OpenResty中如何实现，按QPS、时间范围、来源IP进行限流

OpenResty是一个基于Nginx与Lua的高性能Web平台，它通过LuaJIT在Nginx中运行高效的Lua脚本和模块，可以用来处理复杂的网络请求，并且支持各种流量控制和限制的功能。

近期研究在OpenResty中如何实现，按QPS、时间范围、来源IP进行限流，以及动态更新限流策略。今天将实现方案分享给大家。

一、在OpenResty中如何实现，按QPS、时间范围、来源IP进行限流

使用OpenResty进行限流的几种常见方法：

按QPS（每秒查询率）限流：
使用ngx_http_limit_req_module模块，可以限制每个客户端的请求速率。这个模块使用漏桶算法来控制请求的速率。

在Nginx配置文件中，你可以这样设置：
```
http {
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=1r/s;

    server {
        location / {
            limit_req zone=mylimit burst=5 nodelay;
        }
    }
}
```
上面的配置定义了一个名为mylimit的区域，它根据客户端的IP地址来限流，并且设置了每秒可以处理的请求数（rate）为1。burst参数定义了可以累积的最大请求数，而nodelay表示不对超出速率的请求进行延迟处理。

按时间范围限流：
如果你想在特定时间范围内限流，你可能需要编写一些Lua脚本来实现这个逻辑。例如，你可以使用lua-resty-limit-traffic库的limit.req模块，并结合时间判断逻辑：

local limit_req = require "resty.limit.req"
local lim, err = limit_req.new("my_limit_req_store", 2, 0)
if not lim then
    ngx.log(ngx.ERR, "failed to instantiate a resty.limit.req object: ", err)
    return ngx.exit(500)
end

local key = ngx.var.binary_remote_addr
local delay, err = lim:incoming(key, true)

-- 检查当前时间是否在限流时间范围内
local current_hour = os.date("%H")
if current_hour >= "09" and current_hour <= "18" then
    -- 在工作时间进行限流
    if delay then
        if delay >= 0.001 then
            -- 延迟处理
            ngx.sleep(delay)
        end
    else
        if err == "rejected" then
            -- 请求超出速率限制
            return ngx.exit(503)
        end
        ngx.log(ngx.ERR, "failed to limit req: ", err)
        return ngx.exit(500)
    end
end

按来源IP限流：
使用ngx_http_limit_conn_module模块，可以限制同时处理的连接数。如果你想根据来源IP地址进行限流，可以像这样配置：
```
http {
    limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;

    server {
        location / {
            limit_conn addr 3;
        }
    }
}
```
这个配置限制了每个IP地址同时只能有3个活跃连接。

在实际部署时，需要根据自己的业务需求调整这些配置参数。需要注意的是，对于复杂的限流规则，可能需要结合多个Nginx模块和Lua脚本来实现。

而且，由于限流策略可能会影响用户体验，应谨慎设计限流规则，确保它们既能保护后端服务，又不会对合法用户造成不必要的麻烦。

二、限流后提示信息处理和请求状态

在OpenResty中，如果你使用了内置的限流模块（如ngx_http_limit_req_module或ngx_http_limit_conn_module）并且请求被限流，你可以通过返回特定的状态码和错误页面来通知用户。

例如，如果使用limit_req或limit_conn指令，你可以设置返回503状态码（服务不可用），然后定义一个自定义的错误页面：

http {
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
    limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;

    server {
        location / {
            limit_req zone=one burst=5 nodelay;
            limit_conn addr 3;

            error_page 503 /custom_503.html;
        }

        location = /custom_503.html {
            root /path/to/your/error/pages;
            internal;
        }
    }
}

在上面的配置中，当请求被限流并返回503状态码时，Nginx将会发送/path/to/your/error/pages/custom_503.html文件的内容作为响应。

如果你使用Lua脚本来处理限流，你可以更加灵活地设置返回的内容。例如，你可以使用ngx.exit来返回状态码，同时使用ngx.say或ngx.send_headers来发送自定义的响应体或者响应头。

access_by_lua_block {
    -- 假设你已经进行了一些限流判断...
    if should_limit then
        ngx.status = ngx.HTTP_SERVICE_UNAVAILABLE
        ngx.header.content_type = 'text/html'
        ngx.say("<html><body>Sorry, we are currently receiving too many requests. Please try again later.</body></html>")
        ngx.exit(ngx.HTTP_SERVICE_UNAVAILABLE)
    end
}

在这个Lua代码块中，如果should_limit变量为true，则返回503状态码，并显示一个自定义的HTML错误消息。

要注意的是，返回给用户的信息应该既明确又友好，以确保用户理解为什么他们的请求没有成功，并且知道下一步该做什么。对于API服务，通常返回一个JSON对象，包含错误码和错误信息会更加合适：

access_by_lua_block {
    -- 假设你已经进行了一些限流判断...
    if should_limit then
        ngx.status = ngx.HTTP_TOO_MANY_REQUESTS -- 429 Too Many Requests
        ngx.header.content_type = 'application/json'
        ngx.say([[{"error": "rate_limit", "error_description": "Too many requests. Please try again later."}]])
        ngx.exit(ngx.HTTP_TOO_MANY_REQUESTS)
    end
}

在这个例子中，我们使用了429状态码（太多请求），这是一个更具体的状态码，用来表示客户端发送的请求已经超过了服务器愿意处理的频率。

三、如何动态更新限流策略，实时生效，不需要重启Nginx

动态更新限流策略而不重启Nginx服务，可以通过以下几种方式实现：

Lua共享字典（shared dictionaries）:
OpenResty提供了共享内存字典，这是一种在Nginx工作进程之间共享数据的机制。你可以使用共享字典来存储限流配置，并且在Lua代码中动态读取这些配置。这样，当你更新了共享字典中的配置时，不需要重启Nginx，新的请求将会使用新的限流配置。

例如，你可以定义一个共享字典来存储限流速率：
```
http {
    lua_shared_dict my_limit_req_store 10m;

    init_by_lua_block {
        local dict = ngx.shared.my_limit_req_store
        dict:set("rate", 1) -- 设置每秒请求数为1
    }

    server {
        location / {
            access_by_lua_block {
                local dict = ngx.shared.my_limit_req_store
                local rate = dict:get("rate") -- 动态获取当前的限流速率
                -- 接下来使用这个rate值来进行限流...
            }
        }
    }
}
```
当你需要更新限流策略时，只需修改共享字典中的值即可。
OpenResty的控制API:
OpenResty提供了一个控制API，可以用来动态地调整运行时的Nginx配置。这个API可以通过Lua代码来调用，从而实现不重启服务的情况下更新配置。

外部配置服务:
你可以将限流配置存储在外部服务中，比如数据库、配置文件或者分布式配置系统（如etcd、Consul）。然后在Nginx的Lua代码中定期轮询这些服务，获取最新的限流配置。

access_by_lua_block {
    local http = require "resty.http"
    local httpc = http.new()
    local res, err = httpc:request_uri("http://config-service/get_rate_limit", {
        method = "GET",
        headers = {
            ["Content-Type"] = "application/json",
        }
    })

    if not res then
        ngx.log(ngx.ERR, "failed to request: ", err)
        return
    end

    local rate_limit = tonumber(res.body)
    if rate_limit then
        -- 应用新的限流策略...
    end
}

信号控制:
Nginx支持通过信号来进行控制，例如重新加载配置文件（nginx -s reload）。虽然这不是实时的，但是它不需要完全重启Nginx进程，只是重新加载配置文件。如果限流策略是通过Nginx配置文件中的参数来控制的，这是一个可行的方法。

选择哪种方法取决于你的具体需求和环境。如果你需要非常快速地更新配置，并且配置更新操作非常频繁，那么使用Lua共享字典或者外部配置服务可能是更好的选择。如果配置更新不是很频繁，使用信号控制来重新加载Nginx配置可能就足够了。

周国庆

2024/2/25

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