AI Gateway

AI Gateway 是连接客户端与 AI 服务的关键桥梁，负责请求路由、负载均衡、安全控制和性能优化。本文系统梳理 AI Gateway 的核心功能、架构设计、Kubernetes 实现方式、高级特性及运维实践，助力构建高效稳定的 AI 原生应用网关。

什么是 AI Gateway

AI Gateway 是专为 AI 应用设计的 API 网关，负责管理 AI 服务入口、请求路由、负载均衡、安全控制和性能优化。它在 AI 原生架构中扮演着至关重要的角色，保障服务的高可用与安全性。

核心功能

请求路由：按模型类型、版本、地理位置等智能分发请求
负载均衡：在多个 AI 服务实例间分配流量
安全控制：API 密钥验证、速率限制、访问控制
性能优化：请求缓存、批处理、数据压缩
监控分析：请求跟踪、性能指标、错误处理

AI Gateway 架构设计

合理的架构设计是实现高性能、高可用 AI Gateway 的基础。

典型架构示意

下图展示了 AI Gateway 的典型架构流程：

客户端 → AI Gateway → 模型服务集群
                     ↓
              缓存层/负载均衡器
                     ↓
            AI 推理服务 (vLLM/TensorRT 等)

主要组件说明

入口控制器：处理外部请求，统一入口
路由引擎：基于规则进行智能请求分发
安全模块：身份验证与授权
缓存层：热点模型响应缓存，提升性能
监控系统：性能与健康监控，支持告警

Kubernetes 中的实现方式

在 Kubernetes 环境下，AI Gateway 可通过多种方式实现，满足不同场景需求。

Ingress Controller 实现

利用 Ingress Controller 实现基础的流量入口与路由。

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ai-gateway-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  rules:
  - host: ai.example.com
    http:
      paths:
      - path: /v1/chat/completions
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: chat-service
            port:
              number: 80

Gateway API 实现

使用 Kubernetes Gateway API 实现更灵活的路由与流量管理。

apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: Gateway
metadata:
  name: ai-gateway
spec:
  gatewayClassName: ai-gateway-class
  listeners:
  - name: http
    hostname: ai.example.com
    port: 80
    protocol: HTTP
---
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: HTTPRoute
metadata:
  name: chat-route
spec:
  parentRefs:
  - name: ai-gateway
  rules:
  - matches:
    - path:
        type: PathPrefix
        value: /v1/chat/completions
    backendRefs:
    - name: chat-service
      port: 80

高级功能与优化

AI Gateway 支持多种高级功能，提升整体性能与安全性。

智能路由策略

性能路由：优先选择响应快的模型实例
负载均衡：避免过载，均衡分配请求
地理路由：就近访问，降低延迟

请求优化技术

批处理：合并小请求为批处理，提升吞吐
缓存：缓存常用查询结果，减少重复计算
压缩：压缩请求与响应数据，节省带宽

安全特性

API 密钥管理：统一密钥验证
速率限制：防止恶意刷请求
内容过滤：拦截敏感或非法内容
审计日志：记录关键操作，便于追溯

集成主流开源方案

结合 Envoy、Istio 等开源组件，可实现更强大的 AI Gateway 能力。

Envoy 作为 AI Gateway

使用 Envoy 代理实现高性能流量管理与路由。

static_resources:
  listeners:
  - address:
      socket_address:
        address: 0.0.0.0
        port_value: 8080
    filter_chains:
    - filters:
      - name: envoy.http_connection_manager
        config:
          route_config:
            routes:
            - match:
                prefix: "/v1/models"
              route:
                cluster: ai-models-cluster

Istio 服务网格集成

将 AI Gateway 集成到 Istio 服务网格，获得更强的流量管理与安全能力。

流量管理：支持金丝雀发布、A/B 测试
安全加固：mTLS 加密通信
可观测性：分布式追踪与性能分析

监控与运维实践

AI Gateway 的稳定运行离不开完善的监控与运维体系。

关键监控指标

请求延迟：端到端响应时间
吞吐量：每秒处理请求数
错误率：失败请求比例
资源利用率：CPU/GPU 使用情况

日志与追踪

结构化日志：详细记录请求与响应
分布式追踪：跟踪请求在系统中的完整路径
性能分析：定位瓶颈，优化系统

AI Gateway 最佳实践

结合实际运维经验，建议遵循如下网关部署与管理策略：

水平扩展：根据负载自动扩缩 AI Gateway 实例
缓存策略：合理配置缓存，提升响应速度
安全加固：实施多层安全防护，防止攻击
监控告警：设置关键指标告警，及时响应异常

总结

AI Gateway 是连接客户端与 AI 服务的核心枢纽，通过智能路由、负载均衡和安全控制，保障 AI 应用的稳定高效运行。在 Kubernetes 中，可结合 Ingress、Gateway API 或专用网关组件实现上述功能，满足多样化业务需求。