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蚂蚁金服在云原生架构下的可观察性的探索和实践

本文根据 8 月 11 日 SOFA Meetup#3 广州站 《蚂蚁金服在云原生架构下的可观察性的探索和实践》主题分享整理。现场回顾视频以及 PPT 查看地址见文末链接。

前言

随着应用架构往云原生的方向发展,传统监控技术已经不能满足云原生时代运维的需求,因此,可观察性的理念被引入了 IT 领域。

下面我将会就可观察性在云原生的起源,可观察性发展动力,可观察性与监控的关系,可观察性的三大支柱,社区发展方向及产品现状,以及蚂蚁金服对相关问题的理解及实践进行探讨。

才疏学浅,欢迎拍砖。

为什么云原生时代需要可观察性

可观察性的由来

在云原生语境下的可观察性这个词,最早出现于2017年7月,Cindy Sridharan 在Medium 写的一篇博客, "Monitoringand Observability"[1] 谈到了可观察性与云原生监控的关系。

而在2017年10月,来自 Pivotal 公司的Matt Stine,在接受 InfoQ 采访的时候,对云原生的定义进行了调整,将 Cloud Native Architectures 定义为具有以下六个特质:

  • 模块化 (Modularity) (通过微服务)
  • 可观察性 (Observability)
  • 可部署性 (Deployability)
  • 可测试性 (Testability)
  • 可处理性 (Disposability)
  • 可替换性 (Replaceability)

可见,在2017年下半年,可观察性成为了一个 buzzword(时髦词),正式出现在了云计算领域。

可观察性的定义

虽然“可观察性”这个词在 IT 行业是一个新的术语,但它其实是在上世纪60年代,由匈牙利裔工程师鲁道夫·卡尔曼提出的概念[2]。

术语“可观察性”,源于控制论,是指系统可以由其外部输出推断其内部状态的程度。

这个外部输出,在云原生的语境下,即 Telemetry ,遥测,通常由服务(services)产生,划分为三个维度或者说支柱,Tracing(跟踪),Metrics(指标) , Logging(日志)。

为什么云原生需要可观察性

近年可以看到,云计算对基础架构改变甚为巨大,无论是互联网行业,还是传统行业,云化在提升资源利用率,提高业务敏捷性的价值已经成为了公式。而在应用层面,由于业务特性的原因,互联网公司大部分已经完成云化,应用架构也不同程度上,完成了从单体应用向微服务应用演进。在转型后,整体系统复杂性大大增加,倒逼相应的工具及方法论进行升级改造,去 hold 住这么复杂的局面。

上图为 Uber 展示的总体调用链图。

考虑到业务多样性及复杂度,在蚂蚁金服内部,相关调用关系只会更为复杂,用人类的智力,已经没有办法去理解如此复杂的调用关系。而上图只是展示了可观察性的链路调用,如果再加上指标及日志,不对工具及方法论进行革新,是难以实现对复杂微服务架构的管控的。

微服务只是云原生的模块化特性的体现,再考虑到近年被广泛应用容器,Kubernetes , 以及大家关注度极高的 Service Mesh , Istio,每一个新的技术的出现,在带来了更优雅的架构、更灵活的调度、更完善的治理的同时,也带来更多新的复杂性。

因此,可观察性对于云原生的应用架构,是必不可少的特性。

可观察性和传统监控的区别

不少同学就会说,这个可观察性与我们谈的最多的监控有什么区别。虽然有不少人认为,这词就是个buzzword,就是赶时髦的,没有太大的意义,但是我结合网上的讨论,个人认为可观察性与监控,含义上虽然接近,但是也有一些理念上的差别,使得讨论可观察性这个词,是有具有现实意义,并能真正产生相应的价值。

1. 监控更多关注的是基础设施,更多与运维工程师相关,更强调是从外部通过各种技术手段去看内部,打开黑盒系统。

2. 可观察性更多的是描述应用,在我们谈论具体某应用,或者是某些应用是否具备客观性的时候,通常与开发人员相关,因为在常见的可观察性的实践之中,开发人员需要在应用的开发过程中嵌入例如 statd 或者是 opentracing,或者是 opencensus 等所提供的库,对相关的 telemetry 进行输出,或者是俗话说的埋点。通过埋点,将服务内部的状态白盒化,使得其在运维阶段具备可观察性。某种程度上可以说,可观察性遵循了 DevOps 及 SRE 的理念,即研发运维一体化,从开发侧就考虑系统的可运维性。

这里值得补充说明的是,目前市面上,有商用或者开源 APM 方案,通过入侵 JVM 或者其他技术手段,对应用进行自动埋点的,输出 trace 及 metrics 信息。这同样也是一种可观察性的实现方式,这样做的最大的好处是,不需要对现有的应用进行改造,但是相应的 agent 对应用进行实时的监控,必然会或多或少的增加资源的占用,例如每实例额外30+MB 内存,5~10% 的 CPU 占用,在大规模的运行环境之中,会有不少的成本增加。

可观察性的三大支柱及社区进展

可观察性的三大支柱

可观察性的三大支柱及其之间的关系,Peter Bourgon 在2017年2月撰写了一篇简明扼要的文章, 叫 "Metrics, tracing, and logging" [3],有兴趣的可以去看一下,以下仅为简单的提及。

1. 指标数据(Metrics Data)

描述具体某个对象某个时间点的值。在 Prometheus 中,指标有四种类型,分别 Counter(计数器)、Gauge(瞬时值)、Histogram(直方图)和 Summary (概要), 通过这四种类型,可以实现指标的高效传输和存储。

2. 日志数据 ( Logging Data)

描述某个对象的是离散的事情,例如有个应用出错,抛出了NullPointerExcepction,或者是完成了一笔转账,个人认为 Logging Data 大约等同于 Event Data,所以告警信息在我认为,也是一种 Logging Data。但是也有技术团队认为,告警应该算是可观察性的其中一个支柱。

3. 跟踪数据(Tracing Data)

Tracing Data 这词貌似现在还没有一个权威的翻译范式,有人翻译成跟踪数据,有人翻译成调用数据,我尽量用 Tracing 这个词。Tracing 的特点就是在单次请求的范围内处理信息,任何的数据、元数据信息都被绑定到系统中的单个事务上。一个 Trace 有一个唯一的 Trace ID ,并由多个 Span 组成。

社区方案进展

由于可观察性在云原生中,是一个非常重要的特性,因此,在开源世界中,先后出现了两个定位都比较类似的项目,分别是源自 Google 的 OpenCensus (定位上报 Tracing + metris)和由 CNCF 孵化的 OpenTracing(定位上报 Tracing)。两者都定位于提供厂商中立的技术规范,及实现该规范各种编程语言遥测库,使得用户在使用了相关的库以后,可以将相关的遥测数据,发往不同厂商的后端,如 Zipkin , SignalFX,Datdog 等,从而促进云原生的可观察的良性发展。

由于两个项目的定位高度雷同,因此在2019年3月,两个项目社区的主要领导者,决定将两个项目进行融合,产生一个同时向下兼容 OpenCensus 及 OpenTracing 的项目,叫 Open Telemetry,将多个标准降低为一个。

OpenTelemetry 旨在将可观察性的三大支柱,组合成一组系统组件和特定于语言的遥测库。项目在最初并不会支持日志,但最终会将其合并。这个事情比较好理解,因为日志数据量太大,也缺乏相应的初始规范,社区选择在时机成熟时再进行引入是一个很合理的策略。

简单来说,以后在应用开发里头,只要使用了 Open Telemetry的类库进行埋点,则应用就可以通过一个协议,统一上传指标,跟踪日志到不同厂商的后端,进行后继的分析。

社区产品现状及局限

与协议层,日趋一统情况不一样,在产品层面,由于产品的侧重点不同,呈现出了百花齐放的局面。

但是,从某种角度来看,目前社区的产品方案有以下的局限:

1、缺乏大一统的产品,同时对三个支柱进行支撑,并进行有机的关联

这个无需多言,只要使用过上述的产品,就会发现没有办法找到一个完整开源产品,能够对以上三种遥测进行同时处理。就更没有办法进行统一的关联了。

2、缺乏大一统的产品模型,统一展示微服务 + Mesh + Serverless

在不远的将来,传统微服务、Mesh 、Serverless 应用混合交互构成业务系统,将会是一个普遍的情况,但是目前开源的产品,并不具备对以上三种计算模型进行统一的,可识别的管理。

蚂蚁金服对云原生的可观察性的理解及实践

蚂蚁金服在多年的分布式系统运维过程中,对可观察性有着自己深入的理解,结合用户的特点,将其进行产品化及解决方案,并提供给金融用户。

1. 链路跟踪是可观察性的核心,用于故障定位

在微服务及分布式架构中,链路跟踪是用户的核心使用诉求,这里大家都应该比较熟悉了,我也不多做展开。

2. Tracing+metirce+Log有机关联是实现可观察性的关键

  • 链路与日志关联

链路与日志关联[4]是一个很重要的场景。在很多时候,某一个调用失败,失败的原因,并不能体现在 Trace 之上,也许是发生在业务侧,例如余额不足,导致整个调用的失败。因此,很多时候,我们需要将链路和日志关联,帮助我们更好的判断到底是什么原因,导致链路调用失败,或者是进行进行其他分析。

为此,我们提供了一个 SDK,用户可以根据我们官网上的配置,对 log4j 及其他 logger进行配置后,将 TraceId 及 RPCId 从 Tracer 中进行获取,那么在打印的日志的时候,TraceId , RPCId 也会如图上所示,在日志中打印出来。最后,然后通过Trace view,就能在查看链路的同时查看关联的日志。

具体的配置方式或者原理,感兴趣的同学,可以查看蚂蚁金服金融科技官网。https://tech.antfin.com/

  • 拓扑与指标关联

除了链路与日志关联,我们 SOFA 还提供了应用指标的上传功能 在应用上传 Trace 的同时,我们将指标与调用拓扑进行了关联,用户可以点击应用拓扑中的应用,下转查看响应的拓扑指标。

3. 按照固定采样率进行采样不能满足实践使用需求

有 Tracing 相关产品使用经验的同学都知道,在业务量大的时候,相关的 Tracing 产生的数据量会较多,导致存储成本以及处理成本的大幅度增加。在实际的生产中,我们往往会对 Tracing 进行采样,通常会采用 1/100 甚至是1/1000 的方式进行采样。

具体的采样方式,通常采用 Head-based 采样,即对 TraceId 进行以 100 或者1000 来采模,采模后如果是 1 ,则 agent 对该 TraceId 进行进行采集。是否对链路进行采集的决定,发生在链路的第一跳,即TraceId 产生时,所以叫 Head-based 采样。

这种采样方法好处是实现非常简单,但问题是 100 个链路数据中,可能有 3-5 个是运维人员关心的,通常是调用出错的链路,又或者是调用缓慢的链路,通过这种简单粗暴的采样,能采集到相应链路的机会就会很少。大部分情况下,用户只能期望异常多次发生,并在某次被采样命中,然后进行分析。

目前,开源软件中,采用的都是这种方案。

我们在蚂蚁金服内部,使用的是 Tail-based 的采样方案,简单来说,我们会把所有的 Span 数据,都会放到内存里,但这个时候,并不能决定具体那一条链路是采集还是不采集,但是当整条链路闭合后,我们就会对整条的 Trace 根据规则进行判断,如果有调用失败,或者整个调用中有部分 Span 是处于缓慢状态的,系统会将会标记此链路为异常链路,即命中采样,永久保存。这样就能保证运维人员能够无视采样率,具备对异常链路进行查看能力。由于对某一条链路数据是否采集的决定,其实是处于链路的尾部(非严格意义)才作出的,所以叫 Tail-based 采样。

当然以上 Tail-based 的采样的描述是极其简单及理想化的,在海量数据量的情况下,以上的方法基本上没有办法使用,很容易就把内存给撑爆了。在实际设计中,我们还考虑了很多的因素,进行了更多的细节处理,使得 Tail-based 采样的资源消耗也在一个可以接受的范围内。

目前这个功能在内部已经落地,对外还在产品化之中。(想要了解上述更多技术细节,可以查看参考资料[5]&[6])

4. 统一化 微服务 + Mesh + Serverless

未来,可以预期混合使用经典微服务、服务网格的企业必然越来越多。因此,如何设计一个通用的模型,对以上三部分进行统一管控, 这也是蚂蚁金服目前正在实践探索的地方,期望外来有机会向大家分享。

未来展望

综上所述,随着云原生的发展, 我们相信拥有完整的可观察性三大支柱处理能力,并能在产品层面上对三大支柱进行灵活关联、下转、查看的监控产品,适用于混合的云原生场景的监控的产品,都将会越来越多,帮助企业内部落地云原生架构。

视频回顾

本次分享的视频回顾以及PPT 查看地址:

https://tech.antfin.com/community/activities/779/review

参考资料

[1]“Monitoring in the timeof Cloud Native”:

https://conferences.oreilly.com/velocity/vl-ny-2017/public/schedule/detail/61529

[2]Observability:

https://en.wikipedia.org/wiki/Observability

[3]“Metrics, tracing, and logging”:

https://peter.bourgon.org/blog/2017/02/21/metrics-tracing-and-logging.html

[4]设置应用日志关联:

https://tech.antfin.com/docs/2/72179

[5]https://news.ycombinator.com/item?id=15326272

[6]https://github.com/jaegertracing/jaeger/issues/425

[7]蚂蚁金服金融科技:https://tech.antfin.com/ 本文归档在sofastack.tech




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