[Day27] OpenAPI 規範：基礎介紹與 FastAPI 的自動化 API 配置

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DAY 27

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從系統設計切入，探索 GenAI 在企業中的實踐系列第 27 篇

16th鐵人賽

Pei

團隊SI夢想工程隊

2024-09-28 00:03:09

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在現代微服務架構中，隨著 API 數量不斷增多，如何有效地管理 API 成為後端開發中的一大挑戰。API Gateway 作為一個統一的入口，幫助我們控制外部流量，實現認證與授權、路由選擇，並提供限流和監控等功能。相較於 Load Balancer 的簡單流量分配，API Gateway 提供了更精細的 API 控制，允許我們在 API 層進行版本管理、限流以及安全性加強。

同時，OpenAPI 規範提供了一個標準化的方法來描述 API，使得開發者能夠定義 API 的行為、參數、回應和認證機制，並自動生成文檔來提升系統的透明度與可擴展性。即便是使用像 FastAPI 這樣的框架進行 API 開發，理解 OpenAPI 與 API Gateway 的配置仍然是提升系統設計和管理能力的關鍵。因此，本文將展示如何利用 API Gateway 管理 API 流量、限流、安全認證等關鍵功能，並結合 FastAPI 與 OpenAPI 的自動整合來提升開發效率。

OpenAPI YAML 配置

基本資訊設置

什麼是 OpenAPI：OpenAPI 是一個標準化的 API 描述規範，它允許開發者使用 YAML 或 JSON 來精確描述 API 的路徑、參數、認證方式、回應格式等。
為什麼選擇 OpenAPI：OpenAPI 不僅能自動生成文檔，還可以用於生成用戶端 SDK、進行 API 測試，以及設置 API 的安全和版本控制。

openapi: '3.0.0'
info:
  title: Example API
  description: This is an example API following the OpenAPI specification.
  version: '1.0'

openapi：使用的 OpenAPI 規範版本。
info：包含 API 的基本資訊，其中 title 是 API 的名稱，description 提供 API 的簡短描述，version 表示該 API 的版本號。

路由和請求方法

定義 API 路徑：通過 OpenAPI，我們可以定義每個 API 的 URL 路徑和對應的 HTTP 請求方法（如 GET、POST 等）。
設置請求參數和回應格式：每個路徑可以接受不同類型的請求參數，這些參數可以是路徑參數、查詢參數或表單數據。OpenAPI 允許我們精確描述這些參數的類型和是否為必填項。

# Paths (API Endpoints)
paths:
  /items/{item_id}:
    get:
      summary: Retrieve an item by its ID
      parameters:
        - name: item_id
          in: path
          required: true
          schema:
            type: integer
      responses:
        '200':
          description: A successful response
          content:
            application/json:
              schema:
                type: object
                properties:
                  item_id:
                    type: integer
                  name:
                    type: string
                example:
                  item_id: 1
                  name: "Example item"

展示如何為路徑 /items/{item_id} 定義一個 GET 請求，其中包括一個必填的路徑參數 item_id，並且定義了 200 成功回應的 JSON 結構。

API 版本管理

版本控制的重要性：在 API 開發過程中，隨著應用的發展，API 的結構和行為會不斷變化。通過版本控制，我們可以同時支持不同的 API 版本，讓使用者能夠逐步過渡到新版 API。
定義不同版本的 API 路徑：版本控制的一種常見方式是將版本號包含在 API 路徑中，例如 /v1/ 或 /v2/。

paths:
  /v1/items/{item_id}:
    get:
      summary: Retrieve an item by its ID (Version 1)
      parameters:
        - name: item_id
          in: path
          required: true
          schema:
            type: integer
      responses:
        '200':
          description: A successful response
          content:
            application/json:
              schema:
                type: object
                properties:
                  item_id:
                    type: integer
                  name:
                    type: string
                example:
                  item_id: 1
                  name: "Example item V1"
  /v2/items/{item_id}:
    get:
      summary: Retrieve an item by its ID (Version 2)
      parameters:
        - name: item_id
          in: path
          required: true
          schema:
            type: integer
      responses:
        '200':
          description: A successful response
          content:
            application/json:
              schema:
                type: object
                properties:
                  item_id:
                    type: integer
                  name:
                    type: string
                example:
                  item_id: 1
                  name: "Example item V2"

parameters 定義了從路徑中提取的參數 asset，並且該參數是必填的。

錯誤處理與回應

錯誤處理是 API 設計中非常重要的一部分，它能確保當發生錯誤時，系統能夠返回清晰的錯誤信息，方便開發者進行調試。

定義回應狀態碼：在 OpenAPI 中，我們可以為每個 API 路徑設置多個回應狀態碼（如 200、400、404 等），以便開發者能準確描述 API 的行為。
處理錯誤回應：OpenAPI 支持為錯誤狀況設置專門的回應格式，這對於調試和錯誤處理至關重要。

responses:
  '200':
    description: A successful response
    content:
      application/json:
        schema:
          type: object
          properties:
            message:
              type: string
        example:
          message: "Operation was successful"
  '404':
    description: Not Found - The requested item does not exist
    content:
      application/json:
        schema:
          type: object
          properties:
            error:
              type: string
        example:
          error: "Item not found"
  '400':
    description: Invalid request
    content:
      application/json:
        schema:
          type: object
          properties:
            error:
              type: string
        example:
          error: "Invalid ID supplied"

responses 定義了多個回應狀態碼，包括 200（成功）、400（無效請求）和 404（找不到資源）。這有助於處理不同的錯誤情況並返回相應的錯誤代碼給客戶端。
我們可以根據錯誤類型，返回不同的錯誤描述，以幫助使用者了解問題所在。

安全設置與認證機制

使用 JWT（JSON Web Token）進行身份驗證是現在 Web API 常用方法之一，這允許我們安全地驗證 API 請求。

# securitySchemes 定義
components:
  securitySchemes:
    bearerAuth:
      type: http
      scheme: bearer
      bearerFormat: JWT

# 將 securitySchemes 應用到路徑
paths:
  /users/me:
    get:
      security:
        - bearerAuth: []
      summary: Get current user information
      responses:
        '200':
          description: Successful response
        '401':
          description: Unauthorized - Invalid or missing token

securitySchemes：這部分定義了 API 的認證方式。此處我們使用了 JWT（Bearer Token）作為認證方式。
- type: http：這表示我們使用 HTTP 認證。
- scheme: bearer：bearer 指的是 Bearer Token 認證方案，這是一種常見的 API 認證方式，通常與 OAuth2 或 JWT 配合使用。
- bearerFormat: JWT：這表明我們的 Bearer Token 的具體格式是 JWT，即 JSON Web Token。JWT 是一種加密簽名的 Token 格式，常用於身份驗證。
/users/me：這裡定義了一個 GET 請求，用於獲取當前用戶的信息。這個路徑被設置為受保護的，僅允許經過身份驗證的請求進入。
- security：security 定義了這個路徑需要 Bearer Token 認證才能訪問。這個配置告訴 API，當請求到達 /users/me 路徑時，API 必須檢查請求頭部中的 Bearer Token 來驗證用戶身份。
- bearerAuth：這對應於上面在 securitySchemes 中定義的 Bearer 認證方式，告訴 API 要求請求中必須包含有效的 JWT Token 才能進行授權。

在實際運行時，JWT 認證的具體限制步驟如下：

客戶端發送請求：客戶端會在發送 API 請求時，將已經通過身份驗證的 JWT Token 放在 HTTP 請求的標頭（Header）中，格式如下：
```
Authorization: Bearer <JWT Token>
```
服務器驗證 Token：API Gateway 或應用服務器接收到請求後，會檢查 Authorization 標頭中的 Bearer Token。
- 如果 Token 是合法且有效的，請求將被授權並繼續執行。
- 如果 Token 無效或缺失，服務器會拒絕該請求，通常返回 401 Unauthorized 或 403 Forbidden 狀態碼。
Token 的有效性：JWT Token 通常會包含加密的簽名，並攜帶用戶的身份信息、到期時間等數據。伺服器會根據這些信息來驗證 Token 是否被篡改，並確定用戶身份和授權級別。

限流、日誌與監控設置

通常需要配合 API Gateway 或其他第三方工具來實現，例如 NGINX 或 AWS API Gateway。OpenAPI 本身不包含限流的標準配置，但許多平台允許基於 OpenAPI 規範進行限流和監控設置。例如：

x-google-quota:
  metricCosts:
    requests: 1
  limitDefinitions:
    - limit: 1000  # 每日最大請求數
      interval: 1d  # 設定的時間範圍（每日）
      description: "Daily limit for each API key"

這是基於 Google Cloud 的 API Gateway 擴展，描述了如何在 OpenAPI 文件中指定每日請求限制。不同的 API Gateway 可能會有不同的限流配置。

FastAPI 與 OpenAPI 自動整合

FastAPI 框架能自動生成符合 OpenAPI 規範的 API 文檔。當你定義一個 FastAPI 應用時，它會自動創建對應的 OpenAPI 文檔，並通過 /docs 提供可視化的 Swagger UI。開發者也可以通過 /openapi.json 查看 JSON 格式的 OpenAPI 規範。

from fastapi import FastAPI

app = FastAPI()

@app.get("/items/{item_id}")
async def read_item(item_id: int, q: str = None):
    return {"item_id": item_id, "q": q}

啟動 FastAPI 應用後，便可以通過 http://localhost:<port>/docs 看到自動生成的 Swagger UI，通過 http://localhost:<port>/openapi.json 獲取 OpenAPI 規範文檔。

這種自動生成功能使開發者不需要手動編寫 OpenAPI 文檔，並能快速查看和測試 API。

ref.