导读：

分布式链路追踪作为解决分布式应用可观测问题的重要技术，得物全链路追踪(简称Trace2.0)基于OpenTelemetry提供的可观测标准方案实现新一代的一站式全链路观测诊断平台，并通过全量采集Trace帮助业务提高故障诊断、性能优化、架构治理的效率。

全量采集Trace数据(日增数百TB 、数千亿条Span数据)并以较低的成本保证数据的实时处理与高效查询，对Trace2.0后端整体的可观测性解决方案提出了极高的要求。本文将详细介绍Trace2.0背后的架构设计、尾部采样和冷热存储方案，以及我们是如何通过自建存储实现进一步的降本增效(存储成本下降66%)。

1. 整体架构设计

全链路追踪Trace2.0从数据接入侧、计算、存储到查询整体模块架构如上图所示。这里说一下各组件的核心能力：

• 客户端&数据采集：集成并定制OpenTelemetry提供的多语言SDK(Agent)，生成统一格式的可观测数据。

• 控制平面Control Plane：统一的配置中心向数据采集侧下发各类动态配置发并实时生效；支持向各采集器下发动态配置并实时生效，支持应用按实例数灰度接入，并提供出入参收集动态开关、性能剖析动态开关、流量染色动态配置、客户端版本管理等。

• 数据收集服务OTel Server：数据收集器OTel Server兼容OpenTelemetry Protocol（OTLP)协议，提供gRPC和HTTP两种方式接收采集器发送的可观测数据。

• 分析计算&存储OTel Storage：计算侧除了基础的实时检索能力外，还提供了场景化的数据分析计算主要包括：

• 存储Trace数据：数据分为两段，一段是索引字段，包括TraceID、ServiceName、SpanName、StatusCode、Duration和起止时间等基本信息，用于高级检索；另一段是明细数据(源数据，包含所有的Span数据)

• 计算SpanMetrics数据：聚合计算Service、SpanName、Host、StatusCode、Env、Region等维度的执行总次数、总耗时、最大耗时、最小耗时、分位线等数据；

• 业务单号关联Trace：电商场景下部分研发多以订单号、履约单号、汇金单号作为排障的输入，因此和业务研发约定特殊埋点规则后--在Span的Tag里添加一个特殊字段"bizOrderId={实际单号}"--便将这个Tag作为ClickHouse的索引字段；从而实现业务链路到全链路Trace形成一个完整的排障链路；

• Redis热点数据统计：在客户端侧扩展调用Redis时入参和出参SpanTag埋点，以便统Redis命中率、大Key、高频写、慢调用等指标数据；

• MySQL热点数据统计：按照SQL指纹统计调用次数、慢SQL次数以及关联的接口名。

2. 尾部采样&冷热存储

得物早期的全链路追踪方案出于对存储成本的考虑，在客户端设置了1%的采样率，导致研发排查问题时经常查询不到想看的Trace链路。那么Trace2.0为了解决这个问题，就不能仅仅只是简单地将客户端的采样率调整为100%，而是需要在客户端全量采集Trace数据的同时，合理地控制Trace存储成本。且从实践经验来看，Trace数据的价值分布是不均匀的，随着时间的推移Trace的数据价值是急速降低的。

全量存储Trace数据不仅会造成巨大的成本浪费，还会显著地影响整条数据处理链路的性能以及稳定性。所以，如果我们能够只保存那些有价值、大概率会被用户实际查询的Trace，就能取得成本与收益的平衡。那什么是有价值的Trace呢？根据日常排查经验，我们发现业务研发主要关心以下四类优先级高场景：

1. 在调用链上出现了异常ERROR；

2. 在调用链上出现了大于「200ms」的数据库调用；

3. 整个调用链耗时超过「1s」；

4. 业务场景的调用链，比如通过订单号关联的调用链。

在这个背景下，并结合业界的实践经验，落地Trace2.0的过程中设计了尾部采样&冷热分层存储方案，方案如下:

• 「3天」内的Trace数据全量保存，定义为热数据。

• 基于Kafka延迟消费+Bloom Filter尾部采样的数据(错、慢、自定义采样规则、以及默认常规0.1%采样数据)保留「30天」，定义为冷数据。

整体处理流程如下：

• OTel Server数据收集&采样规则：将客户端采集器上报的全量Trace数据实时写入Kafka中，并把满足采样规则(上述定义的场景)的Span数据对应的TraceID记录到Bloom Filter中;

• OTel Storage持久化热数据：实时消费Kafka中数据，并全量持久化到ClickHouse热集群中；

• OTel Storage持久化冷数据：订阅上游OTel Server的Bloom Filter，延迟消费Kafka中的数据，将TraceID在Bloom Filter中可能存在的Span数据持久化到ClickHouse冷集群中；

• 延迟时间配置的30分钟，尽量保证一个Trace下的Span完整保留。

• TraceID点查： Trace2.0自定义了TraceID的生成规则；在生成TraceID时，会把当前时间戳秒数的16进制编码结果(占8个字节)作为TraceID的一部分。查询时只需要解码TraceId中的时间戳，即可知道应该查询热集群还是冷集群。

接下来再介绍一下尾部采样中Bloom Filter的设计细节，如下图所示：

整体处理流程如下：

1. OTel Server会将满足采样规则的Span数据对应的TraceID，根据TraceID中的时间戳写入到对应时间戳的Bloom Filter中；

2. Bloom Filter会按十分钟粒度(可根据实际的数据量并结合BloomFilter的误算率和样本大小计算内存消耗并调整)进行分片，十分钟过后将Bloom Filter进行序列化并写入到ClickHouse存储中；

3. OTel Storage消费侧拉取Bloom Filter数据(注意：同一个时间窗口，每一个OTel Server节点都会生成一个BloomFilter)并进行合并Merge(减少Bloom Filter的内存占用并提高Bloom Filter的查询效率)。

综上所述，Trace2.0仅使用了较少的资源就完成了尾部采样和冷热分层存储。既为公司节约了成本，又保存了几乎所有「有价值」Trace，解决了业务研发日常排查时查询不到想看的Trace的问题。

3. 自建存储&降本增效

3.1 基于SLS-Trace的解决方案

Trace2.0建设初期采用了SLS专为OpenTelemetry定制的Trace方案 【1】，提供了Trace查询、调用分析、拓扑分析等功能，如下图所示：

SLS-Trace主要处理流程如下：

1. 利用OpenTelemetry Collector aliyunlogserverexporter【2】将Trace数据写入到SLS-Trace Logstore中；

2. SLS-Trace通过默认提供的Scheduled SQL任务定时聚合Trace数据并生成相应的Span指标与应用、接口粒度的拓扑指标等数据。

随着Trace2.0在公司内部全面铺开，SLS的存储成本压力变得越来越大，为了响应公司“利用技术手段实现降本提效”的号召，我们决定自建存储。

3.2 基于ClickHouse的解决方案

目前业内比较流行的全链路追踪开源项目(SkyWalking、Pinpoint、Jaeger等)采用的存储大都是基于ES或者HBase实现的。而近几年新兴的开源全链路追踪开源项目(Uptrace【3】、Signoz【4】等)采用的存储大都是基于ClickHouse实现的，同时将Span数据清洗出来的指标数据也存储在ClickHouse中。且ClickHouse的物化视图(很好用)也很好地解决了指标数据降采样(DownSampling)的问题。最终经过一番调研，我们决定基于ClickHouse来自建新的存储解决方案。整体架构图如下：

整体处理流程如下：

• Trace索引&明细数据：OTel Storage会将基于Span原始数据构建的索引数据写入到SpanIndex表中，将Span原始明细数据写入到SpanData表中(相关表设计可以参考Uptrace【5】)；

• 计算&持久化SpanMetrics数据：OTel Storage会根据Span的Service、SpanName、Host、StatusCode等属性统计并生成「30秒」粒度的总调用次数、总耗时、最大耗时、最小耗时、分位线等指标数据，并写入到SpanMetrics表；

• 指标DownSampling功能：利用ClickHouse的物化视图将「秒级」指标聚合成「分钟级」指标，再将「分钟级」指标聚合成「小时级」指标；从而实现多精度的指标以满足不同时间范围的查询需求；

-- span_metrics_10m_mvCREATE MATERIALIZED VIEW IF NOT EXISTS '{database}'.span_metrics_10m_mv_local            on cluster '{cluster}'            TO '{database}'.span_metrics_10m_localASSELECT a.serviceName                     as serviceName,       a.spanName                        as spanName,       a.kind                            as kind,       a.statusCode                      as statusCode,       toStartOfTenMinutes(a.timeBucket) as timeBucket,       sum(a.count)                      as count,       sum(a.timeSum)                    as timeSum,       max(a.timeMax)                    as timeMax,       min(a.timeMin)                    as timeMinFROM '{database}'.span_metrics_30s_local as aGROUP BY a.serviceName, a.spanName, a.kind, a.statusCode,    toStartOfTenMinutes(a.timeBucket);

• 元数据(上下游拓扑数据)：OTel Storage根据Span属性中的上下游关系(需要在客户端埋相关属性)，将拓扑依赖关系写入到图数据库Nebula中。

• ClickHouse写入细节

ClickHouse使用Distributed引擎实现了Distributed(分布式)表机制，可以在所有分片(本地表)上建立视图，实现分布式查询。并且Distributed表自身不会存储任何数据，它会通过读取或写入其他远端节点的表来进行数据处理。SpanData表创建语句如下所示：

-- span_dataCREATE TABLE IF NOT EXISTS '{database}'.span_data_local ON CLUSTER '{cluster}'(    traceID                   FixedString(32),    spanID                    FixedString(16),    startTime                 DateTime64(6 ) Codec (Delta, Default),    body                      String CODEC (ZSTD(3))) ENGINE = MergeTreeORDER BY (traceID,startTime,spanID)PARTITION BY toStartOfTenMinutes(startTime)TTL toDate(startTime) + INTERVAL '{TTL}' HOUR;-- span_data_distributedCREATE TABLE IF NOT EXISTS '{database}'.span_data_all ON CLUSTER '{cluster}'as '{database}'.span_data_local    ENGINE = Distributed('{cluster}', '{database}', span_data_local,                         xxHash64(concat(traceID,spanID,toString(toDateTime(startTime,6)))));

整体写入流程比较简单(注意：避免使用分布式表)，如下所示：

• 定时获取ClickHouse集群节点；

• 通过Hash函数选择对应的ClickHouse节点，然后批量写ClickHouse的本地表。

• 上线效果

全链路追踪是一个典型的写多读少的场景，因此我们采用了ClickHouse ZSTD压缩算法对数据进行了压缩，压缩后的压缩比高达12，效果非常好。目前ClickHouse冷热集群各使用数十台16C64G ESSD机器，单机写入速度25w/s(ClickHouse写入的行数)。相比于初期的阿里云SLS-Trace方案，存储成本下降66%，查询速度也从800+ms下降至490+ms。

• 下一步规划

目前Trace2.0将Span的原始明细数据也存储在了ClickHouse中，导致ClickHouse的磁盘使用率会有些偏高，后续考虑将Span明细数据先写入HDFS/OSS等块存储设备中，ClickHouse来记录每个Span在块存储中的offset，从而进一步降低ClickHouse的存储成本。

关于我们：

得物监控团队提供一站式的可观测性平台，负责链路追踪、时序数据库、日志系统，包括自定义大盘、应用大盘、业务监控、智能告警、AIOPS等排障分析。

欢迎对可观测性/监控/告警/AIOPS 等领域感兴趣的同学加入我们。

引用

【1】SLS-Trace方案 

https://developer.aliyun.com/article/785854

【2】SLS-Trace Contrib 

https://github.com/open-telemetry/opentelemetry-collector-contrib/tree/main/exporter/alibabacloudlogserviceexporter

【3】Uptrace 

https://uptrace.dev/

【4】Signoz 

https://signoz.io/

【5】Uptrace Schema设计

https://github.com/uptrace/uptrace/tree/v0.2.16/pkg/bunapp/migrations