دروازه API پایتون: پیاده‌سازی Service Mesh برای معماری‌های مدرن

در چشم‌انداز دیجیتالی که به سرعت در حال تحول است، معماری‌های ریزسرویس‌ها به هنجاری برای ساخت برنامه‌های مقیاس‌پذیر، انعطاف‌پذیر و قابل نگهداری تبدیل شده‌اند. در قلب این معماری‌ها نیاز به ارتباط کارآمد و ایمن بین سرویس‌ها قرار دارد. اینجاست که دروازه‌های API و Service Mesh وارد عمل می‌شوند. این مقاله نحوه ساخت یک دروازه API مبتنی بر پایتون و ادغام آن با یک سرویس مش را بررسی می‌کند و یک راه‌حل قوی برای مدیریت ارتباط ریزسرویس‌ها در یک زمینه جهانی ارائه می‌دهد.

درک دروازه‌های API و Service Mesh

دروازه API چیست؟

یک دروازه API به عنوان یک نقطه ورود واحد برای تمام درخواست‌های مشتری به یک بک‌اند ریزسرویس عمل می‌کند. این کار وظایفی مانند موارد زیر را انجام می‌دهد:

• مسیریابی: هدایت درخواست‌ها به ریزسرویس مناسب.
• احراز هویت و مجوز: تأیید هویت مشتری و اطمینان از داشتن مجوزهای لازم.
• محدودیت نرخ: جلوگیری از سوء استفاده و اطمینان از استفاده منصفانه از خدمات.
• تبدیل درخواست: تغییر درخواست‌ها قبل از ارسال آنها به بک‌اند.
• تجمیع پاسخ: ترکیب پاسخ‌ها از چندین ریزسرویس در یک پاسخ واحد.
• ذخیره‌سازی: کاهش تأخیر و بهبود عملکرد.

به آن به عنوان یک پذیرشگر پیچیده برای برنامه خود فکر کنید که تمام ترافیک ورودی را مدیریت می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که به مکان درست به طور ایمن و کارآمد می‌رسد. به عنوان مثال، یک برنامه تلفن همراه در استرالیا ممکن است درخواستی را به دروازه API ارسال کند، که سپس آن را به یک سرویس قیمت‌گذاری واقع در سنگاپور و یک سرویس موجودی در آلمان هدایت می‌کند و نتایج را قبل از بازگرداندن آنها به کاربر جمع‌آوری می‌کند.

Service Mesh چیست؟

یک سرویس مش یک لایه زیرساختی است که ارتباط سرویس به سرویس را در یک معماری ریزسرویس‌ها مدیریت می‌کند. این ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد:

• کشف سرویس: به طور خودکار مکان‌یابی نمونه‌های در دسترس یک سرویس.
• مدیریت ترافیک: کنترل جریان ترافیک بین سرویس‌ها، از جمله تعادل بار، مسیریابی و شکست مدار.
• قابلیت مشاهده: ارائه بینش در مورد عملکرد و سلامت سرویس‌ها.
• امنیت: رمزگذاری ارتباط بین سرویس‌ها و اجرای سیاست‌های امنیتی.

Service Mesh معمولاً از یک صفحه کنترل (به عنوان مثال، Istio) و یک صفحه داده (به عنوان مثال، Envoy) تشکیل شده است. صفحه داده تمام ارتباط سرویس به سرویس را رهگیری می‌کند و سیاست‌های تعریف شده توسط صفحه کنترل را اعمال می‌کند. یک شبکه از پیک‌های نامرئی را تصور کنید که تمام ارتباطات داخلی را مدیریت می‌کنند و اطمینان حاصل می‌کنند که پیام‌ها ایمن، قابل اعتماد و کارآمد تحویل داده می‌شوند. یک سرویس مش، شبکه‌سازی با اعتماد صفر را به طور پیش‌فرض فعال می‌کند - هر سرویس، سرویس دیگر را تأیید می‌کند، صرف نظر از محل استقرار آنها. این امر به ویژه در شرکت‌های چند ملیتی با خدمات پراکنده در مناطق جغرافیایی مختلف بسیار مهم است.

چرا دروازه API و Service Mesh را با هم ترکیب کنیم؟

در حالی که هر دو دروازه API و Service Mesh به ارتباط ریزسرویس‌ها می‌پردازند، آنها در لایه‌های مختلف عمل می‌کنند و مشکلات متفاوتی را حل می‌کنند. یک دروازه API بر مدیریت ترافیک خارجی تمرکز دارد، در حالی که Service Mesh بر مدیریت ترافیک داخلی تمرکز دارد. ترکیب این دو، یک راه‌حل جامع برای ایمن‌سازی، مدیریت و مشاهده ارتباطات ریزسرویس‌ها، هم در داخل و هم خارج از خوشه، فراهم می‌کند.

به عنوان مثال، یک پلتفرم تجارت الکترونیک را در نظر بگیرید. دروازه API درخواست‌ها را از برنامه‌های وب و موبایل مدیریت می‌کند، کاربران را احراز هویت می‌کند، محدودیت‌های نرخ را اعمال می‌کند و درخواست‌ها را به سرویس‌های بک‌اند مناسب هدایت می‌کند. Service Mesh ارتباط بین سرویس‌های بک‌اند را مدیریت می‌کند و از ارتباط ایمن و قابل اعتماد بین کاتالوگ محصول، مدیریت سفارش و سرویس‌های پردازش پرداخت اطمینان حاصل می‌کند. دروازه API ممکن است از سرویس‌های احراز هویت خارجی مانند Okta یا Auth0 استفاده کند، در حالی که سرویس مش از ارتباط ایمن بین سرویس‌های داخلی با استفاده از TLS متقابل (mTLS) اطمینان حاصل می‌کند.

ساخت یک دروازه API پایتون

پایتون، با اکوسیستم غنی از کتابخانه‌ها و فریم‌ورک‌ها، یک انتخاب عالی برای ساخت دروازه‌های API است. ما از ترکیبی از فریم‌ورک‌ها برای ایجاد یک دروازه مقیاس‌پذیر و قابل نگهداری استفاده خواهیم کرد.

انتخاب فریم‌ورک

• FastAPI: یک فریم‌ورک وب مدرن و با عملکرد بالا برای ساخت APIها. FastAPI اعتبارسنجی خودکار داده‌ها، سریال‌سازی و تولید مستندات را فراهم می‌کند.
• Uvicorn: یک سرور ASGI برای اجرای برنامه‌های پایتون ناهمزمان.
• Requests: یک کتابخانه برای ایجاد درخواست‌های HTTP به سرویس‌های بک‌اند. برای سناریوهای پیچیده‌تر، استفاده از `httpx` را که پشتیبانی async را فراهم می‌کند، در نظر بگیرید.
• PyJWT: یک کتابخانه برای کار با JSON Web Tokens (JWTs) برای احراز هویت.

ساختار پروژه

api_gateway/
├── main.py        # فایل برنامه اصلی
├── config.py      # تنظیمات پیکربندی
├── routes.py      # تعاریف مسیریابی API
├── auth.py        # منطق احراز هویت
├── utils.py       # توابع کاربردی
└── requirements.txt # وابستگی‌های پروژه

کد مثال: main.py

from fastapi import FastAPI, Depends, HTTPException, Request
from fastapi.responses import JSONResponse
import uvicorn
import requests
import jwt
from config import settings
from auth import verify_jwt
from routes import router

app = FastAPI()
app.include_router(router)

@app.middleware("http")
async def add_process_time_header(request: Request, call_next):
    response = await call_next(request)
    return response

if __name__ == "__main__":
 uvicorn.run(app, host="0.0.0.0", port=8000)

کد مثال: routes.py

from fastapi import APIRouter, Depends, HTTPException, Request
from fastapi.responses import JSONResponse
import requests
import jwt
from config import settings
from auth import verify_jwt

router = APIRouter()

@router.get("/products/{product_id}")
async def get_product(product_id: int, request: Request, is_authenticated: bool = Depends(verify_jwt)):
  # Forward request to the product service
  product_service_url = f"{settings.product_service_url}/products/{product_id}"

  try:
      response = requests.get(product_service_url)
      response.raise_for_status()  # Raise HTTPError for bad responses (4xx or 5xx)
      return response.json()
  except requests.exceptions.RequestException as e:
      raise HTTPException(status_code=500, detail=f"Error communicating with product service: {e}")

@router.post("/orders")
async def create_order(request: Request, is_authenticated: bool = Depends(verify_jwt)):
 # Forward request to the order service
 order_service_url = f"{settings.order_service_url}/orders"
 body = await request.json()

 try:
  response = requests.post(order_service_url, json=body)
  response.raise_for_status()
  return response.json()
 except requests.exceptions.RequestException as e:
  raise HTTPException(status_code=500, detail=f"Error communicating with order service: {e}")

کد مثال: auth.py

from fastapi import HTTPException, Depends, Header
import jwt
from config import settings
from typing import Optional

async def verify_jwt(authorization: Optional[str] = Header(None)) -> bool:
 if not authorization:
  raise HTTPException(status_code=401, detail="Authorization header is required")

 try:
  token = authorization.split(" ")[1]
  jwt.decode(token, settings.jwt_secret, algorithms=[settings.jwt_algorithm])
  return True
 except jwt.ExpiredSignatureError:
  raise HTTPException(status_code=401, detail="Token has expired")
 except jwt.InvalidTokenError:
  raise HTTPException(status_code=401, detail="Invalid token")

کد مثال: config.py

import os
from typing import Optional
from pydantic import BaseSettings

class Settings(BaseSettings):
 product_service_url: str = os.getenv("PRODUCT_SERVICE_URL", "http://localhost:8001")
 order_service_url: str = os.getenv("ORDER_SERVICE_URL", "http://localhost:8002")
 jwt_secret: str = os.getenv("JWT_SECRET", "secret")
 jwt_algorithm: str = os.getenv("JWT_ALGORITHM", "HS256")

 settings = Settings()

پیکربندی

تنظیمات پیکربندی، مانند URLهای سرویس بک‌اند و کلیدهای احراز هویت، را در یک فایل پیکربندی جداگانه (به عنوان مثال، `config.py`) ذخیره کنید. از متغیرهای محیطی برای پیکربندی محیط‌های مختلف (توسعه، آماده‌سازی، تولید) استفاده کنید.

احراز هویت

احراز هویت را با استفاده از JWTها پیاده‌سازی کنید. دروازه API JWT را قبل از ارسال درخواست به سرویس بک‌اند تأیید می‌کند. این رویکرد امنیت و عدم تمرکز را ارتقا می‌دهد. برای سازمان‌های بزرگتر، ادغام با یک ارائه‌دهنده هویت مانند Keycloak یا Azure AD را در نظر بگیرید. این می‌تواند سیاست‌های احراز هویت و مجوز را متمرکز کند.

مسیریابی

مسیرها را در یک فایل جداگانه (به عنوان مثال، `routes.py`) تعریف کنید. از قابلیت مسیریاب FastAPI برای نگاشت درخواست‌های ورودی به سرویس‌های بک‌اند مناسب استفاده کنید. مسیریابی را بر اساس مسیر درخواست، متد HTTP و هدرها پیاده‌سازی کنید.

مثال: Dockerize کردن دروازه API

یک `Dockerfile` ایجاد کنید تا دروازه API را در یک کانتینر بسته‌بندی کنید.

FROM python:3.9-slim-buster

WORKDIR /app

COPY requirements.txt .
RUN pip install --no-cache-dir -r requirements.txt

COPY . .

CMD ["uvicorn", "main:app", "--host", "0.0.0.0", "--port", "8000"]

ادغام Service Mesh

ادغام دروازه API پایتون با یک سرویس مش مانند Istio، امنیت، قابلیت مشاهده و مدیریت ترافیک را افزایش می‌دهد. ما بر نحوه پیکربندی Istio برای مدیریت ترافیک عبوری از دروازه API تمرکز خواهیم کرد.

نصب Istio

قبل از ادامه، اطمینان حاصل کنید که Istio در خوشه Kubernetes شما نصب شده است. برای دستورالعمل‌های نصب به مستندات رسمی Istio مراجعه کنید. بسیاری از ارائه‌دهندگان ابر مانند AWS، Google Cloud و Azure خدمات مدیریت‌شده Istio را ارائه می‌دهند که استقرار و مدیریت را ساده می‌کند.

تزریق Sidecar

Istio از یک پروکسی sidecar (Envoy) برای رهگیری تمام ترافیک ورودی و خروجی از یک سرویس استفاده می‌کند. برای فعال کردن Istio برای دروازه API، باید پروکسی sidecar را به پاد دروازه API تزریق کنید. این کار معمولاً با افزودن یک حاشیه نویسی به استقرار پاد انجام می‌شود:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: api-gateway
  labels:
    app: api-gateway
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: api-gateway
  template:
    metadata:
      labels:
        app: api-gateway
      annotations:
        sidecar.istio.io/inject: "true" # Enable Istio sidecar injection
    spec:
      containers:
      - name: api-gateway
        image: your-api-gateway-image:latest
        ports:
        - containerPort: 8000

Virtual Services و Gateways

Istio از Virtual Services و Gateways برای مدیریت مسیریابی ترافیک استفاده می‌کند. یک Gateway نقطه ورود ترافیک به مش را تعریف می‌کند، در حالی که یک Virtual Service نحوه مسیریابی ترافیک به سرویس‌ها را در مش تعریف می‌کند.

ایجاد یک Istio Gateway

یک Istio Gateway برای افشای دروازه API به ترافیک خارجی تعریف کنید.

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Gateway
metadata:
  name: api-gateway-gateway
spec:
  selector:
    istio: ingressgateway # Use Istio's default ingress gateway
  servers:
  - port:
      number: 80
      name: http
      protocol: HTTP
    hosts:
    - "*" # Replace with your domain

ایجاد یک Virtual Service

یک Virtual Service برای مسیریابی ترافیک از Gateway به سرویس دروازه API تعریف کنید.

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
  name: api-gateway-virtualservice
spec:
  hosts:
  - "*" # Replace with your domain
  gateways:
  - api-gateway-gateway
  http:
  - route:
    - destination:
        host: api-gateway # Service name in Kubernetes
        port:
          number: 8000 # Port the API Gateway is listening on

مدیریت ترافیک با Istio

Istio قابلیت‌های قدرتمند مدیریت ترافیک را ارائه می‌دهد، از جمله:

• تعادل بار: توزیع ترافیک در چندین نمونه از یک سرویس. Istio از الگوریتم‌های تعادل بار مختلفی از جمله round robin، کمترین اتصالات و هش ثابت پشتیبانی می‌کند.
• تقسیم ترافیک (استقرار Canary): راه‌اندازی تدریجی نسخه‌های جدید یک سرویس با ارسال درصد کمی از ترافیک به نسخه جدید. این به شما امکان می‌دهد ویژگی‌های جدید را در تولید آزمایش کنید بدون اینکه بر همه کاربران تأثیر بگذارد.
• شکست مدار: جلوگیری از شکست‌های آبشاری با توقف خودکار ترافیک به سرویس‌های ناسالم.
• تزریق خطا: تزریق تأخیر یا خطا در ترافیک برای آزمایش انعطاف‌پذیری برنامه شما.

مثال: استقرار Canary با Istio

برای انجام یک استقرار canary، می‌توانید Istio را پیکربندی کنید تا درصد کمی از ترافیک (به عنوان مثال، 10٪) را به نسخه جدید دروازه API ارسال کند.

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
  name: api-gateway-virtualservice
spec:
  hosts:
  - "*" # Replace with your domain
  gateways:
  - api-gateway-gateway
  http:
  - route:
    - destination:
        host: api-gateway # Version 1
        port:
          number: 8000
        weight: 90
    - destination:
        host: api-gateway-v2 # Version 2 (Canary)
        port:
          number: 8000
        weight: 10

قابلیت مشاهده

نظارت و ثبت گزارش برای درک عملکرد و سلامت دروازه API و سرویس‌های بک‌اند شما بسیار مهم است. قابلیت مشاهده جامع را با استفاده از ابزارهایی مانند موارد زیر پیاده‌سازی کنید:

• Prometheus: یک سیستم مانیتورینگ برای جمع‌آوری و ذخیره متریک‌ها. Istio با Prometheus ادغام می‌شود تا متریک‌هایی را در مورد ترافیک سرویس، تأخیر و خطاها ارائه دهد.
• Grafana: یک ابزار تجسم داده برای ایجاد داشبوردها برای نظارت بر برنامه شما.
• Jaeger: یک سیستم ردیابی توزیع‌شده برای ردیابی درخواست‌ها در حین عبور از ریزسرویس‌های شما. Istio می‌تواند به‌طور خودکار ردیابی‌ها را برای تمام ارتباطات سرویس به سرویس ایجاد کند.
• Fluentd/Elasticsearch/Kibana (EFK Stack): یک پشته ثبت گزارش برای جمع‌آوری، ذخیره و تجزیه و تحلیل گزارش‌ها.

Istio Telemetry

Istio به طور خودکار داده‌های تله‌متری را در مورد ترافیک سرویس، از جمله متریک‌ها، گزارش‌ها و ردیابی‌ها جمع‌آوری می‌کند. می‌توانید از این داده‌ها برای نظارت بر عملکرد و سلامت دروازه API و سرویس‌های بک‌اند خود استفاده کنید. Istio را طوری پیکربندی کنید که داده‌های تله‌متری را به Prometheus، Grafana و Jaeger صادر کند.

متریک‌های خاص دروازه API

علاوه بر داده‌های تله‌متری Istio، باید متریک‌های خاص دروازه API را نیز جمع‌آوری کنید، مانند:

• نرخ درخواست: تعداد درخواست در ثانیه.
• زمان پاسخ: متوسط زمانی که برای پردازش یک درخواست طول می‌کشد.
• نرخ خطا: درصد درخواست‌هایی که منجر به خطا می‌شوند.
• نرخ موفقیت/شکست احراز هویت: تعداد تلاش‌های احراز هویت موفق و ناموفق.
• نرخ ضربه کش: درصد درخواست‌هایی که از کش ارائه می‌شوند.

نکات امنیتی

امنیت هنگام ساخت یک دروازه API بسیار مهم است. اقدامات امنیتی زیر را در نظر بگیرید:

• احراز هویت و مجوز: مکانیزم‌های احراز هویت و مجوز قوی را برای محافظت از سرویس‌های بک‌اند خود پیاده‌سازی کنید. از JWT، OAuth 2.0 یا سایر پروتکل‌های استاندارد صنعت استفاده کنید.
• اعتبارسنجی ورودی: تمام درخواست‌های ورودی را برای جلوگیری از حملات تزریق اعتبارسنجی کنید.
• محدودیت نرخ: محدودیت نرخ را برای جلوگیری از سوء استفاده و حملات انکار سرویس پیاده‌سازی کنید.
• رمزگذاری TLS: تمام ارتباطات بین دروازه API و سرویس‌های بک‌اند را با استفاده از TLS رمزگذاری کنید. Istio رمزگذاری TLS خودکار را با استفاده از TLS متقابل (mTLS) ارائه می‌دهد.
• فایروال برنامه وب (WAF): از WAF برای محافظت در برابر حملات رایج برنامه وب، مانند تزریق SQL و اسکریپت‌نویسی متقابل سایت (XSS) استفاده کنید.
• ممیزی‌های امنیتی منظم: ممیزی‌های امنیتی منظم را برای شناسایی و رفع آسیب‌پذیری‌ها انجام دهید.

TLS متقابل (mTLS) با Istio

Istio می‌تواند به‌طور خودکار mTLS را برای تمام ارتباطات سرویس به سرویس اعمال کند، و اطمینان حاصل کند که تمام ارتباطات رمزگذاری و احراز هویت شده‌اند. این یک لایه امنیتی قوی در برابر شنود و دستکاری ارائه می‌دهد.

مباحث پیشرفته

دروازه GraphQL

به جای APIهای REST، استفاده از GraphQL را برای بازیابی داده‌های کارآمدتر در نظر بگیرید. یک دروازه GraphQL را با استفاده از کتابخانه‌هایی مانند Graphene و Ariadne پیاده‌سازی کنید. GraphQL به مشتریان اجازه می‌دهد فقط داده‌های مورد نیاز خود را درخواست کنند، که باعث کاهش بیش از حد و بهبود عملکرد می‌شود.

دروازه gRPC

برای ارتباط با عملکرد بالا بین سرویس‌ها، استفاده از gRPC را در نظر بگیرید. یک دروازه gRPC را برای افشای سرویس‌های gRPC به مشتریان خارجی پیاده‌سازی کنید. از ابزارهایی مانند grpc-gateway برای تولید APIهای RESTful از تعاریف gRPC استفاده کنید.

دروازه API بدون سرور

دروازه API خود را به عنوان یک تابع بدون سرور با استفاده از پلتفرم‌هایی مانند AWS Lambda، Google Cloud Functions یا Azure Functions مستقر کنید. دروازه‌های API بدون سرور مقیاس‌پذیری، مقرون به صرفه بودن و سربار عملیاتی کاهش‌یافته را ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، دروازه API را می‌توان با توابع AWS Lambda که به زبان پایتون نوشته شده‌اند برای پردازش درخواست‌ها ادغام کرد. این رویکرد بدون سرور می‌تواند هزینه‌های زیرساخت را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

نتیجه‌گیری

ساخت یک دروازه API پایتون با ادغام سرویس مش، یک راه‌حل قوی و مقیاس‌پذیر برای مدیریت ارتباط ریزسرویس‌ها فراهم می‌کند. با ترکیب نقاط قوت دروازه‌های API و Service Meshes، می‌توانید امنیت، قابلیت مشاهده و مدیریت ترافیک را افزایش دهید. این معماری برای برنامه‌های مدرن و ابری که نیاز به دسترسی بالا، مقیاس‌پذیری و امنیت دارند، مناسب است. به یاد داشته باشید که الزامات خاص خود را در نظر بگیرید و ابزارها و فناوری‌هایی را انتخاب کنید که به بهترین وجه متناسب با نیازهای شما هستند. به عنوان مثال، یک شرکت کوچکتر ممکن است Kong را به عنوان یک دروازه API و Linkerd را به عنوان یک Service Mesh به دلیل سهولت استفاده نسبی آنها ترجیح دهد، در حالی که یک شرکت بزرگتر ممکن است Istio و یک دروازه API پایتون سفارشی‌ساخته‌شده را انتخاب کند تا کنترل دقیقی بر هر جنبه‌ای از معماری خود داشته باشد. انتخاب ابزارهای مناسب و پیاده‌سازی دقیق ملاحظات امنیتی ذکر شده در بالا، برای موفقیت بسیار مهم است. علاوه بر این، نظارت و سازگاری مستمر برای حفظ یک دروازه API قوی و ایمن در چشم‌انداز تکنولوژیکی همیشه در حال تحول، بسیار مهم است.