導(dǎo)讀：本文摘自于SkyWalking創(chuàng)始人吳晟撰寫的《Apache SkyWalking實戰(zhàn)》一書，詳細講述了SkyWalking的架構(gòu)設(shè)計與優(yōu)勢。
吳晟：Apache基金會會員，Apache SkyWalking創(chuàng)始人、項目VP和PMC成員，Apache孵化器PMC成員，Apache ShardingSphere PMC成員，Apache APISIX (incubating) PPMC成員，Apache ECharts (incubating)和Apache DolphinScheduler (incubating)孵化器導(dǎo)師，Zipkin成員和貢獻者，CNCF OpenTracing核心維護者。
1. SkyWalking的架構(gòu)設(shè)計
如圖所示，SkyWalking官方架構(gòu)圖對SkyWalking的整體架構(gòu)進行了非常直觀的描述。SkyWalking由以下4個核心部分構(gòu)成。
SkyWalking官方架構(gòu)圖
- 探針。探針（對應(yīng)圖中Tracing和Mestrics部分）可以是語言探針，也可以是其他項目的協(xié)議。
- OAP平臺（Observability Analysis Platform），或稱OAP Server。它是一個高度組件化的輕量級分析程序，由兼容各種探針的Receiver、流式分析內(nèi)核和查詢內(nèi)核三部分構(gòu)成。
- 存儲實現(xiàn)（Storage Implementors）。SkyWalking的OAP Server支持多種存儲實現(xiàn)，并且提供了標(biāo)準(zhǔn)接口，可以實現(xiàn)其他存儲。
- UI模塊（SkyWalking）。通過標(biāo)準(zhǔn)的GraphQL協(xié)議進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)查詢和展現(xiàn)。
從設(shè)計角度而言，SkyWalking總體遵循以下三大設(shè)計原則：
- 面向協(xié)議設(shè)計
- 模塊化設(shè)計
- 輕量化設(shè)計
面向協(xié)議設(shè)計
面向協(xié)議設(shè)計是SkyWalking從5.x開始嚴格遵守的首要設(shè)計原則。SkyWalking包含下列對外協(xié)議。
1. 探針協(xié)議
探針協(xié)議分為四大類。
- 語言探針上報協(xié)議。此協(xié)議包括語言探針的注冊、Metrics數(shù)據(jù)上報、Tracing數(shù)據(jù)上報、命令下行，以及Service Mesh中使用的Telemetry協(xié)議。所有基于語言（JAVA、.NET、Node.js、php、Go等）的探針都需要嚴格遵守此協(xié)議定義。此協(xié)議從v6版本開始全部以gRPC服務(wù)方式對外提供。
- 語言探針交互協(xié)議。因為分布式追蹤，探針間需要借助HTTP Header、MQ Header等應(yīng)用間通信管道進行交互。此協(xié)議定義交互格式。所有基于語言（Java、.NET、Node.js、PHP、Go等）的探針都需要嚴格遵守此協(xié)議定義。此協(xié)議從v2開始執(zhí)行與v1不同的編碼方法，加入了強制Base64的要求。將從SkyWalking 8開始執(zhí)行的全新v3協(xié)議，簡化了編碼，提供了更多特性，比如透傳業(yè)務(wù)信息、探針交互能力等。
- Service Mesh協(xié)議。此協(xié)議是SkyWalking針對Service Mesh抽象的專有協(xié)議，任何Mesh類的服務(wù)都可以通過此協(xié)議直接上行Telemetry數(shù)據(jù)，用于計算服務(wù)Metrics和拓撲圖。
- 第三方協(xié)議。針對大型的第三方開源項目，尤其是Service Mesh核心平臺Istio和Envoy，提供核心協(xié)議適配，支持針對Istio+Envoy的Service Mesh進行無縫監(jiān)控。
2. 查詢協(xié)議
查詢協(xié)議使用GraphQL格式定義的查詢協(xié)議。多數(shù)讀者可能更熟悉RESTful格式的查詢，但SkyWalking考慮到更好的擴展性、更加靈活的組合查詢模式，選擇了由Facebook在2012年開源的GraphQL。GraphQL在開源和商業(yè)項目中已經(jīng)得到了廣泛運用。協(xié)議格式的預(yù)定義和多種查詢組合使用提供了UI和第三方系統(tǒng)良好的集成能力。熟悉SkyWalking歷史的讀者會知道，SkyWalking在6.0.0-GA之后的版本，更換了全新的RocketBot UI作為默認UI，這個過程得益于GraphQL的靈活性，后端協(xié)議和實現(xiàn)可以完全不變。社區(qū)中已有大量公司基于此協(xié)議包裝了云平臺產(chǎn)品的UI。
查詢協(xié)議分為以下6類。
- 元數(shù)據(jù)查詢：查詢在SkyWalking注冊的服務(wù)、服務(wù)實例、Endpoint等元數(shù)據(jù)信息。
- 拓撲關(guān)系查詢：查詢?nèi)只蛘邌蝹€服務(wù)或Endpoint的拓撲圖及依賴關(guān)系。
- Metrics指標(biāo)查詢：線性指標(biāo)查詢。
- 聚合指標(biāo)查詢：區(qū)間范圍均值查詢及TopN查詢等。
- Trace查詢：追蹤明細查詢。
- 告警查詢。
除了上述兩大類協(xié)議外，部分模塊也存在一些模塊內(nèi)協(xié)議，如導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式協(xié)議、告警協(xié)議、動態(tài)配置服務(wù)協(xié)議等。這些協(xié)議與執(zhí)行模塊的默認實現(xiàn)有關(guān)，屬于SkyWalking默認對外集成協(xié)議的范圍，考慮到模塊化設(shè)計，這些協(xié)議本身也是可以替換的，這里就不一一描述了。
模塊化設(shè)計
模塊化設(shè)計，旨在以開源項目為內(nèi)核，為更多的企業(yè)內(nèi)部定制服務(wù)、商業(yè)產(chǎn)品的二次包裝及插拔機制提供插撥機制與擴展點。開源項目的一致性升級至關(guān)重要，模塊化設(shè)計，明確接口邊界，使得擴展很容易跟上開源版本升級的節(jié)奏。對于商業(yè)包裝和開源產(chǎn)品的迭代發(fā)展，這是必不可少的一環(huán)。
大型的開源項目，無一不是由大量的商業(yè)公司/商業(yè)目的推進，不可能由個人憑興趣在業(yè)余時間完成。雖然SkyWalking在早期的一到兩年是個人基于興趣在推進，但隨著社區(qū)的壯大和商業(yè)價值的體現(xiàn)，開放、包容、具有擴展性的架構(gòu)是必不可少的特性。Apache SkyWalking作為Apache頂級項目，基于商業(yè)友好的Apache 2.0開源協(xié)議，在設(shè)計上也充分考慮了定制化及二次開發(fā)的可能性。
SkyWalking根據(jù)探針和服務(wù)端的不同特性，使用了兩種不同的模塊化機制。
Java探針端，Java使用了較為緊湊的實現(xiàn)，主要使用SPI將核心服務(wù)隔離成替換狀態(tài)，用戶可以像開發(fā)plugin一樣，只需將新的服務(wù)實現(xiàn)放在plugin目錄中，即可實現(xiàn)自動替換。
后端（OAP Server）使用YML定義的模塊化。SkyWalking將模塊化定義為模塊（Module）和實現(xiàn)（Provider）兩部分。模塊為抽象概念，提供對外服務(wù)方法的定義和聲明；Provider需要實現(xiàn)這些服務(wù)方法，同時聲明此實現(xiàn)依賴的其他模塊。值得注意的是，模塊本身不聲明依賴，依賴由實現(xiàn)（Provider）聲明。這種模式允許用戶替換和新增所需的模塊，并進行組織。
輕量化設(shè)計
SkyWalking在設(shè)計之初就提出了輕量化的設(shè)計理念。APM雖然是運維端的核心系統(tǒng)，但放在整套業(yè)務(wù)架構(gòu)下，屬于二線支撐系統(tǒng)，不承擔(dān)系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)功能。而絕大多數(shù)的分析系統(tǒng)要求大數(shù)據(jù)作為其核心技術(shù)，但是技術(shù)團隊?wèi)?yīng)該都了解，大數(shù)據(jù)天然具有維護難度大和門檻高的問題。基于此背景，SkyWalking核心要求能夠在非大數(shù)據(jù)架構(gòu)下，使用最輕量級的jar包模式，形成強大的分析能力、擴展能力和模塊化能力。
2 SkyWalking的優(yōu)勢
SkyWalking的優(yōu)勢在于它緊跟當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢，保證同一套APM系統(tǒng)適用于傳統(tǒng)架構(gòu)和云原生架構(gòu)。另外，在技術(shù)設(shè)計理念上，SkyWalking提供了較大的包容性和擴展性，適用于不同的用戶場景和定制需求。
2.1 傳統(tǒng)分布式架構(gòu)與云原生的一致性支持
隨著近十年服務(wù)化和微服務(wù)化的進程，以RPC和HTTP服務(wù)為通信技術(shù)核心，以注冊中心作為服務(wù)注冊與服務(wù)發(fā)現(xiàn)的架構(gòu)，已經(jīng)成為國內(nèi)成熟的微服務(wù)“傳統(tǒng)”架構(gòu)。主流技術(shù)有Spring Cloud、Apache Dubbo等。SkyWalking從2015年項目誕生之初，就把這種傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)及自動探針作為最為核心的功能。SkyWalking可以無縫支持已經(jīng)穩(wěn)定的分布式服務(wù)架構(gòu)，方便替換傳統(tǒng)的監(jiān)控手段，而無須增加運維團隊和開發(fā)團隊的工作量。
同時，從2018年起，由google、Lyft和CNCF的Istio與Envoy組成的Service Mesh方案開始流行，提供了在Kubernetes上創(chuàng)新的分布式服務(wù)管理、監(jiān)控和安全管理能力。SkyWalking項目團隊也一直關(guān)注這一動向，在Istio 1.0.4發(fā)布的同時發(fā)布了SkyWalking 6的測試版本，并在3個月后開始發(fā)布SkyWalking 6穩(wěn)定版本。在6.x版本中，SkyWalking針對Istio和Envoy組成的Service Mesh方案提供了核心適配能力。用戶可以認為Service Mesh構(gòu)成了SkyWalking的一種新的語言無關(guān)的探針形式。利用SkyWalking的后端OAP平臺以及UI，可以對Service Mesh管理中的服務(wù)提供同樣的依賴拓撲、服務(wù)性能指標(biāo)、告警等能力。90%以上的配置與使用其他語言探針（如Java探針）時完全一致。
這也是首個在開源軟件中實現(xiàn)語言探針和Service Mesh一致性解決方案的項目。為不同公司的技術(shù)棧提供統(tǒng)一的監(jiān)控能力，更有利于公司在未來系統(tǒng)架構(gòu)升級中保持監(jiān)控系統(tǒng)的一致性。這個一致性不單單指SkyWalking的使用，更是對于用戶在SkyWalking構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)，如告警平臺、AIOps、指標(biāo)基線計算系統(tǒng)、彈性計算等，保持一致性。
2.2 易于維護
SkyWalking一直堅持以易于維護為核心需求，不引入過多的技術(shù)棧，以免成為一個過于復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。這其中的深層邏輯在于，監(jiān)控系統(tǒng)作為二線甚至三線系統(tǒng)，應(yīng)該利用有限的環(huán)境資源，提供盡可能大的監(jiān)控價值，同時盡可能降低對于運維的要求。在SkyWalking集群模式下，大量公司每日需要采集超過百億級別的監(jiān)控數(shù)據(jù)及明細，SkyWalking不要求使用復(fù)雜的大數(shù)據(jù)平臺，以減少系統(tǒng)的入門難度和維護負擔(dān)。同時SkyWalking的構(gòu)建集群架構(gòu)比較簡單，用戶只要針對自己的數(shù)據(jù)量，對于不同的存儲平臺（如MySQL、TiDB或Elasticsearch等）具備基本的集群運維能力，就可以輕松監(jiān)控百億級的流量系統(tǒng)。
2.3 高性能
SkyWalking并不會因為追求簡單、易于維護而降低對性能的要求。SkyWalking內(nèi)置一套針對分布式監(jiān)控專門設(shè)計的可擴展流計算框架（參見第7章），該計算框架針對監(jiān)控數(shù)據(jù)特別設(shè)計了特定的流程，并利用字節(jié)碼技術(shù)來兼顧擴展性和系統(tǒng)性能。
SkyWalking在永輝超市的典型公開案例中，使用15臺OAP節(jié)點和20臺Elasticsearch節(jié)點，就支撐了250多個服務(wù)每天高達3TB的監(jiān)控數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流量超過百億。在6.x中，SkyWalking性能從6.0-GA到6.4，每個版本都得到了明顯提升。
2.4 利于二次開發(fā)和集成
SkyWalking的二次開發(fā)和集成的便利性主要分為兩方面。
面向協(xié)議和模塊化的設(shè)計。面向協(xié)議保證其他的探針接入，只需要學(xué)習(xí)協(xié)議就可以輕松完成對接。而模塊化給予用戶深度定制的能力，模塊實現(xiàn)的可切換使用戶可以對分布式計算過程、集群管理與協(xié)調(diào)模式、存儲、告警引擎、可視化頁面等進行個性化定制。
大量的SkyWalking內(nèi)置實現(xiàn)提供了第三方網(wǎng)絡(luò)接口，HTTP或gRPC接口。用戶可以使用第三方程序進行對接，而非進行程序改造。這樣能保證SkyWalking版本升級時周邊生態(tài)的穩(wěn)定。而且在容器化大行其道的今天，網(wǎng)絡(luò)接口集成的方式也更為友好。
SkyWalking的幾百家公開用戶大量使用了這些擴展方式，定制了豐富的內(nèi)部系統(tǒng)，也保證了SkyWalking內(nèi)核的穩(wěn)定和高通用性。
關(guān)于SkyWalking的實戰(zhàn)內(nèi)容推薦閱讀《Apache SkyWalking實戰(zhàn)》一書，本文經(jīng)出版社授權(quán)發(fā)布。
