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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