OpenTracing语义标准规范及实现

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注：本文转自好友吴晟的两篇译文 ，译文原文如下： https://github.com/opentracing-contrib/opentracing-specification-zh/blob/master/semantic_conventions.md https://github.com/opentracing-contrib/opentracing-specification-zh/blob/master/specification.md

一、 前言

什么是OpenTracing?

OpenTracing(http://opentracing.io/)是分布式跟踪系统，当我们把系统拆成服务化，分布式系统的时候，查询一个问题，很可能需要多个登录多台机器。

OpenTracing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。OpenTracing正在为全球的分布式追踪，提供统一的概念和数据标准。

关于OpenTracing的一个Java版本的实现请参考如下代码：

https://github.com/opentracing/opentracing-java

二、语义惯例

OpenTracing标准 描述的语言无关的数据模型，以及OpenTracing API的使用方法。在此数据模型中，包含了两个相关的概念 Span Tag 和 (结构化的) Log Field，尽管在标准中，已经明确了这些操作，但没有定义Span的tag和logging操作时，key的使用规范。

这些语义习惯通过这篇文档进行描述。这篇文档包括两个部分：一. 通过表格罗列出所有的tag和logging操作时，标准的key值。二.描述在特定的典型场景中，如何组合使用这些标准的key值，进行建模。

版本命名策略

修改此文件，将影响到OpenTracing标准的版本号。增加内容会增加小版本号，不向前兼容的改变（或新增大量内容）会增加大版本号。

标准的Span tag 和 log field

Span tag 清单

Span的tag作用于 整个Span，也就是说，它会覆盖Span的整个事件周期，所以无需指定特别的时间戳。对于由时间点特性的事件，最好使用Span的log操作进行记录。（在本文档的下一章中进行描述）。

Log field 清单

每个Span的log操作，都具有一个特定的时间戳（这个时间戳必须在Span的开始时间和结束时间之间），并包含一个或多个 field。下面是标准的field。

典型场景建模

RPCs

使用下面tag为RPC调用建模：

• span.kind: "client" 或 "server"。在Span开始时，设置此tag是十分重要的，它可能影响内部ID的生成。
• error: RPC调用是否发生错误
• peer.address, peer.hostname, peer.ipv4, peer.ipv6, peer.port, peer.service: 可选tag。描述RPC的对端信息。（一般只有在无法获取到这些信息时，才不设置这些值）

Message Bus

消息服务是一个异步调用，所以消费端的Span和生产端的Span使用 Follows From 关系。(查看 Span间关系)

使用下面tag为消息服务建模：

• message_bus.destination: 上表已描述
• span.kind: "producer" 或 "consumer". 建议 在span开始时 设置此tag，它可能影响内部ID的生成。
• peer.address, peer.hostname, peer.ipv4, peer.ipv6, peer.port, peer.service: 可选tag，描述消息服务中broker的地址。（可能在内部无法获取）

Database (client) calls

使用下面tag为数据库客户端调用建模：

• db.type, db.instance, db.user, 和 db.statement: 上表已描述
• peer.address, peer.hostname, peer.ipv4, peer.ipv6, peer.port, peer.service: 描述数据库信息的可选tag
• span.kind: "client"

Captured errors，捕获错误

OpenTracing中，根据语言的不同，错误可以通过不同的方式来进行描述，有一些field是专门针对错误输出的，其他则不是（例如：event 或 message）

如果存在错误对象，它其中包含栈信息和错误信息，log时使用如下的field：

• event="error"
• error.object=<error object instance>

对于其他语言（译者注：不存在上述的错误对象），或上述操作不可行时：

• event="error"
• message="..."
• stack="..." (可选)
• error.kind="..." (可选)

通过此方案，Tracer实现可以在需要时，获取所需的错误信息。

三、OpenTracing语义标准

版本号: 1.1

综述

这是正式的OpenTracing语义标准。OpenTracing是一个跨编程语言的标准，此文档会避免具有语言特性的概念。比如，我们在文档中使用"interface"，因为所有的语言都包含"interface"这种概念。

版本命名策略

OpenTracing标准使用Major.Minor版本命名策略（即：大版本.小版本），但不包含.Patch版本（即：补丁版本）。如果标准做出不向前兼容的改变，则使用“主版本”号提升。如果是向前兼容的改进，则进行小版本号提升，例如加入新的标准tag, log和SpanContext引用类型。（如果你想知道更多关于制定此版本政策的原因，可参考specification#2）

OpenTracing数据模型

OpenTracing中的Trace（调用链）通过归属于此调用链的Span来隐性的定义。 特别说明，一条Trace（调用链）可以被认为是一个由多个Span组成的有向无环图（DAG图）， Span与Span的关系被命名为References。

译者注: Span，可以被翻译为跨度，可以被理解为一次方法调用, 一个程序块的调用, 或者一次RPC/数据库访问.只要是一个具有完整时间周期的程序访问，都可以被认为是一个span.在此译本中，为了便于理解，Span和其他标准内声明的词汇，全部不做名词翻译。

例如：下面的示例Trace就是由8个Span组成：

单个Trace中，span间的因果关系


        [Span A]  ←←←(the root span)
            |
     +------+------+
     |             |
 [Span B]      [Span C] ←←←(Span C 是 Span A 的孩子节点, ChildOf)
     |             |
 [Span D]      +---+-------+
               |           |
           [Span E]    [Span F] >>> [Span G] >>> [Span H]
                                       ↑
                                       ↑
                                       ↑
                         (Span G 在 Span F 后被调用, FollowsFrom)

有些时候，使用下面这种，基于时间轴的时序图可以更好的展现Trace（调用链）：

单个Trace中，span间的时间关系


––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–––––––|–> time

 [Span A···················································]
   [Span B··············································]
      [Span D··········································]
    [Span C········································]
         [Span E·······]        [Span F··] [Span G··] [Span H··]

每个Span包含以下的状态:（译者注：由于这些状态会反映在OpenTracing API中，所以会保留部分英文说明）

• An operation name，操作名称
• A start timestamp，起始时间
• A finish timestamp，结束时间
• Span Tag，一组键值对构成的Span标签集合。键值对中，键必须为string，值可以是字符串，布尔，或者数字类型。
• Span Log，一组span的日志集合。 每次log操作包含一个键值对，以及一个时间戳。 键值对中，键必须为string，值可以是任意类型。 但是需要注意，不是所有的支持OpenTracing的Tracer,都需要支持所有的值类型。
• SpanContext，Span上下文对象 (下面会详细说明)
• References(Span间关系)，相关的零个或者多个Span（Span间通过SpanContext建立这种关系）

每一个SpanContext包含以下状态：

• 任何一个OpenTracing的实现，都需要将当前调用链的状态（例如：trace和span的id），依赖一个独特的Span去跨进程边界传输
• Baggage Items，Trace的随行数据，是一个键值对集合，它存在于trace中，也需要跨进程边界传输

Span间关系

一个Span可以与一个或者多个SpanContexts存在因果关系。OpenTracing目前定义了两种关系：ChildOf（父子） 和 FollowsFrom（跟随）。这两种关系明确的给出了两个父子关系的Span的因果模型。 将来，OpenTracing可能提供非因果关系的span间关系。（例如：span被批量处理，span被阻塞在同一个队列中，等等）。

ChildOf 引用: 一个span可能是一个父级span的孩子，即"ChildOf"关系。在"ChildOf"引用关系下，父级span某种程度上取决于子span。下面这些情况会构成"ChildOf"关系：

• 一个RPC调用的服务端的span，和RPC服务客户端的span构成ChildOf关系
• 一个sql insert操作的span，和ORM的save方法的span构成ChildOf关系
• 很多span可以并行工作（或者分布式工作）都可能是一个父级的span的子项，他会合并所有子span的执行结果，并在指定期限内返回

下面都是合理的表述一个"ChildOf"关系的父子节点关系的时序图。

    [-Parent Span---------]
         [-Child Span----]

    [-Parent Span--------------]
         [-Child Span A----]
          [-Child Span B----]
        [-Child Span C----]
         [-Child Span D---------------]
         [-Child Span E----]

FollowsFrom 引用: 一些父级节点不以任何方式依赖他们子节点的执行结果，这种情况下，我们说这些子span和父span之间是"FollowsFrom"的因果关系。"FollowsFrom"关系可以被分为很多不同的子类型，未来版本的OpenTracing中将正式的区分这些类型

下面都是合理的表述一个"FollowFrom"关系的父子节点关系的时序图。

    [-Parent Span-]  [-Child Span-]


    [-Parent Span--]
     [-Child Span-]


    [-Parent Span-]
                [-Child Span-]

OpenTracing API

OpenTracing标准中有三个重要的相互关联的类型，分别是Tracer, Span 和 SpanContext。下面，我们分别描述每种类型的行为，一般来说，每个行为都会在各语言实现层面上，会演变成一个方法，而实际上由于方法重载，很可能演变成一系列相似的方法。

当我们讨论“可选”参数时，需要强调的是，不同的语言针对可选参数有不同理解，概念和实现方式 。例如，在Go中，我们习惯使用"functional Options"，而在Java中，我们可能使用builder模式。

Tracer

Tracer接口用来创建Span，以及处理如何处理Inject(serialize) 和 Extract (deserialize)，用于跨进程边界传递。它具有如下官方能力：

创建一个新Span

必填参数

• operation name, 操作名, 一个具有可读性的字符串，代表这个span所做的工作（例如：RPC方法名，方法名，或者一个大型计算中的某个阶段或子任务）。操作名应该是一个抽象、通用，明确、具有统计意义的名称。因此，"get_user" 作为操作名，比 "get_user/314159"更好。

例如，假设一个获取账户信息的span会有如下可能的名称：

可选参数

• 零个或者多个关联（references）的SpanContext，如果可能，同时快速指定关系类型，ChildOf 还是 FollowsFrom。
• 一个可选的显性传递的开始时间；如果忽略，当前时间被用作开始时间。
• 零个或者多个tag。

返回值，返回一个已经启动Span实例（已启动，但未结束。译者注：英语上started和finished理解容易混淆）

将SpanContext上下文Inject（注入）到carrier

必填参数

• SpanContext实例
• format（格式化）描述，一般会是一个字符串常量，但不做强制要求。通过此描述，通知Tracer实现，如何对SpanContext进行编码放入到carrier中。
• carrier，根据format确定。Tracer实现根据format声明的格式，将SpanContext序列化到carrier对象中。

将SpanContext上下文从carrier中Extract（提取）

必填参数

• format（格式化）描述，一般会是一个字符串常量，但不做强制要求。通过此描述，通知Tracer实现，如何从carrier中解码SpanContext。
• carrier，根据format确定。Tracer实现根据format声明的格式，从carrier中解码SpanContext。

返回值，返回一个SpanContext实例，可以使用这个SpanContext实例，通过Tracer创建新的Span。

注意，对于Inject（注入）和Extract（提取），format是必须的。

Inject（注入）和Extract（提取）依赖于可扩展的format参数。format参数规定了另一个参数"carrier"的类型，同时约束了"carrier"中SpanContext是如何编码的。所有的Tracer实现，都必须支持下面的format。

• Text Map: 基于字符串：字符串的map,对于key和value不约束字符集。
• HTTP Headers: 适合作为HTTP头信息的，基于字符串：字符串的map。（RFC 7230.在工程实践中，如何处理HTTP头具有多样性，强烈建议tracer的使用者谨慎使用HTTP头的键值空间和转义符）
• Binary: 一个简单的二进制大对象，记录SpanContext的信息。

Span

当Span结束后(span.finish())，除了通过Span获取SpanContext外，下列其他所有方法都不允许被调用。

除了通过Span获取SpanContext

不需要任何参数。

返回值，Span构建时传入的SpanContext。这个返回值在Span结束后(span.finish())，依然可以使用。

复写操作名（operation name）

必填参数

• 新的操作名operation name，覆盖构建Span时，传入的操作名。

结束Span

可选参数

• 一个明确的完成时间;如果省略此参数，使用当前时间作为完成时间。

为Span设置tag

必填参数

• tag key，必须是string类型
• tag value，类型为字符串，布尔或者数字

注意，OpenTracing标准包含"standard tags，标准Tag"，此文档中定义了Tag的标准含义。

Log结构化数据

必填参数

• 一个或者多个键值对，其中键必须是字符串类型，值可以是任意类型。某些OpenTracing实现，可能支持更多的log值类型。

可选参数

• 一个明确的时间戳。如果指定时间戳，那么它必须在span的开始和结束时间之内。

注意，OpenTracing标准包含"standard log keys，标准log的键"，此文档中定义了这些键的标准含义。

设置一个baggage（随行数据）元素

Baggage元素是一个键值对集合，将这些值设置给给定的Span，Span的SpanContext，以及所有和此Span有直接或者间接关系的本地Span。 也就是说，baggage元素随trace一起保持在带内传递。（译者注：带内传递，在这里指，随应用程序调用过程一起传递）

Baggage元素为OpenTracing的实现全栈集成，提供了强大的功能 （例如：任意的应用程序数据，可以在移动端创建它，显然的，它会一直传递了系统最底层的存储系统。由于它如此强大的功能，他也会产生巨大的开销，请小心使用此特性。

再次强调，请谨慎使用此特性。每一个键值都会被拷贝到每一个本地和远程的下级相关的span中，因此，总体上，他会有明显的网络和CPU开销。

必填参数

• baggage key, 字符串类型
• baggage value, 字符串类型

获取一个baggage元素

必填参数

• baggage key, 字符串类型

返回值，相应的baggage value,或者可以标识元素值不存在的返回值（译者注：如Null）。

SpanContext

相对于OpenTracing中其他的功能，SpanContext更多的是一个“概念”。也就是说，OpenTracing实现中，需要重点考虑，并提供一套自己的API。 OpenTracing的使用者仅仅需要，在创建span、向传输协议Inject（注入）和从传输协议中Extract（提取）时，使用SpanContext和references，

OpenTracing要求，SpanContext是不可变的，目的是防止由于Span的结束和相互关系，造成的复杂生命周期问题。

遍历所有的baggage元素

遍历模型依赖于语言，实现方式可能不一致。在语义上，要求调用者可以通过给定的SpanContext实例，高效的遍历所有的baggage元素

NoopTracer

所有的OpenTracing API实现，必须提供某种方式的NoopTracer实现。NoopTracer可以被用作控制或者测试时，进行无害的inject注入（等等）。例如，在 OpenTracing-Java实现中，NoopTracer在他自己的模块中。

可选 API 元素

有些语言的OpenTracing实现，为了在串行处理中，传递活跃的Span或SpanContext，提供了一些工具类。例如，opentracing-go中，通过context.Context机制，可以设置和获取活跃的Span。