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作者：biglittleant
限流算法
令牌桶算法
算法思想是：
令牌以固定速率產(chǎn)生近上，并緩存到令牌桶中贼涩；
令牌桶放滿時(shí)，多余的令牌被丟棄圈匆；
請(qǐng)求要消耗等比例的令牌才能被處理；
令牌不夠時(shí)缸浦，請(qǐng)求被緩存蕉朵。
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）罗珍；
來(lái)不及流出的水存在水桶中（緩沖）洽腺，以固定速率流出脚粟；
水桶滿后水溢出（丟棄）。
這個(gè)算法的核心是：緩存請(qǐng)求蘸朋、勻速處理核无、多余的請(qǐng)求直接丟棄。
相比漏桶算法藕坯，令牌桶算法不同之處在于它不但有一只“桶”团南，還有個(gè)隊(duì)列，這個(gè)桶是用來(lái)存放令牌的炼彪，隊(duì)列才是用來(lái)存放請(qǐng)求的吐根。
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)的處理辐马，漏桶算法能夠強(qiáng)行限制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸（處理）速率拷橘，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)傳輸喜爷。
Nginx按請(qǐng)求速率限速模塊使用的是漏桶算法冗疮，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)檩帐，即速率限制,采用的漏桶算法 "leaky bucket"术幔。limit_req_conn用來(lái)限制同一時(shí)間連接數(shù)，即并發(fā)限制湃密。
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)做限制诅挑，“binary_”的目的是縮寫(xiě)內(nèi)存占用量，是限制同一客戶端ip地址泛源。
第二個(gè)參數(shù)：zone=one:10m表示生成一個(gè)大小為10M拔妥，名字為one的內(nèi)存區(qū)域，用來(lái)存儲(chǔ)訪問(wèn)的頻次信息俩由。
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)頻次毒嫡，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)做限制兜畸，與上面limit_req_zone 里的name對(duì)應(yīng)努释。
第二個(gè)參數(shù)：burst=5，重點(diǎn)說(shuō)明一下這個(gè)配置咬摇，burst爆發(fā)的意思伐蒂，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)肛鹏。
第三個(gè)參數(shù)：nodelay逸邦，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在扰，如果沒(méi)有設(shè)置缕减，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)芒珠，配置寫(xiě)入日志桥狡。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皱卓。
Syntax: limit_req_status code;
Default:
limit_req_status 503;
Context: http, server, location
設(shè)置拒絕請(qǐng)求的返回值裹芝。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)娜汁。并非所有的連接都被計(jì)數(shù)嫂易。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)掐禁。
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;
}
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;
}
一次只允許每個(gè)IP地址一個(gè)連接怜械。
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。例如穆桂，以上配置將限制每個(gè)客戶端IP連接到服務(wù)器的數(shù)量宫盔，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;
在這里享完，客戶端IP地址作為關(guān)鍵灼芭。請(qǐng)注意，不是 $ remote_addr 般又，而是使用 $ binary_remote_addr變量彼绷。$ 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)存茴迁，在64位平臺(tái)上總是占用64字節(jié)寄悯。對(duì)于IPv4地址， $ binary_remote_addr
變量的大小始終為4個(gè)字節(jié)堕义，對(duì)于IPv6地址則為16個(gè)字節(jié)猜旬。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)洒擦。如果區(qū)域存儲(chǔ)耗盡椿争，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)熟嫩，設(shè)置所需的日志記錄級(jí)別秦踪。
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。
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掸茅，并將該規(guī)則作用于根目錄椅邓。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)怎樣呢昧狮？
我們使用單個(gè)IP在10ms內(nèi)發(fā)并發(fā)送了6個(gè)請(qǐng)求景馁，只有1個(gè)成功，剩下的5個(gè)都被拒絕陵且。我們?cè)O(shè)置的速度是2r/s裁僧，為什么只有1個(gè)成功呢，是不是Nginx限制錯(cuò)了慕购？當(dāng)然不是，是因?yàn)镹ginx的限流統(tǒng)計(jì)是基于毫秒的茬底，我們?cè)O(shè)置的速度是2r/s沪悲，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)求阱表。
實(shí)例二 burst緩存處理
我們看到殿如，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)最爬，超出限制的請(qǐng)求直接拒絕涉馁。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)不是勻速的爱致，很可能有請(qǐng)求“突發(fā)”的情況烤送，也就是“一股子一股子”的。Nginx考慮到了這種情況糠悯，可以通過(guò)burst關(guān)鍵字開(kāi)啟對(duì)突發(fā)請(qǐng)求的緩存處理帮坚，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互艾，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)试和。如果單個(gè)IP在10ms內(nèi)發(fā)送6個(gè)請(qǐng)求，結(jié)果會(huì)怎樣呢纫普？
相比實(shí)例一成功數(shù)增加了4個(gè)阅悍，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)列里节视，另外一個(gè)請(qǐng)求被拒絕晦墙。通過(guò)burst參數(shù)，我們使得Nginx限流具備了緩存處理突發(fā)流量的能力肴茄。
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)列里晌畅，慢慢處理。如果不加nodelay參數(shù)寡痰，隊(duì)列里的請(qǐng)求不會(huì)立即處理抗楔，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拦坠。
實(shí)例三 nodelay降低排隊(duì)時(shí)間
實(shí)例二中我們看到连躏，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)贞滨，多余的請(qǐng)求可以先放到隊(duì)列里入热，慢慢處理，這起到了平滑流量的作用晓铆。但是如果隊(duì)列設(shè)置的比較大勺良，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)了骄噪，這對(duì)用戶很不友好尚困。有什么解決辦法呢？nodelay參數(shù)允許請(qǐng)求在排隊(duì)的時(shí)候就立即被處理链蕊，也就是說(shuō)只要請(qǐng)求能夠進(jìn)入burst隊(duì)列事甜，就會(huì)立即被后臺(tái)worker處理，請(qǐng)注意滔韵，這意味著burst設(shè)置了nodelay時(shí)逻谦，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一起使用才有作用陪蜻。
延續(xù)實(shí)例二的配置邦马，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)例二相比囱皿，請(qǐng)求成功率沒(méi)變化勇婴，但是總體耗時(shí)變短了。這怎么解釋呢嘱腥？實(shí)例二中耕渴，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)行處理齿兔，最后一個(gè)請(qǐng)求要排隊(duì)2s才會(huì)被處理橱脸；實(shí)例三中础米，請(qǐng)求放入隊(duì)列跟實(shí)例二是一樣的，但不同的是添诉，隊(duì)列中的請(qǐng)求同時(shí)具有了被處理的資格屁桑，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)間自然變短了栏赴。
但是請(qǐng)注意蘑斧，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)提高吞吐量的上限须眷，長(zhǎng)期吞吐量的上限是由rate決定的竖瘾，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)列元素釋放的速度花颗，就像是限制了令牌桶中令牌產(chǎn)生的速度捕传。
看到這里你可能會(huì)問(wèn)，加入了nodelay參數(shù)之后的限速算法扩劝，到底算是哪一個(gè)“桶”庸论，是漏桶算法還是令牌桶算法？當(dāng)然還算是漏桶算法棒呛∧羰荆考慮一種情況，令牌桶算法的token為耗盡時(shí)會(huì)怎么做呢条霜？由于它有一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列催什，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)列大小宰睡。但此時(shí)緩存這些請(qǐng)求還有意義嗎？如果server已經(jīng)過(guò)載气筋，緩存隊(duì)列越來(lái)越長(zhǎng)拆内，RT越來(lái)越高，即使過(guò)了很久請(qǐng)求被處理了宠默，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)也沒(méi)什么價(jià)值了麸恍。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)求搀矫，這就成了漏桶算法抹沪。
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)：
參考文檔
Nginx限制訪問(wèn)速率和最大并發(fā)連接數(shù)模塊--limit (防止DDOS攻擊)
Nginx 限流
關(guān)于nginx的限速模塊
[ Nginx 源代碼筆記 - HTTP 模塊 - 流控 ](http://ialloc.org/posts/2014/07/26/ngx-notes-
module-http-limit/)
Module ngx_http_limit_conn_module
Module ngx_http_limit_req_module
Nginx限速模塊初探
