SOFAGW 网关:安全可信的跨域 RPC/消息 互通解决方案

2021/03/16 16:28
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本文将介绍 SOFAGW 互通网关,首先切入在跨站点通信时碰到的核心痛点,引入 SOFAGW 互通网关的解决方案,会重点说明如何解决在安全、互通、接入成本、高效等几方面问题,介绍 SOFAGW 网关的内部实现架构,展示  SOFAGW 网关达成的业务成果。

业务痛点

随着业务发展越来越多元化,部分业务域相对比较独立,或因其业务属性,会建立成独立的站点(租户),比如:国际业务和蚂蚁保等。这些站点之间网络是隔离的,但实际业务上会存在一些通信的需求,所以我们碰到的核心问题是:网络互相隔离的多个站点之间怎么做高效可信的通信?对此我们有两种针对站点间互通的解决思路:

思路1:为每个业务创建跨域 VIP

为每个业务创建跨域 VIP,站点的业务通过 VIP 来做通信。这种方式,运维管理员要在两个网络间开很多 VIP,加访问白名单,最终网络拓扑会变成如下;将面临网络口子多、运维成本高、业务接入成本高、安全阈值低等问题。

这个方案有以下几个问题:
  1. 很多服务需要开 VIP 口子,服务多了之后,VIP 难以维护;
  2. VIP 的 ACL 控制很弱,只能基于 IP 端口或 IP 段控制,不能按业务应用或服务来做控制;
  3. 安全管控能力很弱,对请求不可审计;
  4. 业务适配改造工作量大,技术栈不统一,存在多种 RPC 框架。

思路2:实现一个高效可信的互通网关,来承接站点之间的通信代理

这就是我们采用的多站点互相通信的解决方案,下面详细介绍我们的互通方案和重点解决的问题。


解决方案:SOFAGW 互通网关


鉴于上面提到的问题,我们研发了 SOFAGW 互通网关,致力于实现一个简单高效、安全可信的跨域 RPC/消息 互通网关。

如上面的整体架构图所示,我们的解决方案是各站点部署一套 SOFAGW 网关,把站点间的通信都收敛到 SOFAGW 上,由 SOFAGW 来保证安全通信,而在研发体验上,业务方同学按照本地服务做开发,不用为跨域通信做特殊处理,做到无缝接入。
RPC 互通过程:
  1. 在 SOFAGW 网关上,申请接入需要互通的 RPC 服务。接入后,消费方 SOFAGW 网关会把这个 RPC 服务发布到本站点注册中心上,服务方 SOFAGW 网关会从注册中心订阅这个 RPC 服务提供方地址。
  2. 消费方应用通过注册中心订阅到目标服务是本站点的 SOFAGW,把请求发送到本站点的 SOFAGW。
  3. 本站点的 SOFAGW 根据 API 配置信息,把请求转发到对端站点的 SOFAGW。
  4. 对端站点的 SOFAGW 根据注册中心订阅到的地址,把请求发送给真实的服务提供方。
  5. 完成跨展达 RPC 通信。

消息互通过程
消息的互通和 RPC 互通非常类似,差别主要在于需要通过消息中心来收发消息。
  1. 在 SOFAGW 网关上,申请需要接入互通的消息服务。
  2. 客户端把消息投递到本站点的消息中心,消息中心把消息封装成 RPC 请求发送到本站点 SOFAGW。
  3. 本站点的 SOFAGW 根据 API 配置信息,把请求转发到对端站点的 SOFAGW。
  4. 对端站点的 SOFAGW 把请求发送到消息中心,消息中心再把消息投递到真实的消费方。
  5. 完成跨站点消息投递
SOFAGW  互通网关 重点解决以下几个痛点:

1、安全通信

首先我们要解决网络不可达问题。从图里可以看到:每个站点都部署了 SOFAGW 网关,网关之间可以用专线或 VIP 之类的产品打通,这样站点间把流量就收敛到了 SOFAGW 网关,避免到处开网络通道口子,便于安全管理。

网络安全

为了保证 SOFAGW 网关之间的通信安全可信,我们开启了 mTLS 双向认证,既能对数据做加密,也能确认对方的身份可信,从而确保通信安全。
数据安全
一个站点(租户)会给其他多个站点提供服务,这些暴露的服务首先要确保租户级别的水平权限隔离,也就是说,A 站点暴露给 B 站点的服务,不能被 C 站点的应用调用到。 如何做到这点?
  1. SOFAGW 网关会给不同站点提供不同的访问域名(这些域名都会解析到 SOFAGW 的 VIP 上)。
  2. SOFAGW 之间通过 mTLS 双向认证通过后,可以确认请求的域名( host )可信,也就是 C 站点的应用无法用B 站点的域名与 A 站点的 SOFAGW 网关建立 TLS 连接。
  3. SOFAGW 会通过请求头里的 host + path 路由做路由转发,C 站点的请求无法匹配上提供给 B 站点的域名,也就无法访问到提供给 B 站点的服务。

除了要确保租户级别的水平权限控制,SOFAGW 还具备应用级别的 ACL 权限控制,如果一个 API 服务只暴露给某特定应用,那其他的应用是无法访问这个 API 服务的。
另外,站点间的通信数据不是任意的,目前在业务 API 接入过程中,我们会有严格的数据安全审计流程。
2、统一技术栈,跨域 RPC/消息 互通
不同的业务方会使用不同 RPC 框架,如 SOFARPC、HSF、Dubbo,底层用的通信协议和序列化协议也不一样,很难直接通信,如果做协议转化适配又会有很大的成本。在性能、扩展性和新特性支持等方面,老的各种协议难以满足发展需求,也很难在原有协议的基础上扩展以支持新的功能。为了更好的支持业务发展,对齐各 RPC 框架通用能力,需要设计一种新的通用的协议,从协议层解决以上问题。

所以,阿里巴巴及蚂蚁集团共同制定了 Triple 协议,让内部使用的编程框架都支持 Triple 协议,这样大家互通时就会很顺畅。

Triple 协议是什么?

Triple 协议本身,是基于 gRPC-over-HTTP2 扩展的 RPC 协议,与现有的其他 RPC 协议比较, 有以下优势:

• 多种 RPC 模式 ( P2P/ Reactive Streams/ Bidirectional / Pub-Sub )
• 基于 protobuf 提供统一的服务定义以及 API 治理
• 更好的性能 ( Protobuf / Protostuff / Back Pressure  )
• 原生跨语言支持 ( C++/ Dart/ Go/ Java/ Python/ Ruby/ C# / OC / JS / PHP ),原生兼容 gRPC 客户端
• 易于升级和修改协议
• 兼容现有的 RPC 框架,易于协议升级和互通 ( gRPC / SOFA-RPC / HSF / Dubbo ...)
• 对网关型应用友好,原生支持 gRPC-over-HTTP2
• 支持移动设备原生调用

Triple 遵循 gRPC-over-HTTP2 协议规范,使用 CUSTOM-METADATA 扩展元数据。对于已经存在的 grpc- 开头的 Header 保持不变,保证与原生 gRPC 客户端/服务端互通,对于协议中不存在需要新扩展的 Header,将以 tri- 开头。另外,即将发布的 Dubbo 3.0 也是以 gRPC 为基础,Triple 能和 Dubbo 3.0 保持良好兼容。

举例,当前我们约定的 Triple 协议头:

3、无缝接入

为了让业务方无缝接入,SOFAGW 网关和注册中心专门做了联动,具体原理从上面的整体架构图可以看到:

  • 在调用端,SOFAGW 网关把目标服务发布到了注册中心,调用端可以通过注册中心订阅到 SOFAGW 网关地址,请求直接打到 SOFAGW 网关上。
  • 在服务端,SOFAGW 网关从注册中心订阅了服务端地址,SOFAGW 收到请求后,直接把请求路由到目标服务端。
通过这套逻辑,研发同学在研发时就按照本地服务做开发,不用为跨域通信做特殊处理。
在研发框架和协议适配上,我们还做了以下优化:
  • 针对双边使用了不同的 RPC 框架,大家统一使用 Triple 协议,我们对 SOFARPC、HSF 等框架升级支持了 Triple 协议,用户升级框架后支持发布订阅 Triple 服务,和原先使用 RPC 几乎一样,用很低的成本接入使用 RPC 互通服务。
  • 同时 SOFAGW 网关也支持 Bolt 协议,对于双方都使用 SOFARPC 框架场景,业务方不需要改造就可以实现无缝对接,完成跨站点 RPC 通信。

从前面的架构上可以看到,站点间通信需要过两次网关,整体链路变长,对问题定位排查都增加了额外的成本。为此,我们做了全链路 tracer 打通、压测流量识别和打通,借助服务治理平台,业务方可以快速定位到问题出现在哪个环节。

4、 高效、高性能

站点间通信经过两次网关,通信耗时肯定会有所上升,再加上网关自身的开销和网络时延等,整体效率是下降的。为了减小这些额外开销,我们从几个方面做了优化:
  • 支持灵活的路由能力,缩短网络跳转距离
  • 网关和系统参数调优,提升性能

多种路由能力

对于一个站点(租户),它可能有多个机房多地部署,而且不同机房的服务不一定对等,我们需要提供灵活的路由配置能力,来降低整个链路上的网络开销。为此,SOFAGW 网关提供了多种路由能力:
  • 指定目标机房路由
  • 按地理位置就近路由
  • 蚂蚁的单元化路由
  • 自定义配置路由

这些路由能力除了能提升通信效率,还有其他的作用,比如按百分比引流、灰度引流验证等,这里不再详述。

网关和系统参数调优

从架构看,整体链路好像没什么问题,实际压测发现,有很多细节点影响性能,导致并发量上不去。最典型的问题,是发现请求和响应的传输耗时高,进一步通过 netstat 命令发现 send-q 一直较高,说明网络有积压,对此我们做了几个针对性的优化:
  1. 调小单连接的 max_pedding_request,创建更多连接:目的是减小单连接的并发压力,同时,创建多个连接也可以让负载更加均衡。
  2. 修改 tcp_rmem 和 tcp_wmem 内核参数:这两个是 TCP 读写缓冲区 size 参数,会影响 TCP 滑动窗口的大小,一般这两个参数不需要设置,但我们发现部分机器上设置的参数有问题,默认的 buffer size 太小,导致 TCP 滑动窗口 size 上不去,影响了数据收发速率。
  3. 修改内核参数 tcp_autocorking:设置为 1 的情况下,操作系统会尽量将较小的包汇聚成一个较大的包再发送。这里我们将双方网关的 tcp_autocorking 设置为 0。
  4. 增加 DNS 异步解析缓存,避免 DNS 解析导致的高耗时。

  5. 网关连接的 idle 超时时间调整,避免频繁建连带来的额外耗时。


SOFAGW 内部架构实现

下图是 SOFAGW 网关的内部架构,介绍下内部各组件的作用:

控制面:
  • configer 和 provider:网关配置管理器,网关的配置完整定义了各组件的行为,比如 API 配置来源、listener 的端口和协议、handler 的插件等。配置来源可以是管控端、Istio、本地文件,根据配置里的 API 定义,会从注册中心订阅服务端地址构建起 upstream 的集群信息。

数据面:
  • listener:网关的监听器,也是网关接收请求的入口,根据定义的端口、协议、连接参数等信息处理对应的请求。
  • handler:网关的核心处理器,这里可以自定义很多插件,来选择是否启用一些能力,比如限流、路由等。
  • dialer:网关的转发处理器,这一层比较简单,就是把请求转发给后端服务器。

总结和价值

SOFAFW网关和常见API网关差异

目前常见的 API 网关有 Spring Cloud Gateway,Zuul2,OpenResty,Kong 等,它们的核心能力是把内部的 API 服务代理给外部业务调用,并且提供统一拦截所有请求,实现安全、限流、审计等能力。
从前文可以看到,SOAFGW 互通网关和这些网关的主要差别在定位场景上,我们的核心目标是实现安全可靠的 RPC/消息 互通服务,主要特点有:
  • 实现跨域 RPC/消息 互通
  • 安全可信
  • 业务无缝接入
  • 高性能和高稳定性

SOFAGW 网关和Service Mesh的联系

Service Mesh 也就是服务网格,通过 Sidecar 做服务之间的通信代理,从这个定位上能看出,SOFAGW 网关在数据面上做的是同样的事情,都是服务通信代理,是Service Mesh的自然延伸。

事实上,SOFAGW 网关就是基于蚂蚁开源的 Service Mesh 框架 MOSN 实现,所以 SOFAGW 网关可以复用 MOSN 的很多能力和插件,比如最新发布“Service Mesh 双十一后的探索和思考(上)”中提到的链路加密、自适应限流、精细化引流等能力。

最终我们呈现给用户的是业务方可以无感实现跨域 RPC/消息 互通,并保证通信链路的安全可靠稳定。原先业务方通过其他方式实现站点间通信需要 2-7 天,接入 SOFAGW 网关后,平均接入时间降到半天内,大大提升了研发效能。

上线不到一年,SOFAGW 网关已承载几百个服务,日常峰值流量在几十万 QPS,转发成功率为 99.99992%,服务了不少核心业务,成功支撑了 2020 年的双 11 和双 12 大促。

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本文分享自微信公众号 - 金融级分布式架构(Antfin_SOFA)。
如有侵权,请联系 support@oschina.cn 删除。
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