API Gateway trong Kubernetes: Quản lý lưu lượng hiệu quả

Kubernetes đã trở thành nền tảng phổ biến nhất để chạy các ứng dụng container hóa quy mô lớn. Tuy nhiên, việc chạy ứng dụng trong Kubernetes không chỉ đơn thuần là triển khai Pods — mà còn bao gồm việc quản lý lưu lượng truy cập từ bên ngoài. Trong nhiều năm, phương pháp chính để thực hiện điều này là thông qua Ingress API.

Ingress là cơ chế định tuyến lưu lượng chủ yếu được sử dụng trong môi trường Kubernetes. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế. Một ví dụ điển hình là nó chỉ hỗ trợ lưu lượng dựa trên HTTP ở lớp 7. Để khắc phục các hạn chế của Ingress, API Gateway trong Kubernetes đã được phát triển.

API Gateway là gì?
API Gateway là một phiên bản mạnh mẽ và linh hoạt hơn của Ingress. Hãy tưởng tượng nó như việc chuyển từ một chiếc điện thoại Nokia cổ điển sang một chiếc smartphone hiện đại — cả hai đều giúp bạn thực hiện cuộc gọi, nhưng một trong số đó mở ra cả một loạt khả năng mới.

Tính năng chính của API Gateway

1. Không phụ thuộc vào giao thức:

   • Cung cấp API thống nhất để quản lý nhiều loại lưu lượng mạng, từ kết nối TCP/UDP đơn giản (L4) đến định tuyến ứng dụng phức tạp dựa trên giao thức HTTP và gRPC (L7).

2. Ghép nối yêu cầu nâng cao:

   • Cho phép kiểm soát lưu lượng tinh vi bằng cách cho phép các quyết định định tuyến dựa trên các thuộc tính của yêu cầu HTTP, như đường dẫn, giá trị tiêu đề và tham số truy vấn.

3. Định tuyến giữa các nhóm:

   • An toàn cho phép lưu lượng từ một điểm vào công cộng được định tuyến đến các ứng dụng do các nhóm khác nhau quản lý trong các không gian tên khác nhau.

4. Khả năng di động và tiêu chuẩn hóa:

   • Giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhà cung cấp bằng cách cung cấp một đặc tả chung, trung lập về nhà cung cấp cho cấu hình Ingress, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các chú thích cụ thể của triển khai, giúp các bản khai có thể di chuyển giữa các môi trường Kubernetes khác nhau và các bộ điều khiển Ingress.

5. API đồng nhất cho Mesh và Ingress:

   • Mở rộng các nguyên tắc định tuyến và các đối tượng API giống nhau ra ngoài rìa cluster vào trong mesh dịch vụ, cung cấp trải nghiệm vận hành đồng nhất cho cả lưu lượng bắc-nam (Ingress) và đông-tây (Mesh) khi tích hợp với các nhà cung cấp như Istio và Linkerd.

Tóm lại, API Gateway là phiên bản cải tiến của Ingress trong Kubernetes, cung cấp khả năng quản lý lưu lượng mạnh mẽ và linh hoạt hơn.

Bộ điều khiển API Gateway

Như chúng ta đã học trong bài học về Ingress, mặc dù chúng ta xác định các quy tắc định tuyến trong đối tượng Ingress, nhưng việc định tuyến thực tế được thực hiện bởi Bộ điều khiển Ingress.

Khái niệm tương tự cũng áp dụng cho API Gateway. Trong khi API Gateway cung cấp nhiều đối tượng để quản lý lưu lượng của cluster, việc định tuyến thực tế được thực hiện bởi Bộ điều khiển API Gateway. Bộ điều khiển này không được tích hợp sẵn trong Kubernetes. Bạn cần kích hoạt chúng bằng cách cài đặt các Định nghĩa Tài nguyên Tùy chỉnh (CRDs) của API Gateway.

Có nhiều bộ điều khiển API Gateway khác nhau có sẵn, trong đó một số là:

• Nginx Gateway Fabric
• Kong Gateway
• Envoy Gateway

Cách hoạt động của API Gateway

Một trong những điều thú vị nhất về API Gateway là nó không chỉ đơn thuần là “Ingress v2.” Nó được xây dựng dựa trên một mô hình thành phần giúp mạng lưới trở nên mô-đun, dựa trên vai trò và linh hoạt. Hãy phân tích chi tiết:

Các thành phần chính

GatewayClass

• Định nghĩa “bản thiết kế” cho cách thức các Gateway được cung cấp.
• Thường được cung cấp bởi một bộ điều khiển (như NGINX, Traefik, Istio, Cilium).
• Ví dụ: gatewayClass của nginx, istio hoặc cilium.

Gateway

• Một thực thể của một GatewayClass.
• Nghĩa là điểm vào của data-plane (như một bộ cân bằng tải hoặc proxy).
• Nó định nghĩa các trình nghe (cổng, giao thức, cấu hình TLS).

Routes (HTTPRoute, TCPRoute, GRPCRoute, TLSRoute, v.v.)

• Định nghĩa cách lưu lượng di chuyển sau khi nó đến Gateway.
• Mỗi loại Route phù hợp với một giao thức cụ thể.
• Các Route được gán cho Gateway bằng cách sử dụng parentRefs.

Gateway Controller

• Động cơ thực sự bên dưới.
• Mỗi GatewayClass được triển khai bởi một bộ điều khiển (ví dụ: nginx-gateway-controller, cilium-gateway-controller).
• Bộ điều khiển theo dõi các đối tượng Gateway + Route, cấu hình data plane (như Envoy, NGINX, HAProxy) và áp dụng các quy tắc.

Tóm tắt nhanh:

• GatewayClass = mẫu
• Gateway = thực thể (điểm vào)
• Route = quy tắc lưu lượng
• Controller = bộ não điều khiển mọi thứ

Kích hoạt các giao thức trong YAML

Khác với Ingress (chỉ hỗ trợ HTTP/HTTPS), API Gateway hỗ trợ nhiều giao thức ngay từ đầu. Bạn chỉ cần chỉ định chúng trong phần listeners của Gateway.

Dưới đây là cách thực hiện:

Ví dụ với HTTPS và TLS

apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: Gateway
metadata:
  name: https-gateway
spec:
  gatewayClassName: nginx
  listeners:
  - name: https
    protocol: HTTPS
    port: 443
    tls:
      mode: Terminate
      certificateRefs:
      - name: my-cert

Ví dụ với gRPC

apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: Gateway
metadata:
  name: grpc-gateway
spec:
  gatewayClassName: istio
  listeners:
  - name: grpc
    protocol: GRPC
    port: 50051

Cách mà tất cả hoạt động cùng nhau:

1. Nhóm cơ sở hạ tầng tạo một GatewayClass và cung cấp một Gateway. Điều này giống như việc đặt một bộ cân bằng tải trước cluster.
2. Nhóm ứng dụng tạo các đối tượng HTTPRoute, TCPRoute hoặc GRPCRoute gắn vào Gateway.
3. Bộ điều khiển (ví dụ: Cilium, Istio, NGINX) theo dõi các tài nguyên này và cập nhật proxy hoặc bộ cân bằng tải tương ứng.
4. Boom 💥 — lưu lượng được chuyển theo quy tắc của bạn, qua nhiều giao thức, mà không cần các chú thích lộn xộn.

Tại sao điều này quan trọng

Bằng cách tách biệt các thành phần thành GatewayClass → Gateway → Routes, Kubernetes hiện hỗ trợ:

1. Phân định rõ ràng nhiệm vụ (nhóm cơ sở hạ tầng so với nhóm ứng dụng).
2. Hỗ trợ bản địa cho nhiều hơn chỉ HTTP.
3. Một cách tiêu chuẩn hóa cho các bộ điều khiển mở rộng chức năng.
4. Quản lý lưu lượng tương lai (mTLS, retries, canaries, v.v.).

Thực hành tốt nhất khi sử dụng API Gateway

• Hiểu rõ yêu cầu của ứng dụng: Nên xác định rõ các yêu cầu cụ thể của ứng dụng trước khi thiết lập Gateway để tối ưu hóa hiệu suất và bảo mật.
• Kiểm tra định tuyến: Luôn kiểm tra các quy tắc định tuyến của bạn để đảm bảo rằng chúng hoạt động như mong đợi và không gây ra độ trễ không cần thiết.
• Giám sát lưu lượng: Sử dụng các công cụ giám sát để theo dõi lưu lượng truy cập và phát hiện kịp thời các vấn đề phát sinh.

Những cạm bẫy phổ biến

• Cấu hình không chính xác: Việc cấu hình sai các đối tượng Gateway và Route có thể dẫn đến lỗi trong định tuyến lưu lượng.
• Thiếu bảo mật: Không sử dụng TLS cho các kết nối không an toàn có thể gây rủi ro bảo mật nghiêm trọng.

Mẹo tối ưu hiệu suất

• Sử dụng caching: Caching có thể giúp giảm tải cho các ứng dụng của bạn khi xử lý các yêu cầu lặp lại.
• Tối ưu hóa quy tắc định tuyến: Đảm bảo rằng các quy tắc định tuyến được tối ưu hóa để giảm thiểu độ trễ.

Giải quyết sự cố

• Kiểm tra logs: Luôn kiểm tra logs của bộ điều khiển để phát hiện sự cố sớm và tìm hiểu nguyên nhân vấn đề.
• Phân tích lưu lượng: Sử dụng các công cụ phân tích lưu lượng để xác định các điểm nghẽn và cải thiện hiệu suất.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. API Gateway có thể sử dụng cho những loại giao thức nào?
   • API Gateway hỗ trợ nhiều giao thức, bao gồm HTTP, TCP, và gRPC.
2. Tôi có cần cài đặt thêm gì để sử dụng API Gateway không?
   • Có, bạn cần cài đặt các Định nghĩa Tài nguyên Tùy chỉnh (CRDs) của Gateway API để sử dụng.

Kết luận

API Gateway trong Kubernetes là một công cụ mạnh mẽ giúp quản lý lưu lượng truy cập hiệu quả hơn. Bằng cách áp dụng các nguyên tắc thiết kế hiện đại và cho phép định tuyến linh hoạt, nó mang lại cho các nhà phát triển sức mạnh và sự linh hoạt cần thiết để xây dựng các ứng dụng hiện đại. Nếu bạn đang tìm kiếm một cách tiếp cận tốt hơn cho việc quản lý lưu lượng trong Kubernetes, hãy khám phá và triển khai API Gateway ngay hôm nay!