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牛逼哄哄的全链路监控系统!搭建起来也没有想象中的那么难啊...

2024-12-02 23:38

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问题背景

随着微服务架构的流行,服务按照不同的维度进行拆分,一次请求往往需要涉及到多个服务。互联网应用构建在不同的软件模块集上,这些软件模块,有可能是由不同的团队开发、可能使用不同的编程语言来实现、有可能布在了几千台服务器,横跨多个不同的数据中心。因此,就需要一些可以帮助理解系统行为、用于分析性能问题的工具,以便发生故障的时候,能够快速定位和解决问题。

全链路监控组件就在这样的问题背景下产生了。最出名的是谷歌公开的论文提到的 Google Dapper。想要在这个上下文中理解分布式系统的行为,就需要监控那些横跨了不同的应用、不同的服务器之间的关联动作。

所以,在复杂的微服务架构系统中,几乎每一个前端请求都会形成一个复杂的分布式服务调用链路。一个请求完整调用链可能如下图所示:

 

 

 

一个请求完整调用链

那么在业务规模不断增大、服务不断增多以及频繁变更的情况下,面对复杂的调用链路就带来一系列问题:

同时我们会关注在请求处理期间各个调用的各项性能指标,比如:吞吐量(TPS)、响应时间及错误记录等。

全链路性能监控 从整体维度到局部维度展示各项指标 ,将跨应用的所有调用链性能信息集中展现,可方便度量整体和局部性能,并且方便找到故障产生的源头,生产上可极大缩短故障排除时间。

有了全链路监控工具,我们能够达到 :

目标要求

如上所述,那么我们选择全链路监控组件有哪些目标要求呢?Google Dapper中也提到了,总结如下:

探针的性能消耗

APM组件服务的影响应该做到足够小。服务调用埋点本身会带来性能损耗,这就需要调用跟踪的低损耗,实际中还会通过配置采样率的方式,选择一部分请求去分析请求路径。在一些高度优化过的服务,即使一点点损耗也会很容易察觉到,而且有可能迫使在线服务的部署团队不得不将跟踪系统关停。

代码的侵入性

即也作为业务组件,应当尽可能少入侵或者无入侵其他业务系统,对于使用方透明,减少开发人员的负担。

对于应用的程序员来说,是不需要知道有跟踪系统这回事的。如果一个跟踪系统想生效,就必须需要依赖应用的开发者主动配合,那么这个跟踪系统也太脆弱了,往往由于跟踪系统在应用中植入代码的bug或疏忽导致应用出问题,这样才是无法满足对跟踪系统“无所不在的部署”这个需求。

可扩展性

一个优秀的调用跟踪系统必须支持分布式部署,具备良好的可扩展性。能够支持的组件越多当然越好。或者提供便捷的插件开发API,对于一些没有监控到的组件,应用开发者也可以自行扩展。

数据的分析

数据的分析要快 ,分析的维度尽可能多。跟踪系统能提供足够快的信息反馈,就可以对生产环境下的异常状况做出快速反应。分析的全面,能够避免二次开发。

功能模块

一般的全链路监控系统,大致可分为四大功能模块:

埋点与生成日志

埋点即系统在当前节点的上下文信息,可以分为 客户端埋点、服务端埋点,以及客户端和服务端双向型埋点。埋点日志通常要包含以下内容traceId、spanId、调用的开始时间,协议类型、调用方ip和端口,请求的服务名、调用耗时,调用结果,异常信息等,同时预留可扩展字段,为下一步扩展做准备;

收集和存储日志

主要支持分布式日志采集的方案,同时增加MQ作为缓冲;

分析和统计调用链路数据,以及时效性

调用链跟踪分析:把同一TraceID的Span收集起来,按时间排序就是timeline。把ParentID串起来就是调用栈。

抛异常或者超时,在日志里打印TraceID。利用TraceID查询调用链情况,定位问题。

依赖度量:

Google Dapper

Span

基本工作单元,一次链路调用(可以是RPC,DB等没有特定的限制)创建一个span,通过一个64位ID标识它,uuid较为方便,span中还有其他的数据,例如描述信息,时间戳,key-value对的(Annotation)tag信息,parent_id等,其中parent-id可以表示span调用链路来源。

 

 

上图说明了span在一次大的跟踪过程中是什么样的。Dapper记录了span名称,以及每个span的ID和父ID,以重建在一次追踪过程中不同span之间的关系。如果一个span没有父ID被称为root span。所有span都挂在一个特定的跟踪上,也共用一个跟踪id。

Span数据结构:

  1. type Span struct { 
  2.     TraceID    int64 // 用于标示一次完整的请求id 
  3.     Name       string 
  4.     ID         int64 // 当前这次调用span_id 
  5.     ParentID   int64 // 上层服务的调用span_id  最上层服务parent_id为null 
  6.     Annotation []Annotation // 用于标记的时间戳 
  7.     Debug      bool 

Trace

类似于 树结构的Span集合,表示一次完整的跟踪,从请求到服务器开始,服务器返回response结束,跟踪每次rpc调用的耗时,存在唯一标识trace_id。比如:你运行的分布式大数据存储一次Trace就由你的一次请求组成。

 

 

每种颜色的note标注了一个span,一条链路通过TraceId唯一标识,Span标识发起的请求信息。树节点是整个架构的基本单元,而每一个节点又是对span的引用。节点之间的连线表示的span和它的父span直接的关系。虽然span在日志文件中只是简单的代表span的开始和结束时间,他们在整个树形结构中却是相对独立的。

Annotation

注解,用来记录请求特定事件相关信息(例如时间),一个span中会有多个annotation注解描述。通常包含四个注解信息:

(1) cs:Client Start,表示客户端发起请求 (2) sr:Server Receive,表示服务端收到请求 (3) ss:Server Send,表示服务端完成处理,并将结果发送给客户端 (4) cr:Client Received,表示客户端获取到服务端返回信息

Annotation数据结构:

  1. type Annotation struct { 
  2.     Timestamp int64 
  3.     Value     string 
  4.     Host      Endpoint 
  5.     Duration  int32 

调用示例

 

 

当用户发起一个请求时,首先到达前端A服务,然后分别对B服务和C服务进行RPC调用;B服务处理完给A做出响应,但是C服务还需要和后端的D服务和E服务交互之后再返还给A服务,最后由A服务来响应用户的请求;

 

 

整个调用过程追踪

 

 

通过AGENT代理无侵入式部署,将性能测量与业务逻辑完全分离,可以测量任意类的任意方法的执行时间,这种方式大大提高了采集效率,并且减少运维成本。根据服务跨度主要分为两大类AGENT:

服务内AGENT,这种方式是通过 Java 的agent机制,对服务内部的方法调用层次信息进行数据收集,如方法调用耗时、入参、出参等信息。

跨服务AGENT,这种情况需要对主流RPC框架以插件形式提供无缝支持。并通过提供标准数据规范以适应自定义RPC框架:

调用链监控好处

方案比较

市面上的全链路监控理论模型大多都是借鉴Google Dapper论文,本文重点关注以下三种APM组件:

以上三种全链路监控方案需要对比的项提炼出来:

探针的性能

主要是agent对服务的吞吐量、CPU和内存的影响。微服务的规模和动态性使得数据收集的成本大幅度提高。

collector的可扩展性

能够水平扩展以便支持大规模服务器集群。

全面的调用链路数据分析

提供代码级别的可见性以便轻松定位失败点和瓶颈。

对于开发透明,容易开关

添加新功能而无需修改代码,容易启用或者禁用。

完整的调用链应用拓扑

自动检测应用拓扑,帮助你搞清楚应用的架构

探针的性能

比较关注探针的性能,毕竟APM定位还是工具,如果启用了链路监控组建后,直接导致吞吐量降低过半,那也是不能接受的。对skywalking、zipkin、pinpoint进行了压测,并与基线(未使用探针)的情况进行了对比。

选用了一个常见的基于Spring的应用程序,他包含Spring Boot, Spring MVC,redis客户端,mysql。监控这个应用程序,每个trace,探针会抓取5个span(1 Tomcat, 1 SpringMVC, 2 Jedis, 1 Mysql)。这边基本和 skywalkingtest 的测试应用差不多。

模拟了三种并发用户:500,750,1000。使用jmeter测试,每个线程发送30个请求,设置思考时间为10ms。使用的采样率为1,即100%,这边与生产可能有差别。pinpoint默认的采样率为20,即50%,通过设置agent的配置文件改为100%。zipkin默认也是1。组合起来,一共有12种。下面看下汇总表:

 

 

 

探针性能对比

从上表可以看出,在三种链路监控组件中,skywalking的探针对吞吐量的影响最小,zipkin的吞吐量居中。pinpoint的探针对吞吐量的影响较为明显,在500并发用户时,测试服务的吞吐量从1385降低到774,影响很大。然后再看下CPU和memory的影响,在内部服务器进行的压测,对CPU和memory的影响都差不多在10%之内。

collector的可扩展性

collector的可扩展性,使得能够水平扩展以便支持大规模服务器集群。

开发zipkin-Server(其实就是提供的开箱即用包),zipkin-agent与zipkin-Server通过http或者mq进行通信,http通信会对正常的访问造成影响,所以还是推荐基于mq异步方式通信,zipkin-Server通过订阅具体的topic进行消费。这个当然是可以扩展的,多个zipkin-Server实例进行异步消费mq中的监控信息。

 

 

 

skywalking的collector支持两种部署方式:单机和集群模式。collector与agent之间的通信使用了gRPC。

同样,pinpoint也是支持集群和单机部署的。pinpoint agent通过thrift通信框架,发送链路信息到collector。

全面的调用链路数据分析

全面的调用链路数据分析,提供代码级别的可见性以便轻松定位失败点和瓶颈。

 

 

zipkin链路调用分析

zipkin的链路监控粒度相对没有那么细,从上图可以看到调用链中具体到接口级别,再进一步的调用信息并未涉及。

 

 

skywalking链路调用分析

skywalking 还支持20+的中间件、框架、类库,比如:主流的dubbo、Okhttp,还有DB和消息中间件。上图skywalking链路调用分析截取的比较简单,网关调用user服务,由于支持众多的中间件,所以skywalking链路调用分析比zipkin完备些。

 

 

 

pinpoint链路调用分析

pinpoint应该是这三种APM组件中,数据分析最为完备的组件。提供代码级别的可见性以便轻松定位失败点和瓶颈,上图可以看到对于执行的sql语句,都进行了记录。还可以配置报警规则等,设置每个应用对应的负责人,根据配置的规则报警,支持的中间件和框架也比较完备。

对于开发透明,容易开关

对于开发透明,容易开关,添加新功能而无需修改代码,容易启用或者禁用。我们期望功能可以不修改代码就工作并希望得到代码级别的可见性。

对于这一点,Zipkin 使用修改过的类库和它自己的容器(Finagle)来提供分布式事务跟踪的功能。但是,它要求在需要时修改代码。skywalking和pinpoint都是基于字节码增强的方式,开发人员不需要修改代码,并且可以收集到更多精确的数据因为有字节码中的更多信息。

完整的调用链应用拓扑

自动检测应用拓扑,帮助你搞清楚应用的架构。

 

 

 

pinpoint链路拓扑

 

 

 

skywalking链路拓扑

 

 

 

zipkin链路拓扑

上面三幅图,分别展示了APM组件各自的调用拓扑,都能实现完整的调用链应用拓扑。相对来说,pinpoint界面显示的更加丰富,具体到调用的DB名,zipkin的拓扑局限于服务于服务之间。

Pinpoint与Zipkin细化比较

Tracing和Monitor区别

Monitor可分为系统监控和应用监控。系统监控比如CPU,内存,网络,磁盘等等整体的系统负载的数据,细化可具体到各进程的相关数据。这一类信息是直接可以从系统中得到的。应用监控需要应用提供支持,暴露了相应的数据。比如应用内部请求的QPS,请求处理的延时,请求处理的error数,消息队列的队列长度,崩溃情况,进程垃圾回收信息等等。Monitor主要目标是发现异常,及时报警。

Tracing的基础和核心都是调用链。相关的metric大多都是围绕调用链分析得到的。Tracing主要目标是系统分析。提前找到问题比出现问题后再去解决更好。

Tracing和应用级的Monitor技术栈上有很多共同点。都有数据的采集,分析,存储和展式。只是具体收集的数据维度不同,分析过程不一样。

 

来源:民工哥技术之路内容投诉

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