ASP.NET Core中使用滑动窗口限流的问题及场景分析

目录

• 算法原理
• 漏检
• 太刚
• 算法实现
• 进程内即内存滑动窗口算法
• 基于Redis的滑动窗口算法
• 应用算法
• 1、安装Nuget包
• 2、使用中间件

滑动窗口算法用于应对请求在时间周期中分布不均匀的情况，能够更精确的应对流量变化，比较著名的应用场景就是TCP协议的流量控制，不过今天要说的是服务限流场景中的应用。

算法原理

这里假设业务需要每秒钟限流100次，先来看固定窗口算法的两个问题：

漏检

如下图所示，单看第1秒和第2秒，其请求次数都没有超过100，所以使用固定窗口算法时不会触发限流。但是第1秒的后500ms的请求数加上第2秒的前500毫秒的请求数就超过了100，这时候可能会给系统带来伤害，使用固定窗口算法时不能检测到这种情况。

太刚

针对漏检的问题，你可能会说，可以把时间窗口设置为500ms，把限流阈值设置为50。那么来看下图，除了第2个计数周期超过了50，从而触发限流，前后几个计数周期的请求都很正常，甚至都不会超过阈值的50%，可能第2个计数周期的情况实在太特殊，1天都不会出现第2次，如果对系统不会造成影响，能不能通融下，做不到！固定窗口算法这时候就会显得太过刚性。

那么滑动窗口如何来解决这两个问题呢？还是先来看图：

如上图所示：

• 滑动窗口的时间跨度是1秒，每个小计数周期的时间跨度是500ms，此处的滑动窗口包含2个小计数周期。
• 随着时间的前进，滑动窗口包含的小计数周期会以500ms为单位向前移动，但始终是包含2个小计数周期。
• 判断是否限流时，需要将当前滑动窗口包含的2个小计数周期的计数值加起来。
• 相比固定窗口计数器算法，滑动窗口可以有效减少漏检，如上图滑动窗口移动到了500-1500ms，发现总数超过100，则触发限流；滑动窗口在0-1000ms、1000-2000ms时都不会触发限流，即使其中某个小周期的计数值超过了阈值的半数，但是总数没有超过100，就不会限流，能够应对极少出现的突发流量情况。

从分析还可以看出，滑动窗口的小周期划分的越多，则检测越准确，但用于跟踪的计数也越多，使用的内存和计算量都会增大。

算法实现

这里讲两种实现方法：进程内即内存滑动窗口算法、基于Redis的滑动窗口算法。

进程内即内存滑动窗口算法

这里介绍一种性能比较高的方法，使用数组实现滑动窗口，这是环形队列的一种特例，如下图所示：

• 假设滑动窗口需要5个小的计数周期，则初始化一个长度为5的整形数组，数字表示数组中的第几个元素。
• 我们知道队列有头有尾，从队头取出数据，向队尾插入数据，带括号的数字表示是队列中的第几个元素。
• 滑动窗口向前移动时，队尾向右移动1位，同时队头也向右移动1位。
• 队尾和队头向右移动都可能会溢出数组，此时让它们回到数组的起始位置，即图中数组的第1个位置。

关于这个算法的详细介绍，可以看这篇文章：如何使用数组实现滑动窗口

基于Redis的滑动窗口算法

基于Redis时也可以使用类似环形队列的方法，比如定义5个KV作为数组的5个元素。不过我之前实现时采用了一种更直观的方式，每个小的计数周期都创建一个KV，同时设置一个绝对超过滑动窗口时间跨度的过期时间，用不到的小计数周期不会一直占用内存；判断是否触发限流时，把这些小滑动窗口的计数值累加起来就可以了。当然实际实现时还需要完善一些细节上的处理，比如怎么找到这些小计数周期，会有多种方案，存起来或者临时计算都可以。

这些操作逻辑可以封装在一个Lua script中，因为Lua script在Redis中执行时也是原子操作，所以Redis的限流计数在分布式部署时天然就是准确的。

应用算法

这里以限流组件 FireflySoft.RateLimit 为例，实现ASP.NET Core中的滑动窗口限流。

1、安装Nuget包

有多种安装方式，选择自己喜欢的就行了。

包管理器命令：

Install-Package FireflySoft.RateLimit.AspNetCore

或者.NET命令:

dotnet add package FireflySoft.RateLimit.AspNetCore

或者项目文件直接添加：

<ItemGroup>
<PackageReference Include="FireflySoft.RateLimit.AspNetCore" Version="2.*" />
</ItemGroup>

2、使用中间件

在Startup中使用中间件，演示代码如下（下边会有详细说明）：

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
        {
           ...
           app.AddRateLimit(new InProcessSlidingWindowAlgorithm(
                new[] {
                		// 构造函数有两个参数：滑动窗口的时间长度、小计数周期的时间长度
                    new SlidingWindowRule(TimeSpan.FromSeconds(5), TimeSpan.FromSeconds(1))
                    {
                        ExtractTarget = context =>
                        {
                        		// 提取限流目标
                            return (context as HttpContext).Request.Path.Value;
                        },
                        CheckRuleMatching = context =>
                        {
                        		// 判断当前请求是否需要限流处理
                            return true;
                        },
                        Name="sliding window limit rule",
                        LimitNumber=100, // 限流阈值，这里即5秒最多100次请求
                    }
                })
            );
            ...
        }

public void Configure(IApplicationBuilder app, IWebHostEnvironment env)
        {
            ...
            app.UseRateLimit();
            ...
        }

如上需要先注册服务，然后使用中间件。

注册服务的时候需要提供限流算法和对应的规则：

• 这里使用进程内固定窗口算法InProcessSlidingWindowAlgorithm，还可以使用RedisSlidingWindowAlgorithm，需要传入一个Redis连接。两种算法都支持同步和异步方法。
• 限流阈值是100，限流滑动窗口是5秒，小计数周期是1秒。
• ExtractTarget用于提取限流目标，这里是每个不同的请求Path。如果有IO请求，这里还支持对应的异步方法ExtractTargetAsync。
• CheckRuleMatching用于验证当前请求是否限流。如果有IO请求，这里还支持对应的异步方法CheckRuleMatchingAsync。
• 默认被限流时会返回HttpStatusCode 429，可以在AddRateLimit时使用可选参数error自定义这个值，以及Http Header和Body中的内容。

基本的使用就是上边例子中的这些了。

如果还是基于传统的.NET Framework，则需要在Application_Start中注册一个消息处理器RateLimitHandler，算法和规则部分都是共用的，具体可以看Github上的使用说明：https://github.com/bosima/FireflySoft.RateLimit

FireflySoft.RateLimit 是一个基于 .NET Standard 的限流类库，其内核简单轻巧，能够灵活应对各种需求的限流场景。

其主要特点包括：

• 多种限流算法：内置固定窗口、滑动窗口、漏桶、令牌桶四种算法，还可自定义扩展。
• 多种计数存储：目前支持内存、Redis两种存储方式。
• 分布式友好：通过Redis存储支持分布式程序统一计数。
• 限流目标灵活：可以从请求中提取各种数据用于设置限流目标。
• 支持限流惩罚：可以在客户端触发限流后锁定一段时间不允许其访问。
• 动态更改规则：支持程序运行时动态更改限流规则。
• 自定义错误：可以自定义触发限流后的错误码和错误消息。
• 普适性：原则上可以满足任何需要限流的场景。

Github开源地址：https://github.com/bosima/FireflySoft.RateLimit

到此这篇关于ASP.NET Core中使用滑动窗口限流的文章就介绍到这了,更多相关ASP.NET Core限流内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！