API Gateway: Hiểu về Định tuyến Yêu cầu và Cân bằng Tải cho Kiến trúc Toàn cầu

Trong bối cảnh kỹ thuật số kết nối ngày nay, việc xây dựng các ứng dụng mạnh mẽ và có khả năng mở rộng thường liên quan đến việc tận dụng các microservices. Các dịch vụ độc lập này, trong khi cung cấp sự linh hoạt và nhanh nhẹn, lại giới thiệu sự phức tạp trong việc quản lý giao tiếp giữa các dịch vụ và đảm bảo trải nghiệm người dùng liền mạch. Ở vị trí tiên phong trong việc quản lý sự phức tạp này là API Gateway. Hai trong số các chức năng cơ bản và quan trọng nhất của nó là định tuyến yêu cầu và cân bằng tải. Bài đăng này đi sâu vào các khái niệm này, giải thích tầm quan trọng của chúng, cách chúng hoạt động và vai trò không thể thiếu của chúng trong các kiến trúc phần mềm toàn cầu hiện đại.

Vai trò trung tâm của API Gateway

Trước khi chúng ta đi sâu vào định tuyến và cân bằng tải, điều quan trọng là phải hiểu API Gateway là gì và tại sao nó lại là nền tảng của microservices. API Gateway hoạt động như một điểm truy cập duy nhất cho tất cả các yêu cầu của khách hàng đến các dịch vụ backend của bạn. Thay vì khách hàng giao tiếp trực tiếp với các microservices riêng lẻ (có thể dẫn đến một mớ hỗn độn các kết nối điểm-điểm), họ tương tác với gateway. Sau đó, gateway sẽ chuyển tiếp thông minh các yêu cầu này đến dịch vụ backend thích hợp.

Mô hình kiến trúc này cung cấp một số lợi ích chính:

• Tách rời: Khách hàng được tách rời khỏi các dịch vụ backend, cho phép các dịch vụ được tái cấu trúc, cập nhật hoặc thay thế mà không ảnh hưởng đến khách hàng.
• Trừu tượng hóa: Nó ẩn đi sự phức tạp của backend, trình bày một API thống nhất cho khách hàng.
• Các vấn đề tập trung: Các chức năng chung như xác thực, ủy quyền, giới hạn tốc độ, ghi nhật ký và giám sát có thể được xử lý ở cấp gateway, giảm sự dư thừa trên các dịch vụ.
• Cải thiện hiệu suất: Các tính năng như bộ nhớ cache và tổng hợp yêu cầu có thể được triển khai tại gateway.

Trong trung tâm trung tâm này, định tuyến yêu cầu và cân bằng tải là tối quan trọng để hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy.

Tìm hiểu về Định tuyến Yêu cầu

Định tuyến yêu cầu là quá trình mà API Gateway xác định dịch vụ backend nào sẽ xử lý một yêu cầu của khách hàng đến. Nó giống như một bộ điều khiển giao thông thông minh, hướng dẫn các phương tiện (yêu cầu) đến đúng đích (dịch vụ).

Định tuyến yêu cầu hoạt động như thế nào?

API Gateways thường sử dụng nhiều chiến lược khác nhau để định tuyến các yêu cầu:

• Định tuyến dựa trên đường dẫn: Đây là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Gateway kiểm tra đường dẫn URL của yêu cầu đến và định tuyến nó dựa trên các quy tắc được xác định trước. Ví dụ:
• Các yêu cầu đến /users/ có thể được định tuyến đến Dịch vụ Người dùng.
• Các yêu cầu đến /products/ có thể được định tuyến đến Dịch vụ Sản phẩm.
• Các yêu cầu đến /orders/ có thể được định tuyến đến Dịch vụ Đặt hàng.
• Định tuyến dựa trên máy chủ: Trong các tình huống mà một gateway duy nhất có thể phục vụ nhiều ứng dụng hoặc miền riêng biệt, định tuyến dựa trên máy chủ cho phép gateway định tuyến các yêu cầu dựa trên tên máy chủ trong tiêu đề `Host` của yêu cầu. Ví dụ:
• Các yêu cầu đến api.example.com có thể định tuyến đến một tập hợp các dịch vụ.
• Các yêu cầu đến admin.example.com có thể định tuyến đến một tập hợp khác.
• Định tuyến dựa trên tiêu đề: Định tuyến nâng cao hơn có thể dựa trên các tiêu đề tùy chỉnh có trong yêu cầu. Điều này có thể hữu ích cho việc kiểm tra A/B, phát hành canary hoặc định tuyến dựa trên các thuộc tính khách hàng cụ thể. Ví dụ: tiêu đề `x-version` có thể hướng lưu lượng truy cập đến các phiên bản khác nhau của một dịch vụ.
• Định tuyến dựa trên tham số truy vấn: Tương tự như định tuyến dựa trên tiêu đề, một số tham số truy vấn trong URL cũng có thể quy định đường dẫn định tuyến.
• Định tuyến dựa trên phương thức: Mặc dù ít phổ biến hơn với tư cách là một chiến lược định tuyến chính, nhưng phương thức HTTP (GET, POST, PUT, DELETE) có thể là một phần của quy tắc định tuyến, đặc biệt khi kết hợp với định tuyến dựa trên đường dẫn.

Cấu hình và Định tuyến động

Các quy tắc định tuyến thường được cấu hình trong chính API Gateway. Cấu hình này có thể là tĩnh (được xác định trong các tệp cấu hình) hoặc động (được quản lý thông qua API hoặc cơ chế khám phá dịch vụ).

Cấu hình tĩnh: Thiết lập đơn giản có thể sử dụng các tệp cấu hình tĩnh. Điều này rất dễ quản lý đối với các triển khai nhỏ hơn nhưng có thể trở nên cồng kềnh khi số lượng dịch vụ tăng lên.

Định tuyến động: Trong các môi trường phức tạp hơn, gốc đám mây, API Gateways tích hợp với các công cụ khám phá dịch vụ (như Consul, Eureka hoặc khám phá dịch vụ tích hợp của Kubernetes). Khi một phiên bản dịch vụ mới khởi động, nó tự đăng ký với khám phá dịch vụ. API Gateway truy vấn khám phá dịch vụ để lấy các phiên bản có sẵn cho một dịch vụ nhất định, cho phép nó định tuyến các yêu cầu một cách linh hoạt. Điều này rất quan trọng để xử lý các sự kiện mở rộng quy mô và lỗi dịch vụ một cách duyên dáng.

Ví dụ toàn cầu về định tuyến trong hành động

• Nền tảng thương mại điện tử: Một gã khổng lồ thương mại điện tử toàn cầu như Amazon hoặc Alibaba sẽ sử dụng định tuyến dựa trên đường dẫn rộng rãi. Các yêu cầu đến /cart đi đến dịch vụ giỏ hàng, /checkout đến dịch vụ thanh toán và /user đến dịch vụ hồ sơ người dùng. Đối với các khu vực khác nhau, định tuyến dựa trên máy chủ có thể được sử dụng (ví dụ: amazon.co.uk định tuyến đến các cấu hình backend dành riêng cho Vương quốc Anh).
• Dịch vụ chia sẻ xe: Các công ty như Uber hoặc Grab sử dụng định tuyến để chuyển hướng các yêu cầu đến các microservices khác nhau. Yêu cầu từ người dùng đối với các tài xế gần đó sẽ đến dịch vụ kết hợp tài xế, trong khi yêu cầu xem các chuyến đi trước đó sẽ đến dịch vụ lịch sử chuyến đi. Định tuyến dựa trên tiêu đề có thể được sử dụng để triển khai các tính năng mới cho một tập hợp con người dùng ở các thị trường địa lý cụ thể.
• Các tổ chức tài chính: Một ngân hàng đa quốc gia có thể sử dụng định tuyến để chuyển hướng các yêu cầu về số dư tài khoản đến một dịch vụ, chuyển tiền đến một dịch vụ khác và hỗ trợ khách hàng đến một dịch vụ khác nữa. Định tuyến dựa trên máy chủ có thể được sử dụng để phân đoạn các yêu cầu của khách hàng dựa trên bộ phận ngân hàng của họ (ví dụ: dịch vụ ngân hàng cá nhân so với dịch vụ ngân hàng doanh nghiệp).

Tìm hiểu về Cân bằng Tải

Trong khi định tuyến yêu cầu hướng một yêu cầu đến *loại* dịch vụ *đúng*, thì cân bằng tải đảm bảo rằng yêu cầu được gửi đến một *phiên bản khả dụng và tốt* của dịch vụ đó và khối lượng công việc được phân phối đều trên nhiều phiên bản. Nếu không có cân bằng tải, một phiên bản dịch vụ duy nhất có thể bị quá tải, dẫn đến giảm hiệu suất hoặc lỗi hoàn toàn.

Sự cần thiết của Cân bằng Tải

Trong kiến trúc microservices, việc có nhiều phiên bản của một dịch vụ duy nhất đang chạy để xử lý khối lượng lưu lượng truy cập cao và đảm bảo dự phòng là điều phổ biến. Cân bằng tải là rất cần thiết cho:

• Tính sẵn sàng cao: Nếu một phiên bản của một dịch vụ bị lỗi, bộ cân bằng tải có thể tự động chuyển hướng lưu lượng truy cập đến các phiên bản tốt, ngăn chặn sự gián đoạn dịch vụ.
• Khả năng mở rộng: Khi lưu lượng truy cập tăng lên, các phiên bản mới của một dịch vụ có thể được thêm vào và bộ cân bằng tải sẽ bắt đầu phân phối các yêu cầu cho chúng, cho phép ứng dụng mở rộng theo chiều ngang.
• Hiệu suất: Phân phối lưu lượng truy cập đều đặn ngăn chặn bất kỳ phiên bản nào trở thành nút thắt cổ chai, dẫn đến hiệu suất ứng dụng tổng thể tốt hơn và giảm độ trễ.
• Sử dụng tài nguyên: Đảm bảo rằng tất cả các phiên bản dịch vụ khả dụng được sử dụng hiệu quả.

Các thuật toán cân bằng tải phổ biến

API Gateways hoặc các bộ cân bằng tải chuyên dụng mà gateway có thể tương tác, sử dụng các thuật toán khác nhau để phân phối lưu lượng truy cập:

• Vòng quay vòng: Các yêu cầu được phân phối tuần tự đến từng máy chủ trong danh sách. Khi đến cuối danh sách, nó bắt đầu lại từ đầu. Nó đơn giản nhưng không xem xét tải máy chủ.
• Vòng quay vòng có trọng số: Tương tự như Vòng quay vòng, nhưng các máy chủ được gán trọng số. Các máy chủ có trọng số cao hơn nhận được nhiều kết nối hơn. Điều này hữu ích khi các máy chủ có dung lượng khác nhau.
• Kết nối tối thiểu: Các yêu cầu được gửi đến máy chủ có ít kết nối đang hoạt động nhất. Đây là một lựa chọn tốt cho các kết nối tồn tại lâu dài.
• Kết nối tối thiểu có trọng số: Kết hợp trọng số với thuật toán kết nối tối thiểu. Các máy chủ có trọng số cao hơn có nhiều khả năng nhận được các kết nối mới hơn, nhưng quyết định vẫn dựa trên số lượng kết nối đang hoạt động hiện tại.
• IP Hash: Máy chủ được chọn dựa trên hàm băm của địa chỉ IP của khách hàng. Điều này đảm bảo rằng các yêu cầu từ cùng một địa chỉ IP của khách hàng luôn đi đến cùng một máy chủ, điều này có thể hữu ích để duy trì trạng thái phiên mà không cần kho lưu trữ phiên chuyên dụng.
• Thời gian phản hồi tối thiểu: Chuyển hướng lưu lượng truy cập đến máy chủ có thời gian phản hồi trung bình thấp nhất và ít kết nối đang hoạt động nhất. Thuật toán này tập trung vào việc cung cấp phản hồi nhanh nhất cho người dùng.
• Ngẫu nhiên: Một máy chủ ngẫu nhiên được chọn từ nhóm khả dụng. Đơn giản, nhưng có thể dẫn đến phân phối không đồng đều trong thời gian ngắn.

Kiểm tra sức khỏe

Một thành phần quan trọng của cân bằng tải là kiểm tra sức khỏe. API Gateway hoặc bộ cân bằng tải thường xuyên kiểm tra tình trạng của các phiên bản dịch vụ backend. Các kiểm tra này có thể là:

• Kiểm tra sức khỏe chủ động: Bộ cân bằng tải chủ động gửi các yêu cầu (ví dụ: ping, yêu cầu HTTP đến điểm cuối `/health`) đến các phiên bản backend. Nếu một phiên bản không phản hồi trong thời gian chờ hoặc trả về lỗi, nó được đánh dấu là không tốt và bị xóa khỏi nhóm các máy chủ khả dụng cho đến khi nó hồi phục.
• Kiểm tra sức khỏe bị động: Bộ cân bằng tải theo dõi các phản hồi từ các máy chủ backend. Nếu nó quan sát thấy tỷ lệ lỗi cao từ một máy chủ cụ thể, nó có thể suy ra rằng máy chủ không tốt.

Cơ chế kiểm tra sức khỏe này rất quan trọng để đảm bảo rằng lưu lượng truy cập chỉ được gửi đến các phiên bản dịch vụ tốt, do đó duy trì sự ổn định và độ tin cậy của ứng dụng.

Ví dụ toàn cầu về cân bằng tải trong hành động

• Dịch vụ phát trực tuyến: Các công ty như Netflix hoặc Disney+ trải nghiệm lưu lượng truy cập lớn, dao động. API Gateways và cơ sở hạ tầng cân bằng tải cơ bản của họ phân phối các yêu cầu trên hàng nghìn phiên bản máy chủ trên toàn cầu. Khi một tập phim mới được phát hành, bộ cân bằng tải đảm bảo rằng sự gia tăng đột biến của các yêu cầu được xử lý mà không làm quá tải bất kỳ dịch vụ nào. Họ cũng sử dụng các thuật toán tinh vi để hướng người dùng đến các máy chủ cạnh mạng phân phối nội dung (CDN) gần nhất và hoạt động tốt nhất.
• Nền tảng truyền thông xã hội: Meta (Facebook, Instagram) xử lý hàng tỷ yêu cầu hàng ngày. Cân bằng tải là nền tảng để giữ cho các nền tảng này có thể truy cập được. Khi người dùng tải ảnh lên, yêu cầu được định tuyến đến dịch vụ tải lên thích hợp và cân bằng tải đảm bảo rằng tác vụ chuyên sâu này được trải rộng trên nhiều phiên bản khả dụng và nguồn cấp dữ liệu của người dùng được điền nhanh chóng.
• Chơi game trực tuyến: Đối với các trò chơi trực tuyến nhiều người chơi (MMO), việc duy trì độ trễ thấp và tính sẵn sàng cao là tối quan trọng. API Gateways với cân bằng tải mạnh mẽ hướng người chơi đến các máy chủ trò chơi gần nhất về mặt địa lý và có tải thấp nhất, đảm bảo trải nghiệm chơi game mượt mà cho hàng triệu người dùng đồng thời trên toàn thế giới.

Tích hợp Định tuyến và Cân bằng Tải

Định tuyến yêu cầu và cân bằng tải không phải là các chức năng độc lập; chúng hoạt động song song. Quá trình này thường trông như thế này:

1. Một khách hàng gửi yêu cầu đến API Gateway.
2. API Gateway kiểm tra yêu cầu (ví dụ: đường dẫn URL, tiêu đề).
3. Dựa trên các quy tắc được xác định trước, gateway xác định microservice mục tiêu (ví dụ: Dịch vụ Người dùng).
4. Gateway sau đó tham khảo danh sách các phiên bản tốt, khả dụng cho Dịch vụ Người dùng cụ thể đó.
5. Sử dụng thuật toán cân bằng tải đã chọn (ví dụ: Kết nối tối thiểu), gateway chọn một phiên bản tốt của Dịch vụ Người dùng.
6. Yêu cầu được chuyển tiếp đến phiên bản đã chọn.

Cách tiếp cận tích hợp này đảm bảo rằng các yêu cầu không chỉ được chuyển đến dịch vụ chính xác mà còn đến một phiên bản khả dụng và hiệu quả của dịch vụ đó.

Những cân nhắc nâng cao cho kiến trúc toàn cầu

Đối với các ứng dụng toàn cầu, sự tương tác giữa định tuyến và cân bằng tải trở nên tinh tế hơn:

• Định tuyến theo địa lý: Các yêu cầu từ người dùng ở các khu vực địa lý khác nhau có thể cần được định tuyến đến các dịch vụ backend được triển khai trong các trung tâm dữ liệu gần họ nhất. Điều này giảm thiểu độ trễ và cải thiện trải nghiệm người dùng. Điều này có thể đạt được bằng cách có API Gateways theo khu vực, sau đó định tuyến các yêu cầu đến các phiên bản dịch vụ cục bộ.
• Cân bằng tải Geo-DNS: Thông thường, bản thân việc phân giải DNS được sử dụng để hướng người dùng đến phiên bản API Gateway gần nhất.
• Cân bằng tải máy chủ toàn cầu (GSLB): Kỹ thuật nâng cao này phân phối lưu lượng truy cập trên nhiều trung tâm dữ liệu hoặc khu vực. API Gateway sau đó có thể thực hiện cân bằng tải cục bộ trong một khu vực cụ thể.
• Tích hợp Khám phá dịch vụ: Như đã đề cập, việc tích hợp mạnh mẽ với khám phá dịch vụ là chìa khóa. Trong một thiết lập toàn cầu, khám phá dịch vụ cần nhận biết các phiên bản dịch vụ trên các khu vực khác nhau và trạng thái sức khỏe của chúng.
• Phát hành Canary và Triển khai Xanh/Xanh lam: Các chiến lược triển khai này phụ thuộc nhiều vào định tuyến và cân bằng tải tinh vi. Phát hành Canary liên quan đến việc dần dần chuyển một tỷ lệ nhỏ lưu lượng truy cập sang phiên bản mới của dịch vụ, cho phép thử nghiệm trong sản xuất. Triển khai Xanh/Xanh lam liên quan đến việc chạy hai môi trường giống hệt nhau và chuyển đổi lưu lượng truy cập giữa chúng. Cả hai đều yêu cầu API Gateway kiểm soát động lưu lượng truy cập dựa trên các quy tắc cụ thể (ví dụ: định tuyến dựa trên tiêu đề cho canary).

Chọn Giải pháp API Gateway phù hợp

Việc lựa chọn giải pháp API Gateway là rất quan trọng và phụ thuộc vào nhu cầu, quy mô và cơ sở hạ tầng hiện có của bạn. Các tùy chọn phổ biến bao gồm:

• Giải pháp gốc đám mây: AWS API Gateway, Azure API Management, Google Cloud API Gateway. Các dịch vụ này được quản lý và cung cấp sự tích hợp sâu với hệ sinh thái đám mây tương ứng của họ.
• Giải pháp mã nguồn mở:
• Kong Gateway: Có khả năng mở rộng cao, thường được triển khai với Kubernetes.
• Apache APISIX: Một API gateway hiệu suất cao, thời gian thực, động.
• Envoy Proxy: Thường được sử dụng làm mặt phẳng dữ liệu trong kiến trúc lưới dịch vụ (như Istio), nhưng cũng có thể hoạt động như một API Gateway độc lập.
• Nginx/Nginx Plus: Một máy chủ web rất phổ biến có thể được cấu hình làm API Gateway, với các tính năng cân bằng tải nâng cao.
• Giải pháp thương mại: Apigee (Google), Mulesoft, Tibco. Chúng thường cung cấp các tính năng và hỗ trợ doanh nghiệp toàn diện hơn.

Khi đánh giá các giải pháp, hãy xem xét các khả năng của chúng trong:

• Tính linh hoạt của định tuyến: Bạn có thể dễ dàng xác định các quy tắc định tuyến phức tạp như thế nào?
• Thuật toán cân bằng tải: Nó có hỗ trợ các thuật toán bạn cần không?
• Cơ chế kiểm tra sức khỏe: Chúng có mạnh mẽ và có thể cấu hình không?
• Tích hợp khám phá dịch vụ: Nó có tích hợp với các công cụ khám phá dịch vụ bạn đã chọn không?
• Hiệu suất và Khả năng mở rộng: Nó có thể xử lý tải lưu lượng truy cập dự kiến của bạn không?
• Khả năng quan sát: Nó có cung cấp các khả năng ghi nhật ký, giám sát và truy vết tốt không?
• Khả năng mở rộng: Bạn có thể thêm logic hoặc plugin tùy chỉnh không?

Kết luận

Định tuyến yêu cầu và cân bằng tải không chỉ là các tính năng kỹ thuật của API Gateway; chúng là những trụ cột nền tảng để xây dựng các kiến trúc microservices có khả năng phục hồi, khả năng mở rộng và hiệu suất cao. Bằng cách hướng thông minh các yêu cầu đến đến các dịch vụ backend thích hợp và phân phối lưu lượng truy cập đều trên các phiên bản dịch vụ tốt, API Gateways đảm bảo rằng các ứng dụng vẫn khả dụng, hiệu quả và có khả năng xử lý tải động.

Đối với các ứng dụng toàn cầu, việc ứng dụng các khái niệm này một cách tinh vi, thường kết hợp với khả năng nhận biết địa lý và các chiến lược triển khai nâng cao, là điều cần thiết để mang lại trải nghiệm người dùng nhất quán và vượt trội trên toàn thế giới. Khi hệ sinh thái microservices của bạn phát triển, một API Gateway được cấu hình tốt và mạnh mẽ với định tuyến yêu cầu và cân bằng tải hiệu quả sẽ là đồng minh có giá trị nhất của bạn trong việc điều hướng sự phức tạp và đảm bảo sự xuất sắc trong hoạt động.

Thông tin chi tiết có thể hành động:

• Xác định các quy tắc định tuyến rõ ràng: Ghi lại và chuẩn hóa các chiến lược định tuyến của bạn dựa trên trách nhiệm dịch vụ.
• Tận dụng Khám phá dịch vụ: Tích hợp API Gateway của bạn với cơ chế khám phá dịch vụ để định tuyến và chuyển đổi dự phòng động.
• Triển khai Kiểm tra sức khỏe toàn diện: Đảm bảo gateway hoặc bộ cân bằng tải của bạn theo dõi chính xác tình trạng của các phiên bản dịch vụ của bạn.
• Chọn Thuật toán Cân bằng Tải thích hợp: Chọn các thuật toán phù hợp nhất với các mẫu lưu lượng truy cập và khả năng backend của dịch vụ của bạn.
• Theo dõi hiệu suất: Liên tục theo dõi độ trễ yêu cầu, tỷ lệ lỗi và việc sử dụng tài nguyên ở cấp gateway để xác định các nút thắt cổ chai và tối ưu hóa hiệu suất.
• Xem xét Phân phối địa lý: Đối với các ứng dụng toàn cầu, hãy lên kế hoạch triển khai API Gateway và các chiến lược định tuyến của bạn để phục vụ người dùng từ các điểm hiện diện gần nhất của họ.

Bằng cách làm chủ định tuyến yêu cầu và cân bằng tải trong API Gateway của bạn, bạn sẽ đặt nền móng cho một kiến trúc ứng dụng toàn cầu mạnh mẽ và có khả năng thích ứng trong tương lai.