Dubbo生态之sentinel限流

news2024/9/25 20:37:09

1. 限流算法

我们知道,在分布式架构中,当服务请求量过大时,容易对服务器造成不可预知的压力,因此,我们在客户端请求的时候,进行限流,起到一个保护的作用

常见的限流算法有: 计数器限流,滑动窗口限流、漏桶限流、令牌桶限流算法

1.1 计数器限流

计数器算法是限流算法里最简单也是最容易实现的一种算法。比如我们规定,对于A接口来说,我们1分钟的访问次数不能超过100个。那么我们可以这么做:在一开 始的时候,我们可以设置一个计数器counter,每当一个请求过来的时候,counter就加1,如果counter的值大于100并且该请求与第一个请求的间隔时间还在1分钟之内,那么说明请求数过多;如果该请求与第 一个请求的间隔时间大于1分钟,且counter的值还在限流范围内,那么就重 置 counter

具体算法的示意图如下:

 

 假设有一个恶意用户,他在0:59时,瞬间发送了100个请求,并且1:00又瞬间发送了100个请求,这种情况,其实是符合我们上述规则的。因为在0:00-0:59这个区间用户确实没有超过我们设置的100这个最大范围

临界值问题,如下图:

 因此,滑动窗口限流就对这个问题进行了改进

1.2 滑动窗口限流

发送和接受方都会维护一个数据帧的序列,这个序列被称作窗口。发送方的窗口大小由接受方确定,目的在于控制发送速度,以免接受方的缓存不够大,而导致溢出,同时控制流量也可以避免网络拥塞。下面图中的4,5,6号数据帧已经被发送出去,但是未收到关联的ACK,7,8,9帧则是等待发送。可以看出发送端的窗口大小为6,这是由接受端告知的。此时如果发送端收到4号ACK,则窗口的左边缘向右收缩,窗口的右边缘则向右扩展,此时窗口就向
前“滑动了”,即数据帧10也可以被发送

 

 滑动窗口演示地址:Selective Repeat Protocol (pearsoncmg.com)

1.3 漏桶限流

漏桶算法思路是,不断的往桶里面注水,无论注水的速度是大还是小,水都是按固定的速率往外漏水;如果桶满了,水会溢出;

 桶本身具有一个恒定的速率往下漏水,而上方时快时慢的会有水进入桶内。

当桶还未满时,上方的水可以加入。一旦水满,上方的水就无法加入。桶满
正是算法中的一个关键的触发条件(即流量异常判断成立的条件)。

 在桶满水之后,常见的有两种处理方式为:

  • 暂时拦截住上方水的向下流动,等待桶中的一部分水漏走后,再放行上方水。
  • 溢出的上方水直接抛弃

特点:

  • 漏水的速率是固定的
  • 即使存在注水burst(突然注水量变大)的情况,漏水的速度也是固定的

1.4 令牌桶限流

令牌桶算法是网络流量整形(Traffic Shaping)和速率限制(Rate Limiting)中最常使用的一种算法。典型情况下,令牌桶算法用来控制发送到网络上的数据的数目,并允许突发数据的发送。
令牌桶是一个存放固定容量令牌(token)的桶,按照固定速率往桶里添加令牌; 令牌桶算法实际上由三部分组成:两个流和一个桶,分别是令牌流、数据流和令牌桶
  • 令牌流与令牌桶 
系统会以一定的速度生成令牌,并将其放置到令牌桶中,可以将令牌桶想象成一个缓冲区(可以用队列这种数据结构来实现),当缓冲区填满的时候,新生成的令牌会被扔掉。这里有两个变量很重要:
第一个是生成令牌的速度,一般称为 rate 。比如,我们设定 rate = 2 ,即每秒钟生成 2 个令牌,也就是每 1/2 秒生成一个令牌;
第二个是令牌桶的大小,一般称为 burst 。比如,我们设定 burst = 10 ,即令牌桶最大只能容纳 10 个令牌。
  • 数据流
数据流是真正的进入系统的流量,对于http接口来说,如果平均每秒钟会调用2次,则认为速率为 2次/s。

有以下三种情形可能发生

 数据流的速率等于令牌流的速率。这种情况下,每个到来的数据包或者请求都能对应一个令牌,然后无延迟地通过队列;

数据流的速率小于令牌流的速率 。通过队列的数据包或者请求只消耗了一部分令牌,剩下的令牌会在令牌桶里积累下来,直到桶被装满。剩下的令牌可以在突发请求的时候消耗掉。
数据流的速率大于令牌流的速率 。这意味着桶里的令牌很快就会被耗尽。导致服务中断一段时间,如果数据包或者请求持续到来,将发生丢包或者拒绝响应。

 比如前面举得例子,生产令牌得速率和令牌桶得大小分别为rate = 2,burst =10 ,则系统能承受得突发请求速率为10次/s,平均请求速率为2次/s.三种情形中得最后一种情形是这个算法得核心所在,这个算法非常精确,实现非常简单并且对服务器得压力可以忽略不计,因此应用的相当广泛。

 特点

  • 令牌可以积累:桶中最大的令牌数是b,表示可以积累的最大令牌数
  • 允许突发流量:桶中token可以积累到n(0=<n<=b),此时如果有n个突发请求同时到达,这n个请求时可以同时允许处理的。

2.Sentinel实现限流

sentinel是阿里中间件团队开源的,面向分布式服务架构的轻量级高可用流量控制组件,主要以流量为切入点,从流量控制、熔断降级、系统负载保护等多个维度来帮助用户保护服务的稳定性。

选择sentinel作为限流组件,有很多理由,其中最有说服力的理由应该是

1. Sentinel承接了多次双十一大促流量的核心场景、包括秒杀、集群流量控制、实时熔断下游不可用服务
2. Sentinel提供了实时监控,可以通过控制台看到接入的应用的单台机器的秒级别数据
3. Sentinel 的生态支持,可以很简单的接入spring cloud、Dubbo、gRPC
4. 提供了SPI的扩展,可以通过SPI来扩展定制自己的限流规则

 

在Sentinel中,要实现流量控制,有两个核心的因素

  •  资源
简单来说,资源是指要被Sent   inel保护自来的目标对象,它是 Sentinel 的关键概念。它可以是 Java 应用程序中的任何内容,例如,由应用程序提供的服务,或由应用程序调用的其它应用提供的服务,甚至可以是一段代码。大部分情况下,可以使用方法签名,URL,甚至服务名称作为资源名来标示资源。
  •  规则
针对目标资源所设定的流控规则,它是围绕资源的实时状态设定的,可以包括流量控制规则、熔断降级规则以及系统保护规则,所有规则可以动态实时调整。
流量控制在网络传输中是一个常用的概念,它用于调整网络包的发送数据。
在实际应用中,请求数量往往是随机的且不可控的,而系统的处理能力又有限,所以我们需要根据系统的处理能力对流量进行控制,而Sentinel的核心作用,就是针对目标资源使用对应的规则把随机的请求调整成合适的形状

 

流量控制通常有以下纬度:

  •  资源的调用关系,例如资源的调用链路,资源和资源之间的关系。
  • 运行指标,例如QPS、线程池、系统负载等
  • 控制的效果,例如直接限流、冷启动、排队等

Sentinel的设计理念是让您自由选择控制的角度,并进行灵活组合,从而达到想要的效果。

3.限流应用实战

3.1 基于Semaphore实现一个线程流量的控制

public class SemaphoreExample {

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService= Executors.newCachedThreadPool();
        Semaphore semaphore=new Semaphore(5); //5个令牌
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            final int NO=i;
            Runnable runnable=new Runnable() {
                @Override
                public void run() { //表示线程的执行逻辑
                    try {
                        semaphore.acquire(); //在执行之前,先获取一个令牌
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":执行业务逻辑:"+NO);
                        Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }finally {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":释放令牌");
                        semaphore.release(); //释放令牌
                    }
                }
            };
            executorService.execute(runnable);
        }
        executorService.shutdown();
    }

}

  

分析:  semaphore创建了5个令牌 可以看到有5个线程拿到了令牌,当有一个线程释放令牌后,下一个线程才能够进来继续执行

3.2 基于guava实现的线程限流

public class GuavaExample {

    RateLimiter rateLimiter=RateLimiter.create(10); //qps=10 每秒生成10个

    public void doRequest(){
        if(rateLimiter.tryAcquire()){ //获取一个令牌
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":正常处理");
        }else{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":请求数量过多");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        GuavaExample ge=new GuavaExample();
        Random random=new Random();
        CountDownLatch latch=new CountDownLatch(1);
        for (int i=0;i<20;i++){
            new Thread(()->{
                try {
                    latch.await(); //让线程先阻塞
                    Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                    ge.doRequest();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        latch.countDown();
        System.in.read();
    }
}

3.3 基于Sentinel的限流

 限流治理

a.引入jar包

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
    <artifactId>sentinel-core</artifactId>
    <version>1.8.5</version>
</dependency>

b. 代码演示:

public class SentinelExample {
    //构造块
    {
        initFlowRules();
    }

    //静态块
    static {

    }

    //流控控制保护对象  针对doRequest进行限流
    private final static String RESROUCE="doRequest";

    public static void main(String[] args) {
        SentinelExample se=new SentinelExample();
        se.doRequest();
    }

    public void doRequest(){
        while(true){
            try(Entry entry= SphU.entry(RESROUCE)){//java7,自动释放资源
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":+执行业务逻辑");
            }catch (BlockException e){
                //如果被限流,就会抛出BlockedException
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void initFlowRules(){
        FlowRule rule=new FlowRule(); //限流的规则
        rule.setCount(5);   // 每秒访问5个请求
        rule.setGrade(RuleConstant.FLOW_GRADE_QPS); //针对QPS限流
        rule.setResource(RESROUCE); //被保护的资源
        List<FlowRule> rules=new ArrayList<>();
        rules.add(rule);
        FlowRuleManager.loadRules(rules); //让Sentinel加载限流规则
    }

}

分析: sentinel的使用主要围绕连个方向,定义什么样的规则,要限流或者说要保护的对象,基于这两点,initFlowRules方法就是定义规则和要保护的对象并且交由sentinel加载。采用while(true)不断的去请求资源。来模拟限流。

4.Springboot集成sentinel

a.引入jar包

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
    <artifactId>sentinel-annotation-aspectj</artifactId>
    <version>1.8.5</version>
</dependency>

b.集成spring注入sentinel Bean 这是因为sentinel中不像nacos和dubbo中有着spring-context nacos-spring-context这样的包,sentinel中没有sentinel-spring-context这样的包,但是都是基于AOP实现的,因此可以采用Bean注入的方式注入,让@SentinelResource注解生效

@Configuration
public class SentinelConfigration {

    @Bean
    public SentinelResourceAspect sentinelResourceAspect(){
         return new SentinelResourceAspect();
    }
}

 c.sentinel规则的初始化

public class FlowRuleInitFunc implements InitFunc {

    @Override
    public void init() throws Exception {
        List<FlowRule> rules=new ArrayList<>();
        FlowRule rule1=new FlowRule(); //限流的规则
        rule1.setCount(2);
        rule1.setGrade(RuleConstant.FLOW_GRADE_QPS); //针对QPS限流
        rule1.setResource(SentinelMethodConstant.SAYMETHOD_NAME); //被保护的资源

        FlowRule rule2=new FlowRule(); //限流的规则
        rule2.setCount(2);
        rule2.setGrade(RuleConstant.FLOW_GRADE_QPS); //针对QPS限流
        rule2.setResource(SentinelMethodConstant.TEST_FALLBACK); //被保护的资源
        rules.add(rule1);
        rules.add(rule2);
        FlowRuleManager.loadRules(rules); //让Sentinel加载限流规则
    }
}

sentinel中提供了初始化的SPI,只要实现InitFunc,在静态资源里面配置好,则启动项目的时候就会自动加载该规则

com.zsc.sentinel.example.springbootsentinelexample.config.FlowRuleInitFunc

 d.对接口方法级别的限流使用

@Service
public class HelloService {
    Logger logger= LoggerFactory.getLogger(HelloService.class);

    // value 必填 针对哪个资源做流量控制
    // blockHandler 表示的是出现block exception时的处理方法
    // blockHandlerClass 表示的是出现block exception时的处理类
    @SentinelResource(value = SentinelMethodConstant.SAYMETHOD_NAME,
            blockHandlerClass = SayMethodException.class,
            blockHandler = "handleException"
    )
    public void say(){
        System.out.println("Hello, Sentinel");
    }


    // fallback 降级
    @SentinelResource(value = SentinelMethodConstant.TEST_FALLBACK,
    fallback = "helloFallback")
    public String testFallback(){
        return "Hello, Fallback Test";
    }

    public String helloFallback(){
        logger.info("触发了Fallback方法");
        return "我是Fallback的返回结果";
    }
    

}

 常量类与异常处理类

public class SentinelMethodConstant {

    public final static String SAYMETHOD_NAME="say";

    public final static String TEST_FALLBACK="testFallback";
}
public class SayMethodException {

    public static void handleException(BlockException e){
        e.printStackTrace();
        System.out.println("Occur Exception: "+e.getClass().getCanonicalName());
    }
}

4.1 sentinel-dashboard的使用

java -Dserver.port=9999 -Dcsp.sentinel.dashboard.server=localhost:9999 -Dproject.name=sentinel-dashboard -jar sentinel-dashboard-1.8.7.jar

sentinel的可视化看板

https://github.com/alibaba/Sentinel/在release版本中找到jar包

在cmd中执行命令

java -Dserver.port=9999 -Dcsp.sentinel.dashboard.server=localhost:9999 -Dproject.name=sentinel-dashboard -jar sentinel-dashboard-1.8.7.jar

 在浏览器直接打开localhost:9999  输入账号密码 sentinel可进入

5. dubbo集成sentinel

a.引入jar包

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.csp</groupId>
    <artifactId>sentinel-apache-dubbo-adapter</artifactId>
    <version>1.8.5</version>
</dependency>

b.写规则,与springboot集成一致,只是资源换成接口级别的了

public class DubboFuleRuleInit implements InitFunc {
    @Override
    public void init() throws Exception {
        List<FlowRule> rules=new ArrayList<>();
        FlowRule rule1=new FlowRule(); //限流的规则
        rule1.setCount(2);
        rule1.setGrade(RuleConstant.FLOW_GRADE_QPS); //针对QPS限流
        rule1.setResource("org.zsc.normal.user.ISentinelService"); //被保护的资源
        rules.add(rule1);
        FlowRuleManager.loadRules(rules); //让Sentinel加载限流规则
    }
}

c.接口正常实现

@DubboService(cluster = "failfast",timeout = 1000)
public class SentinelService implements ISentinelService {

    Logger logger= LoggerFactory.getLogger(SentinelService.class);

    @Override
    public String testSentinel() {
        logger.info("begin SentinelService.testSentinel Method");
        return "执行Sentinel测试方法,测试限流的功能";
    }
}

d.那么dubbo是怎么控制该接口限流的呢 在dubbo里面有个fillter会去对接口名进行限流

 6.总结

        sentinel除了本身功能的丰富性,还可以集成不同的组件实现流量的控制,同时还能够针对不同维度,不同的指标来控制,并且它还能通过dashboard进行整体流量的管理和监控,这样对我们的整个维护来说会更加友好。核心的两个功能是限流和熔断,本篇只是介绍了限流的使用,后续介绍熔断。限流核心的两个东西是规则和资源,就是说我针对这个资源要通过什么样的规则来实现这个资源的保护。所以,在sentinel中要强化的两个点就是flowrule和resource,resource可以是我们的应用、接口、方法等。

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