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。
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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。
- 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。
- 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
