40張圖看懂分布式追蹤系統(tǒng)
前言
在微服務(wù)架構(gòu)中，一次請求往往涉及到多個模塊，多個中間件，多臺機器的相互協(xié)作才能完成。這一系列調(diào)用請求中，有些是串行的，有些是并行的，那么如何確定這個請求背后調(diào)用了哪些應(yīng)用，哪些模塊，哪些節(jié)點及調(diào)用的先后順序？如何定位每個模塊的性能問題？本文將為你揭曉答案。
本文將會從以下幾個方面來闡述
- 分布式追蹤系統(tǒng)原理及作用
- SkyWalking的原理及架構(gòu)設(shè)計
- 我司在分布式調(diào)用鏈上的實踐
分布式追蹤系統(tǒng)的原理及作用
如何衡量一個接口的性能好壞，一般我們至少會關(guān)注以下三個指標(biāo)
- 接口的 RT 你怎么知道?
- 是否有異常響應(yīng)?
- 主要慢在哪里?
單體架構(gòu)
在初期，公司剛起步的時候，可能多會采用如下單體架構(gòu)，對于單體架構(gòu)我們該用什么方式來計算以上三個指標(biāo)呢?
最容易想到的顯然是用 AOP
使用 AOP 在調(diào)用具體的業(yè)務(wù)邏輯前后分別打印一下時間即可計算出整體的調(diào)用時間，使用 AOP 來 catch 住異常也可知道是哪里的調(diào)用導(dǎo)致的異常。
微服務(wù)架構(gòu)
在單體架構(gòu)中由于所有的服務(wù)，組件都在一臺機器上，所以相對來說這些監(jiān)控指標(biāo)比較容易實現(xiàn)，不過隨著業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，單體架構(gòu)必然會朝微服務(wù)架構(gòu)發(fā)展，如下
如圖示：一個稍微復(fù)雜的微服務(wù)架構(gòu)
如果有用戶反饋某個頁面很慢，我們知道這個頁面的請求調(diào)用鏈?zhǔn)?A -----> C -----> B -----> D，此時如何定位可能是哪個模塊引起的問題。每個服務(wù) Service A,B,C,D 都有好幾臺機器。怎么知道某個請求調(diào)用了服務(wù)的具體哪臺機器呢？
可以明顯看到，由于無法準(zhǔn)確定位每個請求經(jīng)過的確切路徑，在微服務(wù)這種架構(gòu)下有以下幾個痛點
- 排查問題難度大，周期長
- 特定場景難復(fù)現(xiàn)
- 系統(tǒng)性能瓶頸分析較難
分布式調(diào)用鏈就是為了解決以上幾個問題而生，它主要的作用如下
- 自動采取數(shù)據(jù)
- 分析數(shù)據(jù)產(chǎn)生完整調(diào)用鏈：有了請求的完整調(diào)用鏈，問題有很大概率可復(fù)現(xiàn)
- 數(shù)據(jù)可視化：每個組件的性能可視化，能幫助我們很好地定位系統(tǒng)的瓶頸，及時找出問題所在
通過分布式追蹤系統(tǒng)能很好地定位如下請求的每條具體請求鏈路，從而輕易地實現(xiàn)請求鏈路追蹤，每個模塊的性能瓶頸定位與分析。
分布式調(diào)用鏈標(biāo)準(zhǔn) - OpenTracing
知道了分布式調(diào)用鏈的作用，那我們來看下如何實現(xiàn)分布式調(diào)用鏈的實現(xiàn)及原理， 首先為了解決不同的分布式追蹤系統(tǒng) API 不兼容的問題，誕生了 OpenTracing 規(guī)范，OpenTracing 是一個輕量級的標(biāo)準(zhǔn)化層，它位于應(yīng)用程序/類庫和追蹤或日志分析程序之間。
這樣 OpenTracing 通過提供平臺無關(guān)，廠商無關(guān)的 API，使得開發(fā)人員能夠方便地添加追蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)。
說到這大家是否想過 Java 中類似的實現(xiàn)？還記得 JDBC 吧，通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的接口讓各個廠商去實現(xiàn)，程序員即可面對接口編程，不用關(guān)心具體的實現(xiàn)。這里的接口其實就是標(biāo)準(zhǔn)，所以制定一套標(biāo)準(zhǔn)非常重要，可以實現(xiàn)組件的可插拔。
接下來我們來看 OpenTracing 的數(shù)據(jù)模型，主要有以下三個
- Trace：一個完整請求鏈路
- Span：一次調(diào)用過程(需要有開始時間和結(jié)束時間)
- SpanContext：Trace 的全局上下文信息, 如里面有traceId
理解這三個概念非常重要，為了讓大家更好地理解這三個概念，我特意畫了一張圖
如圖示，一次下單的完整請求完整就是一個 Trace, 顯然對于這個請求來說，必須要有一個全局標(biāo)識來標(biāo)識這一個請求，每一次調(diào)用就稱為一個 Span，每一次調(diào)用都要帶上全局的 TraceId, 這樣才可把全局 TraceId 與每個調(diào)用關(guān)聯(lián)起來，這個 TraceId 就是通過 SpanContext 傳輸?shù)模热灰獋鬏旓@然都要遵循協(xié)議來調(diào)用。如圖示，我們把傳輸協(xié)議比作車，把 SpanContext 比作貨，把 Span 比作路應(yīng)該會更好理解一些。
理解了這三個概念，接下來我看看分布式追蹤系統(tǒng)如何采集統(tǒng)一圖中的微服務(wù)調(diào)用鏈
我們可以看到底層有一個 Collector 一直在默默無聞地收集數(shù)據(jù)，那么每一次調(diào)用 Collector 會收集哪些信息呢。
- 全局 trace_id：這是顯然的，這樣才能把每一個子調(diào)用與最初的請求關(guān)聯(lián)起來
- span_id: 圖中的 0，1，1.1，2,這樣就能標(biāo)識是哪一個調(diào)用
- parent_span_id：比如 b 調(diào)用 d 的 span_id 是 1.1，那么它的 parent_span_id 即為 a 調(diào)用 b 的 span_id 即 1，這樣才能把兩個緊鄰的調(diào)用關(guān)聯(lián)起來。
有了這些信息，Collector 收集的每次調(diào)用的信息如下
根據(jù)這些圖表信息顯然可以據(jù)此來畫出調(diào)用鏈的可視化視圖如下
于是一個完整的分布式追蹤系統(tǒng)就實現(xiàn)了。
以上實現(xiàn)看起來確實簡單，但有以下幾個問題需要我們仔細(xì)思考一下
- 怎么自動采集 span 數(shù)據(jù)：自動采集，對業(yè)務(wù)代碼無侵入
- 如何跨進(jìn)程傳遞 context
- traceId 如何保證全局唯一
- 請求量這么多采集會不會影響性能
接下我來看看 SkyWalking 是如何解決以上四個問題的
如果想學(xué)Java項目的，強烈推薦我的??項目消息推送平臺Austin（10K stars），可以用作畢業(yè)設(shè)計，可以用作校招，可以看看生產(chǎn)環(huán)境是怎么推送消息的。
倉庫地址（可點擊閱讀原文跳轉(zhuǎn)）：https://gitee.com/zhongfucheng/austin
SkyWalking的原理及架構(gòu)設(shè)計
怎么自動采集 span 數(shù)據(jù)
SkyWalking 采用了插件化 + javaagent 的形式來實現(xiàn)了 span 數(shù)據(jù)的自動采集，這樣可以做到對代碼的 無侵入性，插件化意味著可插拔，擴(kuò)展性好（后文會介紹如何定義自己的插件）
如何跨進(jìn)程傳遞 context
我們知道數(shù)據(jù)一般分為 header 和 body, 就像 http 有 header 和 body, RocketMQ 也有 MessageHeader，Message Body, body 一般放著業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，所以不宜在 body 中傳遞 context，應(yīng)該在 header 中傳遞 context，如圖示
dubbo 中的 attachment 就相當(dāng)于 header ,所以我們把 context 放在 attachment 中，這樣就解決了 context 的傳遞問題。
小提示：這里的傳遞 context 流程均是在 dubbo plugin 處理的，業(yè)務(wù)無感知，這個 plugin 是怎么實現(xiàn)的呢，下文會分析
traceId 如何保證全局唯一
要保證全局唯一 ，我們可以采用分布式或者本地生成的 ID，使用分布式話需要有一個發(fā)號器，每次請求都要先請求一下發(fā)號器，會有一次網(wǎng)絡(luò)調(diào)用的開銷，所以 SkyWalking 最終采用了本地生成 ID 的方式，它采用了大名鼎鼎的 snowflow 算法，性能很高。
圖示: snowflake 算法生成的 id
不過 snowflake 算法有一個眾所周知的問題：時間回?fù)?/strong>，這個問題可能會導(dǎo)致生成的 id 重復(fù)。那么 SkyWalking 是如何解決時間回?fù)軉栴}的呢。
每生成一個 id，都會記錄一下生成 id 的時間（lastTimestamp），如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前時間比上一次生成 id 的時間（lastTimestamp）還小，那說明發(fā)生了時間回?fù)埽藭r會生成一個隨機數(shù)來作為 traceId。 這里可能就有同學(xué)要較真了，可能會覺得生成的這個隨機數(shù)也會和已生成的全局 id 重復(fù)，是否再加一層校驗會好點。
這里要說一下系統(tǒng)設(shè)計上的方案取舍問題了，首先如果針對產(chǎn)生的這個隨機數(shù)作唯一性校驗無疑會多一層調(diào)用，會有一定的性能損耗，但其實時間回?fù)馨l(fā)生的概率很小（發(fā)生之后由于機器時間紊亂，業(yè)務(wù)會受到很大影響，所以機器時間的調(diào)整必然要慎之又慎），再加上生成的隨機數(shù)重合的概率也很小，綜合考慮這里確實沒有必要再加一層全局惟一性校驗。對于技術(shù)方案的選型，一定要避免過度設(shè)計，過猶不及。
請求量這么多，全部采集會不會影響性能?
如果對每個請求調(diào)用都采集，那毫無疑問數(shù)據(jù)量會非常大，但反過來想一下，是否真的有必要對每個請求都采集呢，其實沒有必要，我們可以設(shè)置采樣頻率，只采樣部分?jǐn)?shù)據(jù)，SkyWalking 默認(rèn)設(shè)置了 3 秒采樣 3 次，其余請求不采樣,如圖示
這樣的采樣頻率其實足夠我們分析組件的性能了，按 3 秒采樣 3 次這樣的頻率來采樣數(shù)據(jù)會有啥問題呢。理想情況下，每個服務(wù)調(diào)用都在同一個時間點（如下圖示）這樣的話每次都在同一時間點采樣確實沒問題
但在生產(chǎn)上，每次服務(wù)調(diào)用基本不可能都在同一時間點調(diào)用，因為期間有網(wǎng)絡(luò)調(diào)用延時等，實際調(diào)用情況很可能是下圖這樣
這樣的話就會導(dǎo)致某些調(diào)用在服務(wù) A 上被采樣了，在服務(wù) B，C 上不被采樣，也就沒法分析調(diào)用鏈的性能，那么 SkyWalking 是如何解決的呢。
它是這樣解決的：如果上游有攜帶 Context 過來（說明上游采樣了），則下游強制采集數(shù)據(jù)。這樣可以保證鏈路完整。
SkyWalking 的基礎(chǔ)架構(gòu)
SkyWalking 的基礎(chǔ)如下架構(gòu)，可以說幾乎所有的的分布式調(diào)用都是由以下幾個組件組成的
首先當(dāng)然是節(jié)點數(shù)據(jù)的定時采樣，采樣后將數(shù)據(jù)定時上報，將其存儲到 ES, MySQL 等持久化層，有了數(shù)據(jù)自然而然可根據(jù)數(shù)據(jù)做可視化分析。
SkyWalking 的性能如何
接下來大家肯定比較關(guān)心 SkyWalking 的性能，那我們來看下官方的測評數(shù)據(jù)
圖中藍(lán)色代表未使用 SkyWalking 的表現(xiàn)，橙色代表使用了 SkyWalking 的表現(xiàn)，以上是在 TPS 為 5000 的情況下測出的數(shù)據(jù)，可以看出，不論是 CPU，內(nèi)存，還是響應(yīng)時間，使用 SkyWalking 帶來的性能損耗幾乎可以忽略不計。
接下來我們再來看 SkyWalking 與另一款業(yè)界比較知名的分布式追蹤工具 Zipkin, Pinpoint 的對比（在采樣率為 1 秒 1 個，線程數(shù) 500，請求總數(shù)為 5000 的情況下做的對比）,可以看到在關(guān)鍵的響應(yīng)時間上， Zipkin（117ms）,PinPoint（201ms）遠(yuǎn)遜色于 SkyWalking（22ms）!
從性能損耗這個指標(biāo)上看，SkyWalking 完勝！
再看下另一個指標(biāo)：對代碼的侵入性如何，ZipKin 是需要在應(yīng)用程序中埋點的，對代碼的侵入強，而 SkyWalking 采用 javaagent + 插件化這種修改字節(jié)碼的方式可以做到對代碼無任何侵入，除了性能和對代碼的侵入性上 SkyWaking 表現(xiàn)不錯外，它還有以下優(yōu)勢幾個優(yōu)勢
-
對多語言的支持，組件豐富：目前其支持 Java, .Net Core, PHP, NodeJS, Golang, LUA 語言，組件上也支持dubbo, mysql 等常見組件，大部分能滿足我們的需求。
-
擴(kuò)展性：對于不滿足的插件，我們按照 SkyWalking 的規(guī)則手動寫一個即可，新實現(xiàn)的插件對代碼無入侵。
我司在分布式調(diào)用鏈上的實踐
SkyWalking 在我司的應(yīng)用架構(gòu)
由上文可知 SkyWalking 有很多優(yōu)點，那么是不是我們用了它的全部組件了呢，其實不然，來看下其在我司的應(yīng)用架構(gòu)
從圖中可以看出我們只采用了 SkyWalking 的 agent 來進(jìn)行采樣，放棄了另外的「數(shù)據(jù)上報及分析」，「數(shù)據(jù)存儲」，「數(shù)據(jù)可視化」三大組件，那為啥不直接采用 SkyWalking 的整套解決方案呢，因為在接入 SkyWalking 之前我們的 Marvin 監(jiān)控生態(tài)體系已經(jīng)相對比較完善了，如果把其整個替換成 SkyWalking，一來沒有必要，Marvin 在大多數(shù)場景下都能滿足我們的需求，二來系統(tǒng)替換成本高，三來如果重新接入用戶學(xué)習(xí)成本很高。
這也給我們一個啟示：任何產(chǎn)品搶占先機很重要，后續(xù)產(chǎn)品的替換成本會很高，搶占先機，也就是搶占了用戶的心智，這就像微信雖然 UI，功能上制作精良，但在國外照樣干不過 Whatsapp 一樣，因為先機已經(jīng)沒了。
從另一方面來看，對架構(gòu)來說，沒有最好的，最有最合適的，結(jié)合當(dāng)前業(yè)務(wù)場景去平衡折中才是架構(gòu)設(shè)計的本質(zhì)
我司對 SkyWalking 作了哪些改造和實踐
我司主要作了以下改造和實踐
- 預(yù)發(fā)環(huán)境由于調(diào)試需要強制采樣
- 實現(xiàn)更細(xì)粒度的采樣?
- 日志中嵌入traceId
- 自研實現(xiàn)了 SkyWalking 插件
預(yù)發(fā)環(huán)境由于調(diào)試需要強制采樣
從上文分析可知 Collector 是在后臺定時采樣的，這不挺好的嗎，為啥要實現(xiàn)強制采樣呢。還是為了排查定位問題，有時線上出現(xiàn)問題，我們希望在預(yù)發(fā)上能重現(xiàn)，希望能看到這個請求的完整調(diào)用鏈，所以在預(yù)發(fā)上實現(xiàn)強制采樣很有必要。所以我們對 Skywalking 的 dubbo 插件進(jìn)行了改造，實現(xiàn)強制采樣
我們在請求的 Cookie 上帶上一個類似 force_flag = true 這樣的鍵值對來表示我們希望強制采樣，在網(wǎng)關(guān)收到這個 Cookie 后，就會在 dubbo 的 attachment 里帶上force_flag = true 這個鍵值對，然后 skywalking 的 dubbo 插件就可以據(jù)此來判斷是否是強制采樣了，如果有這個值即強制采樣，如果沒有這個值，則走正常的定時采樣。
實現(xiàn)更細(xì)粒度的采樣?
哈叫更細(xì)粒度的采樣。先來看下 skywalking 默認(rèn)的采樣方式 ，即統(tǒng)一采樣
我們知道這種方式默認(rèn)是 3 秒采樣前 3 次，其他請求都丟棄，這樣的話有個問題，假設(shè)在這臺機器上在 3 秒內(nèi)有多個 dubbo，mysql，redis 調(diào)用，但在如果前三次都是 dubbo 調(diào)用的話，其他像 mysql, redis 等調(diào)用就采樣不到了，所以我們對 skywalking 進(jìn)行了改造，實現(xiàn)了分組采樣，如下
就是說 3 秒內(nèi)進(jìn)行 3 次 redis, dubbo, mysql 等的采樣，也就避免了此問題
日志中如何嵌入traceId?
輸出日志中嵌入 traceId 便于我們排查問題，所以打出出 traceId 非常有必要，該怎么在日志中嵌入 traceId 呢？我們用的是 log4j，這里就要了解一下 log4j 的插件機制了，log4j 允許我們自定義插件來輸出日志的格式，首先我們需要定義日志的格式，在自定義的日志格式中嵌入 %traceId, 作為占位符，如下
然后我們再實現(xiàn)一個 log4j 的插件，如下
首先 log4j 的插件要定義一個類，這個類要繼承 LogEventPatternConverter 這個類，并且用標(biāo)準(zhǔn) Plugin 將其自身聲明為 Plugin，通過 @ConverterKeys 這個注解指定了要替換的占位符，然后在 format 方法里將其替換掉。這樣在日志中就會出現(xiàn)我們想要的 TraceId ,如下
我司自研了哪些 skywalking 插件
SkyWalking 實現(xiàn)了很多插件，不過未提供 memcached 和 druid 的插件，所以我們根據(jù)其規(guī)范自研了這兩者的插件
插件如何實現(xiàn)呢，可以看到它主要由三個部分組成
- 插件定義類: 指定插件的定義類，最終會根據(jù)這里的定義類打包生成 plugin
- Instrumentation: 指定切面，切點，要對哪個類的哪個方法進(jìn)行增強
- Interceptor,指定步驟 2 中要在方法的前置，后置還是異常中寫增強邏輯
可能大家看了還是不懂，那我們以 dubbo plugin 來簡單講解一下，我們知道在 dubbo 服務(wù)中，每個請求從 netty 接收到消息，遞交給業(yè)務(wù)線程池處理開始，到真正調(diào)用到業(yè)務(wù)方法結(jié)束，中間經(jīng)過了十幾個 Filter 的處理
而 MonitorFilter 可以攔截所有客戶端發(fā)出請求或者服務(wù)端處理請求，所以我們可以對 MonitorFilter 作增強，在其調(diào)用 invoke 方法前，將全局 traceId 注入到其 Invocation 的 attachment 中，這樣就可以確保在請求到達(dá)真正的業(yè)務(wù)邏輯前就已經(jīng)存在全局 traceId。
所以顯然我們需要在插件中指定我們要增強的類（MonitorFilter）,對其方法（invoke）做增強，要對這個方法做哪些增強呢，這就是攔截器（Inteceptor）要做的事，來看看 Dubbo 插件中的 instrumentation（DubboInstrumentation）
我們再看看下代碼中描寫的攔截器（Inteceptor）干了什么事，以下列出關(guān)鍵步驟
首先 beforeMethod 代表在執(zhí)行 MonitorFilter 的 invoke 方法前會調(diào)用這里的方法，與之對應(yīng)的是 afterMethod，代表在執(zhí)行 invoke 方法后作增強邏輯。
其次我們從第 2，3點可以看到，不管是 consumer 還是 provider, 都對其全局 ID 作了相應(yīng)處理，這樣確保到達(dá)真正的業(yè)務(wù)層的時候保證有了此全局 traceid，定義好 Instrumentation 和 Interceptor 后，最后一步就是在 skywalking.def 里指定定義的類
// skywalking-plugin.def 文件
dubbo=org.apache.skywalking.apm.plugin.asf.dubbo.DubboInstrumentation
這樣打包出來的插件就會對 MonitorFilter 的 invoke 方法進(jìn)行增強，在 invoke 方法執(zhí)行前對期 attachment 作注入全局 traceId 等操作，這一切都是靜默的，對代碼無侵入的。
總結(jié)
本文由淺入深地介紹了分布式追蹤系統(tǒng)的原理，相信大家對其作用及工作機制有了比較深的理解，特別需要注意的是，引入某項技巧，一定要結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)架構(gòu)作出最合理的選擇，就像 SkyWalking 有四個模塊，我司只采用其 agent 采樣功能一樣，沒有最好的技術(shù)，只有最合適的技術(shù)，通過此文，相信大家應(yīng)該對 SkyWalking 的實現(xiàn)機制有了比較清晰的認(rèn)識，文中只是介紹了一下 SkyWalking 的插件實現(xiàn)方式，不過其畢竟是工業(yè)級軟件，要了解其博大精深，還要多讀源碼哦。
Java項目訓(xùn)練營我開通了 項目股東服務(wù) ，已經(jīng)有不少消息推送平臺項目股東拿了阿里/vivo等大廠offer了。 我是沒找到網(wǎng)上有跟我提供相同的服務(wù)，價格還比我低的 。
??一對一周到的服務(wù)： 有很多人的自學(xué)能力和基礎(chǔ)確實不太行，不知道怎么開始學(xué)習(xí)，從哪開始看起，學(xué)習(xí)項目的過程中會走很多彎路，很容易就迷茫了。付費最跟自學(xué)最主要的區(qū)別就是我的服務(wù)會更周到。我會告訴你怎么開始學(xué)這個開源項目，哪些是重點需要掌握的，如何利用最短的時間把握整個系統(tǒng)架構(gòu)和編碼的設(shè)計，把時間節(jié)省下來去做其他事情。學(xué)習(xí)經(jīng)驗/路線/簡歷編寫/面試經(jīng)驗知無不言
??本地直連遠(yuǎn)程服務(wù)： 生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)肯定會依賴各種中間件，我專門買了兩臺服務(wù)器已經(jīng)搭建好必要的環(huán)境??，在本地就可以直接啟動運行體驗和學(xué)習(xí)，無須花額外的時間自行搭建調(diào)試。
??細(xì)致的文檔&視頻： 巨細(xì)致的語雀文檔11W+ 字，共106個文檔，項目視頻還在持續(xù)制作更新中（20個），不怕你學(xué)不會。
??付費社群 ： 優(yōu)質(zhì)的社群里需篩選過濾，學(xué)習(xí)氛圍是很重要的，多跟同輩或前輩聊聊，會少走很多彎路??
??清爽干練commit： 專屬股東倉庫，一步一步從零復(fù)現(xiàn)austin，每個commit都帶著文檔&視頻學(xué)習(xí)。
如果想獲取上面的權(quán)益，可以看看?? Java項目訓(xùn)練營