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理论+实践,教你如何使用Nginx实现限流

2023-02-06  知乎  华为云
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本文分享自华为云社区《【高并发】使用Nginx实现限流》,作者:冰 河。

Nginx作为一款高性能的Web代理和负载均衡服务器,往往会部署在一些互联网应用比较前置的位置。此时,我们就可以在Nginx上进行设置,对访问的IP地址和并发数进行相应的限制。

Nginx官方的限流模块

Nginx官方版本限制IP的连接和并发分别有两个模块:

limit_req_zone 用来限制单位时间内的请求数,即速率限制,采用的漏桶算法 “leaky bucket”。 limit_req_conn 用来限制同一时间连接数,即并发限制。 limit_req_zone 参数配置 limit_req_zone参数说明 Syntax: limit_req zone=name [burst=number] [nodelay]; Default: — Context: http, server, location limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s; 第一个参数:$binary_remote_addr 表示通过remote_addr这个标识来做限制,“binary_”的目的是缩写内存占用量,是限制同一客户端ip地址。 第二个参数:zone=one:10m表示生成一个大小为10M,名字为one的内存区域,用来存储访问的频次信息。 第三个参数:rate=1r/s表示允许相同标识的客户端的访问频次,这里限制的是每秒1次,还可以有比如30r/m的。 limit_req zone=one burst=5 nodelay; 第一个参数:zone=one 设置使用哪个配置区域来做限制,与上面limit_req_zone 里的name对应。 第二个参数:burst=5,重点说明一下这个配置,burst爆发的意思,这个配置的意思是设置一个大小为5的缓冲区当有大量请求(爆发)过来时,超过了访问频次限制的请求可以先放到这个缓冲区内。 第三个参数:nodelay,如果设置,超过访问频次而且缓冲区也满了的时候就会直接返回503,如果没有设置,则所有请求会等待排队。 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(比如搜索引擎)的访问:

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; }

其他参数

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

当服务器由于limit被限速或缓存时,配置写入日志。延迟的记录比拒绝的记录低一个级别。例子:limit_req_log_level notice延迟的的基本是info。

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

设置拒绝请求的返回值。值只能设置 400 到 599 之间。

ngx_http_limit_conn_module 参数配置 ngx_http_limit_conn_module 参数说明

这个模块用来限制单个IP的请求数。并非所有的连接都被计数。只有在服务器处理了请求并且已经读取了整个请求头时,连接才被计数。

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; }

一次只允许每个IP地址一个连接。

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; }

可以配置多个limit_conn指令。例如,以上配置将限制每个客户端IP连接到服务器的数量,同时限制连接到虚拟服务器的总数。

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

在这里,客户端IP地址作为关键。请注意,不是$ remote_addr,而是使用$ binary_remote_addr变量。 $ remote_addr变量的大小可以从7到15个字节不等。存储的状态在32位平台上占用32或64字节的内存,在64位平台上总是占用64字节。对于IPv4地址,$ binary_remote_addr变量的大小始终为4个字节,对于IPv6地址则为16个字节。存储状态在32位平台上始终占用32或64个字节,在64位平台上占用64个字节。一个兆字节的区域可以保持大约32000个32字节的状态或大约16000个64字节的状态。如果区域存储耗尽,服务器会将错误返回给所有其他请求。

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

当服务器限制连接数时,设置所需的日志记录级别。

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

设置拒绝请求的返回值。

Nginx限流实战 限制访问速率 limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s; server { location / { limit_req zone=mylimit; } }

上述规则限制了每个IP访问的速度为2r/s,并将该规则作用于根目录。如果单个IP在非常短的时间内并发发送多个请求,结果会怎样呢?

我们使用单个IP在10ms内发并发送了6个请求,只有1个成功,剩下的5个都被拒绝。我们设置的速度是2r/s,为什么只有1个成功呢,是不是Nginx限制错了?当然不是,是因为Nginx的限流统计是基于毫秒的,我们设置的速度是2r/s,转换一下就是500ms内单个IP只允许通过1个请求,从501ms开始才允许通过第二个请求。

burst缓存处理

我们看到,我们短时间内发送了大量请求,Nginx按照毫秒级精度统计,超出限制的请求直接拒绝。这在实际场景中未免过于苛刻,真实网络环境中请求到来不是匀速的,很可能有请求“突发”的情况,也就是“一股子一股子”的。Nginx考虑到了这种情况,可以通过burst关键字开启对突发请求的缓存处理,而不是直接拒绝。

来看我们的配置:

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

我们加入了burst=4,意思是每个key(此处是每个IP)最多允许4个突发请求的到来。如果单个IP在10ms内发送6个请求,结果会怎样呢?

相比实例一成功数增加了4个,这个我们设置的burst数目是一致的。具体处理流程是:1个请求被立即处理,4个请求被放到burst队列里,另外一个请求被拒绝。通过burst参数,我们使得Nginx限流具备了缓存处理突发流量的能力。

但是请注意:burst的作用是让多余的请求可以先放到队列里,慢慢处理。如果不加nodelay参数,队列里的请求不会立即处理,而是按照rate设置的速度,以毫秒级精确的速度慢慢处理。

nodelay降低排队时间

在使用burst缓存处理中,我们看到,通过设置burst参数,我们可以允许Nginx缓存处理一定程度的突发,多余的请求可以先放到队列里,慢慢处理,这起到了平滑流量的作用。但是如果队列设置的比较大,请求排队的时间就会比较长,用户角度看来就是RT变长了,这对用户很不友好。有什么解决办法呢?nodelay参数允许请求在排队的时候就立即被处理,也就是说只要请求能够进入burst队列,就会立即被后台worker处理,请注意,这意味着burst设置了nodelay时,系统瞬间的QPS可能会超过rate设置的阈值。nodelay参数要跟burst一起使用才有作用。

延续burst缓存处理的配置,我们加入nodelay选项:

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

单个IP 10ms内并发发送6个请求,结果如下:

跟burst缓存处理相比,请求成功率没变化,但是总体耗时变短了。这怎么解释呢?在burst缓存处理中,有4个请求被放到burst队列当中,工作进程每隔500ms(rate=2r/s)取一个请求进行处理,最后一个请求要排队2s才会被处理;这里,请求放入队列跟burst缓存处理是一样的,但不同的是,队列中的请求同时具有了被处理的资格,所以这里的5个请求可以说是同时开始被处理的,花费时间自然变短了。

但是请注意,虽然设置burst和nodelay能够降低突发请求的处理时间,但是长期来看并不会提高吞吐量的上限,长期吞吐量的上限是由rate决定的,因为nodelay只能保证burst的请求被立即处理,但Nginx会限制队列元素释放的速度,就像是限制了令牌桶中令牌产生的速度。

看到这里你可能会问,加入了nodelay参数之后的限速算法,到底算是哪一个“桶”,是漏桶算法还是令牌桶算法?当然还算是漏桶算法。考虑一种情况,令牌桶算法的token为耗尽时会怎么做呢?由于它有一个请求队列,所以会把接下来的请求缓存下来,缓存多少受限于队列大小。但此时缓存这些请求还有意义吗?如果server已经过载,缓存队列越来越长,RT越来越高,即使过了很久请求被处理了,对用户来说也没什么价值了。所以当token不够用时,最明智的做法就是直接拒绝用户的请求,这就成了漏桶算法。

自定义返回值 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; } }

默认情况下 没有配置 status 返回值的状态:

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