死磕nginx系列--nginx 限流配置

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，令牌桶算法不一樣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，隊列纔是用來存放請求的。

從做用上來講，漏桶和令牌桶算法最明顯的區別就是是否容許突發流量(burst)的處理，漏桶算法可以強行限制數據的實時傳輸（處理）速率，對突發流量不作額外處理；而令牌桶算法可以在限制數據的平均傳輸速率的同時容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，即可以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的鏈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 用來限制同一時間鏈接數，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 表示經過remote_addr這個標識來作限制，「binary_」的目的是縮寫內存佔用量，是限制同一客戶端ip地址。
• 第二個參數：zone=one:10m表示生成一個大小爲10M，名字爲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表示容許相同標識的客戶端的訪問頻次，這裏限制的是每秒1次，還能夠有好比30r/m的。

limit_req zone=one burst=5 nodelay;

• 第一個參數：zone=one 設置使用哪一個配置區域來作限制，與上面limit_req_zone 裏的name對應。
• 第二個參數：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置一個大小爲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能夠先放到這個緩衝區內。
• 第三個參數：nodelay，若是設置，超過訪問頻次並且緩衝區也滿了的時候就會直接返回503，若是沒有設置，則全部請求會等待排隊。

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;
        }
}

下面配置能夠限制特定UA（好比搜索引擎）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;
}

其餘參數

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

當服務器因爲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。並不是全部的鏈接都被計數。只有在服務器處理了請求而且已經讀取了整個請求頭時，鏈接才被計數。

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;
    }

一次只容許每一個IP地址一個鏈接。

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;
}

能夠配置多個limit_conn指令。例如，以上配置將限制每一個客戶端IP鏈接到服務器的數量，同時限制鏈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，客戶端IP地址做爲關鍵。請注意，不是$ remote_addr，而是使用$ binary_remote_addr變量。 $ remote_addr變量的大小能夠從7到15個字節不等。存儲的狀態在32位平臺上佔用32或64字節的內存，在64位平臺上老是佔用64字節。對於IPv4地址，$ binary_remote_addr變量的大小始終爲4個字節，對於IPv6地址則爲16個字節。存儲狀態在32位平臺上始終佔用32或64個字節，在64位平臺上佔用64個字節。一個兆字節的區域能夠保持大約32000個32字節的狀態或大約16000個64字節的狀態。若是區域存儲耗盡，服務器會將錯誤返回給全部其餘請求。

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

當服務器限制鏈接數時，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。

實戰

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;
    }
}

上述規則限制了每一個IP訪問的速度爲2r/s，並將該規則做用於根目錄。若是單個IP在很是短的時間內併發發送多個請求，結果會怎樣呢？

咱們使用單個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。咱們設置的速度是2r/s，爲何只有1個成功呢，是否是Nginx限制錯了？固然不是，是由於Nginx的限流統計是基於毫秒的，咱們設置的速度是2r/s，轉換一下就是500ms內單個IP只容許經過1個請求，從501ms開始才容許經過第二個請求。

實例二 burst緩存處理

咱們看到，咱們短期內發送了大量請求，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，極可能有請求「突發」的狀況，也就是「一股子一股子」的。Nginx考慮到了這種狀況，能夠經過burst關鍵字開啓對突發請求的緩存處理，而不是直接拒絕。
來看咱們的配置：

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

咱們加入了burst=4，意思是每一個key(此處是每一個IP)最多容許4個突發請求的到來。若是單個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長了4個，這個咱們設置的burst數目是一致的。具體處理流程是：1個請求被當即處理，4個請求被放到burst隊列裏，另一個請求被拒絕。經過burst參數，咱們使得Nginx限流具有了緩存處理突發流量的能力。

可是請注意：burst的做用是讓多餘的請求能夠先放到隊列裏，慢慢處理。若是不加nodelay參數，隊列裏的請求不會當即處理，而是按照rate設置的速度，以毫秒級精確的速度慢慢處理。

實例三 nodelay下降排隊時間

實例二中咱們看到，經過設置burst參數，咱們能夠容許Nginx緩存處理必定程度的突發，多餘的請求能夠先放到隊列裏，慢慢處理，這起到了平滑流量的做用。可是若是隊列設置的比較大，請求排隊的時間就會比較長，用戶角度看來就是RT變長了，這對用戶很不友好。有什麼解決辦法呢？nodelay參數容許請求在排隊的時候就當即被處理，也就是說只要請求可以進入burst隊列，就會當即被後臺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一塊兒使用纔有做用。

延續實例二的配置，咱們加入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，結果以下：

跟實例二相比，請求成功率沒變化，可是整體耗時變短了。這怎麼解釋呢？實例二中，有4個請求被放到burst隊列當中，工做進程每隔500ms(rate=2r/s)取一個請求進行處理，最後一個請求要排隊2s纔會被處理；實例三中，請求放入隊列跟實例二是同樣的，但不一樣的是，隊列中的請求同時具備了被處理的資格，因此實例三中的5個請求能夠說是同時開始被處理的，花費時間天然變短了。

可是請注意，雖然設置burst和nodelay可以下降突發請求的處理時間，可是長期來看並不會提升吞吐量的上限，長期吞吐量的上限是由rate決定的，由於nodelay只能保證burst的請求被當即處理，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參數以後的限速算法，到底算是哪個「桶」，是漏桶算法仍是令牌桶算法？固然還算是漏桶算法。考慮一種狀況，令牌桶算法的token爲耗盡時會怎麼作呢？因爲它有一個請求隊列，因此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？若是server已通過載，緩存隊列愈來愈長，RT愈來愈高，即便過了好久請求被處理了，對用戶來講也沒什麼價值了。因此當token不夠用時，最明智的作法就是直接拒絕用戶的請求，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;
    }
}

默認狀況下 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限制訪問速率和最大併發鏈接數模塊--limit (防止DDOS攻擊)
Nginx 限流
關於nginx的限速模塊
Nginx 源代碼筆記 - HTTP 模塊 - 流控
Module ngx_http_limit_conn_module
Module ngx_http_limit_req_module
Nginx限速模塊初探