理論+實踐，教你如何使用Nginx實現限流

摘要：Nginx作為一款高效能的Web代理和負載均衡伺服器，往往會部署在一些網際網路應用比較前置的位置。此時，我們就可以在Nginx上進行設定，對訪問的IP地址和併發數進行相應的限制。

本文分享自華為雲社群《【高併發】使用Nginx實現限流》，作者：冰 河。

Nginx作為一款高效能的Web代理和負載均衡伺服器，往往會部署在一些網際網路應用比較前置的位置。此時，我們就可以在Nginx上進行設定，對訪問的IP地址和併發數進行相應的限制。

Nginx官方的限流模組

Nginx官方版本限制IP的連線和併發分別有兩個模組：

• limit_req_zone 用來限制單位時間內的請求數，即速率限制,採用的漏桶演算法 “leaky bucket”。
• limit_req_conn 用來限制同一時間連線數，即併發限制。

limit_req_zone 引數配置

limit_req_zone引數說明

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;

• 第一個引數：$binary_remote_addr 表示通過remote_addr這個標識來做限制，“binary_”的目的是縮寫記憶體佔用量，是限制同一客戶端ip地址。
• 第二個引數：zone=one:10m表示生成一個大小為10M，名字為one的記憶體區域，用來儲存訪問的頻次資訊。
• 第三個引數：rate=1r/s表示允許相同標識的客戶端的訪問頻次，這裡限制的是每秒1次，還可以有比如30r/m的。

limit_req zone=one burst=5 nodelay;

• 第一個引數：zone=one 設定使用哪個配置區域來做限制，與上面limit_req_zone 裡的name對應。
• 第二個引數：burst=5，重點說明一下這個配置，burst爆發的意思，這個配置的意思是設定一個大小為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。
• 第三個引數：nodelay，如果設定，超過訪問頻次而且緩衝區也滿了的時候就會直接返回503，如果沒有設定，則所有請求會等待排隊。

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（比如搜尋引擎）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;
}

其他引數

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

當伺服器由於limit被限速或快取時，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

設定拒絕請求的返回值。值只能設定 400 到 599 之間。

ngx_http_limit_conn_module 引數配置

ngx_http_limit_conn_module 引數說明

這個模組用來限制單個IP的請求數。並非所有的連線都被計數。只有在伺服器處理了請求並且已經讀取了整個請求頭時，連線才被計數。

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地址一個連線。

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戶端IP連線到伺服器的數量，同時限制連線到虛擬伺服器的總數。

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

在這裡，客戶端IP地址作為關鍵。請注意，不是$ remote_addr，而是使用$ binary_remote_addr變數。 $ remote_addr變數的大小可以從7到15個位元組不等。儲存的狀態在32位平臺上佔用32或64位元組的記憶體，在64位平臺上總是佔用64位元組。對於IPv4地址，$ binary_remote_addr變數的大小始終為4個位元組，對於IPv6地址則為16個位元組。儲存狀態在32位平臺上始終佔用32或64個位元組，在64位平臺上佔用64個位元組。一個兆位元組的區域可以保持大約32000個32位元組的狀態或大約16000個64位元組的狀態。如果區域儲存耗盡，伺服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

當伺服器限制連線數時，設定所需的日誌記錄級別。

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

設定拒絕請求的返回值。

Nginx限流實戰

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傳送多個請求，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。我們設定的速度是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，我們設定的速度是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。

burst快取處理

我們看到，我們短時間內傳送了大量請求，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，真實網路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快取處理，而不是直接拒絕。

來看我們的配置：

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內傳送6個請求，結果會怎樣呢？

相比例項一成功數增加了4個，這個我們設定的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佇列裡，另外一個請求被拒絕。通過burst引數，我們使得Nginx限流具備了快取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佇列裡，慢慢處理。如果不加nodelay引數，佇列裡的請求不會立即處理，而是按照rate設定的速度，以毫秒級精確的速度慢慢處理。

nodelay降低排隊時間

在使用burst快取處理中，我們看到，通過設定burst引數，我們可以允許Nginx快取處理一定程度的突發，多餘的請求可以先放到佇列裡，慢慢處理，這起到了平滑流量的作用。但是如果佇列設定的比較大，請求排隊的時間就會比較長，使用者角度看來就是RT變長了，這對使用者很不友好。有什麼解決辦法呢？nodelay引數允許請求在排隊的時候就立即被處理，也就是說只要請求能夠進入burst佇列，就會立即被後臺worker處理，請注意，這意味著burst設定了nodelay時，系統瞬間的QPS可能會超過rate設定的閾值。nodelay引數要跟burst一起使用才有作用。

延續burst快取處理的配置，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內併發傳送6個請求，結果如下：

跟burst快取處理相比，請求成功率沒變化，但是總體耗時變短了。這怎麼解釋呢？在burst快取處理中，有4個請求被放到burst隊列當中，工作程序每隔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；這裡，請求放入佇列跟burst快取處理是一樣的，但不同的是，佇列中的請求同時具有了被處理的資格，所以這裡的5個請求可以說是同時開始被處理的，花費時間自然變短了。

但是請注意，雖然設定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會限制佇列元素釋放的速度，就像是限制了令牌桶中令牌產生的速度。

看到這裡你可能會問，加入了nodelay引數之後的限速演算法，到底算是哪一個“桶”，是漏桶演算法還是令牌桶演算法？當然還算是漏桶演算法。考慮一種情況，令牌桶演算法的token為耗盡時會怎麼做呢？由於它有一個請求佇列，所以會把接下來的請求快取下來，快取多少受限於佇列大小。但此時快取這些請求還有意義嗎？如果server已經過載，快取佇列越來越長，RT越來越高，即使過了很久請求被處理了，對使用者來說也沒什麼價值了。所以當token不夠用時，最明智的做法就是直接拒絕使用者的請求，這就成了漏桶演算法。

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;
 }
}

預設情況下 沒有配置 status 返回值的狀態：

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