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1、限流算法
令牌桶算法
算法思想是：
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- 令牌以固定速率產(chǎn)生，并緩存到令牌桶中；
- 令牌桶放滿時(shí)，多余的令牌被丟棄；
- 請(qǐng)求要消耗等比例的令牌才能被處理；
- 令牌不夠時(shí)，請(qǐng)求被緩存。
漏桶算法
算法思想是：
- 水（請(qǐng)求）從上方倒入水桶，從水桶下方流出（被處理）；
- 來(lái)不及流出的水存在水桶中（緩沖），以固定速率流出；
- 水桶滿后水溢出（丟棄）。
- 這個(gè)算法的核心是：緩存請(qǐng)求、勻速處理、多余的請(qǐng)求直接丟棄。
相比漏桶算法，令牌桶算法不同之處在于它不但有一只“桶”，還有個(gè)隊(duì)列，這個(gè)桶是用來(lái)存放令牌的，隊(duì)列才是用來(lái)存放請(qǐng)求的。
從作用上來(lái)說(shuō)，漏桶和令牌桶算法最明顯的區(qū)別就是是否允許突發(fā)流量(burst)的處理，漏桶算法能夠強(qiáng)行限制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸（處理）速率，對(duì)突發(fā)流量不做額外處理；而令牌桶算法能夠在限制數(shù)據(jù)的平均傳輸速率的同時(shí)允許某種程度的突發(fā)傳輸。
Nginx按請(qǐng)求速率限速模塊使用的是漏桶算法，即能夠強(qiáng)行保證請(qǐng)求的實(shí)時(shí)處理速度不會(huì)超過(guò)設(shè)置的閾值。
Nginx官方版本限制IP的連接和并發(fā)分別有兩個(gè)模塊：
limit_req_zone?用來(lái)限制單位時(shí)間內(nèi)的請(qǐng)求數(shù)，即速率限制,采用的漏桶算法 "leaky bucket"。limit_req_conn?用來(lái)限制同一時(shí)間連接數(shù)，即并發(fā)限制。
limit_req_zone 參數(shù)配置
????Syntax:????limit_req?zone=name?[burst=number]?[nodelay];
????Default:????—
????Context:????http,?server,?location
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
- 第一個(gè)參數(shù)：$binary_remote_addr 表示通過(guò)remote_addr這個(gè)標(biāo)識(shí)來(lái)做限制，“binary_”的目的是縮寫(xiě)內(nèi)存占用量，是限制同一客戶端ip地址。
- 第二個(gè)參數(shù)：zone=one:10m表示生成一個(gè)大小為10M，名字為one的內(nèi)存區(qū)域，用來(lái)存儲(chǔ)訪問(wèn)的頻次信息。
- 第三個(gè)參數(shù)：rate=1r/s表示允許相同標(biāo)識(shí)的客戶端的訪問(wèn)頻次，這里限制的是每秒1次，還可以有比如30r/m的。
limit_req zone=one burst=5 nodelay;
- 第一個(gè)參數(shù)：zone=one 設(shè)置使用哪個(gè)配置區(qū)域來(lái)做限制，與上面limit_req_zone 里的name對(duì)應(yīng)。
- 第二個(gè)參數(shù)：burst=5，重點(diǎn)說(shuō)明一下這個(gè)配置，burst爆發(fā)的意思，這個(gè)配置的意思是設(shè)置一個(gè)大小為5的緩沖區(qū)當(dāng)有大量請(qǐng)求（爆發(fā)）過(guò)來(lái)時(shí)，超過(guò)了訪問(wèn)頻次限制的請(qǐng)求可以先放到這個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)。
- 第三個(gè)參數(shù)：nodelay，如果設(shè)置，超過(guò)訪問(wèn)頻次而且緩沖區(qū)也滿了的時(shí)候就會(huì)直接返回503，如果沒(méi)有設(shè)置，則所有請(qǐng)求會(huì)等待排隊(duì)。
例子：
????http?{
????????limit_req_zone?$binary_remote_addr?zone=one:10m?rate=1r/s;
????????server?{
????????????location?/search/?{
????????????????limit_req?zone=one?burst=5?nodelay;
????????????}
????}????????
下面配置可以限制特定UA（比如搜索引擎）的訪問(wèn)：
????limit_req_zone??$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?$http_user_agent;
????}
其他參數(shù)
????Syntax:????limit_req_log_level?info?|?notice?|?warn?|?error;
????Default:????
????limit_req_log_level?error;
????Context:????http,?server,?location
當(dāng)服務(wù)器由于limit被限速或緩存時(shí)，配置寫(xiě)入日志。延遲的記錄比拒絕的記錄低一個(gè)級(jí)別。例子：limit_req_log_level notice
延遲的的基本是info。
????Syntax:????limit_req_status?code;
????Default:????
????limit_req_status?503;
????Context:????http,?server,?location
設(shè)置拒絕請(qǐng)求的返回值。值只能設(shè)置 400 到 599 之間。
ngx_http_limit_conn_module 參數(shù)配置
這個(gè)模塊用來(lái)限制單個(gè)IP的請(qǐng)求數(shù)。并非所有的連接都被計(jì)數(shù)。只有在服務(wù)器處理了請(qǐng)求并且已經(jīng)讀取了整個(gè)請(qǐng)求頭時(shí)，連接才被計(jì)數(shù)。
????Syntax:????limit_conn?zone?number;
????Default:????—
????Context:????http,?server,?location
????limit_conn_zone?$binary_remote_addr?zone=addr:10m;
????server?{
????????location?/download/?{
????????????limit_conn?addr?1;
????????}
一次只允許每個(gè)IP地址一個(gè)連接。
????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;
????}
可以配置多個(gè)limit_conn指令。例如，以上配置將限制每個(gè)客戶端IP連接到服務(wù)器的數(shù)量，同時(shí)限制連接到虛擬服務(wù)器的總數(shù)。
????Syntax:????limit_conn_zone?key?zone=name:size;
????Default:????—
????Context:????http
????limit_conn_zone?$binary_remote_addr?zone=addr:10m;
在這里，客戶端IP地址作為關(guān)鍵。請(qǐng)注意，不是?$ remote_addr?，而是使用?$ binary_remote_addr?變量。$ remote_addr
變量的大小可以從7到15個(gè)字節(jié)不等。存儲(chǔ)的狀態(tài)在32位平臺(tái)上占用32或64字節(jié)的內(nèi)存，在64位平臺(tái)上總是占用64字節(jié)。對(duì)于IPv4地址，?$ binary_remote_addr
變量的大小始終為4個(gè)字節(jié)，對(duì)于IPv6地址則為16個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)狀態(tài)在32位平臺(tái)上始終占用32或64個(gè)字節(jié)，在64位平臺(tái)上占用64個(gè)字節(jié)。一個(gè)兆字節(jié)的區(qū)域可以保持大約32000個(gè)32字節(jié)的狀態(tài)或大約16000個(gè)64字節(jié)的狀態(tài)。如果區(qū)域存儲(chǔ)耗盡，服務(wù)器會(huì)將錯(cuò)誤返回給所有其他請(qǐng)求。
????Syntax:????limit_conn_log_level?info?|?notice?|?warn?|?error;
????Default:????
????limit_conn_log_level?error;
????Context:????http,?server,?location
當(dāng)服務(wù)器限制連接數(shù)時(shí)，設(shè)置所需的日志記錄級(jí)別。
????Syntax:????limit_conn_status?code;
????Default:????
????limit_conn_status?503;
????Context:????http,?server,?location
設(shè)置拒絕請(qǐng)求的返回值。
2、實(shí)戰(zhàn)
實(shí)例一 限制訪問(wèn)速率
????limit_req_zone?$binary_remote_addr?zone=mylimit:10m?rate=2r/s;
????server?{?
????????location?/?{?
????????????limit_req?zone=mylimit;
????????}
????}
上述規(guī)則限制了每個(gè)IP訪問(wèn)的速度為2r/s，并將該規(guī)則作用于根目錄。如果單個(gè)IP在非常短的時(shí)間內(nèi)并發(fā)發(fā)送多個(gè)請(qǐng)求，結(jié)果會(huì)怎樣呢？
我們使用單個(gè)IP在10ms內(nèi)發(fā)并發(fā)送了6個(gè)請(qǐng)求，只有1個(gè)成功，剩下的5個(gè)都被拒絕。我們?cè)O(shè)置的速度是2r/s，為什么只有1個(gè)成功呢，是不是Nginx限制錯(cuò)了？當(dāng)然不是，是因?yàn)镹ginx的限流統(tǒng)計(jì)是基于毫秒的，我們?cè)O(shè)置的速度是2r/s，轉(zhuǎn)換一下就是500ms內(nèi)單個(gè)IP只允許通過(guò)1個(gè)請(qǐng)求，從501ms開(kāi)始才允許通過(guò)第二個(gè)請(qǐng)求。
實(shí)例二 burst緩存處理
我們看到，我們短時(shí)間內(nèi)發(fā)送了大量請(qǐng)求，Nginx按照毫秒級(jí)精度統(tǒng)計(jì)，超出限制的請(qǐng)求直接拒絕。這在實(shí)際場(chǎng)景中未免過(guò)于苛刻，真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中請(qǐng)求到來(lái)不是勻速的，很可能有請(qǐng)求“突發(fā)”的情況，也就是“一股子一股子”的。Nginx考慮到了這種情況，可以通過(guò)burst關(guān)鍵字開(kāi)啟對(duì)突發(fā)請(qǐng)求的緩存處理，而不是直接拒絕。
來(lái)看我們的配置：
????limit_req_zone?$binary_remote_addr?zone=mylimit:10m?rate=2r/s;
????server?{?
????????location?/?{?
????????????limit_req?zone=mylimit?burst=4;
????????}
????}
我們加入了burst=4，意思是每個(gè)key(此處是每個(gè)IP)最多允許4個(gè)突發(fā)請(qǐng)求的到來(lái)。如果單個(gè)IP在10ms內(nèi)發(fā)送6個(gè)請(qǐng)求，結(jié)果會(huì)怎樣呢？
相比實(shí)例一成功數(shù)增加了4個(gè)，這個(gè)我們?cè)O(shè)置的burst數(shù)目是一致的。具體處理流程是：1個(gè)請(qǐng)求被立即處理，4個(gè)請(qǐng)求被放到burst隊(duì)列里，另外一個(gè)請(qǐng)求被拒絕。通過(guò)burst參數(shù)，我們使得Nginx限流具備了緩存處理突發(fā)流量的能力。
但是請(qǐng)注意：burst的作用是讓多余的請(qǐng)求可以先放到隊(duì)列里，慢慢處理。如果不加nodelay參數(shù)，隊(duì)列里的請(qǐng)求不會(huì)立即處理，而是按照rate設(shè)置的速度，以毫秒級(jí)精確的速度慢慢處理。
實(shí)例三 nodelay降低排隊(duì)時(shí)間
實(shí)例二中我們看到，通過(guò)設(shè)置burst參數(shù)，我們可以允許Nginx緩存處理一定程度的突發(fā)，多余的請(qǐng)求可以先放到隊(duì)列里，慢慢處理，這起到了平滑流量的作用。但是如果隊(duì)列設(shè)置的比較大，請(qǐng)求排隊(duì)的時(shí)間就會(huì)比較長(zhǎng)，用戶角度看來(lái)就是RT變長(zhǎng)了，這對(duì)用戶很不友好。有什么解決辦法呢？nodelay參數(shù)允許請(qǐng)求在排隊(duì)的時(shí)候就立即被處理，也就是說(shuō)只要請(qǐng)求能夠進(jìn)入burst隊(duì)列，就會(huì)立即被后臺(tái)worker處理，請(qǐng)注意，這意味著burst設(shè)置了nodelay時(shí)，系統(tǒng)瞬間的QPS可能會(huì)超過(guò)rate設(shè)置的閾值。nodelay參數(shù)要跟burst一起使用才有作用。
延續(xù)實(shí)例二的配置，我們加入nodelay選項(xiàng)：
????limit_req_zone?$binary_remote_addr?zone=mylimit:10m?rate=2r/s;
????server?{?
????????location?/?{?
????????????limit_req?zone=mylimit?burst=4?nodelay;
????????}
????}
單個(gè)IP 10ms內(nèi)并發(fā)發(fā)送6個(gè)請(qǐng)求，結(jié)果如下：
跟實(shí)例二相比，請(qǐng)求成功率沒(méi)變化，但是總體耗時(shí)變短了。這怎么解釋呢？實(shí)例二中，有4個(gè)請(qǐng)求被放到burst隊(duì)列當(dāng)中，工作進(jìn)程每隔500ms(rate=2r/s)取一個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行處理，最后一個(gè)請(qǐng)求要排隊(duì)2s才會(huì)被處理；實(shí)例三中，請(qǐng)求放入隊(duì)列跟實(shí)例二是一樣的，但不同的是，隊(duì)列中的請(qǐng)求同時(shí)具有了被處理的資格，所以實(shí)例三中的5個(gè)請(qǐng)求可以說(shuō)是同時(shí)開(kāi)始被處理的，花費(fèi)時(shí)間自然變短了。
但是請(qǐng)注意，雖然設(shè)置burst和nodelay能夠降低突發(fā)請(qǐng)求的處理時(shí)間，但是長(zhǎng)期來(lái)看并不會(huì)提高吞吐量的上限，長(zhǎng)期吞吐量的上限是由rate決定的，因?yàn)閚odelay只能保證burst的請(qǐng)求被立即處理，但Nginx會(huì)限制隊(duì)列元素釋放的速度，就像是限制了令牌桶中令牌產(chǎn)生的速度。
看到這里你可能會(huì)問(wèn)，加入了nodelay參數(shù)之后的限速算法，到底算是哪一個(gè)“桶”，是漏桶算法還是令牌桶算法？當(dāng)然還算是漏桶算法?？紤]一種情況，令牌桶算法的token為耗盡時(shí)會(huì)怎么做呢？由于它有一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列，所以會(huì)把接下來(lái)的請(qǐng)求緩存下來(lái)，緩存多少受限于隊(duì)列大小。但此時(shí)緩存這些請(qǐng)求還有意義嗎？如果server已經(jīng)過(guò)載，緩存隊(duì)列越來(lái)越長(zhǎng)，RT越來(lái)越高，即使過(guò)了很久請(qǐng)求被處理了，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)也沒(méi)什么價(jià)值了。所以當(dāng)token不夠用時(shí)，最明智的做法就是直接拒絕用戶的請(qǐng)求，這就成了漏桶算法。
示例四 自定義返回值
????limit_req_zone?$binary_remote_addr?zone=mylimit:10m?rate=2r/s;
????server?{?
????????location?/?{?
????????????limit_req?zone=mylimit?burst=4?nodelay;
????????????limit_req_status?598;
????????}
????}
默認(rèn)情況下 沒(méi)有配置 status 返回值的狀態(tài)：
自定義 status 返回值的狀態(tài)：
名稱欄目：葵花寶典！一文搞定Nginx限流配置
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