概述

本文介绍在 Spring Boot 3 中实现多维度网络带宽限速的完整方案。基于令牌桶算法手动实现核心逻辑，通过自定义HandlerInterceptor拦截请求、HttpServletResponseWrapper包装响应流、RateLimitedOutputStream控制输出速率，实现对文件下载、视频流等场景的精确速度控制。

为什么需要带宽限速

带宽限速与常见的 API 限流不同：限流控制的是请求次数（如每分钟100次），而限速控制的是网络带宽（如每秒200KB）。在实际应用中，带宽限速有着重要的业务价值：

场景一：文件下载服务

对于网盘或资源分发平台，免费用户限制在 200KB/s，VIP 用户提升到 2MB/s，既能保障基础体验，又能激励付费转化。

场景二：视频流媒体

不同清晰度对应不同带宽限制（480P 用 500KB/s，1080P 用 3MB/s），避免高码率视频占用过多服务器带宽。

场景三：API 接口保护

大数据量接口（如导出报表）如果没有带宽控制，单个请求可能占满整个出口带宽，影响其他用户访问。

核心原理：令牌桶算法

令牌桶算法是流量控制的经典方案，其思想非常直观：想象一个桶，系统以固定速率向桶中放入令牌，请求数据时必须从桶中取走对应数量的令牌。

核心参数解析：

1. 桶容量（Capacity）：决定能承受多大突发流量。容量为 200KB 时，即使桶已满，最多也只能连续发送 200KB 数据，之后必须等待令牌补充。

2. 填充速率（Refill Rate）：决定长期平均传输速度。每秒补充 200KB 令牌，意味着平均速度就是 200KB/s。

3. 分块大小（Chunk Size）：影响流量平滑度。将 8KB 数据拆分成 2KB×4 次写入，每次写入之间进行令牌检查，比一次性写入 8KB 更加平滑。

算法流程：

发送数据前：

1. 计算距离上次补充的时间差

2. 根据 时间差 × 填充速率 计算新增令牌数

3. 更新桶中令牌数（不超过容量上限）

发送数据时：

1. 检查令牌是否足够

2. 足够：直接扣除令牌，发送数据

3. 不足：计算 (缺少令牌数 / 填充速率) 得到等待时间，精确等待后发送

技术设计

整体流程

本方案采用拦截器模式，在请求处理的早期阶段完成限速组件的初始化，通过请求属性传递包装后的响应对象。

请求流程： ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 1. DispatcherServlet 分发请求 │ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ ↓ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 2. BandwidthLimitInterceptor.preHandle() │ │ - 解析 @BandwidthLimit 注解 │ │ - 从 BandwidthLimitManager 获取共享 TokenBucket │ │ - 创建 BandwidthLimitResponseWrapper 并存入 request attribute │ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ ↓ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 3. Controller 处理请求 │ │ - 通过 BandwidthLimitHelper.getLimitedResponse() 获取包装后的响应 │ │ - 向响应流写入数据（自动触发限速） │ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ ↓ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 4. BandwidthLimitInterceptor.afterCompletion() │ │ - 清理资源，关闭流 │ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

为什么选择 HandlerInterceptor

在 Spring Boot 中实现请求处理，有两种常见方式：Filter和HandlerInterceptor。本方案选择HandlerInterceptor的关键原因是：注解解析需要HandlerMethod对象。

Filter 在DispatcherServlet之前执行，此时还没有确定具体的处理方法，无法获取方法上的@BandwidthLimit注解。而HandlerInterceptor在处理器确定后执行，可以通过HandlerMethod精确获取方法级别和类级别的注解信息。

核心组件职责

多维度限速实现

本方案支持四种限速维度，满足不同业务场景需求：

全局限速（GLOBAL）

所有请求共享同一个限速桶，适合保护服务器整体出口带宽。例如设置 10MB/s 全局限制，即使有100个并发下载，总带宽也不会超过 10MB/s。

@BandwidthLimit(value = 200, unit = BandwidthUnit.KB, type = LimitType.GLOBAL) @GetMapping("/download/global") public void downloadGlobal(HttpServletResponse response) throws IOException { HttpServletResponse limitedResponse = BandwidthLimitHelper.getLimitedResponse(request, response); // 写入数据... }

API 维度限速（API）

每个接口路径独立限速，不同接口的流量互不影响。/api/file/download限制 500KB/s，/api/video/stream限制 2MB/s，两个接口可以同时达到各自的速度上限。

@BandwidthLimit(value = 500, unit = BandwidthUnit.KB, type = LimitType.API) @GetMapping("/download/file") public void downloadFile(HttpServletResponse response) throws IOException { // 文件下载逻辑 } @BandwidthLimit(value = 2048, unit = BandwidthUnit.KB, type = LimitType.API) @GetMapping("/stream/video") public void streamVideo(HttpServletResponse response) throws IOException { // 视频流逻辑 }

用户维度限速（USER）

根据用户标识（如请求头X-User-Id）进行限速，每个用户独立计算带宽。配合 free 和 vip 参数，可实现差异化服务：

@BandwidthLimit(value = 200, unit = BandwidthUnit.KB, type = LimitType.USER, free = 200, vip = 2048) @GetMapping("/download/user") public void downloadByUser(@RequestHeader("X-User-Type") String userType, HttpServletResponse response) throws IOException { // 根据请求头 X-User-Type 自动应用 200KB/s 或 2MB/s 限速 }

IP 维度限速（IP）

根据客户端 IP 地址限速，防止单个 IP 占用过多带宽。支持代理环境下的 IP 获取（X-Forwarded-For、X-Real-IP）。

@BandwidthLimit(value = 300, unit = BandwidthUnit.KB, type = LimitType.IP) @GetMapping("/download/ip") public void downloadByIp(HttpServletResponse response) throws IOException { // 每个独立 IP 限制 300KB/s }

关键代码实现

1. 令牌桶核心算法

TokenBucket 的核心在于精确的时间计算和令牌补充。使用System.nanoTime()获取纳秒级时间戳，确保高精度速率控制。

public synchronized void acquire(long permits) { // 1. 补充令牌 refill(); // 2. 计算等待时间 if (tokens >= permits) { tokens -= permits; return; } long deficit = permits - tokens; long waitNanos = (deficit * 1_000_000_000L) / refillRate; // 3. 精确等待 sleepNanos(waitNanos); // 4. 等待后消费 tokens = 0; } private void refill() { long now = System.nanoTime(); long elapsedNanos = now - lastRefillTime; long newTokens = (elapsedNanos * refillRate) / 1_000_000_000L; tokens = Math.min(capacity, tokens + newTokens); lastRefillTime = now; }

2. 响应包装器

HttpServletResponseWrapper是 Servlet 规范提供的响应包装基类，通过覆盖getOutputStream()方法返回自定义的限速输出流。

public class BandwidthLimitResponseWrapper extends HttpServletResponseWrapper { privatefinal TokenBucket sharedTokenBucket; // 共享的令牌桶 @Override public ServletOutputStream getOutputStream() throws IOException { if (limitedOutputStream == null && sharedTokenBucket != null) { // 使用共享 TokenBucket，确保多维度统计正确 limitedOutputStream = new RateLimitedOutputStream( super.getOutputStream(), sharedTokenBucket, bandwidthBytesPerSecond ); } return limitedOutputStream; } }

3. 拦截器获取包装响应

拦截器在 preHandle 中创建响应包装器，存储到request attribute，Controller 通过BandwidthLimitHelper获取。

@Override public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) { BandwidthLimit annotation = findAnnotation(handler); if (annotation != null) { // 从 Manager 获取共享 TokenBucket TokenBucket bucket = limitManager.getBucket(type, key, capacity, rate); // 创建包装器并存储 BandwidthLimitResponseWrapper wrappedResponse = new BandwidthLimitResponseWrapper(response, bucket, bandwidthBytesPerSecond, chunkSize); request.setAttribute("BandwidthLimitWrappedResponse", wrappedResponse); } return true; }

4. Controller 获取限速响应

Controller 通过BandwidthLimitHelper.getLimitedResponse()获取包装后的响应，所有写入操作都会自动限速。

@GetMapping("/download/global") public void downloadGlobal(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException { HttpServletResponse limitedResponse = BandwidthLimitHelper.getLimitedResponse(request, response); limitedResponse.setContentType("application/octet-stream"); limitedResponse.setHeader("Content-Disposition", "attachment; filename=test.bin"); // 写入数据时自动限速 limitedResponse.getOutputStream().write(data); }

参数调优指南

桶容量选择

容量决定突发流量承受能力：

// 注解配置 @BandwidthLimit(value = 200, unit = BandwidthUnit.KB, capacityMultiplier = 1.0)

分块大小选择

分块大小影响流量平滑度，经验公式：chunkSize = bandwidth / 50

// 自动计算（推荐） @BandwidthLimit(value = 200, unit = BandwidthUnit.KB, chunkSize = -1) // 手动指定 @BandwidthLimit(value = 200, unit = BandwidthUnit.KB, chunkSize = 4096)

总结

本文基于令牌桶算法，通过HandlerInterceptor + HttpServletResponseWrapper，在 Spring Boot 中实现了多维度带宽限速。

支持全局/API/用户/IP 四种限速维度，提供实时统计监控，适用于API接口保护、文件下载、视频流等场景。