nginx限流配置

本文转载自 YolkPie的博客

限流（Rate Limitting）是服务降级的一种方式，通过限制系统的输入和输出流量以达到保护系统的目的。比如我们的网站暴露在公网环境中，除了用户的正常访问，网络爬虫、恶意攻击或者大促等突发流量都可能都会对系统造成压力，如果这种压力超出了服务器的处理能力，会造成响应过慢甚至系统崩溃的问题。因此，当并发请求数过大时，我们通过限制一部分请求（比如限制同一IP的频繁请求）来保证服务器可以正确响应另一部分的请求。
nginx 提供了两种限流方式，一种是限制请求速率，一种是限制连接数量。

限制请求速率

nginx 的 ngx_http_limit_req_module 模块提供限制请求处理速率的能力，使用了漏桶算法（leaky bucket algorithm）。我们可以想像有一只上面进水、下面匀速出水的桶，如果桶里面有水，那刚进去的水就要存在桶里等下面的水流完之后才会流出，如果进水的速度大于水流出的速度，桶里的水就会满，这时水就不会进到桶里，而是直接从桶的上面溢出。对应到处理网络请求，水代表从客户端来的请求，而桶代表一个队列，请求在该队列中依据先进先出（FIFO）算法等待被处理。漏的水代表请求离开缓冲区并被服务器处理，溢出代表了请求被丢弃并且永不被服务。

正常限流

nginx 中有两个主要的指令可以用来配置限流：limit_req_zone 和 limit_req。下面是一个最简单的限流的例子：

Nginx

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limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s; server { location ~* \.(html)$ { limit_req zone=mylimit; } }

limit_req_zone 用于设置限流和共享内存区域的参数，格式为：limit_req_zone key zone rate。

• key：定义限流对象，$binary_remote_addr 是 nginx 中的变量，表示基于 remote_addr(客户端IP) 来做限流，binary_ 是二进制存储。使用 $binary_remote_addr 而不是 $remote_addr 是因为二进制存储可以压缩内存占用量。 $remote_addr 变量的大小从7到15个字节不等，而 $binary_remote_addr变量的大小对于 IPv4 始终为4个字节，对于 IPv6 地址则为16个字节。
• zone：定义共享内存区来存储访问信息，访问信息包括每个 IP 地址状态和访问受限请求 URL 的频率等。zone 的定义又分为两个部分：由 zone= 关键字标识的区域名称，以及冒号后面的区域大小。myLimit:10m 表示一个大小为10M，名字为 myLimit 的内存区域。1M 能存储16000个 IP 地址的访问信息，myLimit 大概可以存储约160000个地址。nginx 创建新记录的时候，会移除前60秒内没有被使用的记录，如果释放的空间还是存储不了新的记录，会返回503的状态码。
• rate：设置最大的访问速率。rate=2r/s（为了好模拟，rate 设置的值比较小），表示每秒最多处理 2 个请求。事实上 nginx 是以毫秒为粒度追踪请求的，rate=2r/s 实际上是每500毫秒1个请求，也就是说，上一个请求完成后，如果500毫秒内还有请求到达，这些请求会被拒绝（默认返回503，如果想修改返回值，可以设置limit_req_status）。

limit_req_zone 只是设置限流参数，如果要生效的话，必须和 limit_req 配合使用。limit_req 的格式为：limit_req zone=name [burst=number] [nodelay]。
上面的例子只简单指定了 zone=mylimit，表示使用 mylimit 这个区域的配置，在请求 html 文件时进行限流。我们可以理解为这个桶目前没有任何储存水滴的能力，到达的所有不能立即漏出的请求都会被拒绝。如果我1秒内发送了10次请求，其中前500毫秒1次，后500毫秒9次，那么只有前500毫秒的请求和后500毫秒的第一次请求会响应，其余请求都会被拒绝。

处理突发流量

上面的配置保证了 nginx 以固定的速度提供服务（2r/s），但是这种情况不适用于有突发流量的情况，我们希望可以尽可能的缓存请求并处理它们，此时需要在 limit_req 上增加 burst 参数：

Nginx

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limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s; server { location ~* \.(html)$ { limit_req zone=mylimit burst=5; } }

burst 表示在超过设定的访问速率后能额外处理的请求数。当 rate=2r/s 时，表示每500ms 可以处理一个请求。burst=5时，如果同时有10个请求到达，nginx 会处理第1个请求，剩余9个请求中，会有5个被放入队列，剩余的4个请求会直接被拒绝。然后每隔500ms从队列中获取一个请求进行处理，此时如果后面继续有请求进来，如果队列中的请求数目超过了5，会被拒绝，不足5的时候会添加到队列中进行等待。我们可以理解为现在的桶可以存5滴水：

配置 burst 之后，虽然同时到达的请求不会全部被拒绝，但是仍需要等待500ms 一次的处理时间，放入桶中的第5个请求需要等待500ms * 4的时间才能被处理，更长的等待时间意味着用户的流失，在许多场景下，这个等待时间是不可接受的。此时我们需要增加 nodelay 参数，和 burst 配合使用。

Nginx

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limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s; server { location ~* \.(html)$ { limit_req zone=mylimit burst=5 nodelay; } }

nodelay 表示不延迟。设置 nodelay 后，第一个到达的请求和队列中的请求会立即进行处理，不会出现等待的请求。

需要注意的是，虽然队列中的5个请求立即被处理了，但是队列中的位置依旧是按照500ms 的速度依次被释放的。后面的4个请求依旧是被拒绝的，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设置的 rate 决定的。

设置白名单

如果遇到不需要限流的情况，比如测试要压测，可以通过配置白名单，取消限流的设置。白名单要用到 nginx 的 ngx_http_geo_module 和 ngx_http_map_module 模块。

Nginx

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geo $limit { default 1; 10.0.0.0/8 0; 192.168.0.0/24 0; } map $limit $limit_key { 0 ""; 1 $binary_remote_addr; } limit_req_zone $limit_key zone=mylimit:10m rate=2r/s;

geo 指令可以根据 IP 创建变量 $limit。$limit 的默认值是1，如果匹配到了下面的 IP，则返回对应的值（这里返回的是0）。之后通过 map 指令，将 $limit 的值映射为 $limit_key：在白名单内的，$limit_key 为空字符串，不在白名单内的，则为 $binary_remote_addr。当limit_req_zone指令的第一个参数是一个空字符串，限制不起作用，因此白名单的 IP 地址（在10.0.0.0/8和192.168.0.0/24子网中）没有被限制，其它 IP 地址都被限制为 2r/s。

limit_req 重复

如果同一个 location 下配置了多条 limit_req 的指令，这些指令所定义的限制都会被使用。

Nginx

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geo $limit { default 1; 10.0.0.0/8 0; 192.168.0.0/24 0; } map $limit $limit_key { 0 ""; 1 $binary_remote_addr; } limit_req_zone $limit_key zone=mylimit:10m rate=2r/s; limit_req_zone $binary_remote_addr zone=myLimit2:10m rate=10r/s; server { location ~* \.(html)$ { limit_req zone=mylimit burst=5 nodelay; limit_req zone=myLimit2 burst=5 nodelay; } }

上面的例子配置了两条规则，myLimit 和 myLimit2。白名单用户虽然没有匹配到mylimit的规则，但是根据规则 mylimit2，被限制为10r/s。对于不在白名单的用户，则需要同时匹配mylimit 和 mylimit2，两者中最严格的条件 2r/s 会起作用。

限制连接数

nginx 的 ngx_http_limit_conn_module 模块提供限制连接数的能力，包含两个指令limit_conn_zone 和 limit_conn，格式为limit_conn_zone key zone。

Nginx 

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limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m; limit_conn_zone $server_name zone=perserver:10m; server { location ~* \.(html)$ { limit_conn perip 10; limit_conn perserver 100; } }

limit_conn perip 10：key 是 $binary_remote_addr，表示限制单个IP同时最多能持有10个连接。
limit_conn perserver 100： key 是 $server_name，表示虚拟主机(server) 同时能处理并发连接的总数为100。
需要注意的是：只有当 request header 被后端server处理后，这个连接才进行计数。