Hoe ontwerp je rate limiting?

Question

Accepted Answer

**Rate limiting** beperkt het aantal verzoeken dat een client in een bepaald tijdsvenster kan doen — het beschermt systemen tegen misbruik, overbelasting en zorgt voor eerlijk gebruik. Het is een veelgebruikt onderdeel van systeemontwerp, met verschillende algoritmen en overwegingen.

## Waarom rate limiting

```text
✓ PROTECT against abuse → prevent attacks (brute force, scraping, DoS), excessive use
✓ PREVENT OVERLOAD → protect the system from being overwhelmed (stability)
✓ FAIR USAGE → ensure no single client monopolizes resources; tiered limits (free vs paid)
✓ COST control; protect downstream services
→ a common requirement for APIs and services.
```

## Rate limiting algoritmen

```text
FIXED WINDOW → count requests per fixed time window (e.g. 100/minute); simple
  ✗ allows bursts at window boundaries (up to 2x at the edges)
SLIDING WINDOW → rolling time window → smoother, no boundary bursts (more accurate)
TOKEN BUCKET → tokens refill at a rate; each request takes a token → allows BURSTS up to
  the bucket size while limiting the average rate (popular, flexible)
LEAKY BUCKET → requests processed at a steady rate (smooths output)
```

## Implementatieoverwegingen

```text
✓ DISTRIBUTED → limits must be shared across servers → use a centralized store (REDIS is
  common: atomic counters, fast, shared across instances)
✓ Identify the client → by API key, user ID, IP
✓ Return clear responses → HTTP 429 (Too Many Requests); include limit/retry-after headers
✓ Where → at the API gateway, load balancer, or application layer
✓ Granularity → per user, per endpoint, global; different tiers/limits
```

## Waarom het belangrijk is

Het begrijpen hoe je rate limiting ontwerpt is waardevol omdat het een **veelgebruikt onderdeel van systeemontwerp** is voor het beschermen van systemen en het zorgen voor eerlijk gebruik. Dit maakt het belangrijke praktische kennis.

Rate limiting — het beperken van het aantal verzoeken dat een client in een bepaald tijdsvenster kan doen — beantwoordt aan belangrijke behoeften: **bescherming tegen misbruik** (het voorkomen van aanvallen zoals brute-force, scraping en DoS), **voorkoming van overbelasting** (het beschermen van systeemstabiliteit), het garanderen van **eerlijk gebruik** (geen client monopoliseert resources, ondersteuning van gelaagde limieten zoals gratis versus betaald), en kostencontrole.

Deze aspecten maken rate limiting een veelgebruikte vereiste voor API's en services.

Het begrijpen van de **algoritmen** en hun voor- en nadelen — **fixed window** (eenvoudig maar met mogelijke pieken aan grenzen), **sliding window** (vloeiender en nauwkeuriger), **token bucket** (mogelijkheid voor gecontroleerde pieken met beperkt gemiddelde snelheid — populair en flexibel), en leaky bucket (uitvlakking van output) — is de cruciale designkennis, omdat het kiezen van het juiste algoritme het gedrag beïnvloedt.

Het begrijpen van de **implementatieoverwegingen** is met name belangrijk: afhandeling van **gedistribueerde rate limiting** (limieten gedeeld over meerdere servers, veelal met **Redis** voor snelle atomaire tellers die over instances heen worden gedeeld — aangezien per-server limieten niet werken in gedistribueerde systemen), identificatie van clients (op basis van API-sleutel, gebruiker of IP), duidelijke reacties (HTTP 429 met retry-after headers), keuze waar het toe te passen (gateway, load balancer of applicatie), en granulariteit (per gebruiker, per eindpunt, gelaagd).

Deze aspecten weerspiegelen het ontwerp van rate limiting dat werkt in echte gedistribueerde systemen.

Rate limiting is een veelvuldig benodigde component die regelmatig naar voren komt in systeemdesigndiscussies en interviews.

Omdat rate limiting een veelgebruikt, belangrijk onderdeel is voor het beschermen van systemen (tegen misbruik en overbelasting) en het zorgen voor eerlijk gebruik, en omdat het begrijpen van de algoritmen, hun voor- en nadelen, en met name gedistribueerde implementatie (gedeelde limieten via Redis) belangrijk is voor een goed ontwerp, is het begrijpen hoe je rate limiting ontwerpt waardevol en praktisch relevant systeemontwerp — een veelgebruikt onderdeel voor het beschermen van services en het zorgen voor eerlijk gebruik, waarvoor begrip van de algoritmen en gedistribueerde implementatie nodig is, en een regelmatig besproken onderwerp in systeemontwerp voor het bouwen van robuuste, beveiligde systemen.