ASP.NET Core整合Zipkin链路跟踪的实现方法

前言

    在日常使用asp.net core的开发或学习中，如果有需要使用链路跟踪系统，大多数情况下会优先选择skyapm。我们之前也说过skyapm设计确实比较优秀，巧妙的利用diagnosticsource诊断跟踪日志，可以做到对项目无入侵方式的集成。其实还有一款比较优秀的链路跟踪系统，也可以支持asp.net core，叫zipkin。它相对于skywalking来说相对轻量级，使用相对来说比较偏原生的方式，而且支持http的形式查询和提交链路数据。因为我们总是希望能拥有多一种的解决方案方便对比和参考，所以接下来我们就来学习一下关于zipkin的使用方式。

zipkin简介

    zipkin是由twitter开源的一款基于java语言开发的分布式实时数据追踪系统(distributed tracking system),其主要功能是采集来自各个系统的实时监控数据。该系统让开发者可通过一个 web 前端轻松的收集和分析数据，例如用户每次请求服务的处理时间等，可方便的监测系统中存在的瓶颈。它大致可以分为三个核心概念

• 首先是上报端，它主要通过代码的形式集成到程序中，用于上报trace数据到collector端。
• collector负责接收客户端发送过来的数据，保存到内存或外部存储系统中，供ui展示。
• 存储端可以是基于zipkin内存完全不依赖外部存储的in-memory形式或依赖外部存储系统的形式，一般采用外部存储系统存储链路数据，毕竟内存有限。它可支持的存储数据库有mysql、cassandra、elasticsearch。
• ui负责展示采集的链路数据，及系统之间的依赖关系。

相对来说还是比较清晰的，如果用一张图表示整体架构的话，大致如下图所示(图片来源于网络)

在学习链路跟踪的过程中会设计到相关概念，我们接下来介绍链路跟踪几个相关的概念

• tranceid,一般一次全局的请求会有一个唯一的traceid，用于代表一次唯一的请求。比如我请求了订单管理系统，而订单管理系统内部还调用了商品管理系统，而商品管理系统还调用了缓存系统或数据库系统。但是对全局或外部来说这是一次请求，所以会有唯一的一个traceid。
• spanid,虽然全局的来说是一次大的请求，但是在这个链路中内部间还会发起别的请求，这种内部间的每次请求会生成一个spanid。
• 如果将整条链路串联起来的话，我们需要记录全局的traceid，代表当前节点的spanid和发起对当前节点调用的的父级parentid。
• 然后基于链路跟踪的核心概念，然后介绍一下zipkin衍生出来了几个相关概念
• cs:clent sent 客户端发起请求的时间，比如 dubbo 调用端开始执行远程调用之前。
• cr:client receive 客户端收到处理完请求的时间。
• ss:server receive 服务端处理完逻辑的时间。

sr - cs = 请求在网络上的耗时
ss - sr = 服务端处理请求的耗时
cr - ss = 回应在网络上的耗时
cr - cs = 一次调用的整体耗时

关于zipkin概念相关的就介绍这么多，接下来我们介绍如何部署zipkin。

部署zipkin

    关于zipkin常用的部署方式大概有两种，一种是通过下载安装jdk，然后运行zipkin.jar的方式，另一种是基于docker的方式。为了方便我采用的是基于docker的方式部署，因为采用原生的方式去部署还需要安装jdk，而且操作相对比较麻烦。咱们上面说过，虽然zipkin可以将链路数据存放到内存中，但是这种操作方式并不实用，实际使用过程中多采用elasticsearch存储链路数据。所以部署的时候需要依赖zipkin和elasticsearch，对于这种部署形式采用docker-compose的方式就再合适不过了，大家可以在zipkin官方github中找到docker的部署方式，地址是https://github.com/openzipkin/zipkin/tree/master/docker,官方使用的方式相对比较复杂，下载下来docker-compose相关文件之后我简化了它的使用方式，最终修改如下

version: "3.6"
services:
 elasticsearch:
 # 我使用的是7.5.0版本
 image: elasticsearch:7.5.0
 container_name: elasticsearch
 restart: always
 #暴露es端口
 ports:
 - 9200:9200
 environment:
 - discovery.type=single-node
 - bootstrap.memory_lock=true
 #es有内存要求
 - "es_java_opts=-xms512m -xmx512m"
 ulimits:
 memlock:
 soft: -1
 hard: -1
 networks:
 default:
 aliases:
 - elasticsearch

 zipkin:
 image: openzipkin/zipkin
 container_name: zipkin
 restart: always
 networks:
 default:
 aliases:
 - zipkin
 environment:
 #存储类型为es
 - storage_type=elasticsearch
 #es地址
 - es_hosts=elasticsearch:9200
 ports:
 - 9411:9411
 #依赖es所以在es启动完成后在启动zipkin
 depends_on:
 - elasticsearch

通过docker-compose运行编辑后的yaml文件,一条指令就可以运行起来

<packagereference include="zipkin4net" version="1.5.0" />
<packagereference include="zipkin4net.middleware.aspnetcore" version="1.5.0" />

其中-f是指定文件名称，如果是docker-compose.yml则可以直接忽略文件名称，当shell中出现如下界面

并且在浏览器中输入http://localhost:9411/zipkin/出现如图所示，则说明zikpin启动成功

整合asp.net core

zipkin启动成功之后，我们就可以将程序中的数据采集到zipkin中去了，我新建了两个asp.net core的程序，一个是orderapi,另一个是productapi方便能体现出调用链路，其中orderapi调用productapi接口，在两个项目中分别引入zipkin依赖包

<packagereference include="zipkin4net" version="1.5.0" />
<packagereference include="zipkin4net.middleware.aspnetcore" version="1.5.0" />

其中zipkin4net为核心包，zipkin4net.middleware.aspnetcore是集成asp.net core的程序包。然后我们在startup文件中添加如下方法

public void registerzipkintrace(iapplicationbuilder app, iloggerfactory loggerfactory, ihostapplicationlifetime lifetime)
{
 lifetime.applicationstarted.register(() =>
 {
 //记录数据密度，1.0代表全部记录
 tracemanager.samplingrate = 1.0f;
 //链路日志
 var logger = new tracinglogger(loggerfactory, "zipkin4net");
 //zipkin服务地址和内容类型
 var httpsender = new httpzipkinsender("http://localhost:9411/", "application/json");
 var tracer = new zipkintracer(httpsender, new jsonspanserializer(), new statistics());
 var consoletracer = new zipkin4net.tracers.consoletracer();

 tracemanager.registertracer(tracer);
 tracemanager.registertracer(consoletracer);
 tracemanager.start(logger);

 });
 //程序停止时停止链路跟踪
 lifetime.applicationstopped.register(() => tracemanager.stop());
 //引入zipkin中间件，用于跟踪服务请求,这边的名字可自定义代表当前服务名称
 app.usetracing(configuration["nacos:servicename"]);
}

然后我们在configure方法中调用registerzipkintrace方法即可。由于我们要在orderapi项目中采用httpclient的方式调用productapi,默认zipkin4net是支持采集httpclient发出请求的链路数据(由于在productapi中我们并不发送http请求，所以可以不用集成一下操作)，具体集成形式如下，如果使用的是httpclientfactory的方式，在configureservices中配置如下

public void configureservices(iservicecollection services)
{
 //由于我使用了nacos作为服务注册中心
 services.addnacosaspnetcore(configuration);
 services.addscoped<nacosdiscoverydelegatinghandler>();
 services.addhttpclient(servicename.productservice,client=> {
 client.baseaddress = new uri($"http://{servicename.productservice}");
 })
 .addhttpmessagehandler<nacosdiscoverydelegatinghandler>()
 //引入zipkin trace跟踪httpclient请求，名称配置当前服务名称即可
 .addhttpmessagehandler(provider =>tracinghandler.withoutinnerhandler(configuration["nacos:servicename"]));
 services.addcontrollers();
}

如果是直接是使用httpclient的形式调用则可以采用以下方式

using (httpclient client = new httpclient(new tracinghandler("orderapi")))
{
}

然后我们在orderapi中写一段调用productapi的代码

[route("orderapi/[controller]")]
public class ordercontroller : controllerbase
{
 private list<orderdto> orderdtos = new list<orderdto>();
 private readonly ihttpclientfactory _clientfactory;

 public ordercontroller(ihttpclientfactory clientfactory)
 {
 orderdtos.add(new orderdto { id = 1, totalmoney=222,address="北京市",addressee="me",from="淘宝",sendaddress="武汉" });
 _clientfactory = clientfactory;
 }

 /// <summary>
 /// 获取订单详情接口
 /// </summary>
 /// <param name="id">订单id</param>
 /// <returns></returns>
 [httpget("getdetails/{id}")]
 public async task<orderdto> getorderdetailsasync(long id)
 {
 orderdto orderdto = orderdtos.firstordefault(i => i.id == id);
 if (orderdto != null)
 {
 orderdetaildto orderdetaildto = new orderdetaildto
 {
 id = orderdto.id,
 totalmoney = orderdto.totalmoney,
 address = orderdto.address,
 addressee = orderdto.addressee,
 from = orderdto.from,
 sendaddress = orderdto.sendaddress
 };
 //调用productapi服务接口
 var client = _clientfactory.createclient(servicename.productservice);
 var response = await client.getasync($"/productapi/product/getall");
 var result = await response.content.readasstringasync();

 orderdetaildto.products = jsonconvert.deserializeobject<list<orderproductdto>>(result);
 return orderdetaildto;
 }
 return orderdto;
 }
}

在productapi中我们只需要编写调用registerzipkintrace方法即可，和orderapi一样，我们就不重复粘贴了。因为productapi不需要调用别的服务，所以可以不必使用集成httpclient,只需要提供简单的接口即可

[route("productapi/[controller]")]
public class productcontroller : controllerbase
{
 private list<productdto> productdtos = new list<productdto>();
 public productcontroller()
 {
 productdtos.add(new productdto { id = 1,name="酒精",price=22.5m });
 productdtos.add(new productdto { id = 2, name = "84消毒液", price = 19.9m });
 }

 /// <summary>
 /// 获取所有商品信息
 /// </summary>
 /// <returns></returns>
 [httpget("getall")]
 public ienumerable<productdto> getall()
 {
 return productdtos;
 }
}

启动这两个项目，调用orderapi的getdetails接口，完成后打开zipkin界面点击进去可查看链路详情
总结起来核心操作其实就两个，一个是在发送请求的地方，使用tracinghandler记录发起端的链路情况，然后在接收请求的服务端使用usetracing记录来自于客户端请求的链路情况。

改进集成方式

    其实在上面的演示中，我们可以明显的看到明显的不足，就是很多时候其实我们没办法去设置httpclient相关的参数的，很多框架虽然也是使用的httpclient或httpclientfactory相关，但是在外部我们没办法通过自定义的方式去设置他们的相关操作，比如ocelot其实也是使用httpclient相关发起的转发请求，但是对外我们没办法通过我们的程序去设置httpclient的参数。还有就是在.net core中webrequest其实也是对httpclient的封装，但是我们同样没办法在我们的程序中给他们传递类似tracinghandler的操作。现在我们从tracinghandler源码开始解读看看它的内部到底是如何工作的，zipkin官方提供的.net core插件zipkin4net的源码位于
https://github.com/openzipkin/zipkin4net,我们找到tracinghandler类所在的位置[点击查看源码????]，由于tracinghandler本身就是delegatinghandler的子类，所以我们主要看sendasync方法，大致抽离出来如下

protected override async task<httpresponsemessage> sendasync(httprequestmessage request, system.threading.cancellationtoken cancellationtoken)
{
 func<httprequestmessage, string> _getclienttracerpc = _getclienttracerpc = getclienttracerpc ?? (request => request.method.tostring());
 iinjector<httpheaders> _injector = propagations.b3string.injector<httpheaders>((carrier, key, value) => carrier.add(key, value));
 //记录发起请求客户端链路信息的类是clienttrace
 using (var clienttrace = new clienttrace(_servicename, _getclienttracerpc(request)))
 {
 if (clienttrace.trace != null)
 {
 _injector.inject(clienttrace.trace.currentspan, request.headers);
 }

 var result = await clienttrace.tracedactionasync(base.sendasync(request, cancellationtoken));
 //addannotation是记录标签信息，我们可以在zipkin链路详情中看到这些标签
 if (clienttrace.trace != null)
 {
 //记录请求路径
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_path, result.requestmessage.requesturi.localpath));
 //记录请求的http方法
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_method, result.requestmessage.method.method));
 if (_loghttphost)
 {
 //记录主机
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_host, result.requestmessage.requesturi.host));
 }
 if (!result.issuccessstatuscode)
 {
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_status_code, ((int)result.statuscode).tostring()));
 }
 }
 return result;
 }
}

实现方式比较简单，就是借助clienttrace记录一些标签，其他的相关操作都是由zipkin4net提供的。我们在之前的文章.net core中的诊断日志diagnosticsource讲解中层说道httpclient底层会有发出诊断日志，我们可以借助这个思路，来对httpclient进行链路跟踪埋点。
我们结合microsoft.extensions.diagnosticadapter扩展包定义如下类

public class httpdiagnosticlistener: itracediagnosticlistener
{
 public string diagnosticname => "httphandlerdiagnosticlistener";

 private clienttrace clienttrace;
 private readonly iinjector<httpheaders> _injector = propagations.b3string.injector<httpheaders>((carrier, key, value) => carrier.add(key, value));

 [diagnosticname("system.net.http.request")]
 public void httprequest(httprequestmessage request)
 {
 clienttrace = new clienttrace("apigateway", request.method.method);
 if (clienttrace.trace != null)
 {
 _injector.inject(clienttrace.trace.currentspan, request.headers);
 }
 }

 [diagnosticname("system.net.http.response")]
 public void httpresponse(httpresponsemessage response)
 {
 if (clienttrace.trace != null)
 {
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_path, response.requestmessage.requesturi.localpath));
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_method, response.requestmessage.method.method));
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_host, response.requestmessage.requesturi.host));
 if (!response.issuccessstatuscode)
 {
 clienttrace.addannotation(annotations.tag(zipkincoreconstants.http_status_code, ((int)response.statuscode).tostring()));
 }
 }
 }

 [diagnosticname("system.net.http.exception")]
 public void httpexception(httprequestmessage request,exception exception)
 {
 }
}

itracediagnosticlistener是我们方便操作diagnosticlistener定义的接口，接口仅包含diagnosticname用来表示diagnosticlistener监听的名称，有了这个接口接下来的操作我们会方便许多，接下来我们来看订阅操作的实现。

public class traceobserver :iobserver<diagnosticlistener>
{
 private ienumerable<itracediagnosticlistener> _tracediagnostics;
 public traceobserver(ienumerable<itracediagnosticlistener> tracediagnostics)
 {
 _tracediagnostics = tracediagnostics;
 }

 public void oncompleted()
 {
 }

 public void onerror(exception error)
 {
 }

 public void onnext(diagnosticlistener listener)
 {
 //这样的话我们可以更轻松的扩展其他diagnosticlistener的操作
 var tracediagnostic = _tracediagnostics.firstordefault(i=>i.diagnosticname==listener.name);
 if (tracediagnostic!=null)
 {
 //适配订阅
 listener.subscribewithadapter(tracediagnostic);
 }
 }
}

通过这种操作我们就无需关心如何将自定义的diagnosticlistener订阅类适配到diagnosticadapter中去，方便我们自定义其他diagnosticlistener的订阅类，这样的话我们只需注册自定义的订阅类即可。

services.addsingleton<traceobserver>();
services.addsingleton<itracediagnosticlistener, httpdiagnosticlistener>();

通过这种改进方式，我们可以解决类似httpclient封装到框架中，并且我们我们无法通过外部程序去修改设置的时候。比如我们在架构中引入了ocelot网关，我们就可以采用类似这种方式，在网关层集成zipkin4net。

自定义埋点

    通过上面我们查看tracinghandler的源码我们得知埋点主要是通过clienttrace进行的，它是在发起请求的客户端进行埋点。在服务端埋点的方式我们可以通过tracingmiddleware中间件中的源码查看到[点击查看源码????]叫servertrace。有了clienttrace和servertrace我们可以非常轻松的实现一次完整的客户端和服务端埋点，只需要通过它们打上一些标签即可。其实它们都是对trace类的封装，我们找到它们的源码进行查看

public class clienttrace : basestandardtrace, idisposable
{
 public clienttrace(string servicename, string rpc)
 {
 if (trace.current != null)
 {
 trace = trace.current.child();
 }

 trace.record(annotations.clientsend());
 trace.record(annotations.servicename(servicename));
 trace.record(annotations.rpc(rpc));
 }

 public void dispose()
 {
 trace.record(annotations.clientrecv());
 }
}

public class servertrace : basestandardtrace, idisposable
{
 public override trace trace
 {
 get
 {
 return trace.current;
 }
 }

 public servertrace(string servicename, string rpc)
 {
 trace.record(annotations.serverrecv());
 trace.record(annotations.servicename(servicename));
 trace.record(annotations.rpc(rpc));
 }

 public void dispose()
 {
 trace.record(annotations.serversend());
 }
}

因此，如果你想通过更原始的方式去记录跟踪日志可以采用如下方式

var trace = trace.create();
trace.record(annotations.serverrecv());
trace.record(annotations.servicename(servicename));
trace.record(annotations.rpc("get"));
trace.record(annotations.serversend());
trace.record(annotations.tag("http.url", "<url>"));

示例demo

由于上面说的比较多，而且有一部分关于源码的解读，为了防止由本人文笔有限，给大家带来理解误区，另一方面也为了更清晰的展示zipkin的集成方式，我自己做了一套demo，目录结构如下
apigateway为网关项目可以转发针对orderapi的请求，orderapi和productapi用于模拟业务系统，这三个项目都集成了zipkin4net链路跟踪，他们之间是通过nacos实现服务的注册和发现。这个演示demo我本地是可以直接运行成功的，如果有下载下来运行不成功的，可以评论区给我留言。由于博客园有文件上传大小的限制，所以我将demo上传到了百度网盘中
下载链接:链接: https://pan.baidu.com/s/1ldyorqehae0fzedftc4_og 提取码: i45x 

总结

    以上就是关于zipkin以及asp.net core整合zipkin的全部内容，希望能给大家带来一定的帮助。如果你有实际需要也可以继续自行研究。zipkin相对于我们常用的skywalking而且，它的使用方式比较原生，许多操作都需要自行通过代码操作，而skyapm可以做到对代码无入侵的方式集成。skywalking是一款apm(应用性能管理)，链路跟踪只是它功能的一部分。而zipkin是一款专注于链路跟踪的系统，个人感觉就链路跟踪这一块而言，zipkin更轻量级(如果使用es作为存储数据库的话，skywalking默认会生成一堆索引，而zipkin默认是每天创建一个索引)，而且链路信息检索、详情展示、链路数据上报形式等相对于skywalking形式也更丰富一些。但是整体而言skywalking更强大，比如应用监控、调用分析、集成方式等。技术并无好坏之分，适合自己的才是更好的，多一个解决方案，就多一个解决问题的思路，我觉得这是对于我们程序开发人员来说都应该具备的认知。

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