Linux下玩轉nginx系列（七）---nginx如何實現限流功能

nginx是最火的負載均衡工具之一，在流量陡增的互聯網面前，針對高併發的場景，接口限流是很有必要的。流量限制(rate-limiting)，是nginx中一個非常實用的功能。流量限制可以用作安全目的，比如可以減慢暴力密碼破解的速率。通過將傳入請求的速率限制為真實用户的典型值，並標識目標URL地址(通過日誌)，還可以用來抵禦DDOS攻擊。更常見的情況，該功能被用來保護上游應用服務器不被同時太多用户請求所壓垮。下面介紹一下nginx中是如何對請求進行流量限制的。

限流算法

令牌桶算法

算法思想是：

• 令牌以固定速率產生，並緩存到令牌桶中；
• 令牌桶放滿時，多餘的令牌被丟棄；
• 請求要消耗等比例的令牌才能被處理；
• 令牌不夠時，請求被緩存。

漏桶算法

算法思想是：

• 水（請求）從上方倒入水桶，從水桶下方流出（被處理）；
• 來不及流出的水存在水桶中（緩衝），以固定速率流出；
• 水桶滿後水溢出（丟棄）；
• 這個算法的核心是：緩存請求、勻速處理、多餘的請求直接丟棄。

相比漏桶算法，令牌桶算法不同之處在於它不但有一隻“桶”，還有個隊列，這個桶是用來存放令牌的，隊列才是用來存放請求的。

從作用上來説，漏桶和令牌桶算法最明顯的區別就是是否允許突發流量(burst)的處理，漏桶算法能夠強行限制數據的實時傳輸（處理）速率，對突發流量不做額外處理；而令牌桶算法能夠在限制數據的平均傳輸速率的同時允許某種程度的突發傳輸。

Nginx按請求速率限速模塊使用的是漏桶算法，即能夠強行保證請求的實時處理速度不會超過設置的閾值。

Nginx官方版本限制IP的連接和併發分別有兩個模塊：

• limit_req_zone 用來限制單位時間內的請求數，即速率限制,採用的漏桶算法 "leaky bucket"。
• limit_req_conn 用來限制同一時間連接數，即併發限制。

limit_req_zone 參數配置

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;

• 第一個參數：$binary_remote_addr 表示通過remote_addr這個標識來做限制，“binary_”的目的是縮寫內存佔用量，是限制同一客户端ip地址。
• 第二個參數：zone=one:10m表示生成一個大小為10M，名字為one的內存區域，用來存儲訪問的頻次信息。
• 第三個參數：rate=1r/s表示允許相同標識的客户端的訪問頻次，這裏限制的是每秒1次，還可以有比如30r/m的。

limit_req zone=one burst=5 nodelay;

• 第一個參數：zone=one 設置使用哪個配置區域來做限制，與上面limit_req_zone 裏的name對應。
• 第二個參數：burst=5，重點説明一下這個配置，burst爆發的意思，這個配置的意思是設置一個大小為5的緩衝區當有大量請求（爆發）過來時，超過了訪問頻次限制的請求可以先放到這個緩衝區內。
• 第三個參數：nodelay，如果設置，超過訪問頻次而且緩衝區也滿了的時候就會直接返回503，如果沒有設置，則所有請求會等待排隊。

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：

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

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

當服務器由於limit被限速或緩存時，配置寫入日誌。延遲的記錄比拒絕的記錄低一個級別。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

設置拒絕請求的返回值。值只能設置 400 到 599 之間。

ngx_http_limit_conn_module 參數配置

這個模塊用來限制單個IP的請求數。並非所有的連接都被計數。只有在服務器處理了請求並且已經讀取了整個請求頭時，連接才被計數。

``` 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IP地址一個連接。

``` 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limit_conn指令。例如，以上配置將限制每個客户端IP連接到服務器的數量，同時限制連接到虛擬服務器的總數。

Syntax: limit_conn_zone key zone=name:size; Default: — Context: http limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;

在這裏，客户端IP地址作為關鍵。請注意，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個字節不等。存儲的狀態在32位平台上佔用32或64字節的內存，在64位平台上總是佔用64字節。對於IPv4地址，$binary_remote_addr$變量的大小始終為4個字節，對於IPv6地址則為16個字節。存儲狀態在32位平台上始終佔用32或64個字節，在64位平台上佔用64個字節。一個兆字節的區域可以保持大約32000個32字節的狀態或大約16000個64字節的狀態。如果區域存儲耗盡，服務器會將錯誤返回給所有其他請求。

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

當服務器限制連接數時，設置所需的日誌記錄級別。

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

設置拒絕請求的返回值。

限流實例

一. 限制訪問速率

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

上述規則限制了每個IP訪問的速度為2r/s，並將該規則作用於根目錄。如果單個IP在非常短的時間內併發發送多個請求，結果會怎樣呢？

我們使用單個IP在10ms內發併發送了6個請求，只有1個成功，剩下的5個都被拒絕。我們設置的速度是2r/s，為什麼只有1個成功呢，是不是Nginx限制錯了？當然不是，是因為Nginx的限流統計是基於毫秒的，我們設置的速度是2r/s，轉換一下就是500ms內單個IP只允許通過1個請求，從501ms開始才允許通過第二個請求。

二. burst緩存處理

在短時間內發送了大量請求，Nginx按照毫秒級精度統計，超出限制的請求直接拒絕。這在實際場景中未免過於苛刻，真實網絡環境中請求到來不是勻速的，很可能有請求“突發”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burst關鍵字開啟對突發請求的緩存處理，而不是直接拒絕。 來看配置：

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key(此處是每個IP)最多允許4個突發請求的到來。如果單個IP在10ms內發送6個請求，結果會怎樣呢？

相比實例一成功數增加了4個，這個我們設置的burst數目是一致的。具體處理流程是：1個請求被立即處理，4個請求被放到burst隊列裏，另外一個請求被拒絕。通過burst參數，我們使得Nginx限流具備了緩存處理突發流量的能力。

但是請注意：burst的作用是讓多餘的請求可以先放到隊列裏，慢慢處理。如果不加nodelay參數，隊列裏的請求不會立即處理，而是按照rate設置的速度，以毫秒級精確的速度慢慢處理。

三. nodelay降低排隊時間

實例二中我們看到，通過設置burst參數，我們可以允許Nginx緩存處理一定程度的突發，多餘的請求可以先放到隊列裏，慢慢處理，這起到了平滑流量的作用。但是如果隊列設置的比較大，請求排隊的時間就會比較長，用户角度看來就是RT變長了，這對用户很不友好。有什麼解決辦法呢？nodelay參數允許請求在排隊的時候就立即被處理，也就是説只要請求能夠進入burst隊列，就會立即被後台worker處理，請注意，這意味着burst設置了nodelay時，系統瞬間的QPS可能會超過rate設置的閾值。nodelay參數要跟burst一起使用才有作用。

延續實例二的配置，我們加入nodelay選項：

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

單個IP 10ms內併發發送6個請求，結果如下：

跟實例二相比，請求成功率沒變化，但是總體耗時變短了。這怎麼解釋呢？實例二中，有4個請求被放到burst隊列當中，工作進程每隔500ms(rate=2r/s)取一個請求進行處理，最後一個請求要排隊2s才會被處理；實例三中，請求放入隊列跟實例二是一樣的，但不同的是，隊列中的請求同時具有了被處理的資格，所以實例三中的5個請求可以説是同時開始被處理的，花費時間自然變短了。

但是請注意，雖然設置burst和nodelay能夠降低突發請求的處理時間，但是長期來看並不會提高吞吐量的上限，長期吞吐量的上限是由rate決定的，因為nodelay只能保證burst的請求被立即處理，但Nginx會限制隊列元素釋放的速度，就像是限制了令牌桶中令牌產生的速度。

看到這裏你可能會問，加入了nodelay參數之後的限速算法，到底算是哪一個“桶”，是漏桶算法還是令牌桶算法？當然還算是漏桶算法。考慮一種情況，令牌桶算法的token為耗盡時會怎麼做呢？由於它有一個請求隊列，所以會把接下來的請求緩存下來，緩存多少受限於隊列大小。但此時緩存這些請求還有意義嗎？如果server已經過載，緩存隊列越來越長，RT越來越高，即使過了很久請求被處理了，對用户來説也沒什麼價值了。所以當token不夠用時，最明智的做法就是直接拒絕用户的請求，這就成了漏桶算法。

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; } }

默認情況下 沒有配置 status 返回值的狀態：

自定義 status 返回值的狀態：

參考文檔 nginx-proxy_pass官網 Full Example Configuration Nginx限制訪問速率和最大併發連接數模塊--limit (防止DDOS攻擊) Nginx 限流 關於nginx的限速模塊 Module ngx_http_limit_conn_module Module ngx_http_limit_req_module Nginx限速模塊初探 限流算法