基于Redis的限流系统的设计

本文讲述基于Redis的限流系统的设计，主要会谈及限流系统中限流策略这个功能的设计；在实现方面，算法使用的是令牌桶算法来，访问Redis使用lua脚本。

In computer networks, rate limiting is used to control the rate of traffic sent or received by a network interface controller and is used to prevent DoS attacks

用我的理解翻译一下：限流是对系统的出入流量进行控制，防止大流量出入，导致资源不足，系统不稳定。

限流系统是对资源访问的控制组件，控制主要的两个功能：限流策略和熔断策略，对于熔断策略，不同的系统有不同的熔断策略诉求，有的系统希望直接拒绝、有的系统希望排队等待、有的系统希望服务降级、有的系统会定制自己的熔断策略，很难一一列举，所以本文只针对限流策略这个功能做详细的设计。

针对限流策略这个功能，限流系统中有两个基础概念：资源和策略。

• 资源 ：或者叫稀缺资源，被流量控制的对象；比如写接口、外部商户接口、大流量下的读接口

• 策略 ：限流策略由限流算法和可调节的参数两部分组成

熔断策略：超出速率阈值的请求的处理策略，是我自己理解的一个叫法，不是业界主流的说法。

2、限流算法

• 限制瞬时并发数

• 限制时间窗最大请求数

2.1、限制瞬时并发数

定义：瞬时并发数，系统同时处理的请求/事务数量

优点：这个算法能够实现控制并发数的效果

缺点：使用场景比较单一，一般用来对入流量进行控制

java伪代码实现：

AtomicInteger atomic = new AtomicInteger(1)
try {    
    if(atomic.incrementAndGet() > 限流数) {   
        //熔断逻辑
    } else {
        //处理逻辑
    } 
} finally {
    atomic.decrementAndGet();
}

2.2、限制时间窗最大请求数

定义：时间窗最大请求数，指定的时间范围内允许的最大请求数

优点：这个算法能够满足绝大多数的流控需求，通过时间窗最大请求数可以直接换算出最大的QPS（QPS = 请求数/时间窗）

缺点：这种方式可能会出现流量不平滑的情况，时间窗内一小段流量占比特别大

lua代码实现：

--- 资源唯一标识
local key = KEYS[1]
--- 时间窗最大并发数
local max_window_concurrency = tonumber(ARGV[1])  
--- 时间窗
local window = tonumber(ARGV[2])   
--- 时间窗内当前并发数
local curr_window_concurrency = tonumber(redis.call('get', key) or 0)  
if current + 1 > limit then
    return false
else
    redis.call("INCRBY", key,1)    
    if window > -1 then
        redis.call("expire", key,window)    
    end
    return true
end

2.3、令牌桶

算法描述

• 假如用户配置的平均发送速率为r，则每隔1/r秒一个令牌被加入到桶中

• 假设桶中最多可以存放b个令牌。如果令牌到达时令牌桶已经满了，那么这个令牌会被丢弃

• 当流量以速率v进入，从桶中以速率v取令牌，拿到令牌的流量通过，拿不到令牌流量不通过，执行熔断逻辑

属性

• 长期来看，符合流量的速率是受到令牌添加速率的影响，被稳定为：r

• 因为令牌桶有一定的存储量，可以抵挡一定的流量突发情况

  • M是以字节/秒为单位的最大可能传输速率：M>r

  • T max = b/(M-r)    承受最大传输速率的时间

  • B max = T max * M   承受最大传输速率的时间内传输的流量

优点：流量比较平滑，并且可以抵挡一定的流量突发情况

因为我们限流系统的实现就是基于令牌桶这个算法，具体的代码实现参考下文。

3、工程实现

3.1、技术选型

• mysql:存储限流策略的参数等元数据

• redis+lua:令牌桶算法实现

说明：因为我们把redis 定位为：缓存、计算媒介，所以元数据都是存在db中

3.2、架构图

3.3、 数据结构

字段	描述
name	令牌桶的唯一标示
apps	能够使用令牌桶的应用列表
max_permits	令牌桶的最大令牌数
rate	向令牌桶中添加令牌的速率
created_by	创建人
updated_by	更新人

限流系统的实现是基于redis的，本可以和应用无关，但是为了做限流元数据配置的统一管理，按应用维度管理和使用，在数据结构中加入了apps这个字段，出现问题，排查起来也比较方便。

3.4、代码实现

3.4.1、代码实现遇到的问题

参考令牌桶的算法描述，一般思路是在RateLimiter-client放一个重复执行的线程，线程根据配置往令牌桶里添加令牌，这样的实现由如下缺点：

• 需要为每个令牌桶配置添加一个重复执行的线程

• 重复的间隔精度不够精确：线程需要每1/r秒向桶里添加一个令牌，当r>1000 时间线程执行的时间间隔根本没办法设置（从后面性能测试的变现来看RateLimiter-client 是可以承担 QPS > 5000 的请求速率）

3.4.2、解决方案

基于上面的缺点，参考了google的guava中RateLimiter中的实现，我们使用了触发式添加令牌的方式。

算法描述

• 基于上述的令牌桶算法

• 将添加令牌改成触发式的方式，取令牌的是做添加令牌的动作

• 在去令牌的时候，通过计算上一次添加令牌和当前的时间差，计算出这段间应该添加的令牌数，然后往桶里添加

  • curr_mill_second = 当前毫秒数

  • last_mill_second = 上一次添加令牌的毫秒数

  • r = 添加令牌的速率

  • reserve_permits = (curr_mill_second-last_mill_second)/1000 * r

• 添加完令牌之后再执行取令牌逻辑

3.4.3、 lua代码实现

--- 获取令牌
--- 返回码
--- 0 没有令牌桶配置
--- -1 表示取令牌失败，也就是桶里没有令牌
--- 1 表示取令牌成功
--- @param key 令牌（资源）的唯一标识
--- @param permits  请求令牌数量
--- @param curr_mill_second 当前毫秒数
--- @param context 使用令牌的应用标识
local function acquire(key, permits, curr_mill_second, context)
    local rate_limit_info = redis.pcall("HMGET", key, "last_mill_second", "curr_permits", "max_permits", "rate", "apps")    
    local last_mill_second = rate_limit_info[1]    
    local curr_permits = tonumber(rate_limit_info[2])    
    local max_permits = tonumber(rate_limit_info[3])    
    local rate = rate_limit_info[4]    
    local apps = rate_limit_info[5]    
    --- 标识没有配置令牌桶
    if type(apps) == 'boolean' or apps == nil or not contains(apps, context) then
        return 0
    end
    local local_curr_permits = max_permits;    
    --- 令牌桶刚刚创建，上一次获取令牌的毫秒数为空
    --- 根据和上一次向桶里添加令牌的时间和当前时间差，触发式往桶里添加令牌
    --- 并且更新上一次向桶里添加令牌的时间
    --- 如果向桶里添加的令牌数不足一个，则不更新上一次向桶里添加令牌的时间
    if (type(last_mill_second) ~= 'boolean' and last_mill_second ~= false and last_mill_second ~= nil) then
        local reverse_permits = math.floor(((curr_mill_second - last_mill_second) / 1000) * rate)        
        local expect_curr_permits = reverse_permits + curr_permits;
        local_curr_permits = math.min(expect_curr_permits, max_permits);       
         --- 大于0表示不是第一次获取令牌，也没有向桶里添加令牌
        if (reverse_permits > 0) then
            redis.pcall("HSET", key, "last_mill_second", curr_mill_second)       
      end
    else
        redis.pcall("HSET", key, "last_mill_second", curr_mill_second)   
    end
    local result = -1
    if (local_curr_permits - permits >= 0) then
        result = 1
        redis.pcall("HSET", key, "curr_permits", local_curr_permits - permits)    
    else
        redis.pcall("HSET", key, "curr_permits", local_curr_permits)    
    end
    return result
end

关于限流系统的所有实现细节，我都已经放到github上，gitbub地址：https://github.com/wukq/rate-limiter，有兴趣的同学可以前往查看，由于笔者经验与知识有限，代码中如有错误或偏颇，欢迎探讨和指正。

3.4.4、管理界面

前面的设计中，限流的配置是和应用关联的，为了更够更好的管理配置，需要一个统一的管理页面去对配置进行管控：

• 按应用对限流配置进行管理

• 不同的人分配不同的权限；相关人员有查看配置的权限，负责人有修改和删除配置的权限

3.5、性能测试

配置：aws-elasticcache-redis 2核4g

因为Ratelimiter-client的功能比较简单，基本上是redis的性能打个折扣。

• 单线程取令牌：Ratelimiter-client的 QPS = 250/s

• 10个线程取令牌：Ratelimiter-client的 QPS = 2000/s

• 100个线程取令牌：Ratelimiter-client的 QPS = 5000/s

限流系统从设计到实现都比较简单，但是确实很实用，用四个字来形容就是：短小强悍，其中比较重要的是结合公司的权限体系和系统结构，设计出符合自己公司规范的限流系统。

不足：

• redis 我们用的是单点redis，只做了主从，没有使用redis高可用集群（可能使用redis高可用集群，会带来新的问题）

• 限流系统目前只做了应用层面的实现，没有做接口网关上的实现

• 熔断策略需要自己定制，如果实现的好一点，可以给一些常用的熔断策略模板

---

参考书籍：

1.《Redis 设计与实现》
2.《Lua编程指南》

参考文章：

1. redis官网

2. lua编码规范

3. 聊聊高并发系统之限流特技

4. guava Ratelimiter 实现

5. Token_bucket wiki 词条