面試官：網關如何實現限流？
網關（Gateway）是微服務中不可缺少的一部分，它是微服務中提供了統一訪問地址的組件，充當了客戶端和內部微服務之間的中介。網關主要負責流量路由和轉發，將外部請求引導到相應的微服務實例上，同時提供一些功能，如身份認證、授權、限流、監控、日志記錄等。
網關的主要作用有以下幾個：
- 路由功能：網關可以根據目標地址的不同，選擇最佳的路徑將數據包從源網絡路由到目標網絡。它通過維護路由表來確定數據包的轉發方向，并選擇最優的路徑。
- 安全控制（統一認證授權）：網關可以實施網絡安全策略，對進出的數據包進行檢查和過濾。它可以驗證和授權來自源網絡的數據包，并阻止未經授權的訪問。防火墻是一種常見的網關設備，用于過濾和保護網絡免受惡意攻擊和未經授權的訪問。
- 協議轉換：不同網絡使用不同的通信協議，網關可以進行協議轉換，使得不同網絡的設備可以互相通信。例如，例如將 HTTPS 協議轉換成 HTTP 協議。
- 網絡地址轉換（NAT）：網關還可以執行網絡地址轉換，將內部網絡使用的私有 IP 地址轉換為外部網絡使用的公共 IP 地址，以實現多臺計算機共享一個公共 IP 地址出去上網。
1、關于限流
為了保護后端微服務免受突發高流量請求的影響，確保系統的穩定和可靠性，所以在網關層必須“限流”操作。
限流是一種流量控制的策略，用于限制系統處理請求的速率或數量，以保護系統免受過載或攻擊的影響。通過限制請求的數量或速率，可以平衡系統和資源之間的壓力，確保系統在可接受的范圍內運行。
限流的常見策略通常有以下幾種：
- 請求速率限流：限制單位時間內系統可以接受的最大請求數量。例如，每秒最多處理 100 個請求。當請求超過限制時，可以選擇拒絕或延遲處理這些請求。
- 并發請求數限流：限制同時處理的請求數量。例如，限制系統只能同時處理100個并發請求。當并發請求數超過限制時，可以選擇拒絕或排隊等待。
- 用戶級別限流：根據用戶進行限流，限制每個用戶的請求頻率或數量。例如，限制每個用戶每分鐘只能發送 10 個請求。當用戶請求超過限制時，可以選擇拒絕或延遲處理。
- API 級別限流：根據 API 接口進行限流，限制每個接口的請求頻率或數量。例如，限制某個接口每秒只能處理 50 個請求。當接口請求超過限制時，可以選擇拒絕或延遲處理。
當然，我們也可以在程序中使用多種策略混合限流，以保證內部微服務的穩定性。
2、如何實現限流？
了解了網關和限流的相關內容之后，我們以目前主流的網關組件 Spring Cloud Gateway 為例，來實現一下限流功能。
Spring Cloud Gateway 實現限流的方式有兩種：
- 使用內置 Filter（過濾器）實現限流。
- 使用限流組件 Spring Cloud Alibaba Sentinel 或者 Spring Cloud Netflix Hystrix 實現限流。
那既然 Spring Cloud Gateway 中已經內置了限流功能，那我們接下來就來看 Spring Cloud Gateway 內置限流是如何實現的？
Spring Cloud Gateway 內置的限流器為 RequestRateLimiter GatewayFilter Factory，官網說明文檔：https://docs.spring.io/spring-cloud-gateway/docs/current/reference/html/#the-requestratelimiter-gatewayfilter-factory
Spring Cloud Gateway 支持和 Redis 一起來實現限流功能，它的實現步驟如下：
- 在網關項目中添加 Redis 框架依賴
- 創建限流規則
- 配置限流過濾器
具體實現如下。
（1）添加 Redis 框架依賴
在項目的 pom.xml 中，添加以下配置信息（添加 Redis 框架依賴支持）：
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redis-reactive</artifactId>
</dependency>（2）創建限流規則
接下來我們新建一個限流規則定義類，實現一下根據 IP 進行限流的功能，實現示例代碼如下：
import org.springframework.cloud.gateway.filter.ratelimit.KeyResolver;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.web.server.ServerWebExchange;
import reactor.core.publisher.Mono;
@Component
public class IpAddressKeyResolver implements KeyResolver {
@Override
public Mono<String> resolve(ServerWebExchange exchange) {
return Mono.just(exchange.getRequest().getRemoteAddress().
getHostString());
}
}這一步其實是在配置限流器的限流參數 KeyResolver，也就是限流功能的依賴“憑證”。
“
PS：當然，我們還可以通過 URL、方法名、用戶等進行限流操作，只需要修改此步驟中的限流憑證，也就是 KeyResolver 即可。
”
（3）配置限流過濾器
在網關項目的配置文件中，添加以下配置信息：
spring:
cloud:
gateway:
routes:
- id: retry
uri: lb://nacos-discovery-demo
predicates:
- Path=/retry/**
filters:
- name: RequestRateLimiter
args:
redis-rate-limiter.replenishRate: 1
redis-rate-limiter.burstCapacity: 1
keyResolver: '#{@ipAddressKeyResolver}' # spEL表達式
data:
redis:
host: 127.0.0.1
port: 16379
database: 0其中，name 必須等于“RequestRateLimiter”內置限流過濾器，其他參數的含義如下：
- redis-rate-limiter.replenishRate：令牌填充速度：每秒允許請求數。
- redis-rate-limiter.burstCapacity：令牌桶容量：最大令牌數。
- keyResolver：根據哪個 key 進行限流，它的值是 spEL 表達式。
“
SpEL（Spring Expression Language，Spring 表達式語言）是 Spring 框架中用于提供靈活、強大的表達式解析和求值功能的統一表達式語言。它可以在運行時動態地解析和求值字符串表達式，通常用于配置文件中的屬性值、注解、XML 配置等地方。
”
注意事項
當 Spring Cloud Gateway 配合 Redis 實現限流的時候，它對于 Redis 的版本是有要求的，因為它在限流時調用了一個 Redis 高版本的函數，所以 Redis Server 版本太低，限流無效，Redis Server 最好是 5.X 以上。
（4）限流測試
最后，我們頻繁的訪問：http://localhost:10086/retry/test 就會看到如下限流信息：
3、限流實現算法
Spring Cloud Gateway 內置限流功能使用的算法是令牌桶限流算法。
令牌桶限流算法：令牌按固定的速率被放入令牌桶中，桶中最多存放 N 個令牌（Token），當桶裝滿時，新添加的令牌被丟棄或拒絕。當請求到達時，將從桶中刪除 1 個令牌。令牌桶中的令牌不僅可以被移除，還可以往里添加，所以為了保證接口隨時有數據通過，必須不停地往桶里加令牌。由此可見，往桶里加令牌的速度就決定了數據通過接口的速度。我們通過控制往令牌桶里加令牌的速度從而控制接口的流量。 令牌桶執行流程如下圖所示：
常見的限流算法還有：計數器算法、滑動計數器算法、漏桶算法等，更多介紹參考我之前寫個的文章：https://www.javacn.site/interview/springcloud/loadbalancer.html。
4、限流實現原理
Spring Cloud Gateway 執行過程如下圖所示：
從圖中可以看出，所有的請求來了之后，會先走過濾器，只有過濾器通過之后，才能調用后續的內部微服務，這樣我們就可以通過過濾器來控制微服務的調用，從而實現限流功能了。
Spring Cloud Gateway 過濾器是基于令牌桶算法來限制請求的速率，該過濾器根據配置的限流規則，在指定的時間窗口內分配一定數量的令牌，每個令牌代表一個允許通過的請求，當一個請求到達時，如果沒有可用的令牌，則請求將被阻塞或拒絕。
令牌桶的執行過程如下：
- 初始化：在加載過濾器工廠時，會基于給定的限流規則創建一個限流器，該限流器包含了令牌桶算法的邏輯。默認情況下，令牌桶是按照固定速率進行填充，也可以配置為令牌桶按照令牌令牌的方式進行填充。
- 請求處理：每當有請求進來時，限流器會檢查當前令牌桶中是否有可用的令牌。如果有可用的令牌，則請求會被放行，令牌桶中的令牌數量減少；如果沒有可用的令牌，則請求會被阻塞或拒絕。
- 令牌桶填充：限流器會定期填充令牌桶，即向令牌桶中添加新的令牌。填充的速率取決于限流規則中配置的速率值。
- 令牌桶容量控制：限流器還會根據限流規則中配置的令牌桶容量，控制令牌桶中的令牌數量。如果令牌桶已滿，則多余的令牌會被丟棄。
小結
主流網關組件 Spring Cloud Gateway 實現限流的方式主要有兩種：內置限流過濾器和外部限流組件，如 Sentinel、Hystrix 等。而最簡單的限流功能，我們只需要使用 Spring Cloud Gateway 過濾器 + Redis 即可（實現），其使用的是令牌桶的限流算法來實現限流功能的。
