刘璟宇Leo
唯品会资深研发工程师，在大型高性能分布式系统设计和开发方面有丰富的经验。目前在唯品会平台与架构部负责唯品会API网关和服务安全方面的设计、开发、运营工作。
内容解析
1. 为什么引入网关
唯品会是一家专门做特卖的网站，唯品会网站是一个巨大型的网站，每张页面背后，都有多个服务提供静态资源和动态数据。
这是唯品会网站上一张商品详情页面，内容是一款女式针织衫。页面里，除去静态页面、图片之外，有些动态内容：商品价格、促销提示语、产品介绍、商品库存等。每个部分都会从后端的一个或几个服务拉取数据。
在唯品会公司内部，已经采用服务化的方式把服务进行了拆分，内部服务之间采用基于thrift的二进制协议通讯。这些服务不能直接对外部提供服务。
在引入API网关前，我们在外部app、浏览器和内部服务之间会做一层webapp，起到两个作用：
一个是从外部的http协议，适配到内部的二进制协议。
另一个是对数据进行聚合。
另外这些webapp里面还集成了如oauth等的一些公共服务。
由于唯品会网站的业务众多、业务量也非常大，这种webapp的数量有数百个，实例数量数千个。
在数量达到这种规模后，产生了一些问题，我们设想一个场景，比如某种安全防护技术需要升级一下，那么安全开发组需要先跟业务开发团队协商开发时间，等排期开发，然后需要测试，再排期发版。这样几十个业务开发团队升级下来，几个月可能就过去了。
再设想一个场景，例如，我可能想app支持一下二进制协议，可以提升数据交换效率。
一般我们做webapp，都是tomcat+springmvc这种结构进行开发，支持二进制协议就很困难。
所以，目前这种webapp的架构，对于公共服务集成升级和公共技术的升级不是很友好。
我们对架构进行了优化，引入了网关。网关的主要作用有三个：
一个是协议适配
另一个是公共服务接入
最后是公共接入技术优化
在外网和内网中间有了网关，网关本身和业务程序分离，就可以独立的对这些技术进行集成和升级。
http://microservices.io/ 总结的微服务模式中，网关已经成为服务化中的一种标准模式。http://microservices.io/patterns/apigateway.html
网关模式，被一些大型的互联网公司采用。国内主要有唯品会、百度、阿里、京东、携程、有赞等，国外主要有Netflix, Amazon, Mashape等。
2. 选型和设计
开源网关按照平台可以分为基于nginx平台的网关和自研网关
基于nginx平台的网关有：
KONG
API Umbrella
自研的网关有：
apigee
StrongLoop
Zuul
Tyk
按照语言分类，可以见上图，有基于lua（nginx平台）, nodejs, java, go等语言的网关。
基于nginx平台的网关和自研网关的优势和劣势如下：
| 基于nginx |
自研 |
|
| 优势 |
1. nginx有完善的处理http协议的能力 2. 全异步高性能基础处理能力 3. http处理过程中多个扩展点可进行扩展 4. 开箱即用，基于openresty开发相对简单 |
1. 可以完全掌控对http协议的处理过程 2. 可以完全掌控异步化业务处理过程 3. 对内部协议支持可以较好掌控 4. 和内部的配置中心、注册中心结合较好 |
| 劣势 |
1. nginx工作流程复杂，对大多数人来说，只能当作黑盒子用，出问题难以真正在代码级理解根本原因，扩展核心功能较为困难。 2. 基于openresty扩展，本身有性能开销，对java、erlang、go的性能优势不明显 3. 对内部协议和基础组件支持不方便 |
1. 对http协议处理有较多的坑需要踩 2. 需要大量的性能优化过程，不像nginx经过大量实践，本身有较好的性能基础 |
唯品会网关是基于netty自研的API网关。
唯品会网关参考各种开源网关的实现，和业内各大电商网站的成熟经验，网关逻辑上可以分为四层；
第一层是接入层，负责接入技术的优化。
第二层是业务层，负责实现网关本身的一些业务实现。
第三层是网关依赖的基于netty实现的各种公共组件。
最底层是netty负责NIO、内存管理、提供各种基础库、异步化框架等。
业务层前面跟大家分享过，主要包括路由、协议转换、安全、认证验签、加密解密等，大家一看估计就可以看出，这些业务逻辑已经划分的比较独立，可以按照模块进行划分。实际上我们也是这样做的。
业务层设计需要考虑哪些方面呢？
一方面，是流程的组织。
另一方面，网关需要依赖外部服务，需要考虑怎样异步化的调用外部服务。
最后，网关需要考虑高可用，高可用在程序设计方面主要是不停机发布。唯品会网关的所有业务配置，都可以通过管理界面动态管理、动态下发、动态生效，并且支持灰度。
业务层实现，最重要的一点，是将逻辑和数据分离，我们的实现方式，是业务逻辑实现在模块里，数据通过context传递，context通过模块之间相互调用时，通过接口传递。在异步化调用其他服务时，context保存在Channel的AttributeMap里，在异步完成时，回调，取出context。
有了最基本的模块设计，我们再来看唯品网关怎样设计把这些流程串在一起。
大家看一下上面的图，在执行业务逻辑时，有些业务逻辑需要串行，比如，路由校验、参数校验、IP黑白名单、WAF等，由于性能方面考虑，一般情况下，我们会先执行黑白名单模块，因为这块是cpu消耗最小、能拦掉部分请求的模块。
后面再执行路由、参数等的校验。这部分是内存运算，效率也比较高，也能拦掉一些非法请求，所以先执行。
然后进入outh、风控、设备指纹等的外部服务调用，这些调用将会并发的执行。
执行后，将进行结果合并校验，如果在认证验签或风控等校验未通过的情况下，将会直接返回，如果校验通过，再进入后续的服务调用。
服务调用过程，又进行了多选一的流程，可能用二进制协议也可能用HTTP协议等。最终进行后处理。
大家可能会想，这些模块看上去可以使用actor模式进行封装，为何没有使用开源异步框架呢？我们也对开源的异步框架进行了详细的调研。在将异步框架结合进网关时发现对网关的性能产生了一些影响。
目前较为流行的异步框架，主要有akka和quasar fibers。他们的实现形式不同，但原理基本差不多。
为什么唯品网关没有引入异步框架呢。
一方面是引入异步框架后，网关的抖动增加。
一方面是成熟度问题，quasar fibiers quasar fibers的模式，更加友好一些，可以以接近同步编程的模式实现异步编程。但最新的release是0.7.6，没有大规模的验证过，我们也在实际使用踩了一些坑，例如，注解的问题、代码织入冲突问题、长时间运行突然响应变慢问题，强烈建议大家如果生产使用，需要慎重再慎重。
我们总结了一下异步化框架适用于，大量依赖其他服务，经常被block的情况。
网关的瓶颈在cpu运算，因为有验签、加解密、协议转换等cpu密集运算，其他的调用已经是全异步的，所以，引入异步框架的收益并不明显。
上面分享了业务层的设计，下面分享一下公共组件的设计。
网关不论调用依赖的服务还是后端的服务，都会遇到大量并发调用的情况。如果对连接不加以复用和控制，将造成大量的资源消耗和性能问题。因此，唯品网关自己设计优化了连接池。
下面就分享一下唯品网关在连接池方面的设计。
连接复用主要是指，一个连接可以被多个使用者同时使用，且互相之间不受影响，可以并发的发送多个请求，而应答是异步的，可复用的连接一般用于私有协议的连接，因为可复用的连接，请求可以一直发送，应答也不一定是按照请求顺序进行应答，就带来了一个问题，应答怎样才能和请求对应上。私有协议就比较容易在协议包内，增加sequence id，所以能达到连接复用的要求。唯品会网关调用唯品会内部的私有协议服务时，就采用的这种连接复用模式。
连接复用还有一种实现模式，是spymemcache的模式，memcached本身不支持sequenceid，但同一个连接上的操作会保证顺序性，所以，spymemcache通过把请求缓存在queue中的形式，顺序匹配返回结果，达到连接复用。
独占的连接模式，主要是指，一个连接同一时间只能被一个使用者使用，在一个连接上，发送完一个请求后，必须等待应答后，才能发送第二个请求。一般使用HTTP协议时，比较多使用这种独占的模式。因为如果HTTP协议需要支持连接复用，需要在HTTP协议头上增加sequence id，一般的服务端都不支持这种扩展，所以，我们针对HTTP协议，使用的是独占连接模式。
连接池的异步化，在连接池使用的所有阶段都应该异步化。我们在设计网关的连接池时，考虑了以下几个方面：
获取连接的异步化。从连接池获取连接，一般情况被认为是个没有block的动作，实际上分解来看，获取连接池，可能需要锁连接池对象所在的队列，操作连接池计数器时，可能会遇到锁、超时等问题。后面我会跟大家分享我们怎样去做的优化。
连接使用就是说实际用连接去调用其他服务，这块的异步化，大家基本都会考虑到。
归还连接的异步化。归还连接时，也会操作连接池中的连接队列，有时连接已经异常还会执行关闭连接等动作，所以也会产生锁的问题。和获取连接时类似，我们也把操作封装为task，交由netty做cpu亲缘性路由。
3. 实践经验
上面是给大家分享了我们在连接池设计中的几个关键点，接下来跟大家分享一下我们在实践过程中实际进行的优化。
jvm启动后，会在/tmp下建立一个文件，是一个内存映射文件，JVM用来导出状态数据给其它进程使用，比如jstat,jconsole等。当到达安全点时，JVM会把安全点的相关信息写入到这个文件中去。安全点是说，jvm会在这个点上，把所有其他线程都停下来，自己安全的做一些事情，GC是一种安全点，还有其他种类的安全点。而gc log和这种监控数据的写入，就是在安全点上进行写入。当IO频发且负载均重时，可能写数据动作刚好赶上操作系统将磁盘缓存刷到磁盘的过程，此时写性能数据文件的操作就会被block。最终表现为jvm暂停。解决方法，是将这些性能数据写到内存文件中，避免和其他操作抢占磁盘io。
StringBuffer在写日志等处理字符串拼接的场景下经常用到，大多数情况下，我们会new一个StringBuffer，向里面追加字符串，在高并发场景，这个过程会产生大量的内存重新分配并拷贝内容的动作，造成cpu热点。我们的优化方法是，在threadlocal缓存使用过的stringbuffer，在下次使用时，直接复用。
我们在初期实际使用网关时观察到，网关的OLD区使用会缓慢上升，大概两天会产生一次FGC，经过仔细的分析，发现，java NIO的server socket类由finalize最后进行释放。而GC过程是第一次GC先将没有引用的对象放入finalize队列，下次GC的时候，调用finalize，并将对象释放。而在高并发的情况下，server socket的finalize并不保证被调用，所以存活时间可能超过了升级阈值，就会有对象不断进入old区。
即使ref queue很快被执行，也可能跨两次ygc，比如创建后接着一次ygc1，然后用完后在下一次ygc2中添加到ref queue，ref queue没有堆积的情况下，需要在ygc3中释放这些对象。
由于网关会并发接受大量的请求，所以写日志的量非常大。我们实际压测的时候发现，写日志的IO操作，会周期性的被block，从而产生抖动。经过分析发现，被block的时候，操作系统在刷磁盘缓存。linux默认是脏数据超过10%，或5s刷一次缓存，而这时可能会有大量数据在缓存里等待写入磁盘，操作系统再去刷盘的时候，就会消耗比较多的时间，而这些时间内，应用无法将数据写入磁盘缓存，发生block。有两个参数可以调整，一个是脏数据占比，一个是脏数据两个取较小值生效。我们通过调小脏数据比率，让刷盘动作在数据量较小的时候就开始，减小了毛刺率。
来源：中生代技术
