大型API网关（五）—

什么是流量限制

通俗的说，流量控制就是控制用户请求的策略，主要包括：权限、限流、流量调度。
权限上一篇已经讲过了，这一篇讲限流，下一篇讲流量调度。
限流是指限制用户调用的频率（QPS/QPM）或者次数。

为什么要有流量限制

为了收费

流量限制，站在用户或者运营的角度看，最直观能感受到的作用是 —— 收费。。。
各大主流开放平台的对外API，一般都有一些免费的额度，可以供个人测试用，一旦想大规模调用，就需要付费购买更大的额度（频率、次数），根据调用次数或者频率进行收费。一旦超过拥有的额度，就会被限制调用。

为了保护后面的服务

其实这才是限流最大的用处，只是用户或者运营同学无感，所以不太被大多数人了解。
网关后面是各个服务，各个服务的接口通过网关透出去给用户调用。理论上说，用户的流量是不可预知的，随时可能来一波，一旦流量的峰值超过了服务的承载能力，服务就挂了，比如有大新闻发生时的某浪微博，比如前些年的12306.
所以，网关必须保证，放过去到达后端服务的流量一定不可以超过服务可以承载的上限。这个上限，是网关和各个服务协商出来的。

限流系统设计

由简到难，限流可以分为单机限流、单集群限流、全集群限流。
这里不讨论具体的限流算法，如漏桶、令牌桶等，只说概念和思想。

单机限流

单机限流的思想很简单，就是每个机器的限流值 x 机器数量 = 总的限流值。
举个例子：A用户的QPS限制是100，网关部署了10台机器，那么，每台机器限制10QPS就可以了。
先说好处：
好处就是，实现起来非常简单，每台机器在本地内存计算qps就可以了，超过阈值就拒流。
单机限流的缺陷也十分明显，主要体现在两点：

当网关部署的机器数量发生变化时，每台机器的限流值需要根据机器数调整。现实中，因为扩容、缩容、机器宕机等原因，机器数的变化是常有的事。
单机限流的前提是，每台网关承载的用户的流量是平均的，但是事实上，在某些时间，用户的流量并不是完全平均分布在每台机器上的。

举个例子：
10台机器，每台限qps10，其中3台每台实际qps是15，因为超限导致用户流量被拒。其余7台每台qps是7。这样用户总的qps = 15 * 3 + 7 * 7 = 94. 用户qps并没有超限，但是却有一部分流量被拒了，这样就很有问题。
实际上，单台限流的阈值也会设置的稍微大一些，以抵消流量不均的问题。
因为上面的问题，单机限流通常作为一种兜底的备用手段，大多数时候用的还是集群限流。

集群限流

先来看一个示意图：

相比单机限流，集群限流的计数工作上移到redis集群内进行，解决了单机限流的缺陷。
但是集群限流也不是完美的，因为引入了redis，那么，当网关和redis之间的网络抖动、redis本身故障时，集群限流就失效了，这时候，还是得依靠单机限流进行兜底。
也就是说，集群限流 + 单机限流配合，才是一个比稳妥的方案。

真·集群限流

接下来我们来思考这样一个问题：大型网关一般都是多机房、多地域部署的，当然，后端的服务也是多机房、多地域部署的，在保护服务这一点来说，集群限流是够用了。但是对用户来说，还是有一些问题：
比如，用户购买的QPS上限是30，我们的网关部署在中国北、中、南三个地域，那么这30QPS怎么分配呢？
平均肯定不行，用户的流量可能是明显不均衡的，比如用户的业务主要集中在中国北方，那么用户的流量大部分都会进入北方的网关，网关如果限制QPS为10的话，用户肯定来投诉。
那每个地域都限制为30行不行？也不行，如果用户的流量比较均匀的分布在各个地域，那么用户购买了30QPS，实际上可能使用了90QPS，这太亏了。。。
按照解决单机限流流量不均的思路，搞一个公共的redis集群来计数行不行？
也不行，受限于信号传播速度和天朝的广阔疆域，每个流量都计数，肯定不现实，rt太高会导致限流失去意义，带宽成本也会变得极其昂贵，对redis的规格要求也会很高。总之，很贵还解决不了问题。
有一种巧妙的解决办法是：本地集群阶梯计数 + 全集群检查。
还是刚才的例子：
限流阈值时90，那么三个地域各自计数，当本地域的数值达到30时，去其他两个地域取一次对方当前的计数值，三个地域的计数值加起来，如果超了，告诉另外两个地域超了，开始拒流。如果没超，本地QPS每上涨10，重复一次上述的动作。
这样就能有效的减少与redis的交互次数，同时实现了全地域真·集群限流。
当然，这种全地域集群限流，因为rt和阶梯计数间隔的存在，一定是不准的，但是，比单集群限流还是好很多。

缓解redis的压力

当某个用户流量特别大的时候，redis计数就会遇到典型的热点key问题，导致redis集群单节点压力过大，有两种办法可以解决这个问题：打散和抽样。

打散

打散是指，把热点key加一些后缀，使其变成多个key，从而hash到不通的redis节点上，均摊压力。
比如热点key是abcd，那么打散后，key变成了abcd1、abcd2、abcd3、abcd4。技术时，轮流加1、2、3、4的后缀就可以了。

抽样

抽样是指，针对热点key，不是每个每个请求到来时都进行计数，而是进行一个抽样，比如每10个请求记一次数，这样redis的压力就会降低到十分之一。