基于kubernetes的分布式限流

做为一个数据上报系统，随着接入量越来越大，由于 API 接口无法控制调用方的行为，因此当遇到瞬时请求量激增时，会导致接口占用过多服务器资源，使得其他请求响应速度降低或是超时，更有甚者可能导致服务器宕机。

一、概念

限流(Ratelimiting)指对应用服务的请求进行限制，例如某一接口的请求限制为 100 个每秒,对超过限制的请求则进行快速失败或丢弃。

1.1 使用场景

限流可以应对：

热点业务带来的突发请求；
调用方 bug 导致的突发请求；
恶意攻击请求。

1.2 维度

对于限流场景，一般需要考虑两个维度的信息：
时间
限流基于某段时间范围或者某个时间点，也就是我们常说的“时间窗口”，比如对每分钟、每秒钟的时间窗口做限定
资源
基于可用资源的限制，比如设定最大访问次数，或最高可用连接数。
限流就是在某个时间窗口对资源访问做限制，比如设定每秒最多100个访问请求。

image.png

1.3 分布式限流

分布式限流相比于单机限流，只是把限流频次分配到各个节点中，比如限制某个服务访问100qps，如果有10个节点，那么每个节点理论上能够平均被访问10次，如果超过了则进行频率限制。

二、分布式限流常用方案

基于Guava的客户端限流
Guava是一个客户端组件，在其多线程模块下提供了以RateLimiter为首的几个限流支持类。它只能对“当前”服务进行限流，即它不属于分布式限流的解决方案。

网关层限流
服务网关，作为整个分布式链路中的第一道关卡，承接了所有用户来访请求。我们在网关层进行限流，就可以达到了整体限流的目的了。目前，主流的网关层有以软件为代表的Nginx，还有Spring Cloud中的Gateway和Zuul这类网关层组件，也有以硬件为代表的F5。

中间件限流
将限流信息存储在分布式环境中某个中间件里（比如Redis缓存），每个组件都可以从这里获取到当前时刻的流量统计，从而决定是拒绝服务还是放行流量。

限流组件
目前也有一些开源组件提供了限流的功能，比如Sentinel就是一个不错的选择。Sentinel是阿里出品的开源组件，并且包含在了Spring Cloud Alibaba组件库中。

Guava的Ratelimiter设计实现相当不错，可惜只能支持单机，网关层限流如果是单机则不太满足高可用，并且分布式网关的话还是需要依赖中间件限流，而redis之类的网络通信需要占用一小部分的网络消耗。阿里的Sentinel也是同理，底层使用的是redis或者zookeeper，每次访问都需要调用一次redis或者zk的接口。那么在云原生场景下，我们有没有什么更好的办法呢？

对于极致追求高性能的服务不需要考虑熔断、降级来说，是需要尽量减少网络之间的IO，那么是否可以通过一个总限频然后分配到具体的单机里面去，在单机中实现平均的限流，比如限制某个ip的qps为100，服务总共有10个节点，那么平均到每个服务里就是10qps，此时就可以通过guava的ratelimiter来实现了，甚至说如果服务的节点动态调整，单个服务的qps也能动态调整。

三、基于kubernetes的分布式限流

在Spring Boot应用中，定义一个filter，获取请求参数里的key（ip、userId等），然后根据key来获取rateLimiter，其中，rateLimiter的创建由数据库定义的限频数和副本数来判断，最后，再通过rateLimiter.tryAcquire来判断是否可以通过。

企业微信截图_868136b4-f9e2-4813-bc02-281a66756ecd.png

3.1 kubernetes中的副本数

在实际的服务中，数据上报服务一般无法确定客户端的上报时间、上报量，特别是对于这种要求高性能，服务一般都会用到HPA来实现动态扩缩容，所以，需要去间隔一段时间去获取服务的副本数。

func CountDeploymentSize(namespace string, deploymentName string) *int32 {
    deployment, err := client.AppsV1().Deployments(namespace).Get(context.TODO(), deploymentName, metav1.GetOptions{})
    if err != nil {
        return nil
    }
    return deployment.Spec.Replicas
}

用法：GET host/namespaces/test/deployments/k8s-rest-api直接即可。

3.2 rateLimiter的创建

在RateLimiterService中定义一个LoadingCache<String, RateLimiter>，其中，key可以为ip、userId等，并且，在多线程的情况下，使用refreshAfterWrite只阻塞加载数据的线程，其他线程则返回旧数据，极致发挥缓存的作用。

private final LoadingCache<String, RateLimiter> loadingCache = Caffeine.newBuilder()
        .maximumSize(10_000)
        .refreshAfterWrite(20, TimeUnit.MINUTES)
        .build(this::createRateLimit);
//定义一个默认最小的QPS
private static final Integer minQpsLimit = 3000;

之后是创建rateLimiter，获取总限频数totalLimit和副本数replicas，之后是自己所需的逻辑判断，可以根据totalLimit和replicas的情况来进行qps的限定。

public RateLimiter createRateLimit(String key) {
    log.info("createRateLimit,key:{}", key);
    int totalLimit = 获取总限频数，可以在数据库中定义
    Integer replicas = kubernetesService.getDeploymentReplicas();
    RateLimiter rateLimiter;
    if (totalLimit > 0 && replicas == null) {
        rateLimiter = RateLimiter.create(totalLimit);
    } else if (totalLimit > 0) {
        int nodeQpsLimit = totalLimit / replicas;
        rateLimiter = RateLimiter.create(nodeQpsLimit > minQpsLimit ? nodeQpsLimit : minQpsLimit);
    } else {
        rateLimiter = RateLimiter.create(minQpsLimit);
    }
    log.info("create rateLimiter success,key:{},rateLimiter:{}", key, rateLimiter);
    return rateLimiter;
}

3.3 rateLimiter的获取

根据key获取RateLimiter，如果有特殊需求的话，需要判断key不存在的尝尽

public RateLimiter getRateLimiter(String key) {
  return loadingCache.get(key);
}

3.4 filter里的判断

最后一步，就是使用rateLimiter来进行限流，如果rateLimiter.tryAcquire()为true，则进行filterChain.doFilter(request, response)，如果为false，则返回HttpStatus.TOO_MANY_REQUESTS

public class RateLimiterFilter implements Filter {
    @Resource
    private RateLimiterService rateLimiterService;

    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain filterChain) throws IOException, ServletException {
        HttpServletRequest httpServletRequest = (HttpServletRequest) request;
        HttpServletResponse httpServletResponse = (HttpServletResponse) response;
        String key = httpServletRequest.getHeader("key");
        RateLimiter rateLimiter = rateLimiterService.getRateLimiter(key);
        if (rateLimiter != null) {
            if (rateLimiter.tryAcquire()) {
                filterChain.doFilter(request, response);
            } else {
                httpServletResponse.setStatus(HttpStatus.TOO_MANY_REQUESTS.value());
            }
        } else {
            filterChain.doFilter(request, response);
        }
    }
}

四、性能压测

为了方便对比性能之间的差距，我们在本地单机做了下列测试，其中，总限频都设置为3万。

无限流

企业微信截图_ea1b7815-3b89-43bf-aed7-240e135bdad1.png

使用redis限流

其中，ping redis大概6-7ms左右，对应的，每次请求需要访问redis，时延都有大概6-7ms，性能下降明显

企业微信截图_9118c4e0-c7f3-4e74-9649-4cd4d56fda79.png

自研限流

性能几乎追平无限流的场景，guava的rateLimiter确实表现卓越

企业微信截图_9f6510bd-be9e-438b-aa9d-bdd13ebca953.png

五、其他问题

5.1 对于保证qps限频准确的时候，应该怎么解决呢？

在k8s中，服务是动态扩缩容的，相应的，每个节点应该都要有所变化，如果对外宣称限频100qps，而且后续业务方真的要求百分百准确，只能把LoadingCache<String, RateLimiter>的过期时间调小一点，让它能够近实时的更新单节点的qps。这里还需要考虑一下k8s的压力，因为每次都要获取副本数，这里也是需要做缓存的

5.2 服务从1个节点动态扩为4个节点，这个时候新节点识别为4，但其实有些并没有启动完，会不会造成某个节点承受了太大的压力

理论上是存在这个可能的，这个时候需要考虑一下初始的副本数的，扩缩容不能一蹴而就，一下子从1变为4变为几十个这种。一般的话，生产环境肯定是不能只有一个节点，并且要考虑扩缩容的话，至于要有多个副本预备的

5.3 如果有多个副本，怎么保证请求是均匀的

这个是依赖于k8s的service负载均衡策略的，这个我们之前做过实验，流量确实是能够均匀的落到节点上的。还有就是，我们整个限流都是基于k8s的，如果k8s出现问题，那就是整个集群所有服务都有可能出现问题了。

参考

1.常见的分布式限流解决方案
2.分布式服务限流实战
3.高性能