纪然，杰出的人工智能技术开发领域人才，多年来在Google公司的工作中积累了丰富的研发经验，参与了Google Chrome OS的操作系统的研发，为Google搜索引擎网络爬虫提供优化策略，纪然运用机器学习技术、深度学习和分布式计算，优化Google的网络爬虫算法，让搜索结果更加智能化。纪然在自动机器学习、神经网络可解释性方法、异构融合类脑计算等领域，研发出一批具有重大影响力的创新性成果，他将创新性成果应用到Progressive Web Apps的研发和Chrome浏览器内核的优化，取得了骄人的成绩，扮演了关键角色的作用。自2020年1月起，纪然就职于Facebook，负责Facebook stories模块和安卓应用的开发，能熟练使用自然语言处理和机器视觉做智能分类和推荐回复，他对深度学习技术的发展现状、具体应用及发展趋势等方面有独到的见解，并开发了多项重量级的应用，他在人工智能技术的创新实践与重大科技成果对于促进互联网行业的发展产生了积极的贡献。

　　Google前工程师、Facebook现工程师：纪然（资料图）

　　2018年12月13日，纪然研发了具有自主知识产权的“分布式人工智能物体追踪系统（Multi-object tracking systems with multi-camera using AI）”，计算机软件登记证号（2018SR0364221），是国内首个将分布式链路追踪系统原理用于人工智能的工程师，目前纪然研发的“分布式人工智能物体追踪系统”已被广泛应用于人工智能领域。

　　以下是纪然的分布式链路追踪系统原理综述

　　随着互联网业务快速扩展，软件架构也日益变得复杂，为了适应海量用户高并发请求，系统中越来越多的组件开始走向分布式化，如单体架构拆分为微服务、服务内缓存变为分布式缓存、服务组件通信变为分布式消息，这些组件共同构成了繁杂的分布式网络。

　　假如现在有一个系统部署了成千上万个服务，用户通过浏览器在主界面上下单一箱茅台酒，结果系统给用户提示：系统内部错误，相信用户是很崩溃的。运营人员将问题抛给开发人员定位，开发人员只知道有异常，但是这个异常具体是由哪个微服务引起的就需要逐个服务排查了。

　　开发人员借助日志逐个排查的效率是非常低的，那有没有更好的解决方案了？

　　答案是引入链路追踪系统。

　　什么是链路追踪？

　　分布式链路追踪就是将一次分布式请求还原成调用链路，将一次分布式请求的调用情况集中展示，比如各个服务节点上的耗时、请求具体到达哪台机器上、每个服务节点的请求状态等等。

　　链路跟踪主要功能：

　　故障快速定位：可以通过调用链结合业务日志快速定位错误信息。

　　链路性能可视化：各个阶段链路耗时、服务依赖关系可以通过可视化界面展现出来。

　　链路分析：通过分析链路耗时、服务依赖关系可以得到用户的行为路径，汇总分析应用在很多业务场景。

　　链路追踪基本原理

　　链路追踪系统（可能）最早是由Goggle公开发布的一篇论文

　　《Dapper, a Large-Scale Distributed Systems Tracing Infrastructure》

　　被大家广泛熟悉，所以各位技术大牛们如果有黑武器不要藏起来赶紧去发表论文吧。

　　在这篇著名的论文中主要讲述了Dapper链路追踪系统的基本原理和关键技术点。接下来挑几个重点的技术点详细给大家介绍一下。

　　Trace

　　Trace的含义比较直观，就是链路，指一个请求经过所有服务的路径，可以用下面树状的图形表示。

　　图中一条完整的链路是：chrome -> 服务A -> 服务B -> 服务C -> 服务D -> 服务E -> 服务C -> 服务A -> chrome。服务间经过的局部链路构成了一条完整的链路，其中每一条局部链路都用一个全局唯一的traceid来标识。

　　Span

　　在上图中可以看出来请求经过了服务A，同时服务A又调用了服务B和服务C，但是先调的服务B还是服务C呢？从图中很难看出来，只有通过查看源码才知道顺序。

　　为了表达这种父子关系引入了Span的概念。

　　同一层级parent id相同，span id不同，span id从小到大表示请求的顺序，从下图中可以很明显看出服务A是先调了服务B然后再调用了C。

　　上下层级代表调用关系，如下图服务C的span id为2，服务D的parent id为2，这就表示服务C和服务D形成了父子关系，很明显是服务C调用了服务D。

　　总结：通过事先在日志中埋点，找出相同traceId的日志，再加上parent id和span id就可以将一条完整的请求调用链串联起来。

　　Annotations

　　Dapper中还定义了annotation的概念，用于用户自定义事件，用来辅助定位问题。

　　通**常**包含四个注解信息：

　　cs：Client Start，表示客户端发起请求；

　　sr：ServerReceived，表示服务端收到请求；

　　ss：Server Send，表示服务端完成处理，并将结果发送给客户端；

　　cr：ClientReceived，表示客户端获取到服务端返回信息；

　　上图中描述了一次请求和响应的过程，四个点也就是对应四个Annotation事件。

　　如下面的图表示从客户端调用服务端的一次完整过程。如果要计算一次调用的耗时，只需要将客户端接收的时间点减去客户端开始的时间点，也就是图中时间线上的T4 - T1。如果要计算客户端发送网络耗时，也就是图中时间线上的T2 - T1，其他类似可计算。

　　带内数据与带外数据

　　链路信息的还原依赖于带内和带外两种数据。

　　带外数据是各个节点产生的事件，如cs，ss，这些数据可以由节点独立生成，并且需要集中上报到存储端。通过带外数据，可以在存储端分析更多链路的细节。

　　带内数据如traceid,spanid,parentid，用来标识trace，span，以及span在一个trace中的位置，这些数据需要从链路的起点一直传递到终点。通过带内数据的传递，可以将一个链路的所有过程串起来。

　　采样

　　由于每一个请求都会生成一个链路，为了减少性能消耗，避免存储资源的浪费，dapper并不会上报所有的span数据，而是使用采样的方式。举个例子，每秒有1000个请求访问系统，如果设置采样率为1/1000，那么只会上报一个请求到存储端。

　　通过采集端自适应地调整采样率，控制span上报的数量，可以在发现性能瓶颈的同时，有效减少性能损耗。

　　存储

　　链路中的span数据经过收集和上报后会集中存储在一个地方，Dapper使用了BigTable数据仓库，常用的存储还有ElasticSearch, HBase, In-memory DB等。

　　业界常用链路追踪系统

　　Google Dapper论文发出来之后，很多公司基于链路追踪的基本原理给出了各自的解决方案，如Twitter的Zipkin，Uber的Jaeger，pinpoint，Apache开源的skywalking，还有国产如阿里的鹰眼，美团的Mtrace，滴滴Trace，新浪的Watchman，京东的Hydra，不过国内的这些基本都没有开源。

　　为了便于各系统间能彼此兼容互通，OpenTracing组织制定了一系列标准，旨在让各系统提供统一的接口。

　　接下来介绍一下Zipkin基本实现。

　　分布式链路追踪系统Zipkin实现

　　Zipkin是Twitter 的一个开源项目，它基于Google Dapper 实现，它致力于收集服务的定时数据，以解决微服务架构中的延迟问题，包括数据的收集、存储、查找和展现。

　　Zipkin基本架构

　　在服务运行的过程中会产生很多链路信息，产生数据的地方可以称之为Reporter。将链路信息通过多种传输方式如HTTP，RPC，kafka消息队列等发送到Zipkin的采集器，Zipkin处理后最终将链路信息保存到存储器中。运维人员通过UI界面调用接口即可查询调用链信息。

　　Zipkin核心组件

　　Zipkin有四大核心组件

　　（1）Collector

　　一旦Collector采集线程获取到链路追踪数据，Zipkin就会对其进行验证、存储和索引，并调用存储接口保存数据，以便进行查找。

　　（2）Storage

　　Zipkin Storage最初是为了在Cassandra上存储数据而构建的，因为Cassandra是可伸缩的，具有灵活的模式，并且在Twitter中大量使用。除了Cassandra，还支持支持ElasticSearch和MySQL存储，后续可能会提供第三方扩展。

　　（3）Query Service

　　链路追踪数据被存储和索引之后，webui 可以调用query service查询任意数据帮助运维人员快速定位线上问题。query service提供了简单的json api来查找和检索数据。

　　（4）Web UI

　　Zipkin 提供了基本查询、搜索的web界面，运维人员可以根据具体的调用链信息快速识别线上问题。（编辑/ 张正）