速率限制Part3——基于Ambassador API网关实现Java速率限制服务

基于Kubernetes原生的 Ambassador API 网关所提供的速率限制功能是完全可定制的,其允许任何实现gRPC服务端点的服务自行决定是否需要对请求进行限制。本文在先前第1部分和第2部分的基础上,阐述如何为Ambassador API网关创建和部署简单的基于Java的速率限制服务。

部署Docker Java Shop

在我之前的教程“ 使用Kubernetes和Ambassador API网关部署Java应用 ”中,我将开源的Ambassador API网关添加到现有的一个部署于Kubernetes的Java(Spring Boot和Dropwizard)服务中。 如果你之前不了解这个,建议你先阅读下此教程及其他相关内容来熟悉基础知识。 本文假定你熟悉如何构建基于Java的微服务并将其部署到Kubernetes,同时已经完成安装所有的必备组件(我在本文中使用 Docker for Mac Edge ,并启用其内置的Kubernetes支持。若使用minikube或远程群集应该也类似)。

先决条件

需要在本地安装:

  • Docker for Desktop:我使用edge community edition (18.04.0-ce),内置了对本地Kubernetes集群的支持。由于Java应用对内存有一定要求,我还将Docker可用内存增加到8G。
  • 编辑器选择:Atom 或者 VS code;当写Java代码时也可以使用IntelliJ。

你可以在这里获取最新版本的“Docker Java Shop”源代码:

https://github.com/danielbryantuk/oreilly-docker-java-shopping

你可以通过如下命令使用SSH克隆仓库:

$ git clone git@github.com:danielbryantuk/oreilly-docker-java-shopping.git

第一阶段的服务和部署架构如下图所示:

速率限制Part3——基于Ambassador API网关实现Java速率限制服务

从图中可以看到,Docker Java Shopping应用程序主要由三个服务组成。在先前的教程中,你已经添加Ambassador API网关作为系统的“front door”(大门)。需要注意的是,Ambassador API网关直接使用Web 80号端口,因此需要确保本地运行的其他应用没有占用该端口。

Ambassador API网关速率限制入门

我在本教程的仓库中增加了一个新文件夹 “ kubernetes-ambassador-ratelimit ”,用于包含Kubernetes相关配置。请通过命令行导航到此目录。此目录应包含如下文件:

(master *) oreilly-docker-java-shopping $ cd kubernetes-ambassador-ratelimit/
(master *) kubernetes-ambassador-ratelimit $ ll
total 48
0 drwxr-xr-x 8 danielbryant staff 256 23 Apr 09:27 .
0 drwxr-xr-x 19 danielbryant staff 608 23 Apr 09:27 ..
8 -rw-r — r — 1 danielbryant staff 2033 23 Apr 09:27 ambassador-no-rbac.yaml
8 -rw-r — r — 1 danielbryant staff 698 23 Apr 10:30 ambassador-rate-limiter.yaml
8 -rw-r — r — 1 danielbryant staff 476 23 Apr 10:30 ambassador-service.yaml
8 -rw-r — r — 1 danielbryant staff 711 23 Apr 09:27 productcatalogue-service.yaml
8 -rw-r — r — 1 danielbryant staff 659 23 Apr 10:02 shopfront-service.yaml
8 -rw-r — r — 1 danielbryant staff 678 23 Apr 09:27 stockmanager-service.yaml

你可以使用以下命令来提交Kubernetes配置:

$ kubectl apply -f .

通过以上命令部署,这与之前架构的区别在于添加了 ratelimiter 服务。 这个服务是用Java编写的,且没有使用微服务框架。它发布了一个gRPC端点,可供Ambassador来使用以实现速率限制。这种方案允许灵活定制速率限制算法(关于这点的好处请查看我 以前的文章 )。

速率限制Part3——基于Ambassador API网关实现Java速率限制服务

探索部署于Kubernetes的限速器服务

与任何其他服务一样,部署到Kubernetes的限速服务也可以根据需要进行水平扩展。 以下是Kubernetes配置文件 ambassador-rate-limiter.yaml 的内容:

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: ratelimiter
  annotations:
    getambassador.io/config: |
      ---
      apiVersion: ambassador/v0
      kind: RateLimitService
      name: ratelimiter_svc
      service: "ratelimiter:50051"
  labels:
    app: ratelimiter
spec:
  type: ClusterIP
  selector:
    app: ratelimiter
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 50051
    name: http
---
apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
  name: ratelimiter
spec:
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: ratelimiter
    spec:
      containers:
      - name: ratelimiter
        image: danielbryantuk/ratelimiter:0.3
        ports:
        - containerPort: 50051

这里不需要关注最后Docker Image处的 danielbryantuk/ratelimiter:0.3 ,而需要注意的是:此服务在集群使用50051 TCP端口。

ambassador-service.yaml 配置文件中,还更新了Ambassador Kubernetes annotations配置,以确保能通过包含 rate_limits 属性来限制对shopfront服务的请求。 我还添加了一些额外的元数据 - descriptor: Example descriptor ,这将在下一篇文章中更详细地解释。这里我们需要注意的是,如果要将元数据传递到速率限制服务,这种方法不错。

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    service: ambassador
  name: ambassador
  annotations:
    getambassador.io/config: |
      ---
      apiVersion: ambassador/v0
      kind:  Mapping
      name:  shopfront_stable
      prefix: /shopfront/
      service: shopfront:8010
      rate_limits:
        - descriptor: Example descriptor

你可以使用kubectl命令来检查部署是否成功:

(master *) kubernetes-ambassador-ratelimit $ kubectl get svc
NAME               TYPE           CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
ambassador         LoadBalancer   10.105.253.3     localhost     80:30051/TCP     1d
ambassador-admin   NodePort       10.107.15.225    <none>        8877:30637/TCP   1d
kubernetes         ClusterIP      10.96.0.1        <none>        443/TCP          16d
productcatalogue   ClusterIP      10.109.48.26     <none>        8020/TCP         1d
ratelimiter        ClusterIP      10.97.122.140    <none>        50051/TCP        1d
shopfront          ClusterIP      10.98.207.100    <none>        8010/TCP         1d
stockmanager       ClusterIP      10.107.208.180   <none>        8030/TCP         1d

6个业务服务看起来都不错(去除Kubernetes服务):包含3个Java服务,2个Ambassador服务和1个ratelimiter服务。

你可以通过curl命令对shopfront的服务端点进行测试,其应绑定在外部IP localhost的80端口上(如上文所示):

(master *) kubernetes-ambassador-ratelimit $ curl localhost/shopfront/
<!DOCTYPE html>
<html lang="en" xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">
<head>
    <meta charset="utf-8" />
...
</div>
</div>
<!-- jQuery (necessary for Bootstrap's JavaScript plugins) -->
<script src="https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/1.12.4/jquery.min.js"></script>
<!-- Include all compiled plugins (below), or include individual files as needed -->
<script src="js/bootstrap.min.js"></script>
</body>
</html>(master *) kubernetes-ambassador-ratelimit $

你会注意到这里显示了一些HTML,这只是Docker Java Shop的首页。虽然可以通过浏览器在 http://localhost/shopfront/ 访问,对于我们的速率限制实验,最好还是使用curl命令。

速率限制测试

对于这种演示性质的速率限制服务,这里仅对服务本身进行限制。比如当速率限制服务需要计算是否需要限制请求时,唯一需要考虑的指标是在一段时间内针对特定后端的请求数量。在代码实现中使用 令牌桶算法 。假设桶中令牌容量为20,并且每秒钟的补充10个令牌。由于速率限制与请求相关联,这意味着你可以每秒发出10次API请求,这没有任何问题,同时由于存储桶最初包含20个令牌,你可以暂时超过此并发数量。但是,一旦最初额外的令牌使用完,并且你仍在尝试每秒发出10个以上请求,那么你将收到HTTP 429 “Too Many Requests” 状态码。这时,Ambassador API网关不会再将请求转发到后端服务。

让我看下如何通过curl发出大量请求来模拟这个操作。避免显示的HTML页面(通过 -output /dev/null 参数)及curl请求(通过 --silent 参数),但需要显示符合预期的HTTP响应状态(通过 -- show-error --fail 参数)。下文通过一个bash循环脚本,并记录时间输出(以显示发出请求的时间),以此来创建一个非常粗颗粒度的负载发生器(可以通过 CTRL-C 来终止循环):

$ while true; do curl --silent --output /dev/null --show-error --fail http://localhost/shopfront/; echo -e $(date);done
(master *) kubernetes-ambassador-ratelimit $ while true; do curl --silent --output /dev/null --show-error --fail http://localhost/shopfront/; echo -e $(date);done
Tue 24 Apr 2018 14:16:31 BST
Tue 24 Apr 2018 14:16:31 BST
Tue 24 Apr 2018 14:16:31 BST
Tue 24 Apr 2018 14:16:31 BST
...
Tue 24 Apr 2018 14:16:35 BST
curl: (22) The requested URL returned error: 429 Too Many Requests
Tue 24 Apr 2018 14:16:35 BST
curl: (22) The requested URL returned error: 429 Too Many Requests
Tue 24 Apr 2018 14:16:35 BST
Tue 24 Apr 2018 14:16:35 BST
curl: (22) The requested URL returned error: 429 Too Many Requests
Tue 24 Apr 2018 14:16:35 BST
curl: (22) The requested URL returned error: 429 Too Many Requests
Tue 24 Apr 2018 14:16:35 BST
^C

如你所见,从输出日志来看,前几个请求显示日期且没有错误,一切正常。过不了多久,当在我测试的Mac上的请求循环超过每秒10次,HTTP 429错误便开始出现。

顺便说一下,我通常使用 Apache Benchmarking “ab” 负载生成工具来进行这种简单实验,但这工具在调用本地localhost会有问题(同时Docker配置也给我带来了额外问题)。

检验速率限制器服务

Ambassador Java限速服务的源代码在我GitHub帐户的 ambassador-java-rate-limiter 仓库中。其中也包含用于构建我推送到DockerHub中容器镜像的 Dockerfile 。你可以以此Dockerfile作为模板进行修改,然后构建和推送自己的镜像至DockerHub。你也可以修改在Docker Java Shopping仓库中的 ambassador-rate-limiter.yaml 文件来扩展使用你自己的速率限制服务。

研究Java代码

如果你深入研究Java代码,最需要关注的类应该是 RateLimiterServer ,它实现了在Ambassador API中使用的 Envoy代理 所定义的速率限制gRPC接口。我创建了一个 ratelimit.proto 接口的副本,其通过Maven pom.xml 中定义的gRPC Java构建工具来构建使用。代码主要涉及三点:实现gRPC接口,运行gRPC服务器,并实现速率限制。下面让我们来进一步分析。

实现速率限制gRPC接口

查看 RateLimitServer 中的内部类 RateLimiterImpl ,其对 RateLimitServiceGrpc.RateLimitServiceImplBase 进行扩展,你可以看到此抽象类中的下列方法被重写:

public void shouldRateLimit(Ratelimit.RateLimitRequest rateLimitRequest, StreamObserver<Ratelimit.RateLimitResponse> responseStreamObserver)

这里使用的很多命名规约来自于Java gRPC库,进一步信息请参阅 gRPC Java文档 。 尽管这样,如果查看 ratelimit.proto 文件,你可以清楚看到很多命名根,这些命名根定义了在Ambassador中使用的Envoy代理所需要的速率限制接口。例如,你可以看到此文件中定义的核心服务名为 RateLimitService (第9行),并且在服务 rpc ShouldRateLimit (RateLimitRequest) returns (RateLimitResponse) {} (第11行)中定义了一个RPC方法, 它在Java中实现通过上面所定义的 shouldRateLimit 方法。

如果有兴趣,可以看看那些由 protobuf-maven-plugin ( pom.xml 的第99行)生成的Java gRPC代码。

运行gRPC服务器

一旦你实现了用 ratelimit.proto 定义的gRPC接口,下一件事情就是创建一个gRPC服务器用来监听和回复请求。可以根据 main 方法调用链来查看 RateLimitServer 的内容。简而言之, main 方法创建一个 RateLimitServer 类的实例,调用 start() 方法,再调用 blockUntilShutdown() 方法。 这将启动一个应用实例,并在指定的服务端点上发布gRPC接口,同时侦听请求。

实现Java速率限制

负责速率限制过程的实际Java代码包含在 RateLimiterImpl 内部类的 shouldRateLimit() 方法(第75行)中。我没有自己实现算法,而是使用基于 令牌桶算法 的Java速度限制开源库 bucket4j 。由于我限制了对每个服务的请求,因此每个存储桶与服务名称所绑定。对每个服务的请求都会从其所关联的存储桶中删除一个令牌。在本案例中,桶没有存储在外部数据库,而是存储在内存中的 ConcurrentHashMap 中。如果在生产环境中,通常会使用类似Redis的外部持久化存储方案来实现横向扩展。这里必须注意,如果在不更改每个服务桶限制的前提下水平扩展速率限制服务,那么将直接导致(非速率限制)请求数量的增加,但实际服务可支持的请求数量没有增加。

创建bucket4j存储桶的 RateLimiterImpl 大致代码如下:

private Bucket createNewBucket() {
    long overdraft = 20;
    Refill refill = Refill.smooth(10, Duration.ofSeconds(1));
    Bandwidth limit = Bandwidth.classic(overdraft, refill);
    return Bucket4j.builder().addLimit(limit).build();
}

在下面可以看到 shouldRateLimit 方法的代码,它只是简单地尝试执行 tryConsume(1) 使用桶中一个令牌,并返回适当的HTTP响应。

@Override
public void shouldRateLimit(Ratelimit.RateLimitRequest rateLimitRequest, StreamObserver<Ratelimit.RateLimitResponse> responseStreamObserver) {
    logDebug(rateLimitRequest);
    String destServiceName = extractDestServiceNameFrom(rateLimitRequest);
    Bucket bucket = getServiceBucketFor(destServiceName);
Ratelimit.RateLimitResponse.Code code;
    if (bucket.tryConsume(1)) {
        code = Ratelimit.RateLimitResponse.Code.OK;
    } else {
        code = Ratelimit.RateLimitResponse.Code.OVER_LIMIT;
    }
Ratelimit.RateLimitResponse rateLimitResponse = generateRateLimitResponse(code);
    responseStreamObserver.onNext(rateLimitResponse);
    responseStreamObserver.onCompleted();
}

代码比较容易解释。如果当前请求不需要进行速率限制,则此方法返回 Ratelimit.RateLimitResponse.Code.OK; 如果当前请求由于速度限制而被拒绝,则此方法返回 Ratelimit.RateLimitResponse.Code.OVER_LIMIT 。根据此gRPC服务的响应,Ambassador API网关将请求传递给后端服务,或者中断请求并返回HTTP状态码429 “Too Many Requests” 而不再调用后端服务。

这个简单案例只可以防止一个服务的访问过载,但也希望这能够阐明速率限制的核心概念,进而可以相对容易实现基于请求元数据(例如用户ID等)的速率限制。

下一阶段

本文演示了如何在Java中创建速率限制服务,并轻易与Ambassador网关所集成。如果需要,你也可以基于任何自定义的速率限制算法实现。 在本系列的最后一篇文章中,您将更深入地了解Envoy速率限制API,以便进一步学习如何设计速率限制服务。

如果有任何疑问,欢迎在Ambassador Gitter或通过 @danielbryantuk 及 @datawireio 联系。

原文 

http://www.servicemesher.com/blog/implementing-a-java-rate-limiting-service-for-the-ambassador-api-gateway-part-3/

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