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技术 2022年11月23日
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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。

自研网关纳管Spring Cloud(一)

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。

自研网关纳管Spring Cloud(一)

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。

自研网关纳管Spring Cloud(一)

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。

自研网关纳管Spring Cloud(一)

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

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