一、技术原理

1.1 背景

微服务架构是一个分布式架构，它按业务划分服务单元，一个分布式系统往往有很多个服务单元。由于服务单元数量众多，业务的复杂性，如果出现了错误和异常，很难去定位。主要体现在，一个请求可能需要调用很多个服务，而内部服务的调用复杂性，决定了问题难以定位。所以微服务架构中，必须实现分布式链路追踪，去跟进一个请求到底有哪些服务参与，参与的顺序又是怎样的，从而达到每个请求的步骤清晰可见，出了问题，很快定位。举个例子，在微服务系统中，一个来自用户的请求，请求先达到前端A（如前端界面），然后通过远程调用，达到系统的中间件B、C（如负载均衡、网关等），最后达到后端服务D、E，后端经过一系列的业务逻辑计算最后将数据返回给用户。对于这样一个请求，经历了这么多个服务，怎么样将它的请求过程的数据记录下来呢？这就需要用到服务链路追踪。 Google开源的 Dapper链路追踪组件，并在2010年发表了论文《Dapper, a Large-Scale Distributed Systems Tracing Infrastructure》，这篇文章是业内实现链路追踪的标杆和理论基础，具有非常大的参考价值。中文翻译参考：http://bigbully.github.io/Dapper-translation/ 目前，链路追踪组件有Google的Dapper，Twitter 的Zipkin，以及阿里的Eagleeye （鹰眼）等，它们都是非常优秀的链路追踪开源组件。

1.2 名词术语

微服务链路追踪系统实现时，需设置一些关键节点记录信息，链路追踪相关名词如下：
Span：基本工作单元，发送一个远程调度任务就会产生一个Span，Span是一个64位ID唯一标识的，Trace是用另一个64位ID唯一标识的，Span还有其他数据信息，比如摘要、时间戳事件、Span的ID、以及进度ID。
Trace：一系列Span组成的一个树状结构。请求一个微服务系统的API接口，这个API接口，需要调用多个微服务，调用每个微服务都会产生一个新的Span，所有由这个请求产生的Span组成了这个Trace。
Annotation：用来及时记录一个事件的，一些核心注解用来定义一个请求的开始和结束。这些注解包括以下：
cs – Client Sent -客户端发送一个请求，这个注解描述了这个Span的开始
sr – Server Received -服务端获得请求并准备开始处理它，如果将其sr减去cs时间戳便可得到网络传输的时间。
ss – Server Sent （服务端发送响应）–该注解表明请求处理的完成(当请求返回客户端)，如果ss的时间戳减去sr时间戳，就可以得到服务器请求的时间。
cr – Client Received （客户端接收响应）-此时Span的结束，如果cr的时间戳减去cs时间戳便可以得到整个请求所消耗的时间。

1.3 调用链分析

一个服务调用过程如下图所示：
微服务调用链日志追踪分析

二、技术实现

调用方每一次向系统服务发起请求时，会生成这一次调用产生的相关调用链日志，生成一个全局的traceId，生成不同节点的span信息。其中当首个服务生成全局编码后，放入到header中，基于http传递给下级服务(其他模式类似)。下级服务可通过设置Filter过滤器（其他方案也可以），接收链路日志编码，并记录调用的日志信息。在将全局编码继续传递给下级服务。最终本次业务调用完成后，记录调用日志并清空本次调用链产生的全局编码。简易流程如下图所示：
微服务调用链日志追踪分析

2.1 单服务流程说明

调用方请求服务A，进入服务A过滤器；
服务A过滤器判断请求的header中是否携带了TraceId,ParentSpanId,有则使用携带的，没有就自动生成。
过滤器前置部分记录初始请求的一些信息，如请求地址，参数，请求时间等；
过滤器转发请求进入到Service方法;
过滤器后置部分再次记录Service方法执行完成后的一些信息，如返回内容，结束时间；
过滤器前后分别记录了信息，组合生成调用链路日志；
请求完成后，清空本次产生的TraceId；

服务A调用链日志信息参考：
微服务调用链日志追踪分析

// trace日志
{
"message":"trace log",
"context":{
"trace_id":"e0d5c5ba-f497-4407-b8ca-f657a88452fc517513",
"request_uri":"/customize-trace-A/trace/jdk/async",
"request_method":"GET",
"refer_service_name":null,
"service_name":"customize-trace-A",
"refer_service_host":"127.0.0.1",
"request_time":1608896030.689531,
"response_time":1608896030.692276,
"time_used":3.479,
"service_addr":"192.168.45.42",
"service_port":8095,
"request_id":"9adfcf3c-d606-418f-abc7-6600bff6adf0533098"
},
"datetime":"2020-12-25 19:33:50.690014"
}
 
// span节点
{
"trace_id":"e0d5c5ba-f497-4407-b8ca-f657a88452fc517513",
"request_id":"9adfcf3c-d606-418f-abc7-6600bff6adf0533098",
"span":{
"span_id":"eb12eaf8-df3d-4dd2-923a-685360a4fd79588942",
"parent_id":null,
"duration":3426,
"annotations":[
{
"timestamp":1608896030686322,
"action":"sr"
},
{
"timestamp":1608896030689748,
"action":"ss"
}
]
} ,
"datetime":"2020-12-25 19:34:50.690014"
}

View Code

2.2 多服务流程说明

多个服务与单个服务对比，是在不同的微服务里面分别记录对应的Trace信息，Span信息。同一个调用请求，所有微服务记录的TraceId一致，父服务的SpanId为子服务的ParentSpanId。举例两个服务间的调用流程如下：

调用方发起调用，请求服务A，进入服务A过滤器；
服务A过滤器判断请求的header中是否携带了TraceId,ParentSpanId,有则使用携带的，没有就自动生成；
服务A过滤器前置部分记录初始请求的一些信息，如请求地址，参数，请求时间等；
服务A过滤器转发请求进入到Service方法;
服务A的Service方法内部执行部分逻辑后，开始通过中间件调用服务B；
将服务A中已生成的TraceId,ParentSpanId信息，通过header设置参数（其他类似）的模式传递给服务B；
进入服务B过滤器，服务B过滤器获取header中传递过来的TraceId,ParentSpanId；
服务B过滤器前置部分记录初始请求的一些信息，如请求地址，参数，请求时间等
服务B过滤器转发请求进入到Service方法;
服务B过滤器后置部分再次记录Service方法执行完成后的一些信息，如返回内容，结束时间；
服务B过滤器前后分别记录了信息，组合生成调用链路日志；
服务B基于中间件返回调用的请求信息处理结果给服务A；
服务A清空本次接收到的TraceId等编码信息。
服务A过滤器后置部分再次记录Service方法执行完成后的一些信息，如返回内容，结束时间；
服务A过滤器前后分别记录了信息，组合生成调用链路日志；
服务A清空本次请求产生的TraceId。

2.3 中间件记录Span信息

中间件是否需要记录Span信息 上述举例并未记录服务的Service方法执行一段时间后，何时通过中间件发起调用其他服务的Span信息。现实业务中，服务调用经常存在这种情况，服务A中某一个方法，先调用了服务B，获取到服务B的返回结果后，后续还又调用了服务C，服务D。此刻若不记录中间件的Span信息，在分析部分调用链超时情况时，会难以定位分析。只能获取到接受方的接收时间，不知道某一个服务调用时具体的发起时间（如服务D最终接收请求时的时间与最初进入服务A记录的请求时间相差一分钟，但这并不能说服务A调用服务D的接口就耗时一分钟）。
因此，中间件模块记录Span信息也至关重要。比如一个http请求的中间件，可重写他的Client实现类，记录开始发起请求和请求完成（类似于Filter）这一段时间的Span信息。

2.4 TraceId的管理

为什么每次服务调用完成后，需要清空traceId?
多个请求同时发起时，如何保证调用链日志在不同线程中隔离，互不影响？

每一个请求过来时，产生一个独立的子线程，在这个子线程内部设置对应的traceId,可基于ThreadLocal存储调用链相关信息，达到子线程信息隔离的目的。了解调用链信息基本原理后，自定义编码实现一套基于traceId的调用链追踪技术方案，需解决如下问题：

全局traceId的生成和清空；
traceId调用链路传递与追踪；
traceId基于Filter接收；
Span生成与管理；
调用链路日志存储；

三、技术细节分析

3.1 生成调用链相关编码

traceId:全局调用链日志id编码，在多个服务调用的一条调用链日志中，为同一个日志编码 spanId:spanId节点的唯一编码 requestId:本次请求生成的唯一id编码，在多个服务调用的一条调用链日志中，为不同的日志编码每一次发起业务调用完成后，需清空本次产生的编码。同时，不同线程的调用链日志应互不影响。故调用链信息可基于MDC技术实现，查看MDC的实现原理，本质还是基于ThreadLocal实现。本例直接基于ThreadLocal实现，部分伪代码如下：
微服务调用链日志追踪分析

public class LoggerUtil{
/**
* 生成traceId ，requestId，spanId 类似，设置不同的方法名即可
*/
static String traceId() {
return UUID.randomUUID().toString() + new Random().nextInt(1000000);
}
}
 
public final class ThreadHolderUtil {
/**
* 任意类型数据集合
*/
private static final ThreadLocal<Map<Object, Object>> VALUE_MAP = ThreadLocal.withInitial(HashMap::new);
/**
* 设置key值
*
* @param key key
* @param value 值
*/
public static void setValue(Object key, Object value) {
Optional.ofNullable(VALUE_MAP.get()).ifPresent(valueMap -> valueMap.put(key, value));
}
 
/**
* 清除指定Key
*
* @param key 指定key
*/
public static void clearValue(Object key) {
Optional.ofNullable(VALUE_MAP.get()).ifPresent(valueMap -> valueMap.remove(key));
}
 
/**
* 清除整个map
*/
public static void clearValueMap() {
VALUE_MAP.remove();
}
}

View Code

获取traceId:String traceId = LoggerUtil.traceId();
单次调用过程中存储traceId:ThreadHolderUtil.setValue(TRACD_ID, traceId );
整个调用完成后，清空整个变量：ThreadHolderUtil.clearValueMap();

3.2 调用链编码传递

调用链编码传递主要是一个请求涉及到多个微服务时，一般是从网关（或首个请求的微服务）生成调用链编码后，该编码在不同微服务中的流转过程。本文主要介绍Feign和线程池中traceId的链路传递参考文档：基于TraceId链路追踪
Feign传递编码-重写RequestInterceptor 网上介绍方案大多是通过重写实现RequestInterceptor接口实现的。参考代码如下：
微服务调用链日志追踪分析

/**
* 调用服务追踪信息feign拦截器
*
*/
public class FeignTraceInterceptor implements RequestInterceptor {
private static final Logger LOGGER = LoggerUtil.getTraceLogger();
 
@Override
public void apply(RequestTemplate template) {
String projectName = LoggerUtil.PROJECT_NAME;
if (!StringUtils.isEmpty(projectName)) {
template.header(REFER_SERVICE_NAME, projectName);
}
if (!StringUtils.isEmpty(HOST_IP)) {
template.header(REFER_REQUEST_HOST, HOST_IP);
}
String traceId = TraceUtil.getTraceId();
if (StringUtils.isEmpty(traceId)) {
traceId = LoggerUtil.traceId();
}
template.header(GATEWAY_TRACE, traceId);
String spanId = TraceContext.parentSpanId();
template.header(PARENT_ID_HEADER, spanId);
}
}
 
@ConditionalOnClass(Feign.class)
public static class FeignTraceAutoConfiguration {
@Bean
public FeignTraceInterceptor feignTraceInterceptor() {
return new FeignTraceInterceptor();
}
}

View Code 该方案是把调用链编码通过header传递给下级服务了，但并没有记录Feign处的Span信息。参考模型如下图所示：
微服务调用链日志追踪分析
Feign传递编码-重新实现内部调用的 Http Client 扩展方案是需要记录每一次调用Feign时，记录Feign处的Span信息。Feign最终可通过在http发起请求时，调整内部的Http Client扩展实现，达到记录Span信息的目的。（整体方案偏复杂，要考虑负载均衡时，池化请求等模式时，都可以记录信息）
Feign添加自定义注解 目的是为了记录Feign在执行方法前后的调用链信息，可采用加入注解，在Feign类上面标记，记录方法执行前后时的情况。调用链信息还是通过重写RequestInterceptor实现传递给下级服务。采用Feign调用其他服务，记录Fegin的Span信息，可通过方案：
（Feign传递编码重写RequestInterceptor， Feign请求添加注解，组合实现。） 编写一个注解，并记录调用方法前后的时间信息，参考伪代码：
微服务调用链日志追踪分析

@Aspect
@Component
public class FeignSpanAspect {
@Pointcut("@annotation(com.trace.base.tool.annotation.FeignSpan)")
public void pointcut() {
}
@Around("pointcut()")
public void around(ProceedingJoinPoint joinPoint) {
try {
// 先生成spanId
String spanId = TraceContext.parentSpanId();
ThreadHolderUtil.setValue("feign-spanId", spanId);
// cs
Annotation cs = TraceContext.cs();
List<Annotation> annotations = new ArrayList<>(2);
annotations.add(cs);
// 避免执行超时,所以先设置span cs信息
Span span = new Span.Builder()
.parentId(ThreadHolderUtil.getValue(PARENT_SPAN_ID_KEY, String.class))
.spanId(spanId)
.annotations(annotations)
.build();
List<Span> subSpanList = ThreadHolderUtil.getValue(SUB_SPAN_LIST_KEY, List.class);
if (subSpanList != null) {
subSpanList.add(span);
}
joinPoint.proceed();
// cr
Annotation cr = TraceContext.cr();
// 增加cr
annotations.add(cr);
span.setDuration(cr.getTimestamp() - cs.getTimestamp());
} catch (Throwable throwable) {
throwable.printStackTrace();
}
}
}

View Code
线程池传递编码 主线程中记录的调用链信息通过线程池执行时，子线程会获取不到主线程的调用链信息（子线程获取traceId为null）。因此，需要在子线程执行时，主线程向子线程传递调用链相关编码信息。参考文档：多线程相关知识：多线程-JUC线程池 Spring 回调方法装饰器：多线程调用如何传递上下文 JDK原生扩展Callable，Runnable:traceId跟踪请求全流程日志其他方法：Transmittable ThreadLocal(TTL) 支持缓存线程池的 ThreadLocal

3.3 微服务过滤器接收调用链编码

上游服务向下游服务发起调用请求时，下游服务接收到请求时，加入一个基础过滤器（设置过滤器order值小于其他业务的order值，保证优先执行），获取上游服务请求信息中的调用链信息，获取出来后，记录请求Trace日志信息，并通过ThreadLocal模式，记录调用链信息。参考实现部分伪代码如下：
微服务调用链日志追踪分析

@Override
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
HttpServletRequest servletRequest = (HttpServletRequest) request;
String uri = servletRequest.getRequestURI();
// 服务健康检查日志不统计,根目录和HEAD请求忽略
final String slash = "/";
if (Arrays.stream(ignorePath).anyMatch(uri::startsWith) || slash.equals(uri) || HttpMethod.HEAD.name().equalsIgnoreCase(servletRequest.getMethod())) {
chain.doFilter(request, response);
} else {
try {
int port = request.getLocalPort();
TraceLog traceLog = new TraceLog();
traceLog.setRequestTime(getNowUs());
//服务名称
traceLog.setServiceName(LoggerUtil.PROJECT_NAME);
// 开始时间戳(微秒)
long start = LocalDateTimeUtil.getCurrentMicroSecond();
// traceId
String traceId = servletRequest.getHeader(GATEWAY_TRACE);
// 没有就新生成一个
if (StringUtils.isEmpty(traceId)) {
traceId = LoggerUtil.traceId();
}
// 尝试获取上游传递的parent_id
String parentId = servletRequest.getHeader(TraceContext.PARENT_ID_HEADER);
// 首先设置span id,作为后续子span的父span id
String spanId = TraceContext.parentSpanId();
ThreadHolderUtil.setValue(PARENT_SPAN_ID_KEY, spanId);
// 需要提前初始化子span列表,否则父子线程无法持有一个数据引用
ThreadHolderUtil.setValue(SUB_SPAN_LIST_KEY, new ArrayList<>());
 
// sr
Annotation sr = TraceContext.sr();
String requestId = LoggerUtil.requestId();
// 设置trace,用于ResponseBody能够获取
Trace trace = new Trace(traceId, requestId);
ThreadHolderUtil.setValue(TRACE_KEY, trace);
 
traceLog.setTraceId(traceId);
// 远程调用服务名称
traceLog.setReferServiceName(servletRequest.getHeader(REFER_SERVICE_NAME));
traceLog.setRequestUri(servletRequest.getRequestURI());
String method = servletRequest.getMethod();
traceLog.setRequestMethod(method);
traceLog.setServicePort(port);
// 原始response对象
chain.doFilter(request, response);
// 结束时间戳(微秒)
long end = LocalDateTimeUtil.getCurrentMicroSecond();
// ss
Annotation ss = TraceContext.ss();
// duration
long duration = ss.getTimestamp() - sr.getTimestamp();
// span日志
SpanLog spanLog = new SpanLog();
// 父span
Span span = new Span.Builder()
.parentId(parentId)
.spanId(spanId)
.duration(duration)
.annotations(Arrays.asList(sr, ss))
.build();
spanLog.setTraceId(traceId);
spanLog.setRequestId(requestId);
spanLog.setSpan(span);
List<Span> subSpanList = ThreadHolderUtil.getValue(SUB_SPAN_LIST_KEY, List.class);
spanLog.setSubSpans(subSpanList);
// todo 存储span信息
// todo 存储trace信息
} finally {
// 最后清除VALUE_MAP
// 执行完成后，清空产生的日志信息
ThreadHolderUtil.clearValueMap();
}
}
}

View Code

3.4 Span生成与管理

通过技术原理分析，生成Span的场景为每一个微服务请求开始至请求完成时，记录一个Span节点信息。若服务执行过程中，通过中间件调用了其他微服务时，每一次中间件调用时，再记录一个Span节点信息（调用多少次，记录多少个）。

3.5 调用链日志存储

发起一次调用后，会生成Trace请求信息，Span节点信息，针对这些日志信息，可以通过写入到Log4g2日志中。或者写入到其他数据库等系统中做日志信息存储，便于后续分析问题。举例一个场景：发起请求，先调用服务A，服务A通过Feign调用一次服务B，整体记录日志参考如下：
服务A对应traceLog

生成全局traceId: 2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225。
服务A调用起止时间：1612344583.027557~ 1612344589.716305。

微服务调用链日志追踪分析

{
"message":"trace log",
"context":{
"trace_id":"2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225",
"request_uri":"/customize-trace-A/trace/feign/name",
"request_method":"GET",
"refer_service_name":null,
"service_name":"customize-trace-A",
"refer_service_host":"127.0.0.1",
"request_time":1612344583.027557,
"response_time":1612344589.716305,
"time_used":4774.917,
"service_addr":"192.168.45.42",
"service_port":8095,
"request_id":"01d91c6f-1745-414c-a556-06d2e2630995119672"
},
"level":200,
"level_name":"INFO",
"channel":"REQUEST",
"datetime":"2021-02-03 17:29:50.405499"
}

View Code
服务A对应spanLog

服务A本身具备一个span节点信息。且服务A的spanId，为sub_spans的parentSpanId。因为服务A通过Feign调用了一次服务B，记录中间件的Span信息一次。（调用多少次，记录多少个孩子span节点。）
孩子节点的span信息，内部的开始请求时间，结束请求时间，小于上级节点的起止时间。

全局traceId:
2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225。

sub_spans 节点下面，所有相关的子节点，他的parentId为上级span节点的spanId,值为e495b1e3-72e3-4dfc-92ad-8526c1c05e68901528。

微服务调用链日志追踪分析

{
"message":"span log",
"context":{
"trace_id":"2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225",
"request_id":"01d91c6f-1745-414c-a556-06d2e2630995119672",
"span":{
"span_id":"e495b1e3-72e3-4dfc-92ad-8526c1c05e68901528",
"parent_id":null,
"duration":4772900,
"annotations":[
{
"timestamp":1612344583030172,
"action":"sr"
},
{
"timestamp":1612344587803072,
"action":"ss"
}
]
},
"request_uri":null,
"request_method":null,
"sub_spans":[
{
"span_id":"6a112df7-762d-4467-aab5-8d4ea8d30e34265554",
"parent_id":"e495b1e3-72e3-4dfc-92ad-8526c1c05e68901528",
"duration":4064421,
"annotations":[
{
"timestamp":1612344583090733,
"action":"cs"
},
{
"timestamp":1612344587155154,
"action":"cr"
}
]
}
]
},
"level":200,
"level_name":"INFO",
"channel":"SPAN",
"datetime":"2021-02-03 17:29:49.705213"
}

View Code
服务B对应traceLog

服务B接收上级的传入的TraceId,全局编码：2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225。
服务B调用起止时间：1612344586.914167~ 1612344587.162829.
服务A通过Feign发起的时间为: 1612344583090733，服务B接收到的请求时间1612344586914167，表明中间件到服务B中还是存在细微的时间差。

微服务调用链日志追踪分析

{
"message":"trace log",
"context":{
"trace_id":"2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225",
"request_uri":"/customize-trace-B/trace/name",
"request_method":"GET",
"refer_service_name":"customize-trace-A",
"service_name":"customize-trace-B",
"refer_service_host":"127.0.0.1",
"request_time":1612344586.914167,
"response_time":1612344587.162829,
"time_used":218.196,
"service_addr":"192.168.45.42",
"service_port":8096,
"request_id":"c3141791-b5c4-49e3-ad4a-08c40782f687651638"
},
"level":200,
"level_name":"INFO",
"channel":"REQUEST",
"datetime":"2021-02-03 17:29:47.161630"
}

View Code
服务B对应spanLog

服务B接收上级的传入的TraceId,全局编码：2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225.
服务B没有再次调用其他的服务了，故不存在下级sub_spans节点。
服务B节点信息中的parent_id,为服务A中的孩子节点spanId,值为：6a112df7-762d-4467-aab5-8d4ea8d30e34265554。

微服务调用链日志追踪分析

{
"message":"span log",
"context":{
"trace_id":"2bf002c7-c140-4304-9c42-98ec0e359e1a314225",
"request_id":"c3141791-b5c4-49e3-ad4a-08c40782f687651638",
"span":{
"span_id":"d4a7f2d5-d49d-4f88-95ee-4f73c18ff9d5967084",
"parent_id":"6a112df7-762d-4467-aab5-8d4ea8d30e34265554",
"duration":207818,
"annotations":[
{
"timestamp":1612344586929937,
"action":"sr"
},
{
"timestamp":1612344587137755,
"action":"ss"
}
]
},
"request_uri":null,
"request_method":null,
"sub_spans":[
 
]
},
"level":200,
"level_name":"INFO",
"channel":"SPAN",
"datetime":"2021-02-03 17:29:47.139560"
}