API vārteja: pieprasījumu maršrutēšanas un slodzes līdzsvarošanas izpratne globālām arhitektūrām

Mūsdienu savstarpēji saistītajā digitālajā vidē robustu un mērogojamu lietojumprogrammu izveide bieži vien ietver mikropakalpojumu izmantošanu. Šie neatkarīgie pakalpojumi, lai arī piedāvā elastību un veiklību, rada sarežģītību starppakalpojumu komunikācijas pārvaldībā un nevainojamas lietotāja pieredzes nodrošināšanā. Šīs sarežģītības pārvaldības priekšgalā ir API vārteja. Divas no tās fundamentālākajām un kritiskākajām funkcijām ir pieprasījumu maršrutēšana un slodzes līdzsvarošana. Šajā rakstā dziļi aplūkosim šos jēdzienus, paskaidrojot to nozīmi, darbības principus un neaizstājamo lomu modernās globālās programmatūras arhitektūrās.

API vārtejas centrālā loma

Pirms iedziļināmies maršrutēšanā un slodzes līdzsvarošanā, ir svarīgi saprast, kas ir API vārteja un kāpēc tā ir mikropakalpojumu stūrakmens. API vārteja darbojas kā vienots ieejas punkts visiem klientu pieprasījumiem uz jūsu aizmugursistēmas (backend) pakalpojumiem. Tā vietā, lai klienti tieši sazinātos ar atsevišķiem mikropakalpojumiem (kas var radīt samudžinātu "punkts-punktam" savienojumu jucekli), viņi mijiedarbojas ar vārteju. Pēc tam vārteja inteliģenti pārsūta šos pieprasījumus atbilstošajam aizmugursistēmas pakalpojumam.

Šis arhitektūras modelis piedāvā vairākas galvenās priekšrocības:

• Atsaiste: Klienti tiek atsaistīti no aizmugursistēmas pakalpojumiem, ļaujot pakalpojumus pārveidot, atjaunināt vai aizstāt, neietekmējot klientus.
• Abstrakcija: Tā slēpj aizmugursistēmas sarežģītību, piedāvājot klientiem vienotu API.
• Centralizētas funkcijas: Kopējas funkcionalitātes, piemēram, autentifikācija, autorizācija, pieprasījumu skaita ierobežošana, žurnalēšana un monitorings, var tikt apstrādātas vārtejas līmenī, samazinot liekvārdību starp pakalpojumiem.
• Uzlabota veiktspēja: Funkcijas, piemēram, kešatmiņa un pieprasījumu agregācija, var tikt ieviestas vārtejā.

Šajā centrālajā mezglā pieprasījumu maršrutēšana un slodzes līdzsvarošana ir vissvarīgākās efektīvai un uzticamai darbībai.

Pieprasījumu maršrutēšanas izpratne

Pieprasījumu maršrutēšana ir process, kurā API vārteja nosaka, kuram aizmugursistēmas pakalpojumam jāapstrādā ienākošais klienta pieprasījums. Tas ir kā ļoti inteliģents satiksmes regulators, kas novirza transportlīdzekļus (pieprasījumus) uz to pareizajiem galamērķiem (pakalpojumiem).

Kā darbojas pieprasījumu maršrutēšana?

API vārtejas parasti izmanto dažādas stratēģijas pieprasījumu maršrutēšanai:

• Maršrutēšana pēc ceļa (Path-Based Routing): Šī ir viena no visbiežāk sastopamajām metodēm. Vārteja pārbauda ienākošā pieprasījuma URL ceļu un maršrutē to, pamatojoties uz iepriekš definētiem noteikumiem. Piemēram:
• Pieprasījumi uz /users/ var tikt maršrutēti uz Lietotāju pakalpojumu (User Service).
• Pieprasījumi uz /products/ var tikt maršrutēti uz Produktu pakalpojumu (Product Service).
• Pieprasījumi uz /orders/ var tikt maršrutēti uz Pasūtījumu pakalpojumu (Order Service).
• Maršrutēšana pēc resursdatora (Host-Based Routing): Scenārijos, kur viena vārteja var apkalpot vairākas atšķirīgas lietojumprogrammas vai domēnus, maršrutēšana pēc resursdatora ļauj vārtejai maršrutēt pieprasījumus, pamatojoties uz resursdatora nosaukumu pieprasījuma Host galvenē. Piemēram:
• Pieprasījumi uz api.example.com var maršrutēt uz vienu pakalpojumu kopu.
• Pieprasījumi uz admin.example.com var maršrutēt uz citu kopu.
• Maršrutēšana pēc galvenēm (Header-Based Routing): Sarežģītāka maršrutēšana var balstīties uz pielāgotām galvenēm, kas atrodas pieprasījumā. Tas var būt noderīgi A/B testēšanai, "kanārijputniņa" izlaidumiem (canary releases) vai maršrutēšanai, pamatojoties uz specifiskiem klienta atribūtiem. Piemēram, x-version galvene varētu novirzīt trafiku uz dažādām pakalpojuma versijām.
• Maršrutēšana pēc vaicājuma parametriem (Query Parameter-Based Routing): Līdzīgi kā maršrutēšana pēc galvenēm, arī noteikti vaicājuma parametri URL var noteikt maršrutēšanas ceļu.
• Maršrutēšana pēc metodes (Method-Based Routing): Lai gan retāk izmantota kā primārā maršrutēšanas stratēģija, HTTP metode (GET, POST, PUT, DELETE) var būt daļa no maršrutēšanas noteikuma, īpaši kombinācijā ar maršrutēšanu pēc ceļa.

Konfigurācija un dinamiskā maršrutēšana

Maršrutēšanas noteikumi parasti tiek konfigurēti pašā API vārtejā. Šī konfigurācija var būt statiska (definēta konfigurācijas failos) vai dinamiska (pārvaldīta caur API vai pakalpojumu atklāšanas mehānismu).

Statiskā konfigurācija: Vienkāršās sistēmās var izmantot statiskus konfigurācijas failus. To ir viegli pārvaldīt mazākās instalācijās, bet tas var kļūt apgrūtinoši, pieaugot pakalpojumu skaitam.

Dinamiskā maršrutēšana: Sarežģītākās, mākoņtehnoloģijās bāzētās vidēs API vārtejas integrējas ar pakalpojumu atklāšanas rīkiem (piemēram, Consul, Eureka vai Kubernetes iebūvēto pakalpojumu atklāšanu). Kad tiek palaista jauna pakalpojuma instance, tā reģistrējas pakalpojumu atklāšanas rīkā. API vārteja vaicā pakalpojumu atklāšanas rīkam, lai iegūtu pieejamās instances konkrētam pakalpojumam, tādējādi ļaujot dinamiski maršrutēt pieprasījumus. Tas ir ļoti svarīgi, lai veiksmīgi apstrādātu mērogošanas notikumus un pakalpojumu kļūmes.

Globāli maršrutēšanas piemēri praksē

• E-komercijas platformas: Globāls e-komercijas gigants, piemēram, Amazon vai Alibaba, plaši izmantotu maršrutēšanu pēc ceļa. Pieprasījumi uz /cart nonāk groza pakalpojumā, /checkout - norēķinu pakalpojumā, un /user - lietotāja profila pakalpojumā. Dažādiem reģioniem varētu tikt izmantota maršrutēšana pēc resursdatora (piemēram, amazon.co.uk maršrutējot uz Apvienotās Karalistes specifiskām aizmugursistēmas konfigurācijām).
• Kopbraukšanas pakalpojumi: Uzņēmumi, piemēram, Uber vai Grab, izmanto maršrutēšanu, lai novirzītu pieprasījumus uz dažādiem mikropakalpojumiem. Pasažiera pieprasījums pēc tuvumā esošiem vadītājiem nonāktu vadītāju saskaņošanas pakalpojumā, savukārt pieprasījums apskatīt iepriekšējos braucienus - braucienu vēstures pakalpojumā. Maršrutēšanu pēc galvenēm varētu izmantot, lai ieviestu jaunas funkcijas noteiktai lietotāju daļai specifiskos ģeogrāfiskos tirgos.
• Finanšu iestādes: Starptautiska banka varētu izmantot maršrutēšanu, lai novirzītu pieprasījumus par konta atlikumiem uz vienu pakalpojumu, līdzekļu pārskaitījumus uz citu un klientu atbalstu vēl uz citu. Maršrutēšanu pēc resursdatora varētu izmantot, lai segmentētu klientu pieprasījumus atkarībā no viņu bankas nodaļas (piemēram, privātbanku pakalpojumi pret korporatīvo banku pakalpojumiem).

Slodzes līdzsvarošanas izpratne

Kamēr pieprasījumu maršrutēšana novirza pieprasījumu uz *pareizā tipa* pakalpojumu, slodzes līdzsvarošana nodrošina, ka pieprasījums tiek nosūtīts uz *veselīgu un pieejamu* šī pakalpojuma instanci un ka darba slodze tiek vienmērīgi sadalīta starp vairākām instancēm. Bez slodzes līdzsvarošanas viena pakalpojuma instance varētu tikt pārslogota, kas novestu pie veiktspējas pasliktināšanās vai pilnīgas kļūmes.

Slodzes līdzsvarošanas nepieciešamība

Mikropakalpojumu arhitektūrā ir ierasts, ka darbojas vairākas viena pakalpojuma instances, lai apstrādātu lielu trafika apjomu un nodrošinātu redundanci. Slodzes līdzsvarošana ir būtiska, lai:

• Augsta pieejamība: Ja viena pakalpojuma instance sabojājas, slodzes līdzsvarotājs var automātiski pārvirzīt trafiku uz veselīgām instancēm, novēršot pakalpojuma pārtraukumu.
• Mērogojamība: Pieaugot trafikam, var pievienot jaunas pakalpojuma instances, un slodzes līdzsvarotājs sāks sadalīt pieprasījumus tām, ļaujot lietojumprogrammai mērogoties horizontāli.
• Veiktspēja: Vienmērīga trafika sadale novērš to, ka kāda atsevišķa instance kļūst par vājo posmu, tādējādi uzlabojot kopējo lietojumprogrammas veiktspēju un samazinot latentumu.
• Resursu izmantošana: Nodrošina, ka visas pieejamās pakalpojumu instances tiek izmantotas efektīvi.

Izplatītākie slodzes līdzsvarošanas algoritmi

API vārtejas vai specializēti slodzes līdzsvarotāji, ar kuriem vārteja var mijiedarboties, izmanto dažādus algoritmus trafika sadalei:

• Apļveida secība (Round Robin): Pieprasījumi tiek secīgi sadalīti katram serverim sarakstā. Kad saraksta beigas ir sasniegtas, process sākas no jauna. Tas ir vienkārši, bet neņem vērā servera slodzi.
• Svērtā apļveida secība (Weighted Round Robin): Līdzīgi kā apļveida secība, bet serveriem tiek piešķirti svari. Serveri ar lielāku svaru saņem vairāk savienojumu. Tas ir noderīgi, ja serveriem ir dažādas jaudas.
• Mazākais savienojumu skaits (Least Connections): Pieprasījumi tiek nosūtīti uz serveri ar vismazāko aktīvo savienojumu skaitu. Šī ir laba izvēle ilgstošiem savienojumiem.
• Svērtais mazākais savienojumu skaits (Weighted Least Connections): Apvieno svarus ar mazākā savienojumu skaita algoritmu. Serveri ar lielāku svaru, visticamāk, saņems jaunus savienojumus, bet lēmums joprojām tiek balstīts uz pašreizējo aktīvo savienojumu skaitu.
• IP jaucējkods (IP Hash): Serveris tiek izvēlēts, pamatojoties uz klienta IP adreses jaucējkodu. Tas nodrošina, ka pieprasījumi no vienas un tās pašas klienta IP adreses vienmēr nonāk pie viena un tā paša servera, kas var būt noderīgi sesijas stāvokļa uzturēšanai bez īpašas sesiju krātuves.
• Mazākais atbildes laiks (Least Response Time): Novirza trafiku uz serveri, kuram ir zemākais vidējais atbildes laiks un vismazākais aktīvo savienojumu skaits. Šis algoritms koncentrējas uz ātrākās atbildes sniegšanu lietotājiem.
• Nejaušs (Random): No pieejamo serveru kopas tiek izvēlēts nejaušs serveris. Vienkārši, bet īsos laika periodos var radīt nevienmērīgu sadalījumu.

Veselības pārbaudes

Kritiska slodzes līdzsvarošanas sastāvdaļa ir veselības pārbaude. API vārteja vai slodzes līdzsvarotājs periodiski pārbauda aizmugursistēmas pakalpojumu instanču veselību. Šīs pārbaudes var būt:

• Aktīvās veselības pārbaudes: Slodzes līdzsvarotājs aktīvi nosūta pieprasījumus (piemēram, ping signālus, HTTP pieprasījumus uz /health galapunktu) aizmugursistēmas instancēm. Ja instance neatbild noteiktā laika limitā vai atgriež kļūdu, tā tiek atzīmēta kā neveselīga un noņemta no pieejamo serveru kopas, līdz tā atgūstas.
• Pasīvās veselības pārbaudes: Slodzes līdzsvarotājs uzrauga atbildes no aizmugursistēmas serveriem. Ja tas novēro augstu kļūdu īpatsvaru no konkrēta servera, tas var secināt, ka serveris ir neveselīgs.

Šis veselības pārbaudes mehānisms ir vitāli svarīgs, lai nodrošinātu, ka trafiks tiek sūtīts tikai uz veselīgām pakalpojumu instancēm, tādējādi saglabājot lietojumprogrammas stabilitāti un uzticamību.

Globāli slodzes līdzsvarošanas piemēri praksē

• Straumēšanas pakalpojumi: Uzņēmumi, piemēram, Netflix vai Disney+, saskaras ar milzīgu, svārstīgu trafiku. To API vārtejas un pamatā esošā slodzes līdzsvarošanas infrastruktūra sadala pieprasījumus tūkstošiem serveru instanču visā pasaulē. Kad tiek izlaista jauna sērija, slodzes līdzsvarotāji nodrošina, ka pieprasījumu pieaugums tiek apstrādāts, nepārslogojot nevienu atsevišķu pakalpojumu. Tās arī izmanto sarežģītus algoritmus, lai novirzītu lietotājus uz tuvākajiem un visefektīvākajiem satura piegādes tīkla (CDN) malas serveriem.
• Sociālo mediju platformas: Meta (Facebook, Instagram) apstrādā miljardiem pieprasījumu katru dienu. Slodzes līdzsvarošana ir fundamentāla, lai uzturētu šīs platformas pieejamas. Kad lietotājs augšupielādē fotoattēlu, pieprasījums tiek maršrutēts uz atbilstošu augšupielādes pakalpojumu, un slodzes līdzsvarošana nodrošina, ka šis intensīvais uzdevums tiek sadalīts starp daudzām pieejamām instancēm un ka lietotāja ziņu plūsma tiek ātri aizpildīta.
• Tiešsaistes spēles: Masveida vairāku spēlētāju tiešsaistes (MMO) spēlēm zema latentuma un augstas pieejamības uzturēšana ir vissvarīgākā. API vārtejas ar robustu slodzes līdzsvarošanu novirza spēlētājus uz spēļu serveriem, kas ir ģeogrāfiski vistuvāk un ar viszemāko slodzi, nodrošinot vienmērīgu spēļu pieredzi miljoniem vienlaicīgu lietotāju visā pasaulē.

Maršrutēšanas un slodzes līdzsvarošanas integrācija

Pieprasījumu maršrutēšana un slodzes līdzsvarošana nav neatkarīgas funkcijas; tās darbojas tandēmā. Process parasti izskatās šādi:

1. Klients nosūta pieprasījumu uz API vārteju.
2. API vārteja pārbauda pieprasījumu (piemēram, tā URL ceļu, galvenes).
3. Pamatojoties uz iepriekš definētiem noteikumiem, vārteja identificē mērķa mikropakalpojumu (piemēram, Lietotāju pakalpojumu).
4. Pēc tam vārteja pārbauda savu pieejamo, veselīgo instanču sarakstu šim konkrētajam Lietotāju pakalpojumam.
5. Izmantojot izvēlēto slodzes līdzsvarošanas algoritmu (piemēram, Mazākais savienojumu skaits), vārteja izvēlas vienu veselīgu Lietotāju pakalpojuma instanci.
6. Pieprasījums tiek pārsūtīts uz izvēlēto instanci.

Šī integrētā pieeja nodrošina, ka pieprasījumi tiek ne tikai novirzīti uz pareizo pakalpojumu, bet arī uz pieejamu un veiktspējīgu šī pakalpojuma instanci.

Papildu apsvērumi globālām arhitektūrām

Globālām lietojumprogrammām maršrutēšanas un slodzes līdzsvarošanas mijiedarbība kļūst vēl niansētāka:

• Ģeogrāfiskā maršrutēšana: Pieprasījumi no lietotājiem dažādos ģeogrāfiskos reģionos varētu būt jāmaršrutē uz aizmugursistēmas pakalpojumiem, kas izvietoti tiem vistuvākajos datu centros. Tas samazina latentumu un uzlabo lietotāja pieredzi. To var panākt, izmantojot reģionālas API vārtejas, kas pēc tam maršrutē pieprasījumus uz vietējām pakalpojumu instancēm.
• Geo-DNS slodzes līdzsvarošana: Bieži vien pati DNS izšķiršana tiek izmantota, lai novirzītu lietotājus uz tuvāko API vārtejas instanci.
• Globālā serveru slodzes līdzsvarošana (GSLB): Šī progresīvā tehnika sadala trafiku starp vairākiem datu centriem vai reģioniem. Pēc tam API vārteja var veikt lokālu slodzes līdzsvarošanu konkrētā reģionā.
• Pakalpojumu atklāšanas integrācija: Kā minēts, stabila integrācija ar pakalpojumu atklāšanu ir galvenais. Globālā sistēmā pakalpojumu atklāšanas rīkam ir jābūt informētam par pakalpojumu instancēm dažādos reģionos un to veselības stāvokli.
• "Kanārijputniņa" izlaidumi (Canary Releases) un zili-zaļās ieviešanas (Blue/Green Deployments): Šīs ieviešanas stratēģijas lielā mērā balstās uz sarežģītu maršrutēšanu un slodzes līdzsvarošanu. "Kanārijputniņa" izlaidumi ietver pakāpenisku nelielas daļas trafika pārvirzīšanu uz jaunu pakalpojuma versiju, ļaujot veikt testēšanu ražošanas vidē. Zili-zaļās ieviešanas ietver divu identisku vidiņu darbināšanu un trafika pārslēgšanu starp tām. Abas prasa, lai API vārteja dinamiski kontrolētu trafika plūsmu, pamatojoties uz specifiskiem noteikumiem (piemēram, maršrutēšana pēc galvenēm "kanārijputniņa" gadījumā).

Pareizā API vārtejas risinājuma izvēle

API vārtejas risinājuma izvēle ir kritiska un atkarīga no jūsu specifiskajām vajadzībām, mēroga un esošās infrastruktūras. Populāras iespējas ietver:

• Mākoņtehnoloģiju risinājumi: AWS API Gateway, Azure API Management, Google Cloud API Gateway. Šie pakalpojumi ir pārvaldīti un piedāvā dziļu integrāciju ar attiecīgajām mākoņekosistēmām.
• Atvērtā pirmkoda risinājumi:
• Kong Gateway: Ļoti paplašināms, bieži tiek izvietots ar Kubernetes.
• Apache APISIX: Dinamiska, reāllaika, augstas veiktspējas API vārteja.
• Envoy Proxy: Bieži tiek izmantots kā datu plakne pakalpojumu tīkla arhitektūrās (piemēram, Istio), bet var darboties arī kā atsevišķa API vārteja.
• Nginx/Nginx Plus: Ļoti populārs tīmekļa serveris, ko var konfigurēt kā API vārteju, ar progresīvām slodzes līdzsvarošanas funkcijām.
• Komerciālie risinājumi: Apigee (Google), Mulesoft, Tibco. Tie bieži piedāvā plašākas uzņēmuma līmeņa funkcijas un atbalstu.

Vērtējot risinājumus, ņemiet vērā to spējas šādās jomās:

• Maršrutēšanas elastība: Cik viegli varat definēt sarežģītus maršrutēšanas noteikumus?
• Slodzes līdzsvarošanas algoritmi: Vai tas atbalsta jums nepieciešamos algoritmus?
• Veselības pārbaudes mehānismi: Vai tie ir stabili un konfigurējami?
• Pakalpojumu atklāšanas integrācija: Vai tas integrējas ar jūsu izvēlētajiem pakalpojumu atklāšanas rīkiem?
• Veiktspēja un mērogojamība: Vai tas spēj tikt galā ar jūsu paredzamo trafika slodzi?
• Novērojamība: Vai tas nodrošina labas žurnalēšanas, monitoringa un izsekošanas iespējas?
• Paplašināmība: Vai varat pievienot pielāgotu loģiku vai spraudņus?

Noslēgums

Pieprasījumu maršrutēšana un slodzes līdzsvarošana nav tikai API vārtejas tehniskas iezīmes; tie ir pamatpīlāri noturīgu, mērogojamu un augstas veiktspējas mikropakalpojumu arhitektūru veidošanai. Inteliģenti novirzot ienākošos pieprasījumus uz atbilstošajiem aizmugursistēmas pakalpojumiem un vienmērīgi sadalot trafiku starp veselīgām pakalpojumu instancēm, API vārtejas nodrošina, ka lietojumprogrammas paliek pieejamas, veiktspējīgas un spējīgas tikt galā ar dinamiskām slodzēm.

Globālām lietojumprogrammām šo koncepciju sarežģīta pielietošana, bieži vien apvienojumā ar ģeogrāfisko informētību un progresīvām ieviešanas stratēģijām, ir būtiska, lai nodrošinātu konsekventu un izcilu lietotāja pieredzi visā pasaulē. Pieaugot jūsu mikropakalpojumu ekosistēmai, labi konfigurēta un stabila API vārteja ar efektīvu pieprasījumu maršrutēšanu un slodzes līdzsvarošanu būs jūsu vērtīgākais sabiedrotais, lai pārvarētu sarežģītību un nodrošinātu darbības izcilību.

Praktiskas atziņas:

• Definējiet skaidrus maršrutēšanas noteikumus: Dokumentējiet un standartizējiet savas maršrutēšanas stratēģijas, pamatojoties uz pakalpojumu atbildībām.
• Izmantojiet pakalpojumu atklāšanu: Integrējiet savu API vārteju ar pakalpojumu atklāšanas mehānismu dinamiskai maršrutēšanai un avārijas pārslēgšanai.
• Ieviesiet visaptverošas veselības pārbaudes: Nodrošiniet, ka jūsu vārteja vai slodzes līdzsvarotājs precīzi uzrauga jūsu pakalpojumu instanču veselību.
• Izvēlieties atbilstošus slodzes līdzsvarošanas algoritmus: Izvēlieties algoritmus, kas vislabāk atbilst jūsu pakalpojuma trafika modeļiem un aizmugursistēmas iespējām.
• Pārraugiet veiktspēju: Nepārtraukti pārraugiet pieprasījumu latentumu, kļūdu līmeni un resursu izmantošanu vārtejas līmenī, lai identificētu vājos posmus un optimizētu veiktspēju.
• Apsveriet ģeogrāfisko sadalījumu: Globālām lietojumprogrammām plānojiet savas API vārtejas izvietošanas un maršrutēšanas stratēģijas, lai apkalpotu lietotājus no viņiem tuvākajiem klātbūtnes punktiem.

Apgūstot pieprasījumu maršrutēšanu un slodzes līdzsvarošanu savā API vārtejā, jūs liekat pamatus stabilai un nākotnes drošai globālai lietojumprogrammu arhitektūrai.