理论 + 实践，教你如何使用使用 Nginx 实现限流
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
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。
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
下面配置可以限制特定 UA（比如搜索引擎）的访问：
其他参数
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。
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。
一次只允许每个 IP 地址一个连接。
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。
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。
当服务器限制连接数时，设置所需的日志记录级别。
设置拒绝请求的返回值。
Nginx 限流实战
限制访问速率
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：
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：
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
默认情况下 没有配置 status 返回值的状态：
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【华为云开发者联盟】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/e3c5e56d9a50c2c07753e8cc6】。文章转载请联系作者。
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