服务调用链相关基础知识

调用链相关基础概念

Span

Span 是调用链追踪的最小单元模型。发送一个 RPC 请求可以作为一个 Span，同样发送一个 RPC 请求的响应也可以作为一个 Span。Span 的主要标识包括：唯一标识 ID，和标识其所属 Trace 的 traceId。Span 还可能包含其他内容，如：描述信息，带有时间戳的事件，标签，parentSpanId, process ID（通常为 IP 地址）

Span 可以启动或者终止，同时会跟踪时间信息。Span 一旦被创建，应该在未来的某个时间将其销毁。

Trace 中最初的 Span 称为父 Span，父 Span 的 SpanId 与 TraceId 相同。

Trace

一组层级关联的 Span 构成一个 Trace，Trace 形成一个树状结构。

Annotation

标识调用链中某一时刻中的事件，包括：

• cs: client sent. 客户端发送请求，表示 span 的开始

• sr: server recieved. 服务端接收到请求，sr 时刻减去 cs 时刻表示请求发送的网络延时

• ss: server sent. 服务端发送响应，ss 时刻减去 sr 时刻表示服务端的处理时间

• cr: client recieved. 客户端收到请求，表示 span 的结束。cr 时刻减去 cs 时刻表示客户端从发出请求到收到响应的总耗时

B3 Propagation Specification.

B3 : Abbreviation for BigBrotherBird.

B3 Propagation 规定了以x-b3-开头，用于调用链上下文在服务间传播的报文头。

最常见的调用链上下文传播方式，是在通过客户端与服务端之间 RPC 调用时，复制上下文并通过报文传递，这种方式下，客户端与服务端之间的 RPC 调用采用相同的 span ID.

下面是采用多字段编码的通过 HTTP 传播调用链上下文的示例：

   Client Tracer                                                  Server Tracer     ┌───────────────────────┐                                       ┌───────────────────────┐│                       │                                       │                       ││   TraceContext        │          Http Request Headers         │   TraceContext        ││ ┌───────────────────┐ │         ┌───────────────────┐         │ ┌───────────────────┐ ││ │ TraceId           │ │         │ X-B3-TraceId      │         │ │ TraceId           │ ││ │                   │ │         │                   │         │ │                   │ ││ │ ParentSpanId      │ │ Inject  │ X-B3-ParentSpanId │ Extract │ │ ParentSpanId      │ ││ │                   ├─┼────────>│                   ├─────────┼>│                   │ ││ │ SpanId            │ │         │ X-B3-SpanId       │         │ │ SpanId            │ ││ │                   │ │         │                   │         │ │                   │ ││ │ Sampling decision │ │         │ X-B3-Sampled      │         │ │ Sampling decision │ ││ └───────────────────┘ │         └───────────────────┘         │ └───────────────────┘ ││                       │                                       │                       │└───────────────────────┘                                       └───────────────────────┘

通常，是否采样的标识Sampling decision会随 span 信息一同传递，但也可以单独传递，例如对于某些不需要进行调用链追踪的请求，可以减少报文传递消耗。如：

                                Server Tracer                                   ┌───────────────────────┐ Health check request         │                       │┌───────────────────┐         │   TraceContext        ││ GET /health       │ Extract │ ┌───────────────────┐ ││ X-B3-Sampled: 0   ├─────────┼>│ NoOp              │ │└───────────────────┘         │ └───────────────────┘ │                              └───────────────────────┘

TraceId

TraceId 是一个 128-bit 或 64-bit 整型数字，唯一标识由一系列 Span 构成的 Trace.

SpanId

SpanId 是一个 64-bit 的整型数字，唯一标识 Trace 中的 Span，从而可以确定 Span 在 Trace 中的位置。根 Span 的 SpanId 与 TraceId 相同，其他 Span 则不同。

ParentSpanId

ParentSpanId 同样为一个 64-bit 的整型数字，标识当前 Span 的父 Span。根 Span 没有 ParentSpanId。

Sampling State

为了减少总的链路追踪数据，规定了采样机制。在 B3 中，采样状态随 Trace 确定。几种 State 如下：

• Defer: 延迟确定。

• Deny: 不采样。通过拒绝采样，可以从整体上降低链路追踪的系统消耗。在满足要求的情况下，应尽可能使用 Deny.

• Accept: 采样。

• Debug: 强制采样。Debug 通常用于生产环境定位问题。

最常见的采样方式是概率式，对 1/10000 的调用链进行采样。Debug 最少使用。

HTTP 编码方式

B3 支持多种编码方式，Multiple Headers、Single-Header、binary 等。

Multiple Headers，每个属性单独的 key，如：

X-B3-TraceId: 80f198ee56343ba864fe8b2a57d3eff7X-B3-ParentSpanId: 05e3ac9a4f6e3b90X-B3-SpanId: e457b5a2e4d86bd1X-B3-Sampled: 1

Single-Header，所有属性通过一个固定的 keyb3确定，格式b3={TraceId}-{SpanId}-{SamplingState}-{ParentSpanId}, 如：

b3: 80f198ee56343ba864fe8b2a57d3eff7-e457b5a2e4d86bd1-1-05e3ac9a4f6e3b90

Sleuth

sleuth: 侦探

Spring Cloud Sleuth 为分布式调用链提供基于 Spring Boot 的自动配置。主要提供如下几方面的功能：

• Sleuth 会将 trace 和 span 信息添加至 MDC，这样就可以从日志中获取调用链信息并进一步加工。

• Zipkin 在brave-instrument-servlet包中定义了TracingFilter类，通过将其添加到 servlet FilterChain 中，在请求执行开始时进行调用链相关操作，包括：trace 和 span 信息的生成、将其添加到 Request Context 以及通过 Scope Decorator 向 MDC 添加 trace 信息等操作。

• Sleuth 实现类Slf4jContextDecorator实现 Zipkin 的CurrentTraceContext.ScopeDecorator接口，将 trace/ span 等信息添加至 MDC。

• 监测应用的重要进出点，如：servlet filter, rest template, scheduled actions, message channels, feign client.

• 相关功能主要在brave-instrumentation-xxx依赖包中体现。

• 如果添加了spring-cloud-sleuth-zipkin依赖，Sleuth 会生成兼容 Zipkin 格式的调用链数据并将其发送给 Zipkin 服务端，默认服务端地址为 localhost:9411，可以通过spring-cloud-sleuth-zipkin配置服务端地址。

Zipkin

Zipkin 由 Twitter 开源，是一个分布式服务调用链追踪系统，支持调用链数据采集和查看。通过 Zipkin 提供的调用链追踪功能，可以定位分布式系统中可能存在的延迟。通过调用链，还可以查看服务之间的依赖拓扑关系。

从 2.0 版本开始，Sleuth 默认采用 Zipkin 作为调用链采集的实际底层库。

Zipkin 架构示意如下：

集成了 Reporter 的服务会在产生远程调用时，由 Reporter 向 Zipkin 服务报送调用量信息。Zipkin 支持以 HTTP、Kafka 等方式接受数据。Zipkin 服务会在接受到数据之后进行解析，并将数据信息持久化存储。用户可以通过查询服务查询获取期望的调用链数据。