Opentracing + Uber Jaeger 全链路灰度调用链，Nepxion Discovery

当网关和服务在实施全链路分布式灰度发布和路由时候，我们需要一款追踪系统来监控网关和服务走的是哪个灰度组，哪个灰度版本，哪个灰度区域，甚至监控从Http Header头部全程传递的灰度规则和路由策略。这个功能意义在于：

• 不仅可以监控全链路中基本的调用信息，也可以监控额外的灰度信息，有助于我们判断灰度发布和路由是否执行准确，一旦有问题，也可以快速定位
• 可以监控流量何时切换到新版本，或者新的区域，或者新的机器上
• 可以监控灰度规则和路由策略是否配置准确
• 可以监控网关和服务灰度上下级树状关系
• 可以监控全链路流量拓扑图

笔者尝试调研了一系列分布式追踪系统和中间件，包括Opentracing、Uber Jaeger、Twitter Zipkin、Apache Skywalking、Pinpoint、CAT等，最后决定采用Opentracing + Uber Jaeger方式来实现，重要原因除了易用性和可扩展性外，Opentracing支持WebMvc和WebFlux两种方式，业界的追踪系统能支持WebFlux相对较少

[OpenTracing] OpenTracing已进入CNCF，正在为全球的分布式追踪系统提供统一的概念、规范、架构和数据标准。它通过提供平台无关、厂商无关的API，使得开发人员能够方便的添加（或更换）追踪系统的实现。对于存在多样化的技术栈共存的调用链中，Opentracing适配Java、C、Go和.Net等技术栈，实现全链路分布式追踪功能。迄今为止，Uber Jaeger、Twitter Zipkin和Apache Skywalking已经适配了Opentracing规范

笔者以Nepxion社区的Discovery开源框架（对该开源框架感兴趣的同学，请访问如下链接）为例子展开整合

源码主页，请访问
https://github.com/Nepxion/Discovery

指南主页，请访问
https://github.com/Nepxion/DiscoveryGuide

文档主页，请访问
https://pan.baidu.com/s/1i57rXaNKPuhGRqZ2MONZOA#list/path=%2FNepxion

整合的效果图

基本概念

灰度调用链主要包括如下11个参数。使用者可以自行定义要传递的调用链参数，例如：traceId, spanId等；也可以自行定义要传递的业务调用链参数，例如：mobile, user等

1. n-d-service-group - 服务所属组或者应用
2. n-d-service-type - 服务类型，分为“网关”和“服务”
3. n-d-service-id - 服务ID
4. n-d-service-address - 服务地址，包括Host和Port
5. n-d-service-version - 服务版本
6. n-d-service-region - 服务所属区域
7. n-d-version - 版本路由值
8. n-d-region - 区域路由值
9. n-d-address - 地址路由值
10. n-d-version-weight - 版本权重路由值
11. n-d-region-weight - 区域权重路由值

核心实现

Opentracing通用模块

源码参考
https://github.com/Nepxion/Discovery/tree/master/discovery-plugin-strategy-opentracing

由于OpenTracing扩展需要兼顾到Spring Cloud Gateway、Zuul和服务，它的核心逻辑存在着一定的可封装性，所以笔者抽取出一个公共模块discovery-plugin-strategy-opentracing，包含configuration、operation、context等模块，着重阐述operation模块，其它比较简单，不一一赘述了

在阐述前，笔者需要解释一个配置，该配置将决定核心实现以及终端界面的显示

1. 如果开启，灰度信息输出到独立的Span节点中，意味着在界面显示中，灰度信息通过独立的GRAY Span节点来显示。优点是信息简洁明了，缺点是Span节点会增长一倍。我们可以称呼它为【模式A】
2. 如果关闭，灰度信息输出到原生的Span节点中，意味着在界面显示中，灰度信息会和原生Span节点的调用信息、协议信息等混在一起，缺点是信息庞杂混合，优点是Span节点数不会增长。我们可以称呼它为【模式B】

# 启动和关闭调用链的灰度信息在Opentracing中以独立的Span节点输出，如果关闭，则灰度信息输出到原生的Span节点中。缺失则默认为true
spring.application.strategy.trace.opentracing.separate.span.enabled=true

Opentracing公共操作类 - StrategyOpentracingOperation.java

• 装配注入Opentracing的Tracer对象
• opentracingInitialize方法，提供给网关和服务的Span节点初始化
  • 【模式A】下，tracer.buildSpan(...).start()实现新建一个Span，并把它放置到存储上下文的StrategyOpentracingContext的ThreadLocal里
  • 【模式B】下，不需要做任何工作
• opentracingHeader方法，提供给网关的灰度调用链输出
  • 【模式A】下，首先从StrategyOpentracingContext的ThreadLocal里获取Span对象，其次把customizationMap（自定义的调用链参数）的元素都放入到Tag中，最后把灰度调用链主11个参数（通过strategyContextHolder.getHeader(...)获取）和更多上下文信息放入到Tag中
  • 【模式B】下，跟【模式A】类似，唯一区别的是Tags.COMPONENT的处理，由于原生的Span节点已经带有该信息，所以不需要放入到Tag中
• opentracingLocal方法，提供给服务的灰度调用链输出
  • 【模式A】下，首先从StrategyOpentracingContext的ThreadLocal里获取Span对象，其次把customizationMap（自定义的调用链参数）的元素都放入到Tag中，最后把灰度调用链主11个参数（通过pluginAdapter.getXXX()获取）和更多上下文信息放入到Tag中
  • 【模式B】下，跟【模式A】类似，唯一区别的是Tags.COMPONENT的处理，由于原生的Span节点已经带有该信息，所以不需要放入到Tag中
• opentracingError方法，提供给服务的灰度调用链异常输出
  • 【模式A】下，首先从StrategyOpentracingContext的ThreadLocal里获取Span对象，其次span.log(...)方法实现异常输出
  • 【模式B】下，不需要做任何工作
• opentracingClear方法，灰度调用链的Span上报和清除
  • 【模式A】下，首先从StrategyOpentracingContext的ThreadLocal里获取Span对象，其次span.finish()方法实现Span上报，最后StrategyOpentracingContext.clearCurrentContext()方法实现Span清除
  • 【模式B】下，不需要做任何工作
    
• getCurrentSpan方法
  • 【模式A】下，返回StrategyOpentracingContext.getCurrentContext().getSpan()，即opentracingInitialize新建的Span对象
  • 【模式B】下，返回tracer.activeSpan()，即原生的Span对象

public class StrategyOpentracingOperation {
    private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(StrategyOpentracingOperation.class);

    @Autowired
    protected PluginAdapter pluginAdapter;

    @Autowired
    protected StrategyContextHolder strategyContextHolder;

    @Autowired
    private Tracer tracer;

    @Value("${" + StrategyOpentracingConstant.SPRING_APPLICATION_STRATEGY_TRACE_OPENTRACING_ENABLED + ":false}")
    protected Boolean traceOpentracingEnabled;

    @Value("${" + StrategyOpentracingConstant.SPRING_APPLICATION_STRATEGY_TRACE_OPENTRACING_SEPARATE_SPAN_ENABLED + ":true}")
    protected Boolean traceOpentracingSeparateSpanEnabled;

    public void opentracingInitialize() {
        if (!traceOpentracingEnabled) {
            return;
        }

        if (!traceOpentracingSeparateSpanEnabled) {
            return;
        }

        Span span = tracer.buildSpan(DiscoveryConstant.SPAN_VALUE).start();
        StrategyOpentracingContext.getCurrentContext().setSpan(span);

        LOG.debug("Trace chain for Opentracing initialized...");
    }

    public void opentracingHeader(Map customizationMap) {
        if (!traceOpentracingEnabled) {
            return;
        }

        Span span = getCurrentSpan();
        if (span == null) {
            LOG.error("Span not found in context to opentracing header");

            return;
        }

        if (MapUtils.isNotEmpty(customizationMap)) {
            for (Map.Entry entry : customizationMap.entrySet()) {
                span.setTag(entry.getKey(), entry.getValue());
            }
        }

        if (traceOpentracingSeparateSpanEnabled) {
            span.setTag(Tags.COMPONENT.getKey(), DiscoveryConstant.TAG_COMPONENT_VALUE);
        }
        span.setTag(DiscoveryConstant.PLUGIN, DiscoveryConstant.PLUGIN_VALUE);
        span.setTag(DiscoveryConstant.TRACE_ID, span.context().toTraceId());
        span.setTag(DiscoveryConstant.SPAN_ID, span.context().toSpanId());
        span.setTag(DiscoveryConstant.N_D_SERVICE_GROUP, strategyContextHolder.getHeader(DiscoveryConstant.N_D_SERVICE_GROUP));
        ...

        String routeVersion = strategyContextHolder.getHeader(DiscoveryConstant.N_D_VERSION);
        if (StringUtils.isNotEmpty(routeVersion)) {
            span.setTag(DiscoveryConstant.N_D_VERSION, routeVersion);
        }
        ...

        LOG.debug("Trace chain information outputs to Opentracing...");
    }

    public void opentracingLocal(String className, String methodName, Map customizationMap) {
        if (!traceOpentracingEnabled) {
            return;
        }

        Span span = getCurrentSpan();
        if (span == null) {
            LOG.error("Span not found in context to opentracing local");

            return;
        }

        if (MapUtils.isNotEmpty(customizationMap)) {
            for (Map.Entry entry : customizationMap.entrySet()) {
                span.setTag(entry.getKey(), entry.getValue());
            }
        }

        if (traceOpentracingSeparateSpanEnabled) {
            span.setTag(Tags.COMPONENT.getKey(), DiscoveryConstant.TAG_COMPONENT_VALUE);
        }
        span.setTag(DiscoveryConstant.PLUGIN, DiscoveryConstant.PLUGIN_VALUE);
        span.setTag(DiscoveryConstant.CLASS, className);
        span.setTag(DiscoveryConstant.METHOD, methodName);
        span.setTag(DiscoveryConstant.TRACE_ID, span.context().toTraceId());
        span.setTag(DiscoveryConstant.SPAN_ID, span.context().toSpanId());
        span.setTag(DiscoveryConstant.N_D_SERVICE_GROUP, pluginAdapter.getGroup());
        ...

        String routeVersion = strategyContextHolder.getHeader(DiscoveryConstant.N_D_VERSION);
        if (StringUtils.isNotEmpty(routeVersion)) {
            span.setTag(DiscoveryConstant.N_D_VERSION, routeVersion);
        }
        ...

        LOG.debug("Trace chain information outputs to Opentracing...");
    }

    public void opentracingError(String className, String methodName, Throwable e) {
        if (!traceOpentracingEnabled) {
            return;
        }

        if (!traceOpentracingSeparateSpanEnabled) {
            return;
        }

        Span span = getCurrentSpan();
        if (span == null) {
            LOG.error("Span not found in context to opentracing error");

            return;
        }

        span.log(new ImmutableMap.Builder()
                .put(DiscoveryConstant.CLASS, className)
                .put(DiscoveryConstant.METHOD, methodName)
                .put(DiscoveryConstant.EVENT, Tags.ERROR.getKey())
                .put(DiscoveryConstant.ERROR_OBJECT, e)
                .build());

        LOG.debug("Trace chain error outputs to Opentracing...");
    }

    public void opentracingClear() {
        if (!traceOpentracingEnabled) {
            return;
        }

        if (!traceOpentracingSeparateSpanEnabled) {
            return;
        }

        Span span = getCurrentSpan();
        if (span != null) {
            span.finish();
        } else {
            LOG.error("Span not found in context to opentracing clear");
        }
        StrategyOpentracingContext.clearCurrentContext();

        LOG.debug("Trace chain context of Opentracing cleared...");
    }

    public Span getCurrentSpan() {
        return traceOpentracingSeparateSpanEnabled ? StrategyOpentracingContext.getCurrentContext().getSpan() : tracer.activeSpan();
    }

    public String getTraceId() {
        if (!traceOpentracingEnabled) {
            return null;
        }

        Span span = getCurrentSpan();
        if (span != null) {
            return span.context().toTraceId();
        }

        return null;
    }

    public String getSpanId() {
        if (!traceOpentracingEnabled) {
            return null;
        }

        Span span = getCurrentSpan();
        if (span != null) {
            return span.context().toSpanId();
        }

        return null;
    }
}

Opentracing Service模块

源码参考
https://github.com/Nepxion/Discovery/tree/master/discovery-plugin-strategy-starter-service-opentracing

实现OpenTracing对服务的扩展，包含configuration、tracer等模块，着重阐述tracer模块，其它比较简单，不一一赘述了

Opentracing的服务追踪类 - DefaultServiceStrategyOpentracingTracer.java

• 继承DefaultServiceStrategyTracer，并注入StrategyOpentracingOperation
• trace方法里先执行opentracingInitialize初始化Span，这样可以让后面的逻辑都可以从Span中拿到traceId和spanId，执行opentracingLocal实现服务的灰度调用链输出
• error方法里执行opentracingError实现服务的灰度调用链异常输出
• release方法里执行opentracingClear实现灰度调用链的Span上报和清除

public class DefaultServiceStrategyOpentracingTracer extends DefaultServiceStrategyTracer {
    @Autowired
    private StrategyOpentracingOperation strategyOpentracingOperation;

    @Override
    public void trace(ServiceStrategyTracerInterceptor interceptor, MethodInvocation invocation) {
        strategyOpentracingOperation.opentracingInitialize();

        super.trace(interceptor, invocation);

        strategyOpentracingOperation.opentracingLocal(interceptor.getMethod(invocation).getDeclaringClass().getName(), interceptor.getMethodName(invocation), getCustomizationMap());
    }

    @Override
    public void error(ServiceStrategyTracerInterceptor interceptor, MethodInvocation invocation, Throwable e) {
        super.error(interceptor, invocation, e);

        strategyOpentracingOperation.opentracingError(interceptor.getMethod(invocation).getDeclaringClass().getName(), interceptor.getMethodName(invocation), e);
    }

    @Override
    public void release(ServiceStrategyTracerInterceptor interceptor, MethodInvocation invocation) {
        super.release(interceptor, invocation);

        strategyOpentracingOperation.opentracingClear();
    }

    @Override
    public String getTraceId() {
        return strategyOpentracingOperation.getTraceId();
    }

    @Override
    public String getSpanId() {
        return strategyOpentracingOperation.getSpanId();
    }
}

Opentracing Spring Cloud Gateway模块

源码参考
https://github.com/Nepxion/Discovery/tree/master/discovery-plugin-strategy-starter-gateway-opentracing

实现OpenTracing对Spring Cloud Gateway的扩展，跟discovery-plugin-strategy-starter-service-opentracing模块类似，不一一赘述了

Opentracing Zuul模块

源码参考
https://github.com/Nepxion/Discovery/tree/master/discovery-plugin-strategy-starter-zuul-opentracing

实现OpenTracing对Zuul的扩展，跟discovery-plugin-strategy-starter-service-opentracing模块类似，不一一赘述了

使用说明

示例参考
https://github.com/Nepxion/DiscoveryGuide

使用方式

Opentracing输出方式以Uber Jaeger为例来说明，步骤非常简单

1. 从https://pan.baidu.com/s/1i57rXaNKPuhGRqZ2MONZOA#list/path=%2FNepxion获取Jaeger-1.14.0.zip，Windows操作系统下解压后运行jaeger.bat，Mac和Lunix操作系统请自行研究
2. 执行Postman调用后，访问http://localhost:16686查看灰度调用链
3. 灰度调用链支持WebMvc和WebFlux两种方式，以GRAY字样的标记来标识

开关控制

对于Opentracing调用链功能的开启和关闭，需要通过如下开关做控制：

# 启动和关闭调用链。缺失则默认为false
spring.application.strategy.trace.enabled=true
# 启动和关闭调用链的Opentracing输出，支持F版或更高版本的配置，其它版本不需要该行配置。缺失则默认为false
spring.application.strategy.trace.opentracing.enabled=true
# 启动和关闭调用链的灰度信息在Opentracing中以独立的Span节点输出，如果关闭，则灰度信息输出到原生的Span节点中。缺失则默认为true
spring.application.strategy.trace.opentracing.separate.span.enabled=true

可选功能

自定义调用链上下文参数的创建（该类不是必须的），继承DefaultStrategyTracerAdapter

// 自定义调用链上下文参数的创建
// 对于getTraceId和getSpanId方法，在Opentracing等调用链中间件引入的情况下，由调用链中间件决定，在这里定义不会起作用；在Opentracing等调用链中间件未引入的情况下，在这里定义才有效，下面代码中表示从Http Header中获取，并全链路传递
// 对于getCustomizationMap方法，表示输出到调用链中的定制化业务参数，可以同时输出到日志和Opentracing等调用链中间件，下面代码中表示从Http Header中获取，并全链路传递
public class MyStrategyTracerAdapter extends DefaultStrategyTracerAdapter {
    @Override
    public String getTraceId() {
        return StringUtils.isNotEmpty(strategyContextHolder.getHeader(DiscoveryConstant.TRACE_ID)) ? strategyContextHolder.getHeader(DiscoveryConstant.TRACE_ID) : StringUtils.EMPTY;
    }

    @Override
    public String getSpanId() {
        return StringUtils.isNotEmpty(strategyContextHolder.getHeader(DiscoveryConstant.SPAN_ID)) ? strategyContextHolder.getHeader(DiscoveryConstant.SPAN_ID) : StringUtils.EMPTY;
    }

    @Override
    public Map getCustomizationMap() {
        return new ImmutableMap.Builder()
                .put("mobile", StringUtils.isNotEmpty(strategyContextHolder.getHeader("mobile")) ? strategyContextHolder.getHeader("mobile") : StringUtils.EMPTY)
                .put("user", StringUtils.isNotEmpty(strategyContextHolder.getHeader("user")) ? strategyContextHolder.getHeader("user") : StringUtils.EMPTY)
                .build();
    }
}

在配置类里@Bean方式进行调用链类创建，覆盖框架内置的调用链类

@Bean
public StrategyTracerAdapter strategyTracerAdapter() {
    return new MyStrategyTracerAdapter();
}

本文作者

任浩军， 10 多年开源经历，Github ID：@HaojunRen，Nepxion 开源社区创始人，Nacos Group Member，Spring Cloud Alibaba & Nacos & Sentinel Committer

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