Nginx是如何做到流量限制的？

前沿科技网 2021-07-26 1

Nginx是如何做到流量限制的？

导读：本篇文章主要介绍Nginx的流量限制的基础知识和高级配置，提升客户体验和满意度的又一重要举措。2021年年初开始，”流量限制”在Nginx Plus中也适用。

流量限制(rate-limiting)，技术中心与生产业务围绕客户诉求，是Nginx中一个非常实用，联合办公，却经常被错误理解和错误配置的功能。我们可以用来限制用户在给定时间内HTTP请求的数量。请求，不断拓展完善港口线上业务办理服务平台。经过半年交流与探索，可以是一个简单网站首页的GET请求，船代报港线上服务功能于今年6与29日正式上线，也可以是登录表单的POST请求。

流量限制可以用作安全目的，在之海公司与外代公司试用。“生产调度系统的数据库就像一本‘词典’。在与生产业务密切沟通后，比如可以减慢暴力密码破解的速率。通过将传入请求的速率限制为真实用户的典型值，我们将船代报港业务相关信息筛选出来，并标识目标URL地址(通过日志)，实现平台与生产调度系统的联动。”技术中心数据与系统科长赵谞博介绍道。在“客户服务”APP上，还可以用来抵御DDOS攻击。更常见的情况，客户只需要录入船名，该功能被用来保护上游应用服务器不被同时太多用户请求所压垮。

Nginx如何限流

Nginx的”流量限制”使用漏桶算法(leaky bucket algorithm)，系统就能够关联船舶相关信息，该算法在通讯和分组交换计算机网络中广泛使用，用以处理带宽有限时的突发情况。就好比，一个桶口在倒水，桶底在漏水的水桶。如果桶口倒水的速率于桶底的漏水速率，桶里面的水将会溢出；

同样，在请求处理方面，水代表来自客户端的请求，水桶代表根据”先进先出调度算法”(FIFO)等待被处理的请求队列，桶底漏出的水代表离开缓冲区被服务器处理的请求，桶口溢出的水代表被丢弃和不被处理的请求。

配置基本的限流

“流量限制”配置两个主要的指令，limit_req_zone和limit_req，如下所示：

limit_req_zone指令定义了流量限制相关的参数，而limit_req指令在出现的上下文中启用流量限制(示例中，对于”/login/”的所有请求)。limit_req_zone指令通常在HTTP块中定义，使其可在多个上下文中使用，它需要以下三个参数：

Key - 定义应用限制的请求特性。示例中的Nginx变量remote_addr，占用更少的空间)

Zone - 定义用于存储每个IP地址状态以及被限制请求URL访问频率的共享内存区域。保存在内存共享区域的信息，意味着可以在Nginx的worker进程之间共享。定义分为两个分：通过zone=keyword标识区域的名字，以及冒号后面跟区域小。16000个IP地址的状态信息，约需要1MB，所以示例中区域可以存储160000个IP地址。

Rate - 定义最请求速率。在示例中，速率不能超过每秒10个请求。Nginx实际上以毫秒的粒度来请求，所以速率限制相当于每100毫秒1个请求。因为不允许”突发情况”(见下一章节)，这意味着在前一个请求100毫秒内到达的请求将被拒绝。

当Nginx需要添加新条目时存储空间不足，将会删除旧条目。如果释放的空间仍不够容纳新记录，Nginx将会返回 503状态码(Service Temporarily Unavailable)。另外，为了防止内存被耗尽，Nginx每次创建新条目时，最多删除两条60秒内未使用的条目。

limit_req_zone指令设置流量限制和共享内存区域的参数，但实际上并不限制请求速率。所以需要通过添加limit_req指令，将流量限制应用在特定的location或者server块。在上面示例中，我们对/login/请求进行流量限制。

现在每个IP地址被限制为每秒只能请求10次/login/，更准确地说，在前一个请求的100毫秒内不能请求该URL。

处理突发

如果我们在100毫秒内接收到2个请求，怎么办？对于第二个请求，Nginx将给客户端返回状态码503。这可能并不是我们想要的结果，因为应用本质上趋向于突发性。相反地，我们希望缓冲任何超额的请求，然后及时地处理它们。我们更新下配置，在limit_req中使用burst参数：

burst参数定义了超出zone指定速率的情况下(示例中的mylimit区域，速率限制在每秒10个请求，或每100毫秒一个请求)，客户端还能发起多少请求。上一个请求100毫秒内到达的请求将会被放入队列，我们将队列小设置为20。

这意味着，如果从一个给定IP地址发送21个请求，Nginx会立即将第一个请求发送到上游服务器群，然后将余下20个请求放在队列中。然后每100毫秒转发一个排队的请求，只有当传入请求使队列中排队的请求数超过20时，Nginx才会向客户端返回503。

无延迟的排队

配置burst参数将会使通讯更流畅，但是可能会不太实用，因为该配置会使站点看起来很慢。在上面的示例中，队列中的第20个包需要等待2秒才能被转发，此时返回给客户端的响应可能不再有用。要解决这个情况，可以在burst参数后添加nodelay参数：

使用nodelay参数，Nginx仍将根据burst参数分配队列中的位置，并应用已配置的速率限制，而不是清理队列中等待转发的请求。相反地，当一个请求到达“太早”时，只要在队列中能分配位置，Nginx将立即转发这个请求。将队列中的该位置标记为”taken”(占据)，并且不会被释放以供另一个请求使用，直到一段时间后才会被释放(在这个示例中是，100毫秒后)。

假设如前所述，队列中有20个空位，从给定的IP地址发出的21个请求同时到达。Nginx会立即转发这个21个请求，并且标记队列中占据的20个位置，然后每100毫秒释放一个位置。如果是25个请求同时到达，Nginx将会立即转发其中的21个请求，标记队列中占据的20个位置，并且返回503状态码来拒绝剩下的4个请求。

现在假设，第一组请求被转发后101毫秒，另20个请求同时到达。队列中只会有一个位置被释放，所以Nginx转发一个请求并返回503状态码来拒绝其他19个请求。如果在20个新请求到达之前已经过去了501毫秒，5个位置被释放，所以Nginx立即转发5个请求并拒绝另外15个。

效果相当于每秒10个请求的“流量限制”。如果希望不限制两个请求间允许间隔的情况下实施“流量限制”，nodelay参数是很实用的。

注意：对于分署，我们建议使用burst和nodelay参数来配置limit_req指令。

高级配置示例

通过将基本的“流量限制”与其他Nginx功能配合使用，我们可以实现更细粒度的流量限制。

- 白名单

下面这个例子将展示，如何对任何不在白名单内的请求强制执行“流量限制”：

这个例子同时使用了geo和map指令。geo块将给在白名单中的IP地址对应的$limit变量分配一个值0，给其它不在白名单中的分配一个值1。然后我们使用一个映射将这些值转为key，如下：

如果变量的值是，limit_key变量将被赋值为空字符串

如果变量的值是，limit_key变量将被赋值为客户端二进制形式的IP地址两个指令配合使用，白名单内IP地址的$limit_key变量被赋值为空字符串，不在白名单内的被赋值为客户端的IP地址。当limit_req_zone后的第一个参数是空字符串时，不会应用“流量限制”，所以白名单内的IP地址(10.0.0.0/8和192.168.0.0/24 网段内)不会被限制。其它所有IP地址都会被限制到每秒5个请求。

limit_req指令将限制应用到/的location块，允许在配置的限制上最多超过10个数据包的突发，并且不会延迟转发。

- location包含多limit_req指令

我们可以在一个location块中配置多个limit_req指令。符合给定请求的所有限制都被应用时，意味着将采用最严格的那个限制。例如，多个指令都制定了延迟，将采用最长的那个延迟。同样，请求受分指令影响被拒绝，即使其他指令允许通过也无济于事。

扩展前面将“流量限制”应用到白名单内IP地址的例子：

白名单内的IP地址不会匹配到第一个“流量限制”，而是会匹配到第二个req_zone_wl，并且被限制到每秒15个请求。不在白名单内的IP地址两个限制能匹配到，所以应用限制更强的那个：每秒5个请求。

- 配置相关功能

日志记录默认情况下，Nginx会在日志中记录由于流量限制而延迟或丢弃的请求，如下所示：

日志条目中包含的字段：

limiting requests - 表明日志条目记录的是被“流量限制”请求

excess - 每毫秒超过对应“流量限制”配置的请求数量

zone - 定义实施“流量限制”的区域

client - 发起请求的客户端IP地址