API Gateway : Comprendre le routage des requêtes et l'équilibrage de la charge pour les architectures globales

Dans le paysage numérique interconnecté d'aujourd'hui, la construction d'applications robustes et évolutives implique souvent l'utilisation de microservices. Ces services indépendants, tout en offrant flexibilité et agilité, introduisent une complexité dans la gestion de la communication inter-services et la garantie d'une expérience utilisateur transparente. Au premier plan de la gestion de cette complexité se trouve l'API Gateway. Deux de ses fonctions les plus fondamentales et critiques sont le routage des requêtes et l'équilibrage de la charge. Cet article explore en profondeur ces concepts, expliquant leur importance, leur fonctionnement et leur rôle indispensable dans les architectures logicielles globales modernes.

Le rôle central d'une API Gateway

Avant de nous plonger dans le routage et l'équilibrage de la charge, il est crucial de comprendre ce qu'est une API Gateway et pourquoi elle est une pierre angulaire des microservices. Une API Gateway agit comme un point d'entrée unique pour toutes les requêtes client vers vos services back-end. Au lieu que les clients communiquent directement avec des microservices individuels (ce qui peut conduire à un enchevêtrement de connexions point à point), ils interagissent avec la passerelle. La passerelle transmet ensuite intelligemment ces requêtes au service back-end approprié.

Ce modèle architectural offre plusieurs avantages clés :

• Découplage : Les clients sont découplés des services back-end, ce qui permet de refactoriser, de mettre à jour ou de remplacer les services sans affecter les clients.
• Abstraction : Elle masque la complexité du back-end, en présentant une API unifiée aux clients.
• Préoccupations centralisées : Les fonctionnalités courantes comme l'authentification, l'autorisation, la limitation du débit, la journalisation et la surveillance peuvent être gérées au niveau de la passerelle, ce qui réduit la redondance entre les services.
• Amélioration des performances : Des fonctionnalités comme la mise en cache et l'agrégation des requêtes peuvent être implémentées au niveau de la passerelle.

Au sein de ce hub central, le routage des requêtes et l'équilibrage de la charge sont primordiaux pour un fonctionnement efficace et fiable.

Comprendre le routage des requêtes

Le routage des requêtes est le processus par lequel une API Gateway détermine quel service back-end doit traiter une requête client entrante. C'est comme un contrôleur de trafic très intelligent, qui dirige les véhicules (requêtes) vers leurs destinations correctes (services).

Comment fonctionne le routage des requêtes ?

Les API Gateways utilisent généralement différentes stratégies pour router les requêtes :

• Routage basé sur le chemin : Il s'agit de l'une des méthodes les plus courantes. La passerelle inspecte le chemin URL de la requête entrante et la route en fonction de règles prédéfinies. Par exemple :
• Les requêtes vers /users/ peuvent être routées vers le service utilisateur.
• Les requêtes vers /products/ peuvent être routées vers le service produit.
• Les requêtes vers /orders/ peuvent être routées vers le service commande.
• Routage basé sur l'hôte : Dans les scénarios où une seule passerelle peut desservir plusieurs applications ou domaines distincts, le routage basé sur l'hôte permet à la passerelle de router les requêtes en fonction du nom d'hôte dans l'en-tête `Host` de la requête. Par exemple :
• Les requêtes vers api.example.com peuvent être routées vers un ensemble de services.
• Les requêtes vers admin.example.com peuvent être routées vers un autre ensemble.
• Routage basé sur l'en-tête : Un routage plus avancé peut être basé sur des en-têtes personnalisés présents dans la requête. Cela peut être utile pour les tests A/B, les versions canary ou le routage basé sur des attributs client spécifiques. Par exemple, un en-tête `x-version` pourrait diriger le trafic vers différentes versions d'un service.
• Routage basé sur les paramètres de requête : Similaire au routage basé sur l'en-tête, certains paramètres de requête dans l'URL peuvent également dicter le chemin de routage.
• Routage basé sur la méthode : Bien que moins courant en tant que stratégie de routage principale, la méthode HTTP (GET, POST, PUT, DELETE) peut faire partie d'une règle de routage, en particulier lorsqu'elle est combinée au routage basé sur le chemin.

Configuration et routage dynamique

Les règles de routage sont généralement configurées dans l'API Gateway elle-même. Cette configuration peut être statique (définie dans des fichiers de configuration) ou dynamique (gérée via une API ou un mécanisme de découverte de services).

Configuration statique : Des configurations simples peuvent utiliser des fichiers de configuration statiques. Cela est facile à gérer pour les petits déploiements, mais peut devenir lourd à mesure que le nombre de services augmente.

Routage dynamique : Dans les environnements plus complexes, natifs du cloud, les API Gateways s'intègrent à des outils de découverte de services (comme Consul, Eureka ou la découverte de services intégrée de Kubernetes). Lorsqu'une nouvelle instance de service démarre, elle s'enregistre auprès de la découverte de services. L'API Gateway interroge la découverte de services pour obtenir les instances disponibles pour un service donné, ce qui lui permet de router les requêtes de manière dynamique. Ceci est crucial pour gérer les événements de mise à l'échelle et les pannes de service en douceur.

Exemples globaux de routage en action

• Plateformes de commerce électronique : Un géant mondial du commerce électronique comme Amazon ou Alibaba utiliserait largement le routage basé sur le chemin. Les requêtes vers /cart vont vers le service de panier, /checkout vers le service de paiement et /user vers le service de profil utilisateur. Pour différentes régions, le routage basé sur l'hôte pourrait être utilisé (par exemple, amazon.co.uk routant vers des configurations back-end spécifiques au Royaume-Uni).
• Services de covoiturage : Des entreprises comme Uber ou Grab utilisent le routage pour diriger les requêtes vers divers microservices. Une requête d'un passager pour les chauffeurs à proximité irait à un service de correspondance de chauffeurs, tandis qu'une requête pour afficher les trajets passés irait à un service d'historique des trajets. Le routage basé sur l'en-tête pourrait être utilisé pour déployer de nouvelles fonctionnalités auprès d'un sous-ensemble d'utilisateurs sur des marchés géographiques spécifiques.
• Institutions financières : Une banque multinationale pourrait utiliser le routage pour diriger les requêtes de soldes de comptes vers un service, les virements vers un autre et l'assistance clientèle vers un autre encore. Le routage basé sur l'hôte pourrait être utilisé pour segmenter les requêtes des clients en fonction de leur division bancaire (par exemple, services bancaires aux particuliers vs. services bancaires aux entreprises).

Comprendre l'équilibrage de la charge

Alors que le routage des requêtes dirige une requête vers le *bon type* de service, l'équilibrage de la charge garantit que la requête est envoyée à une *instance saine et disponible* de ce service, et que la charge de travail est répartie uniformément sur plusieurs instances. Sans équilibrage de la charge, une seule instance de service pourrait être submergée, ce qui entraînerait une dégradation des performances ou une défaillance complète.

La nécessité de l'équilibrage de la charge

Dans une architecture de microservices, il est courant d'avoir plusieurs instances d'un seul service en cours d'exécution pour gérer des volumes de trafic élevés et assurer la redondance. L'équilibrage de la charge est essentiel pour :

• Haute disponibilité : Si une instance d'un service tombe en panne, l'équilibreur de charge peut automatiquement rediriger le trafic vers des instances saines, ce qui évite toute interruption de service.
• Scalabilité : À mesure que le trafic augmente, de nouvelles instances d'un service peuvent être ajoutées, et l'équilibreur de charge commencera à leur distribuer les requêtes, ce qui permettra à l'application de se mettre à l'échelle horizontalement.
• Performance : La répartition uniforme du trafic empêche toute instance unique de devenir un goulot d'étranglement, ce qui améliore les performances globales de l'application et réduit la latence.
• Utilisation des ressources : Garantit que toutes les instances de service disponibles sont utilisées efficacement.

Algorithmes courants d'équilibrage de la charge

Les API Gateways, ou les équilibreurs de charge dédiés avec lesquels la passerelle pourrait interagir, utilisent divers algorithmes pour répartir le trafic :

• Round Robin : Les requêtes sont distribuées séquentiellement à chaque serveur de la liste. Lorsque la fin de la liste est atteinte, elle recommence au début. C'est simple mais ne tient pas compte de la charge du serveur.
• Round Robin pondéré : Similaire à Round Robin, mais des poids sont attribués aux serveurs. Les serveurs avec des poids plus élevés reçoivent plus de connexions. Ceci est utile lorsque les serveurs ont des capacités différentes.
• Moins de connexions : Les requêtes sont envoyées au serveur avec le moins de connexions actives. C'est un bon choix pour les connexions de longue durée.
• Moins de connexions pondérées : Combine des poids avec l'algorithme des moins de connexions. Les serveurs avec des poids plus élevés sont plus susceptibles de recevoir de nouvelles connexions, mais la décision est toujours basée sur le nombre actuel de connexions actives.
• Hash IP : Le serveur est choisi en fonction d'un hachage de l'adresse IP du client. Cela garantit que les requêtes provenant de la même adresse IP client vont toujours vers le même serveur, ce qui peut être utile pour maintenir l'état de la session sans un magasin de session dédié.
• Temps de réponse le plus court : Dirige le trafic vers le serveur qui a le temps de réponse moyen le plus bas et le moins de connexions actives. Cet algorithme se concentre sur la fourniture de la réponse la plus rapide aux utilisateurs.
• Aléatoire : Un serveur aléatoire est choisi dans le pool disponible. Simple, mais peut conduire à une répartition inégale sur de courtes périodes.

Contrôles de santé

Un élément essentiel de l'équilibrage de la charge est la vérification de l'état de santé. L'API Gateway ou l'équilibreur de charge vérifie périodiquement l'état de santé des instances de service back-end. Ces contrôles peuvent être :

• Contrôles de santé actifs : L'équilibreur de charge envoie activement des requêtes (par exemple, des pings, des requêtes HTTP vers un point de terminaison `/health`) aux instances back-end. Si une instance ne répond pas dans un délai imparti ou renvoie une erreur, elle est marquée comme non saine et supprimée du pool de serveurs disponibles jusqu'à ce qu'elle se rétablisse.
• Contrôles de santé passifs : L'équilibreur de charge surveille les réponses des serveurs back-end. S'il observe un taux d'erreurs élevé en provenance d'un serveur particulier, il peut en déduire que le serveur n'est pas sain.

Ce mécanisme de contrôle de l'état de santé est vital pour garantir que le trafic n'est envoyé qu'aux instances de service saines, maintenant ainsi la stabilité et la fiabilité de l'application.

Exemples globaux d'équilibrage de la charge en action

• Services de streaming : Des entreprises comme Netflix ou Disney+ connaissent un trafic massif et fluctuant. Leurs API Gateways et l'infrastructure d'équilibrage de la charge sous-jacente distribuent les requêtes sur des milliers d'instances de serveurs dans le monde entier. Lorsqu'un nouvel épisode est diffusé, les équilibreurs de charge garantissent que l'augmentation des requêtes est gérée sans surcharger un seul service. Ils utilisent également des algorithmes sophistiqués pour diriger les utilisateurs vers les serveurs périphériques (CDN) les plus proches et les plus performants du réseau de diffusion de contenu.
• Plateformes de médias sociaux : Meta (Facebook, Instagram) gère des milliards de requêtes quotidiennement. L'équilibrage de la charge est fondamental pour que ces plateformes restent accessibles. Lorsqu'un utilisateur télécharge une photo, la requête est acheminée vers un service de téléchargement approprié, et l'équilibrage de la charge garantit que cette tâche intensive est répartie sur de nombreuses instances disponibles et que le flux de l'utilisateur est rapidement alimenté.
• Jeux en ligne : Pour les jeux massivement multijoueurs en ligne (MMO), le maintien d'une faible latence et d'une haute disponibilité est primordial. Les API Gateways avec un équilibrage de charge robuste dirigent les joueurs vers les serveurs de jeu les plus proches géographiquement et ayant la charge la plus faible, garantissant ainsi une expérience de jeu fluide pour des millions d'utilisateurs simultanés dans le monde entier.

Intégration du routage et de l'équilibrage de la charge

Le routage des requêtes et l'équilibrage de la charge ne sont pas des fonctions indépendantes ; ils fonctionnent en tandem. Le processus se présente généralement comme suit :

1. Un client envoie une requête à l'API Gateway.
2. L'API Gateway inspecte la requête (par exemple, son chemin URL, ses en-têtes).
3. En fonction de règles prédéfinies, la passerelle identifie le microservice cible (par exemple, le service utilisateur).
4. La passerelle consulte ensuite sa liste d'instances saines et disponibles pour ce service utilisateur spécifique.
5. À l'aide d'un algorithme d'équilibrage de la charge choisi (par exemple, Moins de connexions), la passerelle sélectionne une instance saine du service utilisateur.
6. La requête est transmise à l'instance sélectionnée.

Cette approche intégrée garantit que les requêtes sont non seulement dirigées vers le service correct, mais également vers une instance disponible et performante de ce service.

Considérations avancées pour les architectures globales

Pour les applications globales, l'interaction du routage et de l'équilibrage de la charge devient encore plus nuancée :

• Routage géographique : Les requêtes des utilisateurs dans différentes régions géographiques peuvent devoir être routées vers des services back-end déployés dans des centres de données les plus proches d'eux. Cela minimise la latence et améliore l'expérience utilisateur. Ceci peut être réalisé en ayant des API Gateways régionales qui routent ensuite les requêtes vers des instances de service locales.
• Équilibrage de la charge Geo-DNS : Souvent, la résolution DNS elle-même est utilisée pour diriger les utilisateurs vers l'instance d'API Gateway la plus proche.
• Équilibrage de la charge globale des serveurs (GSLB) : Cette technique avancée distribue le trafic sur plusieurs centres de données ou régions. L'API Gateway peut ensuite effectuer un équilibrage de charge local au sein d'une région spécifique.
• Intégration de la découverte de services : Comme mentionné, une intégration robuste avec la découverte de services est essentielle. Dans une configuration globale, la découverte de services doit être consciente des instances de service dans différentes régions et de leur état de santé.
• Versions Canary et déploiements bleu/vert : Ces stratégies de déploiement reposent fortement sur un routage et un équilibrage de la charge sophistiqués. Les versions Canary impliquent le transfert progressif d'un petit pourcentage de trafic vers une nouvelle version d'un service, ce qui permet de tester en production. Les déploiements bleu/vert impliquent l'exécution de deux environnements identiques et la bascule du trafic entre eux. Les deux nécessitent que l'API Gateway contrôle dynamiquement le flux de trafic en fonction de règles spécifiques (par exemple, le routage basé sur l'en-tête pour Canary).

Choisir la bonne solution API Gateway

Le choix d'une solution API Gateway est essentiel et dépend de vos besoins spécifiques, de votre échelle et de votre infrastructure existante. Les options populaires incluent :

• Solutions natives du cloud : AWS API Gateway, Azure API Management, Google Cloud API Gateway. Ces services sont gérés et offrent une intégration approfondie avec leurs écosystèmes cloud respectifs.
• Solutions open source :
• Kong Gateway : Hautement extensible, souvent déployé avec Kubernetes.
• Apache APISIX : Une passerelle API dynamique, en temps réel et haute performance.
• Envoy Proxy : Souvent utilisé comme plan de données dans les architectures de maillage de services (comme Istio), mais peut également fonctionner comme une API Gateway autonome.
• Nginx/Nginx Plus : Un serveur Web très populaire qui peut être configuré comme une API Gateway, avec des fonctionnalités avancées d'équilibrage de la charge.
• Solutions commerciales : Apigee (Google), Mulesoft, Tibco. Celles-ci offrent souvent des fonctionnalités et une assistance d'entreprise plus complètes.

Lors de l'évaluation des solutions, tenez compte de leurs capacités en matière de :

• Flexibilité de routage : Dans quelle mesure pouvez-vous facilement définir des règles de routage complexes ?
• Algorithmes d'équilibrage de la charge : Prend-il en charge les algorithmes dont vous avez besoin ?
• Mécanismes de contrôle de l'état de santé : Sont-ils robustes et configurables ?
• Intégration de la découverte de services : S'intègre-t-il à vos outils de découverte de services choisis ?
• Performance et scalabilité : Peut-il gérer la charge de trafic prévue ?
• Observabilité : Fournit-il de bonnes capacités de journalisation, de surveillance et de traçage ?
• Extensibilité : Pouvez-vous ajouter une logique personnalisée ou des plugins ?

Conclusion

Le routage des requêtes et l'équilibrage de la charge ne sont pas de simples fonctionnalités techniques d'une API Gateway ; ce sont des piliers fondamentaux pour la construction d'architectures de microservices résilientes, évolutives et performantes. En dirigeant intelligemment les requêtes entrantes vers les services back-end appropriés et en distribuant le trafic uniformément sur des instances de service saines, les API Gateways garantissent que les applications restent disponibles, performantes et capables de gérer des charges dynamiques.

Pour les applications globales, l'application sophistiquée de ces concepts, souvent combinée à la conscience géographique et à des stratégies de déploiement avancées, est essentielle pour offrir une expérience utilisateur cohérente et supérieure dans le monde entier. À mesure que votre écosystème de microservices se développe, une API Gateway bien configurée et robuste, avec un routage des requêtes et un équilibrage de la charge efficaces, sera votre allié le plus précieux pour naviguer dans la complexité et assurer l'excellence opérationnelle.

Points de vue exploitables :

• Définir des règles de routage claires : Documentez et standardisez vos stratégies de routage en fonction des responsabilités du service.
• Tirer parti de la découverte de services : Intégrez votre API Gateway à un mécanisme de découverte de services pour le routage dynamique et le basculement.
• Implémenter des contrôles de santé complets : Assurez-vous que votre passerelle ou votre équilibreur de charge surveille avec précision l'état de vos instances de service.
• Choisir des algorithmes d'équilibrage de la charge appropriés : Sélectionnez les algorithmes qui conviennent le mieux aux modèles de trafic et aux capacités back-end de votre service.
• Surveiller les performances : Surveillez en permanence la latence des requêtes, les taux d'erreur et l'utilisation des ressources au niveau de la passerelle afin d'identifier les goulots d'étranglement et d'optimiser les performances.
• Envisager la répartition géographique : Pour les applications globales, planifiez le déploiement de votre API Gateway et vos stratégies de routage afin de servir les utilisateurs depuis leurs points de présence les plus proches.

En maîtrisant le routage des requêtes et l'équilibrage de la charge au sein de votre API Gateway, vous jetez les bases d'une architecture d'application globale robuste et pérenne.