Эффективность применения паттерна API Gateway при разработке коммерческого ПО

Введение

В современном мире разработки программного обеспечения наблюдается стремительный переход от монолитных архитектур к микросервисным. Этот переход обусловлен необходимостью создания более гибких, масштабируемых и легко поддерживаемых систем. Однако, вместе с преимуществами микросервисной архитектуры возникли и новые вызовы, связанные с управлением множеством распределенных сервисов, их взаимодействием и обеспечением безопасности [1, с. 211]. В ответ на эти вызовы появился архитектурный паттерн API Gateway. Этот паттерн представляет собой единую точку входа для всех клиентских запросов к микросервисам, выполняя роль прокси-сервера [2, с. 158]. API Gateway возник как решение проблемы сложности управления множеством API-эндпоинтов в микросервисной архитектуре и необходимости обеспечения единого интерфейса для клиентских приложений. Целью данного исследования является комплексный анализ эффективности применения паттерна API Gateway в разработке программного обеспечения. В рамках исследования будут рассмотрены следующие аспекты:

1. Роль API Gateway в микросервисной архитектуре;
2. Влияние API Gateway на производительность и масштабируемость систем;
3. Аспекты безопасности при использовании API Gateway;
4. Особенности реализации API Gateway;
5. Влияние API Gateway на отказоустойчивость системы.

Архитектурный паттерн

Подход API Gateway и его роль в микросервисной архитектуре.

API Gateway представляет собой сервис, который выступает в качестве единой точки входа для всех клиентских запросов в архитектуре приложения [3, с. 307]. Шлюз принимает все API-вызовы от клиентов, а затем маршрутизирует их к соответствующим микросервисам. Верхнеуровневая диаграмма взаимодействия через Gateway отражена ниже (рис. 1).

Рис. 1. Верхнеуровневая диаграмма взаимодействия клиента с сервисами через Gateway

Однако API Gateway не только перенаправляет запросы, но и можем выполнять ряд важных функций:

1. Маршрутизация запросов – базовая функция API Шлюза. Отвечает за перенаправление запросов на целевые сервисы;
2. Унификация запросов – входная точка предоставляет единый интерфейс для всех сервисов;
3. Валидация – проверка обязательных параметров перед отправкой запрос дальше в проксируемый сервис;
4. Обогащение запросов/ответов – добавление заголовков и других параметров;
5. Аутентификация и авторизация – перенос проверки авторизации клиентов в единую точку входа;
6. Кэширование – сохранение и последующий возврат ответов без реального перенаправления запроса в проксируемые сервисы;
7. Трассировка и журналирование запросов/ответов.

Маршрутизация и кеширование

Одной из ключевых функций API Gateway является маршрутизация запросов. API Gateway анализирует входящие запросы и направляет их к соответствующим микросервисам на основе заданных правил [4, с. 229].

Рис. 2. Пример конфигурации маршрутов для Spring Cloud Gateway

Так же на уровне Gateway можно реализовать кэширование ответов. Кэширование – еще одна важная функция API Gateway, которая может существенно повысить производительность. API Gateway может кэшировать ответы от микросервисов, что позволяет быстро отвечать на повторяющиеся запросы без необходимости обращения к бэкенд-сервисам [5, с. 105].

Например, в приложении есть сервис отвечающий за справочник тех или иных сущностей в БД, если у этих сущностей достаточно большое время жизни, а их изменение происходит нечасто, то возможно для этого сервиса реализовать фильтр внутри API Gateway, который будет кешировать ответ сервиса в памяти или во внешнем хранилище типа Redis на определенное время, и затем при последующих запросах этого сервиса Gateway будет проверять наличие ключа в кеше и если он существует, то отдавать клиенту закешированный ответ, вместо обращения с проксируемому сервису. Это позволяет оптимизировать взаимодействие между клиентами и микросервисами, снижая нагрузку на отдельные сервисы и улучшая общую производительность системы.

Унификация, валидация и обогащение запросов/ответов

Унификация входных данных значительно упрощает взаимодействие разнообразных клиентов с backend-системой, скрывая сложность внутренней архитектуры [2, с. 159]. К примеру, на уровне Gateway возможно принимать REST-запросы от клиентских приложение и преобразовывать их в gRPC-вызовы для внутренних сервисов, обеспечивая тем самым совместимость различных протоколов.

Валидация запросов на уровне так же API Gateway является важным аспектом обеспечения качества и безопасности системы. Gateway может проверять структуру и содержание входящих запросов, отклоняя некорректные или потенциально опасные запросы еще до того, как они достигнут целевых сервисов [3, с. 309]. Это снижает нагрузку на backend-сервисы и повышает общую устойчивость системы к ошибкам и атакам.

Обогащение запросов и ответов – еще одна важная функция Gateway. При обработке входящего запроса, возможно добавлять дополнительные заголовки или параметры, необходимые для внутренних сервисов [5, с. 108]. К примеру, добавлять информацию об авторизованном пользователе в запросы, а при обработке ответов добавлять параметры, отвечающие за совместимость с клиентским приложением.

Данные подходы позволяют централизованно управлять преобразованием и обогащением данных, обеспечивая согласованность и упрощая разработку. [1, с. 214]. Таким образом, унификация, валидация и обогащение запросов и ответов на уровне входной точки существенно повышают гибкость и эффективность разрабатываемого решения, позволяя разработчикам сосредоточиться на реализации бизнес-логики в отдельных сервисах.

Аутентификация и авторизация

API Gateway может играть роль сервера безопасности выполняя аутентификацию и авторизацию запросов от клиентов, что позволяет централизованно управлять доступом к микросервисам [3, с. 308] и обеспечивать безопасность всей архитектуры приложения. Шлюз в качестве главной точки входа может проверять токены доступа такие как open-id или oauth 2.0, применять политики безопасности к запросам, идущим к проксируемым сервисам, смотри (рис. 3) Большинство решений, реализующих паттерн API Gateway, поддерживают интеграцию с keycloak и другими сервисами аутентификации.

Рис. 3. Проверка авторизации на уровне сервиса Gateway

Трассировка и журналирование

Одним из Best Practice подходов является настройка журналирования и трейсинга запросов / ответов на уровне входной точки в приложение. Такой подход позволяет быстро выявлять и устранять проблемы в работе системы [4, с. 231] так как:

• При добавлении к запросу параметра traceId на уровне шлюза, возможно проследить весь путь запроса от момента прихода его в приложение, до возврата ответ клиенту.
• При возврате traceId клиентскому приложению в случае ошибки будет очень легко найти в каком месте приложения запрос столкнулся с проблемой.
• Журналируя запрос и ответ на уровне входной точки, возможно увидеть запрос в том виде, в котором он пришел до вмешательства нижележащих слоев приложений.

Типы API Gateway

Существует два основных типа API Gateway: классические и реактивные. Классические или синхронные Gateway обычно работают на серверах типа Apache Tomcat и работают по принципу 1 запрос = 1 поток, в котором ожидается ответ от микросервиса перед отправкой ответа клиенту. Соответственно, в случае исчерпания доступных потоков, все новые запросы будут становиться в очередь, тем самым создавая риск появления ошибок по типа «connection timeout» на стороне клиента. Такой шлюз будет уязвим к атакам типа DDoS, а также может давать сбои при прохождении через него большего количества трафика. К тому же решения, работающие на синхронном стеке, могут не поддерживать такие технологии типа WebSocket или SSE, так как они не поддерживают ни стриминг ни дуплексное соединение.

Реактивные API Gateway или асинхронные, напротив, используют асинхронную обработку запросов. На уровне сервиса используется всего несколько потоков, которые в цикле принимают и обрабатывают запросы, ожидают и возвращают ответы клиенту, что позволяет им эффективно справляться с большим количеством одновременных соединений. Так же из-за реактивной природы разработки такого типа Gateway по умолчанию поддерживает реактивные технологии, такие как SSE. Такие решения особенно полезны в системах с высокой нагрузкой и требованиями к реальному времени [1, с. 213].

Обеспечение отказоустойчивости

API Gateway также играет важную роль в обеспечении отказоустойчивости системы. Он может реализовывать такие паттерны как Circuit Breaker, который предотвращает каскадные сбои в системе, временно блокируя запросы к недоступным сервисам [5, с. 110]. Кроме того, API Gateway может реализовывать стратегии повторных попыток, что повышает устойчивость системы к временным сбоям. В случае недоступности одного из микросервисов, API Gateway может перенаправить запрос на резервный сервис или вернуть заранее определенный ответ по умолчанию [4, с. 232].

Однако, переходя к единой точке входа в приложение, создается и единая точка отказа. В случае сбоя на стороне сервера Шлюза мы получаем отказ в обслуживании от всех сервисов приложения, что равно полной недоступности. По этой причине при проектировании архитектуры приложения, использующего API Gateway необходимо заранее предусмотреть высокую доступность самого сервиса Шлюза включая полное дублирование инфраструктуры, на которой работает данный сервис.

Заключение

Проведенное исследование демонстрирует, что применение паттерна API Gateway в микросервисной архитектуре является эффективным решением многих проблем, связанных с управлением, безопасностью и производительностью распределенных систем. API Gateway предоставляет единую точку входа для всех клиентских запросов, что значительно упрощает взаимодействие клиентов с микросервисами. Он обеспечивает эффективную маршрутизацию запросов, агрегацию данных и кэширование, что положительно влияет на производительность системы. В области безопасности API Gateway играет ключевую роль, централизует процессы аутентификации и авторизации, при этом предоставляя возможности для журналирования и защиты от атак.

Также использование данного паттерна снимает с разработчиком обязанность думать об обеспечении авторизации на уровне сервисов, что серьезно упрощает разработку.

Использование API Gateway способствует повышению отказоустойчивости системы, реализуя такие паттерны как Circuit Breaker и стратегии повторных попыток.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение API Gateway является необходимым элементом в современной микросервисной архитектуре. Он не только решает многие технические проблемы, но и позволяет разработчикам сосредоточиться на бизнес-логике микросервисов, не отвлекаясь на решение общих задач маршрутизации, безопасности и управления API.

Однако стоит отметить, что внедрение API Gateway также требует тщательного планирования и может добавить дополнительную сложность в архитектуру системы. Поэтому важно взвешенно подходить к его использованию, учитывая конкретные требования и особенности проекта.