RedisとSliding Window Logによる高精度なAPIレート制限実装

// Redis公式仕様：MULTI / EXEC アトミック処理によるレート制限
import Redis from 'ioredis';
const redis = new Redis();

async function isRateLimited(userId: string, limit = 10, windowSec = 60): Promise<boolean> {
  const now = Date.now();
  const clearBefore = now - windowSec * 1000;
  const key = `rate:${userId}`;
  const requestId = `${now}:${Math.random()}`; // 同一ミリ秒重複防止

  // ⭕ MULTI / EXEC によるアトミック（原子）処理
  const tx = redis.multi();
  tx.zremrangebyscore(key, 0, clearBefore); // 1. 窓外の古いログを全削
  tx.zadd(key, now, requestId);            // 2. 今回のリクエストを追加
  tx.zcard(key);                           // 3. 現在の窓内件数をカウント
  tx.expire(key, windowSec);               // 4. キーの無制限残存を防止

  const results = await tx.exec();
  if (!results) throw new Error('Redis transaction failed');

  const count = results[2][1] as number; // 3番目 (ZCARD) の結果を取得
  return count > limit;
}

Redis公式仕様：レート制限アルゴリズム比較マトリクス

アルゴリズム	精密度	バースト攻撃耐性	実装構造
Fixed Window (固定枠)	❌ 低い	❌ 時間境界（例: 59秒と00秒）で2倍の連打を許す	単純な INCR ＋ EXPIRE
Leaky Bucket (漏れバケツ)	△ 中程度	◯ 一定速度に平滑化するが即時処理を遅延	キュー（Queue）による順次処理
Sliding Window Log	◯ 極めて高い	◯ どの1分間をとっても正確に上限内へ制限	ZSET (スコア＝タイムスタンプ)

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実際に起こる障害：アトミック性（Race Condition）欠損によるレート突破事故

高並行アクセス（ミリ秒間に数百リクエスト）が発生するAPIサーバーにおいて、ZREMRANGEBYSCORE や ZCARD をアトミック処理（MULTI/EXEC または Lua スクリプト）を行わずに個別のコマンドとして順次発行した場合、競合状態（Race Condition）が発生します。

他スレッドの書き込みが割り込むことで ZCARD の件数判定が正常に機能せず、本来10回までに制限すべきAPIに対して数十〜数百回のリクエストが制限をくぐり抜けてバックグラウンドDBへ直撃し、DBが過負荷ダウンする障害 が発生します。

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実装手順

1. 識別子（IPアドレスまたはユーザーID）を含む Redis ZSET キー（rate:user_123）を作成する
2. 同一ミリ秒での一意性を保つため、メンバー値に 現在時刻:乱数 のユニーク文字列を生成する
3. redis.multi() トランザクションブロック内で、削除（ZREMRANGEBYSCORE） → 追加（ZADD） → 件数取得（ZCARD） → TTL設定（EXPIRE）を不可分に実行する
4. レート制限を超過した場合は 429 Too Many Requests と Retry-After ヘッダーをクライアントへ返却する