【高并发】使用Nginx实现限流

写在前面

最近，有不少读者说看了我的文章后，学到了很多知识，其实我本人听到后是非常开心的，自己写的东西能够为大家带来帮助，确实是一件值得高兴的事情。最近，也有不少小伙伴，看了我的文章后，顺利拿到了大厂Offer，也有不少小伙伴一直在刷我的文章，提升自己的内功，最终成为自己公司的核心业务开发人员。在此，冰河确实为你们高兴，希望小伙伴们能够一如既往的学习，保持一颗持续学习的心态，在技术的道路上越走越远。

今天写些什么呢？想来想去，写一篇关于高并发实战的文章吧，对，就写一下如何使用Nginx实现限流的文章吧。小伙伴们想看什么文章，可以在微信上给我留言，或者直接在公众号留言。

限流措施

如果看过我写的《【高并发】高并发秒杀系统架构解密，不是所有的秒杀都是秒杀！》一文的话，相信小伙伴们都会记得我说过的： 网上很多的文章和帖子中在介绍秒杀系统时，说是在下单时使用异步削峰来进行一些限流操作，那都是在扯淡！因为下单操作在整个秒杀系统的流程中属于比较靠后的操作了，限流操作一定要前置处理，在秒杀业务后面的流程中做限流操作是没啥卵用的。

Nginx作为一款高性能的Web代理和负载均衡服务器，往往会部署在一些互联网应用比较前置的位置。此时，我们就可以在Nginx上进行设置，对访问的IP地址和并发数进行相应的限制。

Nginx官方的限流模块

Nginx官方版本限制IP的连接和并发分别有两个模块：

• limit_req_zone 用来限制单位时间内的请求数，即速率限制,采用的漏桶算法 “leaky bucket”。
• limit_req_conn 用来限制同一时间连接数，即并发限制。

limit_req_zone 参数配置

limit_req_zone参数说明

Syntax: limit_req zone=name [burst=number] [nodelay];
Default:    —
Context:    http, server, location

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;

• 第一个参数：$binary_remote_addr 表示通过remote_addr这个标识来做限制，“binary_”的目的是缩写内存占用量，是限制同一客户端ip地址。
• 第二个参数：zone=one:10m表示生成一个大小为10M，名字为one的内存区域，用来存储访问的频次信息。
• 第三个参数：rate=1r/s表示允许相同标识的客户端的访问频次，这里限制的是每秒1次，还可以有比如30r/m的。

limit_req zone=one burst=5 nodelay;

• 第一个参数：zone=one 设置使用哪个配置区域来做限制，与上面limit_req_zone 里的name对应。
• 第二个参数：burst=5，重点说明一下这个配置，burst爆发的意思，这个配置的意思是设置一个大小为5的缓冲区当有大量请求（爆发）过来时，超过了访问频次限制的请求可以先放到这个缓冲区内。
• 第三个参数：nodelay，如果设置，超过访问频次而且缓冲区也满了的时候就会直接返回503，如果没有设置，则所有请求会等待排队。

limit_req_zone示例

http {
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
    server {
        location /search/ {
            limit_req zone=one burst=5 nodelay;
        }
}

下面配置可以限制特定UA（比如搜索引擎）的访问：

limit_req_zone  $anti_spider  zone=one:10m   rate=10r/s;
limit_req zone=one burst=100 nodelay;
if ($http_user_agent ~* "googlebot|bingbot|Feedfetcher-Google") {
    set $anti_spider $http_user_agent;
}

其他参数

Syntax: limit_req_log_level info | notice | warn | error;
Default:    
limit_req_log_level error;
Context:    http, server, location

当服务器由于limit被限速或缓存时，配置写入日志。延迟的记录比拒绝的记录低一个级别。例子：limit_req_log_level notice延迟的的基本是info。

Syntax: limit_req_status code;
Default:    
limit_req_status 503;
Context:    http, server, location

设置拒绝请求的返回值。值只能设置 400 到 599 之间。

ngx_http_limit_conn_module 参数配置

ngx_http_limit_conn_module 参数说明

这个模块用来限制单个IP的请求数。并非所有的连接都被计数。只有在服务器处理了请求并且已经读取了整个请求头时，连接才被计数。

Syntax: limit_conn zone number;
Default:    —
Context:    http, server, location

limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;
 
server {
    location /download/ {
        limit_conn addr 1;
    }

一次只允许每个IP地址一个连接。

limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m;
limit_conn_zone $server_name zone=perserver:10m;
 
server {
    ...
    limit_conn perip 10;
    limit_conn perserver 100;
}

可以配置多个limit_conn指令。例如，以上配置将限制每个客户端IP连接到服务器的数量，同时限制连接到虚拟服务器的总数。

Syntax: limit_conn_zone key zone=name:size;
Default:    —
Context:    http

limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;

在这里，客户端IP地址作为关键。请注意，不是$ remote_addr，而是使用$ binary_remote_addr变量。 $ remote_addr变量的大小可以从7到15个字节不等。存储的状态在32位平台上占用32或64字节的内存，在64位平台上总是占用64字节。对于IPv4地址，$ binary_remote_addr变量的大小始终为4个字节，对于IPv6地址则为16个字节。存储状态在32位平台上始终占用32或64个字节，在64位平台上占用64个字节。一个兆字节的区域可以保持大约32000个32字节的状态或大约16000个64字节的状态。如果区域存储耗尽，服务器会将错误返回给所有其他请求。

Syntax: limit_conn_log_level info | notice | warn | error;
Default:    
limit_conn_log_level error;
Context:    http, server, location

当服务器限制连接数时，设置所需的日志记录级别。

Syntax: limit_conn_status code;
Default:    
limit_conn_status 503;
Context:    http, server, location

设置拒绝请求的返回值。

Nginx限流实战

限制访问速率

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit;
    }
}

上述规则限制了每个IP访问的速度为2r/s，并将该规则作用于根目录。如果单个IP在非常短的时间内并发发送多个请求，结果会怎样呢？

我们使用单个IP在10ms内发并发送了6个请求，只有1个成功，剩下的5个都被拒绝。我们设置的速度是2r/s，为什么只有1个成功呢，是不是Nginx限制错了？当然不是，是因为Nginx的限流统计是基于毫秒的，我们设置的速度是2r/s，转换一下就是500ms内单个IP只允许通过1个请求，从501ms开始才允许通过第二个请求。

burst缓存处理

我们看到，我们短时间内发送了大量请求，Nginx按照毫秒级精度统计，超出限制的请求直接拒绝。这在实际场景中未免过于苛刻，真实网络环境中请求到来不是匀速的，很可能有请求“突发”的情况，也就是“一股子一股子”的。Nginx考虑到了这种情况，可以通过burst关键字开启对突发请求的缓存处理，而不是直接拒绝。

来看我们的配置：

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit burst=4;
    }
}

我们加入了burst=4，意思是每个key(此处是每个IP)最多允许4个突发请求的到来。如果单个IP在10ms内发送6个请求，结果会怎样呢？

相比实例一成功数增加了4个，这个我们设置的burst数目是一致的。具体处理流程是：1个请求被立即处理，4个请求被放到burst队列里，另外一个请求被拒绝。通过burst参数，我们使得Nginx限流具备了缓存处理突发流量的能力。

但是请注意：burst的作用是让多余的请求可以先放到队列里，慢慢处理。如果不加nodelay参数，队列里的请求不会立即处理，而是按照rate设置的速度，以毫秒级精确的速度慢慢处理。

nodelay降低排队时间

在使用burst缓存处理中，我们看到，通过设置burst参数，我们可以允许Nginx缓存处理一定程度的突发，多余的请求可以先放到队列里，慢慢处理，这起到了平滑流量的作用。但是如果队列设置的比较大，请求排队的时间就会比较长，用户角度看来就是RT变长了，这对用户很不友好。有什么解决办法呢？nodelay参数允许请求在排队的时候就立即被处理，也就是说只要请求能够进入burst队列，就会立即被后台worker处理，请注意，这意味着burst设置了nodelay时，系统瞬间的QPS可能会超过rate设置的阈值。nodelay参数要跟burst一起使用才有作用。

延续burst缓存处理的配置，我们加入nodelay选项：

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit burst=4 nodelay;
    }
}

单个IP 10ms内并发发送6个请求，结果如下：

跟burst缓存处理相比，请求成功率没变化，但是总体耗时变短了。这怎么解释呢？在burst缓存处理中，有4个请求被放到burst队列当中，工作进程每隔500ms(rate=2r/s)取一个请求进行处理，最后一个请求要排队2s才会被处理；这里，请求放入队列跟burst缓存处理是一样的，但不同的是，队列中的请求同时具有了被处理的资格，所以这里的5个请求可以说是同时开始被处理的，花费时间自然变短了。

但是请注意，虽然设置burst和nodelay能够降低突发请求的处理时间，但是长期来看并不会提高吞吐量的上限，长期吞吐量的上限是由rate决定的，因为nodelay只能保证burst的请求被立即处理，但Nginx会限制队列元素释放的速度，就像是限制了令牌桶中令牌产生的速度。

看到这里你可能会问，加入了nodelay参数之后的限速算法，到底算是哪一个“桶”，是漏桶算法还是令牌桶算法？当然还算是漏桶算法。考虑一种情况，令牌桶算法的token为耗尽时会怎么做呢？由于它有一个请求队列，所以会把接下来的请求缓存下来，缓存多少受限于队列大小。但此时缓存这些请求还有意义吗？如果server已经过载，缓存队列越来越长，RT越来越高，即使过了很久请求被处理了，对用户来说也没什么价值了。所以当token不够用时，最明智的做法就是直接拒绝用户的请求，这就成了漏桶算法。

自定义返回值

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server { 
    location / { 
        limit_req zone=mylimit burst=4 nodelay;
        limit_req_status 598;
    }
}

默认情况下 没有配置 status 返回值的状态：

好了，咱们今天就聊到这儿吧！别忘了给个在看和转发，让更多的人看到，一起学习一起进步！！