實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)可視化監(jiān)控—Skywalking使用介紹

作者：李智慧，單位：中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心

在微服務(wù)架構(gòu)中，一個(gè)系統(tǒng)可能由幾十上百個(gè)微服務(wù)組成，當(dāng)請求處理過程中發(fā)生異常時(shí)，如何快速定位到產(chǎn)生問題的服務(wù)？能否以可視化的方式看到請求經(jīng)過的鏈路？應(yīng)用性能管理（APM）系統(tǒng)可以幫我們解決這些問題。本文詳細(xì)介紹了APM的產(chǎn)生背景，理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)案例，并以Skywalking為例講解了APM的核心功能。

APM簡介

1.1需求背景

在微服務(wù)大行其道的今天，一個(gè)大型系統(tǒng)可能包含上百個(gè)服務(wù)（甚至更多），隨著服務(wù)數(shù)量的增多，遇到問題后定位和分析的時(shí)間成本也相應(yīng)增加。例如遇到系統(tǒng)故障或者性能問題，在傳統(tǒng)三層架構(gòu)中，僅僅需要分析有限的幾個(gè)組件，如web服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。但是，如果問題發(fā)生在微服務(wù)架構(gòu)中，就需要調(diào)查大量的組件和服務(wù)器。此外，僅僅分析單個(gè)組件很難看到全局，當(dāng)在微服務(wù)架構(gòu)中發(fā)生一個(gè)低可見度的問題時(shí)，采用傳統(tǒng)分析方式解決問題所需的時(shí)間也會(huì)成倍增加。

面對以上情況， 我們就需要一些可以幫助運(yùn)維開發(fā)人員快速理解系統(tǒng)、定位問題、監(jiān)控系統(tǒng)性能的工具，這就是所謂的APM（Application Performance Monitoring，應(yīng)用性能管理）。

?什么是APM？

用最簡單的術(shù)語來說，APM是從業(yè)人員用來確保應(yīng)用程序的一致可用性、性能和響應(yīng)時(shí)間的工具。網(wǎng)站、移動(dòng)應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)應(yīng)用程序是監(jiān)控的典型用例。

APM區(qū)別于其他監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)之一是分布式調(diào)用鏈追蹤，借助于這一功能，我們能在監(jiān)控頁面上看到一個(gè)請求從前端到底層服務(wù)的每一次調(diào)用，以及對應(yīng)的服務(wù)器地址，接口名，響應(yīng)時(shí)間，是否成功等信息。借助這一功能，當(dāng)一個(gè)請求出現(xiàn)問題時(shí)，就可以快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生問題的根源。

APM的功能遠(yuǎn)不止于此，在當(dāng)今高度連接的數(shù)字世界中，APM的監(jiān)控范圍已經(jīng)擴(kuò)展到服務(wù)、流程、主機(jī)、日志、網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然還有訪問這些應(yīng)用程序的最終用戶。

1.2 理論基礎(chǔ)—調(diào)用鏈追蹤的實(shí)現(xiàn)原理

Google的Dapper是最早的APM系統(tǒng)，Google利用Dapper系統(tǒng)幫助運(yùn)維人員快速定位問題。相關(guān)論文《Dapper, a Large-Scale Distributed Systems Tracing Infrastructure》[1]發(fā)表后，很多公司和組織基于調(diào)用鏈追蹤的原理，設(shè)計(jì)出了各種優(yōu)秀的APM系統(tǒng)。這些APM系統(tǒng)不只包括調(diào)用鏈追蹤，還集成了性能監(jiān)控、日志收集、告警等功能，可以作為一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)來使用。

在《Dapper, a Large-Scale Distributed Systems Tracing Infrastructure》中，闡述了Dapper對整個(gè)調(diào)用過程的追蹤過程：

①　請求到來生成一個(gè)全局TraceID，通過TraceID可以串聯(lián)起整個(gè)調(diào)用鏈，一個(gè)TraceID代表一次請求。

②　除了TraceID外，還需要SpanID用于記錄調(diào)用父子關(guān)系。每個(gè)服務(wù)會(huì)記錄下parent id和span id，通過他們可以組織一次完整調(diào)用鏈的父子關(guān)系。

③　一個(gè)沒有parent id的span成為root span，可以看成調(diào)用鏈入口。

④　所有這些ID可用全局唯一的64位整數(shù)表示；

⑤　整個(gè)調(diào)用過程中每個(gè)請求都要透傳TraceID和SpanID。

⑥　每個(gè)服務(wù)將該次請求附帶的TraceID和附帶的SpanID作為parent id記錄下，并且將自己生成的SpanID也記錄下。

⑦　要查看某次完整的調(diào)用則只要根據(jù)TraceID查出所有調(diào)用記錄，然后通過parent id和span id組織起整個(gè)調(diào)用父子關(guān)系。

1.3 統(tǒng)一規(guī)范—opentracing

當(dāng)代分布式跟蹤系統(tǒng)（例如，Zipkin, Dapper, HTrace, X-Trace等）的實(shí)現(xiàn)方式各異，他們使用不兼容的API來實(shí)現(xiàn)各自的應(yīng)用需求。OpenTracing通過提供平臺(tái)無關(guān)、廠商無關(guān)的API，使得開發(fā)人員能夠方便的添加或修改追蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。OpenTracing[2]提供了用于運(yùn)營支撐系統(tǒng)的和針對特定平臺(tái)的輔助程序庫。

OpenTracing是一個(gè)規(guī)范，它不是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能提供的是語義和概念。OpenTracing要涵蓋的是中間的一層，它是要實(shí)現(xiàn)的是一套API的套件。你需要按照OpenTracing的規(guī)范向用戶提供API，實(shí)現(xiàn)把數(shù)據(jù)下送到API的探針或者Tracer的探針。OpenTracing的主旨是在做手動(dòng)埋點(diǎn)，程序的開發(fā)者要主動(dòng)調(diào)用Tracing的API。

實(shí)現(xiàn)了OpenTracing規(guī)范的APM包括Zipkin，Pinpoint，Skywalking，Jaeger等。

開源APM比較

比較知名的開源APM包括：Zipkin[3]，Pinpoint[4]，Jaeger[5]，Skywalking[6]等。以下是這些開源APM的橫向比較[7]。

圖1 開源APM橫向比較

綜合以上分析，Skywalking對代碼無侵入，集成成本低，支持trace查詢，監(jiān)控，告警等功能，最重要的是，對應(yīng)用吞吐量的影響最小，與我們所在項(xiàng)目的需求契合度最高，因此，我們選擇Skywalking進(jìn)行部署和使用。

Skywalking簡介

Skywalking是一款國內(nèi)開源的應(yīng)用性能監(jiān)控工具，支持對分布式系統(tǒng)的監(jiān)控、跟蹤和診斷。以下是SkyWalking的一些主要功能和組件:

①　分布式跟蹤：SkyWalking跟蹤流經(jīng)多個(gè)服務(wù)的請求，提供對事務(wù)路徑的端到端可見性。它捕獲關(guān)于每個(gè)調(diào)用的詳細(xì)信息，包括延遲、錯(cuò)誤和依賴關(guān)系。

②　指標(biāo)分析：SkyWalking收集和分析應(yīng)用指標(biāo)，如CPU使用率、內(nèi)存消耗和網(wǎng)絡(luò)流量。它提供了這些指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化，幫助識別性能瓶頸和資源使用模式。

③　服務(wù)網(wǎng)格支持： SkyWalking集成了流行的服務(wù)網(wǎng)格框架，如Istio和Envoy，允許用戶監(jiān)控和管理部署在服務(wù)網(wǎng)格環(huán)境中的微服務(wù)。

④　告警和診斷：SkyWalking可以根據(jù)預(yù)定義的閾值或收集數(shù)據(jù)中檢測到的異常產(chǎn)生告警。它還提供了強(qiáng)大的診斷工具來幫助解決性能問題并分析根本原因。

⑤　插件生態(tài)系統(tǒng)：SkyWalking提供了一個(gè)基于插件的架構(gòu)，允許用戶擴(kuò)展其功能并與不同的技術(shù)集成，可支持多種各種數(shù)據(jù)庫、消息代理和中間件系統(tǒng)。

⑥　可視化展示：SkyWalking提供了一個(gè)用戶友好的基于web的界面，用于可視化性能數(shù)據(jù)、生成報(bào)告和探索跟蹤細(xì)節(jié)。它提供了一套全面的指示板和圖表來幫助使用者理解系統(tǒng)行為。

⑦　可擴(kuò)展性和兼容性：SkyWalking設(shè)計(jì)用于處理大規(guī)模分布式系統(tǒng)。它支持水平可伸縮性，可以跨多個(gè)節(jié)點(diǎn)以分布式方式部署。它與云原生環(huán)境和容器編排平臺(tái)（如Kubernetes）兼容。

Skywalking 總體可以分為四部分（圖2）：

①　Skywalking Agent：使用Javaagent做字節(jié)碼植入，無侵入式的收集，并通過HTTP或者gRPC方式發(fā)送數(shù)據(jù)到Skywalking Collector。

②　Skywalking Collector ：鏈路數(shù)據(jù)收集器，對agent傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析處理并落入相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。

③　Storage：Skywalking的存儲(chǔ)，時(shí)間更迭，sw已經(jīng)開發(fā)迭代到了6.x版本，在6.x版本中支持以ElasticSearch、Mysql、TiDB、H2、作為存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

④　UI：Web可視化平臺(tái)，用來展示落地的數(shù)據(jù)。

圖2 skywalking整體架構(gòu)

通過在應(yīng)用程序中集成 SkyWalking Agent，就可以對接口、服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、MQ等進(jìn)行追蹤，將追蹤結(jié)果通過 HTTP 或 gRPC協(xié)議 發(fā)送到 SkyWalking Collecter，SkyWalking Collecter 經(jīng)過分析和聚合，將結(jié)果存儲(chǔ)到 Elasticsearch 或? H2等數(shù)據(jù)庫中，SkyWalking同時(shí)提供了一個(gè) SkyWalking UI 的可視化界面，UI 以 GraphQL + HTTP 方式獲取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

如果只是為了學(xué)習(xí)體驗(yàn)SkyWalking，不必單獨(dú)安裝每一個(gè)組件，最新版本的Skywalking服務(wù)端支持AllInOne的安裝方式。只需要需要將安裝包解壓然后啟動(dòng)，數(shù)據(jù)庫，Collector，UI等服務(wù)端組件就已經(jīng)安裝好了，可以直接登錄UI進(jìn)行體驗(yàn)，此時(shí)使用的是H2內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，Skywalking重啟后數(shù)據(jù)會(huì)清空。被監(jiān)控的應(yīng)用需要集成skywalking agent，修改agent配置后重啟，以便將采集信息上報(bào)給服務(wù)端。

此外，skywaling的官方網(wǎng)站https://skywalking.apache.org/

還提供了在線體驗(yàn)入口，打開網(wǎng)站，在頁面上點(diǎn)擊“Live demo”->“Go to native UI”，即可進(jìn)入skywalking監(jiān)控頁面，查看當(dāng)前監(jiān)控的應(yīng)用和日志信息。

目前使用Skywalking的公司包括華為，當(dāng)當(dāng)，小米等不下數(shù)十家公司。

Skywalking使用示例

面基于我們自己部署的Skywalking（9.4.0版本），介紹一下Skywalking的主要功能。

4.1 服務(wù)監(jiān)控

進(jìn)入Skywalking首頁，點(diǎn)擊Service面板，呈現(xiàn)如下頁面。

圖3 Skywalking服務(wù)監(jiān)控-1

在頁面中可以看到，當(dāng)前系統(tǒng)中有3個(gè)應(yīng)用組件被納入監(jiān)控，分別是ops，business，user。頁面中展示了每種應(yīng)用的負(fù)載，請求成功率，時(shí)延，和應(yīng)用性能指數(shù)（Apdex）。

點(diǎn)擊某個(gè)服務(wù)，可以看到該服務(wù)的各種指標(biāo)的趨勢圖以及告警信息，如下圖所示。

圖4 Skywalking服務(wù)監(jiān)控-2

Skywalking的告警規(guī)則可在配置文件中進(jìn)行設(shè)置。

4.2 拓?fù)湔故?/strong>

<dependency>      <groupId>org.apache.skywalking</groupId>      <artifactId>apm-toolkit-log4j-1.x</artifactId>      <version>{project.release.version}</version>   </dependency>

log4j.appender.CONSOLE.layout=org.apache.skywalking.apm.toolkit.log.log4j.v1.x.TraceIdPatternLayout

log4j.appender.CONSOLE.layout.ConversionPattern=%d [%T] %-5p %c{1}:%L - %m%n