如何解决链路追踪问题

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微服务 - 如何解决链路追踪问题

一、链路追踪

​微服务架构是将单个应用程序被划分成各种小而连接的服务，每一个服务完成一个单一的业务功能，相互之间保持独立和解耦，每个服务都可以独立演进。相对于传统的单体服务，微服务具有隔离性、技术异构性、可扩展性以及简化部署等优点。

​同样的，微服务架构在带来诸多益处的同时，也为系统增加了不少复杂性。它作为一种分布式服务，通常部署于由不同的数据中心、不同的服务器组成的集群上。而且，同一个微服务系统可能是由不同的团队、不同的语言开发而成。通常一个应用由多个微服务组成，微服务之间的数据交互需要通过远过程调用的方式完成，所以在一个由众多微服务构成的系统中，请求需要在各服务之间流转，调用链路错综复杂，一旦出现问题，是很难进行问题定位和追查异常的。

​链路追踪系统就是为解决上述问题而产生的，它用来追踪每一个请求的完整调用链路，记录从请求开始到请求结束期间调用的任务名称、耗时、标签数据以及日志信息，并通过可视化的界面进行分析和展示，来帮助技术人员准确地定位异常服务、发现性能瓶颈、梳理调用链路以及预估系统容量。

​链路追踪系统的理论模型几乎都借鉴了 Google 的一篇论文”Dapper, a Large-Scale Distributed Systems Tracing Infrastructure”，典型产品有Uber jaeger、Twitter zipkin、淘宝鹰眼等。这些产品的实现方式虽然不尽相同，但核心步骤一般都有三个：数据采集、数据存储和查询展示。

​链路追踪系统第一步，也是最基本的工作就是数据采集。在这个过程中，链路追踪系统需要侵入用户代码进行埋点，用于收集追踪数据。但是由于不同的链路追踪系统的API互不兼容，所以埋点代码写法各异，导致用户在切换不同链路追踪产品时需要做很大的改动。为了解决这类问题，于是诞生了OpenTracing规范，旨在统一链路追踪系统的API。

二、OpenTracing规范

​OpenTracing 是一套分布式追踪协议，与平台和语言无关，具有统一的接口规范，方便接入不同的分布式追踪系统。

​OpenTracing语义规范详见：https://github.com/opentracing/specification/blob/master/specification.md

2.1 数据模型（Data Model）

​OpenTracing语义规范中定义的数据模型有 Trace、Sapn以及Reference。

2.1.1 Trace

​Trace表示一条完整的追踪链路，例如：一个事务或者一个流程的执行过程。一个 Trace 是由一个或者多个 Span 组成的有向无环图（DAG）。

下图表示一个由8个Span组成的Trace：

        [Span A]  ←←←(the root span)
            |
     +------+------+
     |             |
 [Span B]      [Span C] ←←←(Span C is a `ChildOf` Span A)
     |             |
 [Span D]      +---+-------+
               |           |
           [Span E]    [Span F] >>> [Span G] >>> [Span H]
                                       ↑
                                       ↑
                                       ↑
                         (Span G `FollowsFrom` Span F)

按照时间轴方式更为直观地展现该Trace：

––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–> time

 [Span A···················································]
   [Span B··············································]
      [Span D··········································]
    [Span C········································]
         [Span E·······]        [Span F··] [Span G··] [Span H··]
2.1.2 Span

​Span表示一个独立的工作单元，它是一条追踪链路的基本组成要素。例如：一次RPC调用、一次函数调用或者一次Http请求。

每个Span封装了如下状态：

2.1.3 Reference

​一个Span可以与一个或者多个Span存在因果关系，这种关系称为Reference。OpenTracing目前定义了两种关系：ChildOf（父子）关系 和 FollowsFrom（跟随）关系。

  • ChildOf关系

    父Span的执行依赖子Span的执行结果，此时子Span对父Span的Reference关系是ChildOf。比如对于一次RPC调用，服务端的Span（子Span）与客户端调用的Span（父Span）就是ChildOf关系。

  • FollowsFrom关系

    父Span的执行不依赖子Span的执行结果，此时子Span对父Span的Reference关系是FollowFrom。FollowFrom常用于表示异步调用，例如消息队列中Consumer Span与Producer Span之间的关系。

2.2 应用接口（API）

2.2.1 Tracer

​Tracer接口用于创建Span、跨进程注入数据和提取数据。通常具有以下功能：

  • Start a new span
    创建并启动一个新的Span。
  • Inject
    将SpanContext注入载体（Carrier）。
  • Extract
    从载体（Carrier）中提取SpanContext。
2.2.2 Span

  • Retrieve a SpanContext
    返回Span对应的SpanContext。

  • Overwrite the operation name
    更新操作名称。

  • Set a span tag
    设置Span标签数据。

  • Log structured data
    记录结构化数据。

  • Set a baggage item
    baggage item是字符串型的键值对，它对应于某个 Span，随Trace一起传播。由于每个键值都会被拷贝到每一个本地及远程的子Span，这可能导致巨大的网络和CPU开销。

  • Get a baggage item
    获取baggage item的值。

  • Finish
    结束一个Span。

2.2.3 Span Context

​用于携带跨越服务边界的数据，包括trace ID、Span ID以及需要传播到下游Span的baggage数据。在OpenTracing中，强制要求SpanContext实例不可变，以避免在Span完成和引用时出现复杂的生命周期问题。

2.2.4 NoopTracer

​所有对OpenTracing API的实现，必须提供某种形式的NoopTracer，用于标记控制OpenTracing或注入对测试无害的东西。

三、Jaeger

​Jaeger是Uber开源的分布式追踪系统，它的应用接口完全遵循OpenTracing规范。jaeger本身采用go语言编写，具有跨平台跨语言的特性，提供了各种语言的客户端调用接口，例如c++、java、go、python、ruby、php、nodejs等。项目地址：https://github.com/jaegertracing

3.1 Jaeger组件

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-miLIEWHv-1604561903414)(https://i.loli.net/2020/04/13/bvTxdUkBRuawY1F.png)]

  • jaeger-client

    jaeger的客户端代码库，它实现了OpenTracing协议。当我们的应用程序将其装配后，负责收集数据，并发送到jaeger-agent。这是我们唯一需要编写代码的地方。

  • jaeger-agent

    负责接收从jaeger-client发来的Trace/Span信息，并批量上传到jaeger-collector。

  • jaeger-collector

    负责接收从jaeger-agent发来的Trace/Span信息，并经过校验、索引等处理，然后写入到后端存储。

  • data store

    负责数据存储。Jaeger的数据存储是一个可插拔的组件，目前支持Cassandra、ElasticSearch和Kafka。

  • jaeger-query & ui

    负责数据查询，并通过前端界面展示查询结果。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ogkrm3Hb-1604561903417)(https://i.loli.net/2020/04/13/UMoHYtlX1ydsx5Q.jpg)]

3.2 快速入门

​Jaeger官方提供了all-in-one镜像，方便快速进行测试：

# 拉取镜像
$docker pull jaegertracing/all-in-one:latest

# 运行镜像
$docker run -d --name jaeger \
  -e COLLECTOR_ZIPKIN_HTTP_PORT=9411 \
  -p 5775:5775/udp \
  -p 6831:6831/udp \
  -p 6832:6832/udp \
  -p 5778:5778 \
  -p 14268:14268 \
  -p 9411:9411 \
  -p 16686:16686 \
  jaegertracing/all-in-one:latest

​通过all-in-one镜像启动，我们发现Jaeger占据了很多端口。以下是端口使用说明：

​启动后，我们可以访问 http://localhost:16686 ，在浏览器中查看和查询收集的数据。

​由于通过all-in-one镜像方式收集的数据都存储在docker中，无法持久保存，所以只能用于开发或者测试环境，无法用于生产环境。生产环境中需要依据实际情况，分别部署各个组件。

四、Jaeger在业务代码中的应用

​系统中使用Jaeger非常简单，只需要在原有程序中插入少量代码。以下代码模拟了一个查询用户账户余额，执行扣款的业务场景：

4.1 初始化jaeger函数

​主要是按照实际需要配置有关参数，例如服务名称、采样模式、采样比例等等。

func initJaeger() (tracer opentracing.Tracer, closer io.Closer, err error) {
	// 构造配置信息
	cfg := &config.Configuration{
		// 设置服务名称
		ServiceName: "ServiceAmount",
		// 设置采样参数
		Sampler: &config.SamplerConfig{
			Type:  "const", // 全采样模式
			Param: 1,       // 开启状态
		},
	}

	// 生成一条新tracer
	tracer, closer, err = cfg.NewTracer()
	if err == nil {
		// 设置tracer为全局单例对象
		opentracing.SetGlobalTracer(tracer)
	}
	return
}

4.2 检测用户余额函数

​用于检测用户余额，模拟一个子任务Span。

func CheckBalance(request string, ctx context.Context) {
	// 创建子span
	span, _ := opentracing.StartSpanFromContext(ctx, "CheckBalance")

	// 模拟系统进行一系列的操作，耗时1/3秒
	time.Sleep(time.Second / 3)

	// 示例：将需要追踪的信息放入tag
	span.SetTag("request", request)
	span.SetTag("reply", "CheckBalance reply")

	// 结束当前span
	span.Finish()

	log.Println("CheckBalance is done")
}

4.3 从用户账户扣款函数

​从用户账户扣款，模拟一个子任务span。

func Reduction(request string, ctx context.Context) {
	// 创建子span
	span, _ := opentracing.StartSpanFromContext(ctx, "Reduction")

	// 模拟系统进行一系列的操作，耗时1/2秒
	time.Sleep(time.Second / 2)

	// 示例：将需要追踪的信息放入tag
	span.SetTag("request", request)
	span.SetTag("reply", "Reduction reply")

	// 结束当前span
	span.Finish()

	log.Println("Reduction is done")
}

4.4 主函数

​初始化jaeger环境，生成tracer，创建父span，以及调用查询余额和扣款两个子任务span。

package main

import (
	"context"
	"fmt"
	"github.com/opentracing/opentracing-go"
	"github.com/uber/jaeger-client-go/config"
	"io"
	"log"
	"time"
)

func main() {
	// 初始化jaeger，创建一条新tracer
	tracer, closer, err := initJaeger()
	if err != nil {
		panic(fmt.Sprintf("ERROR: cannot init Jaeger: %v\n", err))
	}
	defer closer.Close()

	// 创建一个新span，作为父span，开始计费过程
	span := tracer.StartSpan("CalculateFee")

	// 生成父span的context
	ctx := opentracing.ContextWithSpan(context.Background(), span)

	// 示例：设置一个span标签信息
	span.SetTag("db.instance", "customers")
	// 示例：输出一条span日志信息
	span.LogKV("event", "timed out")

	// 将父span的context作为参数，调用检测用户余额函数
	CheckBalance("CheckBalance request", ctx)

	// 将父span的context作为参数，调用扣款函数
	Reduction("Reduction request", ctx)

	// 结束父span
	span.Finish()
}

五、Jaeger在gRPC微服务中的应用

​我们依然模拟了一个查询用户账户余额，执行扣款的业务场景，并把查询用户账户余额和执行扣款功能改造为gRPC微服务：

5.1 gRPC Server端代码

main.go：

​代码使用了第三方依赖库github.com/grpc-ecosystem/go-grpc-middleware/tracing/opentracing，该依赖库将OpenTracing封装为通用的gRPC中间件，并通过gRPC拦截器无缝嵌入gRPC服务中。

package main

import (
	"fmt"
	"github.com/grpc-ecosystem/go-grpc-middleware/tracing/opentracing"
	"github.com/opentracing/opentracing-go"
	"github.com/uber/jaeger-client-go/config"
	"google.golang.org/grpc"
	"google.golang.org/grpc/reflection"
	"grpc-jaeger-server/account"
	"io"
	"log"
	"net"
)

// 初始化jaeger
func initJaeger() (tracer opentracing.Tracer, closer io.Closer, err error) {
	// 构造配置信息
	cfg := &config.Configuration{
		// 设置服务名称
		ServiceName: "ServiceAmount",

		// 设置采样参数
		Sampler: &config.SamplerConfig{
			Type:  "const", // 全采样模式
			Param: 1,       // 开启全采样模式
		},
	}

	// 生成一条新tracer
	tracer, closer, err = cfg.NewTracer()
	if err == nil {
		// 设置tracer为全局单例对象
		opentracing.SetGlobalTracer(tracer)
	}
	return
}

func main() {
	// 初始化jaeger，创建一条新tracer
	tracer, closer, err := initJaeger()
	if err != nil {
		panic(fmt.Sprintf("ERROR: cannot init Jaeger: %v\n", err))
	}
	defer closer.Close()
	log.Println("succeed to init jaeger")

	// 注册gRPC account服务
	server := grpc.NewServer(grpc.UnaryInterceptor(grpc_opentracing.UnaryServerInterceptor(grpc_opentracing.WithTracer(tracer))))
	account.RegisterAccountServer(server, &AccountServer{})
	reflection.Register(server)
	log.Println("succeed to register account service")

	// 监听gRPC account服务端口
	listener, err := net.Listen("tcp", ":8080")
	if err != nil {
		log.Println(err)
		return
	}
	log.Println("starting register account service")

	// 开启gRpc account服务
	if err := server.Serve(listener); err != nil {
		log.Println(err)
		return
	}
}

计费微服务 accountsever.go：

package main

import (
	"github.com/opentracing/opentracing-go"
	"golang.org/x/net/context"
	"grpc-jaeger-server/account"
	"time"
)

// 计费服务
type AccountServer struct{}

// 检测用户余额微服务，模拟子span任务
func (s *AccountServer) CheckBalance(ctx context.Context, request *account.CheckBalanceRequest) (response *account.CheckBalanceResponse, err error) {
	response = &account.CheckBalanceResponse{
		Reply: "CheckBalance Reply", // 处理结果
	}

	// 创建子span
	span, _ := opentracing.StartSpanFromContext(ctx, "CheckBalance")

	// 模拟系统进行一系列的操作，耗时1/3秒
	time.Sleep(time.Second / 3)

	// 将需要追踪的信息放入tag
	span.SetTag("request", request)
	span.SetTag("reply", response)

	// 结束当前span
	span.Finish()

	return response, err
}

// 从用户账户扣款微服务，模拟子span任务
func (s *AccountServer) Reduction(ctx context.Context, request *account.ReductionRequest) (response *account.ReductionResponse, err error) {
	response = &account.ReductionResponse{
		Reply: "Reduction Reply", // 处理结果
	}

	// 创建子span
	span, _ := opentracing.StartSpanFromContext(ctx, "Reduction")

	// 模拟系统进行一系列的操作，耗时1/3秒
	time.Sleep(time.Second / 3)

	// 将需要追踪的信息放入tag
	span.SetTag("request", request)
	span.SetTag("reply", response)

	// 结束当前span
	span.Finish()
	return response, err
}

5.2 gRPC Client端代码main.go：

package main

import (
	"context"
	"fmt"
	"github.com/grpc-ecosystem/go-grpc-middleware/tracing/opentracing"
	"github.com/opentracing/opentracing-go"
	"github.com/uber/jaeger-client-go/config"
	"google.golang.org/grpc"
	"grpc-jaeger-client/account"
	"io"
	"log"
)

// 初始化jaeger
func initJaeger() (tracer opentracing.Tracer, closer io.Closer, err error) {
	// 构造配置信息
	cfg := &config.Configuration{
		// 设置服务名称
		ServiceName: "ServiceAmount",

		// 设置采样参数
		Sampler: &config.SamplerConfig{
			Type:  "const", // 全采样模式
			Param: 1,       // 开启全采样模式
		},
	}

	// 生成一条新tracer
	tracer, closer, err = cfg.NewTracer()
	if err == nil {
		// 设置tracer为全局单例对象
		opentracing.SetGlobalTracer(tracer)
	}
	return
}

func main() {
	// 初始化jaeger，创建一条新tracer
	tracer, closer, err := initJaeger()
	if err != nil {
		panic(fmt.Sprintf("ERROR: cannot init Jaeger: %v\n", err))
	}
	defer closer.Close()
	log.Println("succeed to init jaeger")

	// 创建一个新span，作为父span
	span := tracer.StartSpan("CalculateFee")

	// 函数返回时关闭span
	defer span.Finish()

	// 生成span的context
	ctx := opentracing.ContextWithSpan(context.Background(), span)

	// 连接gRPC server
	conn, err := grpc.Dial("localhost:8080",
		grpc.WithInsecure(),
		grpc.WithUnaryInterceptor(grpc_opentracing.UnaryClientInterceptor(grpc_opentracing.WithTracer(tracer),
		)))
	if err != nil {
		log.Println(err)
		return
	}

	// 创建gRPC计费服务客户端
	client := account.NewAccountClient(conn)

	// 将父span的context作为参数，调用检测用户余额的gRPC微服务
	checkBalanceResponse, err := client.CheckBalance(ctx,
		&account.CheckBalanceRequest{
			Account: "user account",
		})
	if err != nil {
		log.Println(err)
		return
	}
	log.Println(checkBalanceResponse)

	// 将父span的context作为参数，调用扣款的gRPC微服务
	reductionResponse, err := client.Reduction(ctx,
		&account.ReductionRequest{
			Account: "user account",
			Amount: 1,
		})
	if err != nil {
		log.Println(err)
		return
	}
	log.Println(reductionResponse)
}

注：
本文全部源代码位于：https://github.com/wangshizebin/micro-service
本文时候用的开发工具为：goland 来自于嗖嗖下载

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