter-ribbon</artifactId>

17.                </exclusion>

18.                <exclusion>

19.                    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>

20.                    <artifactId>

21.                        spring-cloud-starter-archaius

22.                    </artifactId>

23.                </exclusion>

24.                <exclusion>

25.                    <artifactId>hibernate-validator</artifactId>

26.                      <groupId>org.hibernate</groupId>

27.                </exclusion>

28.            </exclusions>

29.  </dependency>

2、同Zuul一样，把网关自身注册到Eureka Server上，目的是为了获取服务注册列表。

1. server.port=8082

2. spring.application.name=janus-server

3. eureka.client.service-url.defaultZone=http://localhost:8761/eureka/

PS:鄙视的一点就是，Spring Cloud应该提供一个轻量级的java client，配置注册中心的地址，还不需要把网关自身注册到注册中心上。原因是：网关中间件，不需要和服务治理框架耦合的很深。

2.1.3 Netty Server与Spring Cloud内置的Server的整合

Netty Http Servert提供端口用于接收网关对外的请求，Spring Boot内置的server提供端口用于和Gateway-console交互，目前没找到Spring Boot内置Server和Netty Server合二为一的方法，但是一个服务暴露两个端口，很有必要。

1. @SpringBootApplication

2. @EnableDiscoveryClient

3. public class JanusServerAppliaction {

4.    private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(JanusServerAppliaction.class);

5.    // 非SSL的监听HTTP端口

6.    public static int httpPort = 8081;

7.    public static void main(String[] args) throws Exception {

8.        //①先启动Spring Boot内置Server

9.        SpringApplication.run(JanusServerAppliaction.class, args);

10.        // logger.info("services: {}", context.getBean("discoveryClient",

11.        // DiscoveryClient.class).getServices());

12.        logger.info("Gateway Server Application Start...");

13.        // 解析启动参数

14.        parseArgs(args);

15.        // 初始化网关Filter和配置

16.        logger.info("init Gateway Server ...");

17.        JanusBootStrap.initGateway();

18.        logger.info("start netty  Server...");

19.        final JanusNettyServer gatewayServer = new JanusNettyServer();

20.        // ②启动HTTP容器

21.        gatewayServer.startServer(httpPort);

22.    }

23. }

NettyServer服务启动后，阻塞监听端口,会导致集成spring boot内置Server启动无日志打印，spring Boot容器也没启动。因此注意启动顺序。

2.2 提高自研网关的QPS必杀技

2.2.1 NettyServer初始化及启动代码

自研网关使用netty自带的线程池，共有三组线程池，分别为bossGroup、workerGroup和executorGroup，bossGroup用于接收客户端的TCP连接，workerGroup用于处理I/O等，executorGroup用于处理网关作业(执行Filter链)。

1. public void startServer(int noSSLPort) throws InterruptedException {

2.        // http请求ChannelInbound

3.        final HttpInboundHandler httpInboundHandler = new HttpInboundHandler();

4.        ServerBootstrap insecure = new ServerBootstrap();

5.        insecure.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class)

6.                // SO_REUSEADDR,表示允许重复使用本地地址和端口

7.                .option(ChannelOption.SO_REUSEADDR, Boolean.TRUE)

8.                .option(ChannelOption.ALLOCATOR, ByteBufManager.byteBufAllocator)

9.                /**

10.                 * SO_KEEPALIVE

11.                 * 该参数用于设置TCP连接，当设置该选项以后，连接会测试链接的状态，这个选项用于可能长时间没有数据交流的连接。当设置该选项以后，

12.                 * 如果在两小时内没有数据的通信时，TCP会自动发送一个活动探测数据报文。

13.                 */

14.                .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, Boolean.TRUE)

15.                .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, Boolean.TRUE)

16.                .childOption(ChannelOption.ALLOCATOR, ByteBufManager.byteBufAllocator)

17.                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {

18.                    @Override

19.                    public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

20.                        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

21.                        // 对channel监控的支持 暂不支持

22.                        // keepalive_timeout 的支持

23.                        pipeline.addLast(

24.                                new IdleStateHandler(ProperityConfig.keepAliveTimeout, 0,

25.                                        0, TimeUnit.MILLISECONDS));

26.                        // pipeline.addLast(new JanusHermesHandler());

27.                        pipeline.addLast(new HttpResponseEncoder());

28.                        // 经过HttpRequestDecoder会得到N个对象HttpRequest,first HttpChunk,second

29.                        // HttpChunk,....HttpChunkTrailer

30.                        pipeline.addLast(new HttpRequestDecoder(

31.                                ProperityConfig.maxInitialLineLength,

32.                                ProperityConfig.maxHeaderSize, 8192,

33.                                ProperityConfig.validateHeaders));

34.                        // 把HttpRequestDecoder得到的N个对象合并为一个完整的http请求对象

35.                        pipeline.addLast(new HttpObjectAggregator(

36.                                ProperityConfig.httpAggregatorMaxLength));

37.                        // gzip的支持

38.                        if (ProperityConfig.gzip) {

39.                            pipeline.addLast(new JanusHttpContentCompressor(

40.                                    ProperityConfig.gzipLevel,

41.                                    ProperityConfig.gzipMinLength));

42.                        }

43.                        pipeline.addLast(httpInboundHandler);

44.                    }

45.                });

46.        ChannelFuture insecureFuture = insecure.bind(noSSLPort).sync();

47.        logger.info("[listen HTTP NoSSL][" + noSSLPort + "]");

48.        /**

49.         * Wait until the server socket is closed.</br>

50.         * 找到之前的无日志打印spring 容器也没启动的原因了，集成spring boot

51.         * 和eureka放上放下并不是问题，是因为JanusNettyServer服务启动后，阻塞监听端口导致的

52.         **/

53.        insecureFuture.channel().closeFuture().sync();

54.        logger.info("[stop HTTP NoSSL success]");

55. }

2.2.2 基于Netty Channel Pool实现REST的异步转发

RestInvokerFilter异步转发Filter，基于Netty Channel Pool实现REST的异步转发,提高自网关的性能的必杀技。

1. public class RestInvokerFilter extends AbstractFilter {

2.    @Override

3.    public void run(final AbstractFilterContext filterContext,

4.            final JanusHandleContext janusHandleContext) throws Exception {

5.        // 自定义LB从Spring Cloud中服务注册缓存列表中获取服务实例

6.        ServiceInstance serviceInstance = SpringCloudHelper.getServiceInstanceByLB(

7.                janusHandleContext, janusHandleContext.getAPIInfo().getRouteServiceId());

8.        // 生成发送的Request对象

9.        FullHttpRequest outBoundRequest = getOutBoundHttpRequest(janusHandleContext);

10.        // 转发的时候设置LB获取到的主机IP和端口即可

11.        AsyncHttpRequest.builder()

12.                .remoteAddress(

13.                        serviceInstance.getHost() + ":" + serviceInstance.getPort())

14.                .sessionContext(janusHandleContext)

15.                /**

16.                 * connection holding 500ms

17.                 */

18.                .holdingTimeout(ProperityConfig.janusHttpPoolOauthMaxHolding).build()

19.                .execute(new SimpleHttpCallback(janusHandleContext) {

20.                    @Override

21.                    public void onSuccess(FullHttpResponse result) {

22.                        // testResult(result);

23.                        janusHandleContext.setRestFullHttpResponse(result);

24.                        // 跳转到下一个Filter

25.                        filterContext.skipNextFilter(janusHandleContext);

26.                    }

27.                    @Override

28.                    public void onError(Throwable e) {

29.                        //省略

30.                    }

31.                    @Override

32.                    public void onTimeout() {

33.                        //省略

34.                    }

35.                }, outBoundRequest);

36.    }

37.    //其余省略

38. }

三.自研网关Filter链的设计

一层接口，一层 abstract类， 一层基于Event观察者模式的抽象类，一个基于观察者模式的接口， 自定义Filter根据需要继承处理，在这里不做过多介绍。

四.自研网关纳管Spring Cloud的结果

4.1 自研网关注册到Eureka Server上

把自研网关注册到Eureka Server上，用于获取服务列表，如下图所示。

上图中有两个服务提供者1，2，以及一个网关Server。

4.2 无缝支持REST转REST的GET和POST的转发

自定义LB，基于Netty Channel Pool实现了GET，POST的协议适配和异步转发，如下所示。

http://localhost:8081/，是本地网关Server的主机和端口。

五.参考文章

Netty系列之Netty线程模型

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2ODYxMjU4MQ==&mid=2247483787&idx=1&sn=2f5a4fba83efece7f07c7c5e4643a30e&chksm=eaeda701dd9a2e179a5c699fb0fc71376fb3f1d3cf26f56872c14533672e1485a75a171839b1&mpshare=1&scene=1&srcid=0820vd0sb6kp3oncNeLZQz74#rd