SpringCloud微服务网关做边缘服务限流方案-轻识

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在高并发的系统中，往往需要在系统中做限流，一方面是为了防止大量的请求使服务器过载，导致服务不可用，另一方面是为了防止网络攻击。

常见的限流方式，比如Hystrix适用线程池隔离，超过线程池的负载，走熔断的逻辑。在一般应用服务器中，比如tomcat容器也是通过限制它的线程数来控制并发的；也有通过时间窗口的平均速度来控制流量。常见的限流纬度有比如通过Ip来限流、通过uri来限流、通过用户访问频次来限流。

一般限流都是在网关这一层做，比如Nginx、Openresty、kong、zuul、Spring Cloud Gateway等；也可以在应用层通过Aop这种方式去做限流。这里主要讲讲常用的限流方式。
一、常见的限流算法
目前常用的限流算法有两个：漏桶算法和令牌桶算法。
1·计数器算法
计数器算法采用计数器实现限流有点简单粗暴，一般我们会限制一秒钟的能够通过的请求数，比如限流qps为100，算法的实现思路就是从第一个请求进来开始计时，在接下去的1s内，每来一个请求，就把计数加1，如果累加的数字达到了100，那么后续的请求就会被全部拒绝。等到1s结束后，把计数恢复成0，重新开始计数。具体的实现可以是这样的：对于每次服务调用，可以通过AtomicLong#incrementAndGet()方法来给计数器加1并返回最新值，通过这个最新值和阈值进行比较。这种实现方式，相信大家都知道有一个弊端：如果我在单位时间1s内的前10ms，已经通过了100个请求，那后面的990ms，只能眼巴巴的把请求拒绝，我们把这种现象称为“突刺现象”
2.漏桶算法
漏桶算法的原理比较简单，请求进入到漏桶中，漏桶以一定的速率漏水。当请求过多时，水直接溢出。可以看出，漏桶算法可以强制限制数据的传输速度。但高并发情况下最容易出现瓶颈。

3.令牌桶算法
令牌桶算法的原理是系统以一定速率向桶中放入令牌，如果有请求时，请求会从桶中取出令牌，如果能取到令牌，则可以继续完成请求，否则等待或者拒绝服务。这种算法可以应对突发程序的请求，因此比漏桶算法好。

在Wikipedia上，令牌桶算法是这么描述的：

·每秒会有r个令牌放入桶中，或者说，每过1/r 秒桶中增加一个令牌
·桶中最多存放b个令牌，如果桶满了，新放入的令牌会被丢弃
·当一个n字节的数据包到达时，消耗n个令牌，然后发送该数据包
·如果桶中可用令牌小于n，则该数据包将被缓存或丢弃
Spring Cloud Gateway限流
在Spring Cloud Gateway中，有Filter过滤器，因此可以在“pre”类型的Filter中自行实现上述三种过滤器。但是限流作为网关最基本的功能，Spring Cloud Gateway官方就提供了RequestRateLimiterGatewayFilterFactory这个类，适用Redis和lua脚本实现了令牌桶的方式。具体实现逻辑在RequestRateLimiterGatewayFilterFactory类中，lua脚本在如下图所示的文件夹中：

读者可以自行查看，先以案例的形式来讲解如何在Spring Cloud Gateway中使用内置的限流过滤器工厂来实现限流。

首先在工程的pom文件中引入gateway的起步依赖和redis的reactive依赖，代码如下：

 
    org.springframework.cloud
    spring-cloud-starter-gateway



    org.springframework.boot
    spring-boot-starter-data-redis-reactive

在配置文件中做以下的配置：


server:
  port: 8088
spring:
  cloud:
    gateway:
      routes:
      - id: limit_route
        uri: http://httpbin.org.com:80/get
        predicates:
        - After=2017-01-20T17:42:47.789-07:00[America/Denver]
        filters:
        - name: RequestRateLimiter
          args:
            key-resolver: '#{@hostAddrKeyResolver}'
            redis-rate-limiter.replenishRate: 1
            redis-rate-limiter.burstCapacity: 3
  application:
    name: gateway-limiter
  redis:
    host: localhost
    port: 6379
    database: 0

在上面的配置文件，指定程序的端口为8088，配置了 redis的信息，并配置了RequestRateLimiter的限流过滤器，该过滤器需要配置三个参数：

burstCapacity，令牌桶总容量。
replenishRate，令牌桶每秒填充平均速率。
key-resolver，用于限流的键的解析器的 Bean 对象的名字。它使用 SpEL 表达式根据#{@beanName}从 Spring 容器中获取 Bean 对象。
KeyResolver需要实现resolve方法，比如根据Hostname进行限流，则需要用hostAddress去判断。实现完KeyResolver之后，需要将这个类的Bean注册到Ioc容器中。

public class HostAddrKeyResolver implements KeyResolver {

@Override
public Mono resolve(ServerWebExchange exchange) {
    return Mono.just(exchange.getRequest().getRemoteAddress().getAddress().getHostAddress());
}

}

@Bean
public HostAddrKeyResolver hostAddrKeyResolver() {
return new HostAddrKeyResolver();
}

可以根据uri去限流，这时KeyResolver代码如下：

public class UriKeyResolver implements KeyResolver {

@Override
public Mono resolve(ServerWebExchange exchange) {
    return Mono.just(exchange.getRequest().getURI().getPath());
}

}

@Bean
public UriKeyResolver uriKeyResolver() {
return new UriKeyResolver();
}

也可以以用户的维度去限流：

@Bean
KeyResolver userKeyResolver() {
return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getQueryParams().getFirst(“user”));
}

用jmeter进行压测，配置10thread去循环请求lcoalhost:8088，循环间隔1s。从压测的结果上看到有部分请求通过，由部分请求失败。通过redis客户端去查看redis中存在的key。

可见，RequestRateLimiter是使用Redis来进行限流的，并在redis中存储了2个key。关注这两个key含义可以看lua源代码。
使用Guava的RateLimiter做限流
Guava中开源出来一个令牌桶算法的工具类RateLimiter，可以轻松实现限流的工作。RateLimiter对简单的令牌桶算法做了一些工程上的优化，具体的实现是SmoothBursty。需要注意的是，RateLimiter的另一个实现SmoothWarmingUp，就不是令牌桶了，而是漏桶算法。也许是出于简单起见，RateLimiter中的时间窗口能且仅能为1S，如果想搞其他时间单位的限流，只能另外造轮子。

RateLimiter有一个有趣的特性是[前人挖坑后人跳]，也就是说RateLimiter允许某次请求拿走了超出剩余令牌数的令牌，但是下一次请求将为此付出代价，一直等到令牌亏空补上，并且桶中有足够本次请求使用的令牌为止。这里面就涉及到一个权衡，是让前一次请求干等到令牌够用才走掉呢，还是让它走掉后面的请求等一等呢？Guava的设计者选择的是后者，先把眼前的活干了，后面的事后面再说。

测试代码：

public class RateLimiterMain {
    public static void main(String[] args) {
        RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2);
        System.out.println(rateLimiter.acquire(5));
        System.out.println(rateLimiter.acquire(2));
        System.out.println(rateLimiter.acquire(1));
    }
}

输出内容：

0.0
2.496889
0.992149
可以看出，令牌桶每秒只能产生2个令牌，我们可以第一次取出5个，但是第二次再去取令牌的时候，需要等2.5s，也就是第一次令牌取完后，需要等2.5s才能取到令牌。同样的，第三次取1个令牌的时候，也需要等待第二次的1s的时间。也就是，取的速率可以超过令牌产生的速率，但是下一次再次去取的时候，需要阻塞等待。

当然也可以使用tryAcquire来非阻塞的获取，可以实时返回结果。另外tryAcquire也可以传入参数，也就是等待的时间，超时直接返回false。这点等同于常见的lock，tryLock。
并发控制Semapphore
一般来说，在网关系统中，还有一个参数叫并发控制，就是某一个资源可以被同时访问的个数。这种情况下，我们可以使用Semaphore来控制。

Semaphore不同于互斥锁。互斥锁是某个资源只能支持同时一个访问，而Semaphore可以支持多个访问，但是加上了总数的控制。

示例
4.1 在pom中加入guava依赖


 com.google.guava
 guava
 18.0

把限流服务封装到一个类中LimitService，提供tryAcquire()方法，用来尝试获取令牌，返回true表示获取到，如下所示：

@Service
public class LimitService {

    //每秒只发出5个令牌
    RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(5.0);

    /**
     * 尝试获取令牌
     * @return
     */
    public boolean tryAcquire(){
        return rateLimiter.tryAcquire();
    }
}

调用方是个普通的controller，每次收到请求的时候都尝试去获取令牌，获取成功和失败打印不同的信息，如下：

@Controller
public class HelloController {

    private static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    @Autowired
    private LimitService limitService;

    @RequestMapping("/access")
    @ResponseBody
    public String access(){
        //尝试获取令牌
        if(limitService.tryAcquire()){
            //模拟业务执行500毫秒
            try {
                Thread.sleep(500);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            return "aceess success [" + sdf.format(new Date()) + "]";
        }else{
            return "aceess limit [" + sdf.format(new Date()) + "]";
        }
    }
}

本文链接：

https://blog.csdn.net/weixin_39654286/article/details/109688116

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