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OpenTelemetry在服务网格架构下的最佳实践

【百度云原生导读】OpenTelemetry 由著名的 OpenTracing、 OpenCensus 两个产品在 2019 年合并而来,拥有广泛的应用场景和强大的开发团队。2021年,OpenTelemetry 的使用成为新的行业规范,通过在各个数据源之间建立一致性,使得数据收集以及处理更加便捷。

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    【百度云原生导读】OpenTelemetry 由著名的 OpenTracing、 OpenCensus 两个产品在 2019 年合并而来,拥有广泛的应用场景和强大的开发团队。2021年,OpenTelemetry 的使用成为新的行业规范,通过在各个数据源之间建立一致性,使得数据收集以及处理更加便捷。那么,如何在服务网格架构中引入 OpenTelemetry 进而获取可观测 trace 能力,实践过程中会遇到哪些问题?本文对相关问题做了总结并给出了解法,最后通过一个 Demo 手把手教你在 Istio 中安装 OpenTelemetry。

    1. OpenTelemetry 介绍

    OpenTelemetry(简称 OTel)是一系列的工具、APIs 和 SDKs。使用 OpenTelemetry 可以产生、收集、输出一系列遥测数据(telemetry data 如 trace、metrics 和 log)帮助用户分析应用程序的性能和行为。

    OpenTelemetry 是厂商无关的,并且作为工业级别标准被大量的厂商支持。另外,OpenCensus(Google)和 OpenTracing(Uber)是其前身。

    其架构如下所示:

    主要包含了以下几个部分:

    • Instrumentation:包含自动方式API 、SDK 方式接入 OpenTelemetry。

    • OTLP: OpenTelemetry 定义的传输协议。

    • OpenTelemetry Collector:提供厂商无关的解决方案,用于实现 数据的接收(receive), 处理(process)和 输出(export)的功能。

    2.OpenTelemetry 在 Service Mesh 架构下的实践

    目前 Istio 实现可观测 trace 方案 可以总结为:

    1. 需要业务透传对应的 header 信息(从入向请求中获取对应的 header 信息、并在出向请求中添加响应 header 信息)。

    2. Sidecar 自动向监控系统发送Span信息。

    通过对 Istio 方案可观测 trace 的分析,可以发现几个问题:

    1. 对业务代码是有侵入的 Trace 上下文传播(Trace Context propagation),需要业务透传相应的 header 信息。

    2. 所有的 Span 数据都由 Sidecar 侧生成,业务内部方法级别监控信息无法采集。

    在业界 APM 的技术方案中,Ja vaAgent(一种字节码技术,对业务无侵入)作为主流的技术方案。同样 OpenTelemetryauto-instrumentation通过 Ja va Agent 提供的动态注入字节码的技术实现任意 Ja va 应用遥测数据的采集,其支持了非常多的广为流行的库和框架。

    2.1 无侵入式Trace上下文传播

    对于Ja va应用程序,OpenTelemetry Ja vaAgent支持的Trace context propagation如下:

    • "tracecontext": W3C Trace Context (addbaggageas well to include W3C baggage)

    • "baggage": W3C Baggage

    • "b3": B3 Single

    • "b3multi": B3 Multi

    • "jaeger": Jaeger (includes Jaeger baggage)

    • "xray": AWS X-Ray

    • "ottrace": OT Trace

    上述b3multi/b3(以x-b3开头)恰好是 Istio 中要求透传的 header 信息。

    2.2 业务内部方法级别监控

    目前 OpenTelemetry Ja vaAgent 已经支持大量的库、框架以及应用服务器,能够采集业务内部方法级别执行逻辑。

    2.3 trace信息与业务日志关联

    通常在业务排查问题中,不仅仅要查看对应的 trace 链路信息,同时也要基于对应的 trace_id、span_id 查看对应的业务日志信息。

    OpenTelemetry Ja va Agent 预先在 log 的 MDC(Mapped Diagnostic Context)中设置了诸多关于当前 span 的信息,业务能够轻松对这些信息进行配置,进而方便地在业务日志中打印出相应的 trace_id、span_id 信息。以下是在 SpringBoot 中使用 logback 的配置示例:

      logging.pattern.level = trace_id=%mdc{trace_id} span_id=%mdc{span_id} trace_flags=%mdc{trace_flags} %5p

      2.4 系统架构

      • Ja vaAgent 将采集的数据发送至 OpenTelemetry Collector 。

      • Sidecar 将生成的 trace span 信息发送至 OpenTelemetry Collector。

      • OpenTelemetry Collector 将数据输出至监控系统如 jaeger 或 Kafka 中。

      • 用户可以通过对应的 UI 查看 trace 数据。

      2.5 实践

      本文主要用于演示,均无高可用部署。

      2.5.1 安装istio

      下载 istio 安装包(本文以1.13.2 为例):https://github.com/istio/istio/releases

        $ istioctl install -f istio-opentelemtry-iop.yaml

        istio-opentelemetry-iop.yaml的内容如下所示:

        apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatorspec:  meshConfig:    defaultConfig:      holdApplicationUntilProxyStarts: true
        tracing: sampling: 100 enablePrometheusMerge: false # 定义扩展的providers extensionProviders: - name: otel-trace zipkin: service: otel-collector.istio-system.svc.cluster.local port: 9411 maxTagLength: 56

        components: ingressGateways: - name: istio-ingressgateway enabled: true

        特别说明:上述extensionProviders 属性中定义了otel-trace,其信息为opentelemetry Collector 的地址(其本身可以接收 zipkin 格式的trace,因此此处定义的是zipkin的信息)

        2.5.2 安装OpenTelemetry Collector

        在https://github.com/open-telemetry/opentelemetry-operator 上按照说明安装OpenTelemetry Collector。假设所安装的K8S Service为:otel-collector.istio-system.svc.cluster.local:9411,其中9411是接收zipkin数据格式的端口。

        opentelemetry-collector-config.yaml的内容如下所示:

        # collector的receivers配置receivers:  otlp:    protocols:      grpc:      http:  zipkin:processors:  batch:  memory_limiter:# collector的exporters配置,exporters:  zipkin:    endpoint: "http://zipkin.istio-system.svc.cluster.local:9411/api/v2/spans"service:  pipelines:    traces:      # 对于trace数据,开启otlp、zipkin协议端口提供服务      receivers: [otlp, zipkin]      processors: [memory_limiter, batch]      # 对于trace数据,最后输出至zipkin中      exporters: [zipkin]

        2.5.3 安装 jaeger

          kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/istio/istio/release-1.14/samples/addons/jaeger.yaml

          由于 collector exporters 输出的 trace 数据格式为 zipkin,jaege 兼容 zipkin 格式 trace 数据,因此最终 trace 数据可通过 jaeger 展示。

          2.5.4 提交Telemetry CRD

          提交 Telemetry CRD,将 envoy 对接的 trace 的信息变更为 otel-trace,即为 Opentelemetry Collector。

            $ kubectl apply -f mesh-trace-telemetry.yaml

            mesh-trace-telemetry.yaml的内容如下所示:

            apiVersion: telemetry.istio.io/v1alpha1kind: Telemetrymetadata:  name: mesh-trace-telemtry  namespace: istio-systemspec:  tracing:  - providers:    - name: otel-trace    randomSamplingPercentage: 100

            2.5.5 部署Mesh应用

            为对应的命名空间 default 开启自动 Sidecar 注入功能:

              $ kubectl label namespace default istio-injection=enabled --overwrite

              按照K8S的方式部署微服务应用 consumer-demo 和 provider-demo。应用程序说明:

              • consumer-demo:服务消费方,向外提供 HTTP 接口,该接口会调用服务提供方 provider-demo 提供的 HTTP 接口,调用 provider-dem 的调用形式包括 RestTemplate 和 Fegin。

              • provider-demo:服务提供方,提供 HTTP 接口。

              应用程序启动需要加上对应的参数,如下所示:

              # 启动时要指定ja vaagent# -Dotel.resource.attributes=service.name=provider-demo  在span中的service信息# -Dotel.propagators=b3multi 透传b3multi headerja va -ja vaagent:/opentelemetry-ja vaagent.jar -Dotel.resource.attributes=service.name=provider-demo -Dotel.propagators=b3multi -jar provider-demo-1.0-SNAPSHOT.jar

              部署时需要在容器的环境中添加对应的配置:

                env:  - name: OTEL_TRACES_EXPORTER   # ja vaagent输出otlp协议类型数据    value: otlp  - name: OTEL_EXPORTER_OTLP_ENDPOINT   # collector地址    value: http://otel-collector.istio-system.svc.cluster.local:4317  - name: OTEL_JA VAAGENT_ENABLED     # 开启ja vaagent功能    value: 'true'

                2.5.6 观察Mesh监控数据

                如下图为本文consumer-demo和provider-demo在业务访问中产生的监控数据(以监控系统Jaeger为例):

                3.总结

                通过在 Service Mesh 架构中引入 OpenTelemetry,可以总结带来的业务收益如下:

                1. 通过 OpenTelemtry auto-instrumentation 机制可实现无侵入式 Trace 上下文传播,使得业务无感接入 Service Mesh 可观测性。

                2. 通过 OpenTelemtry auto-instrumentation 机制可实现业务内部方法级别的监控数据采集,弥补 Service Mesh 只能在 Sidecar 侧采集监控数据的缺陷。

                3. 通过 OpenTelemetry Logger MDC auto-instrumentation 机制能够将监控信息对应的 trace_id、span_id 等信息配置输出在业务日志中,方便业务排查问题。

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