【SkyWalking】SkyWalking是如何实现跨进程传播链路数据？

一、简介

1 为什么写这篇文章

写这篇文章是为了让自己和大家梳理这些内容：

1. SkyWalking的链路串联依赖跨进程数据传播，他的跨进程传播协议是怎样的？
2. 如果我想借助SkyWalking的跨进程传播协议实现传递全链路业务数据(如全局userId等)，该如何实现？

2 跨进程传播协议-简介

SkyWalking 跨进程传播协议是用于上下文的传播，之前经历过sw3协议、sw6协议，本文介绍是当前(2023年)最新的sw8协议。
该协议适用于不同语言、系统的探针之间传递上下文。

二、协议

Header项分为三类：

• Standard Header项，Header名称：sw8
• Extension Header项，Header名称：sw8-x
• Correlation Header项，Header名称：sw8-correlation

协议的整体设计：

下面详细讲解协议的Header项：

1 Standard Header项

该Header项是上下文传播必须包含的。

• Header名称：sw8.
• Header值：由-分隔的8个字段组成。Header值的长度应该小于2KB。

Header值中具体包含以下8个字段：

• 采样（Sample），0 或 1，0 表示上下文存在，但是可以（也很可能）被忽略而不做采样；1 表示这个trace需要采样并发送到后端。
• 追踪ID（Trace Id），是 Base64 编码的字符串，其内容是由 . 分割的三个 long 类型值, 表示此trace的唯一标识。
• 父追踪片段ID（Parent trace segment Id），是 Base64 编码的字符串，其内容是字符串且全局唯一。
• 父跨度ID（Parent span Id），是一个从 0 开始的整数，这个跨度ID指向父追踪片段（segment）中的父跨度（span）。
• 父服务名称（Parent service），是 Base64 编码的字符串，其内容是一个长度小于或等于50个UTF-8编码的字符串。
• 父服务实例标识（Parent service instance），是 Base64 编码的字符串，其内容是一个长度小于或等于50个UTF-8编码的字符串。
• 父服务的端点（Parent endpoint），是 Base64 编码的字符串，其内容是父追踪片段（segment）中第一个入口跨度（span）的操作名，由长度小于或等于50个UTF-8编码的字符组成。
• 本请求的目标地址（Peer），是 Base64 编码的字符串，其内容是客户端用于访问目标服务的网络地址（不一定是 IP + 端口）。

示例值： 1-TRACEID-SEGMENTID-3-PARENT_SERVICE-PARENT_INSTANCE-PARENT_ENDPOINT-IPPORT

2 Extension Header项

该Header项是可选的。扩展Header项是为高级特性设计的，它提供了部署在上游和下游服务中的探针之间的交互功能。

Header名称：sw8-x

Header值：由-分割，字段可扩展。

扩展Header值
当前值包括的字段：

追踪模式（Tracing Mode），空、0或1，默认为空或0。表示在这个上下文中生成的所有跨度（span）应该跳过分析。在默认情况下，这个应该在上下文中传播到服务端，除非它在跟踪过程中被更改。
客户端发送的时间戳：用于异步RPC，如MQ。一旦设置，消费端将计算发送和接收之间的延迟，并使用key transmission.latency自动在span中标记延迟。

示例值：1-1621344125000

3 Correlation Header项

该Header项是是可选的。并非所有语言的探针都支持，已知的是Java的探针是支持该协议。
该Header项用于跨进程传递用户自定义数据，例如userId、orgId。
这个协议跟OpenTracing 的 Baggage很类似，但是Correlation Header项相比，在默认设置下会更有更严格的限制，例如，只能存放3个字段，且有字段长度限制，这个是为了安全、性能等考虑。
数据格式：

Header名称：sw8-correlation

Header值：由,分割一对对key、value，每对key、value逗号分割，key、value的由Base64编码。

示例值：a2V5MQ==:dmFsdWUx,a2V5LTI=:dmFsdWUy

三、跨进程传播协议的源码分析

1 OpenTracing规范

SkyWalking是基于OpenTracing标准的追踪系统，参考吴晟老师翻译的OpenTracing规范的文章opentracing之Inject和Extract，OpenTracing定义了跨进程传播的几个要素：

SpanContext：SpanContext代表跨越进程边界，传递到下级span的状态。在SkyWalking中的实现类是org.apache.skywalking.apm.agent.core.context.TracingContext
Carrier：传递跨进程数据的搬运工，负责将追踪状态从一个进程"carries"（携带，传递）到另一个进程
Inject 和 Extract：SpanContexts可以通过Inject(注入)操作向Carrier增加，或者通过Extract(提取)从Carrier中获取，跨进程通讯数据（例如：HTTP头）。通过这种方式，SpanContexts可以跨越进程边界，并提供足够的信息来建立跨进程的span间关系（因此可以实现跨进程连续追踪）

2 通过dubbo插件分析跨进程数据传播

我们以SkyWalking java agent的dubbo-2.7.x-plugin插件为例，其中跨进程传播数据的核心代码在org.apache.skywalking.apm.plugin.asf.dubbo.DubboInterceptor，下面是该类跨进程传播的核心代码：

public class DubboInterceptor implements InstanceMethodsAroundInterceptor {

    /**
     * Consumer: The serialized trace context data will
     * inject to the {@link RpcContext#attachments} for transport to provider side.
     * 

     * Provider: The serialized trace context data will extract from
     * {@link RpcContext#attachments}. current trace segment will ref if the serialization context data is not null.
     */
    @Override
    public void beforeMethod(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes,
                             MethodInterceptResult result) throws Throwable {
        ......
        if (isConsumer) { // 1、consumer端
            // ContextCarrier
            final ContextCarrier contextCarrier = new ContextCarrier();
            // 1.1 createExitSpan()内部会调用TracerContext.inject(carrier)，将TracerContext中的context数据inject(注入)到ContextCarrier的context中
            span = ContextManager.createExitSpan(generateOperationName(requestURL, invocation), contextCarrier, host + ":" + port);

            CarrierItem next = contextCarrier.items();
            // 1.2 遍历ContextCarrier，从ContextCarrier的context获取数据，注入到dubbo的attachment，从consumer端传递到provider端
            while (next.hasNext()) {
                next = next.next();
                rpcContext.setAttachment(next.getHeadKey(), next.getHeadValue());
                if (invocation.getAttachments().containsKey(next.getHeadKey())) {
                    invocation.getAttachments().remove(next.getHeadKey());
                }
            }
        } else { // 2 provider端
            // 2.1 从consumer端传递到provider端的attachment中获取跨进程协议数据，然后设置到context
            ContextCarrier contextCarrier = new ContextCarrier();
            CarrierItem next = contextCarrier.items();
            while (next.hasNext()) {
                next = next.next();
                next.setHeadValue(rpcContext.getAttachment(next.getHeadKey()));
            }
            // 2.2 createEntrySpan()内部会调用TracerContext.extract(carrier)，将ContextCarrier的context数据extract(提取)到将TracerContext中的context中
            span = ContextManager.createEntrySpan(generateOperationName(requestURL, invocation), contextCarrier);
            span.setPeer(rpcContext.getRemoteAddressString());
        }
    }
}
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从上面的源码可以看出在服务调用方和被调用方，都会用到ContextCarrier，他是临时搬运工，负责两个进程的TracerContext数据的传递。
下面分析ContextCarrier等类的核心源码。

3 分析跨进程传播协议的核心源码

TracingContext
org.apache.skywalking.apm.agent.core.context.TracingContext是OpenTracing的SpanContext的一种实现，里面包含了span的上下文，包含在segment、correlationContext、extensionContext，而inject()、extract()负责跨进程上下文透传。

public class TracingContext implements AbstractTracerContext {

     /**
     * The final {@link TraceSegment}, which includes all finished spans.
     */
    private TraceSegment segment;
  
    @Getter(AccessLevel.PACKAGE)
    private final CorrelationContext correlationContext;
    @Getter(AccessLevel.PACKAGE)
    private final ExtensionContext extensionContext;

     /**
     * Prepare for the cross-process propagation. How to initialize the carrier, depends on the implementation.
     *
     * @param carrier to carry the context for crossing process.
     */
    void inject(ContextCarrier carrier);

    /**
     * Build the reference between this segment and a cross-process segment. How to build, depends on the
     * implementation.
     *
     * @param carrier carried the context from a cross-process segment.
     */
    void extract(ContextCarrier carrier);
}
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ContextCarrier
ContextCarrier作为传递跨进程数据的搬运工，负责将追踪状态从一个进程"carries"（携带，传递）到另一个进程，其中包含了sw8协议里的Standard Header项、Extension Header项、Correlation Header项相关的上下文数据，具体参考下面的代码：

public class ContextCarrier implements Serializable {
    /**
     * extensionContext包含了在某些特定场景中用于增强分析的可选上下文，对应sw8的Extension Header项
     */
    private ExtensionContext extensionContext = new ExtensionContext();
    /**
     * 用户的自定义上下文容器。此上下文与主追踪上下文一同传播。对应sw8的Correlation Header项
     */
    private CorrelationContext correlationContext = new CorrelationContext();

    /**
     * @return 存在于当前tracing上下文中的item清单
     */
    public CarrierItem items() {
        SW8ExtensionCarrierItem sw8ExtensionCarrierItem = new SW8ExtensionCarrierItem(extensionContext, null);
        SW8CorrelationCarrierItem sw8CorrelationCarrierItem = new SW8CorrelationCarrierItem(
            correlationContext, sw8ExtensionCarrierItem);
        SW8CarrierItem sw8CarrierItem = new SW8CarrierItem(this, sw8CorrelationCarrierItem);
        return new CarrierItemHead(sw8CarrierItem);
    }

    /**
     * Extract the extension context to tracing context
     */
    void extractExtensionTo(TracingContext tracingContext) {
        tracingContext.getExtensionContext().extract(this);
        // The extension context could have field not to propagate further, so, must use the this.* to process.
        this.extensionContext.handle(tracingContext.activeSpan());
    }

    /**
     * Extract the correlation context to tracing context
     */
    void extractCorrelationTo(TracingContext tracingContext) {
        tracingContext.getCorrelationContext().extract(this);
        // The correlation context could have field not to propagate further, so, must use the this.* to process.
        this.correlationContext.handle(tracingContext.activeSpan());
    }

    /**
     * 序列化sw8的Standard Header项，使用 '-' 分割各个字段
     * Serialize this {@link ContextCarrier} to a {@link String}, with '|' split.
     * @return the serialization string.
     */
    String serialize(HeaderVersion version) {
        if (this.isValid(version)) {
            return StringUtil.join(
                '-',
                "1",
                Base64.encode(this.getTraceId()),
                Base64.encode(this.getTraceSegmentId()),
                this.getSpanId() + "",
                Base64.encode(this.getParentService()),
                Base64.encode(this.getParentServiceInstance()),
                Base64.encode(this.getParentEndpoint()),
                Base64.encode(this.getAddressUsedAtClient())
            );
        }
        return "";
    }

    /**
     * 反序列化sw8的Standard Header项
     * Initialize fields with the given text.
     * @param text carries {@link #traceSegmentId} and {@link #spanId}, with '|' split.
     */
    ContextCarrier deserialize(String text, HeaderVersion version) {
        if (text == null) {
            return this;
        }
        if (HeaderVersion.v3.equals(version)) {
            String[] parts = text.split("-", 8);
            if (parts.length == 8) {
                try {
                    // parts[0] is sample flag, always trace if header exists.
                    this.traceId = Base64.decode2UTFString(parts[1]);
                    this.traceSegmentId = Base64.decode2UTFString(parts[2]);
                    this.spanId = Integer.parseInt(parts[3]);
                    this.parentService = Base64.decode2UTFString(parts[4]);
                    this.parentServiceInstance = Base64.decode2UTFString(parts[5]);
                    this.parentEndpoint = Base64.decode2UTFString(parts[6]);
                    this.addressUsedAtClient = Base64.decode2UTFString(parts[7]);
                } catch (IllegalArgumentException ignored) {

                }
            }
        }
        return this;
    }
}
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CorrelationContext
ContextCarrier里包含里sw8的Correlation Header项存放于CorrelationContext，这个类非常有用，适合我们去在全链路跨进程传递自定义的数据。
sw8协议里的Standard Header项、Extension Header项是比较固定的协议格式，我们可以扩展这些协议，例如Standard Header项，当前固定是8位的，对应8个字段，我们可以扩展为9位，第九位可以定义为userId。但是如果要这样改造，就得修改ContextCarrier类序列化、反序列的逻辑，要重新发布agent，并考虑好新旧版本兼容性问题、以及不同语言的agent是否兼容。
而sw8的Correlation Header项使用起来就非常方便。先看下对应实现了CorrelationContext的源码：

/**
 * Correlation context, use to propagation user custom data.
 * Correlation上下文，用于传播用户自定义数据
 */
public class CorrelationContext {

    private final Map<String, String> data;

    /**
     * Add or override the context. 添加或覆盖上下文数据
     *
     * @param key   to add or locate the existing context
     * @param value as new value
     * @return old one if exist.
     */
    public Optional<String> put(String key, String value) {
        // 可以存放于span的tag中
        if (AUTO_TAG_KEYS.contains(key) && ContextManager.isActive()) {
            ContextManager.activeSpan().tag(new StringTag(key), value);
        }
        // setting
        data.put(key, value);
        return Optional.empty();
    }

    /**
     * @param key to find the context 获取上下文数据
     * @return value if exist.
     */
    public Optional<String> get(String key) {
        return Optional.ofNullable(data.get(key));
    }

    /**
     * Serialize this {@link CorrelationContext} to a {@link String} 序列化
     *
     * @return the serialization string.
     */
    String serialize() {
        if (data.isEmpty()) {
            return "";
        }

        return data.entrySet().stream()
                   .map(entry -> Base64.encode(entry.getKey()) + ":" + Base64.encode(entry.getValue()))
                   .collect(Collectors.joining(","));
    }

    /**
     * Deserialize data from {@link String} 反序列化
     */
    void deserialize(String value) {
        if (StringUtil.isEmpty(value)) {
            return;
        }

        for (String perData : value.split(",")) {
            // Only data with limited count of elements can be added
            if (data.size() >= Config.Correlation.ELEMENT_MAX_NUMBER) {
                break;
            }
            final String[] parts = perData.split(":");
            if (parts.length != 2) {
                continue;
            }
            data.put(Base64.decode2UTFString(parts[0]), Base64.decode2UTFString(parts[1]));
        }
    }

    /**
     * Prepare for the cross-process propagation. Inject the {@link #data} into {@link
     * ContextCarrier#getCorrelationContext()}
     */
    void inject(ContextCarrier carrier) {
        carrier.getCorrelationContext().data.putAll(this.data);
    }

    /**
     * Extra the {@link ContextCarrier#getCorrelationContext()} into this context.
     */
    void extract(ContextCarrier carrier) {
        ......
    }

    /**
     * Clone the context data, work for capture to cross-thread. 克隆数据，用于跨线程传递
     */
    @Override
    public CorrelationContext clone() {
        final CorrelationContext context = new CorrelationContext();
        context.data.putAll(this.data);
        return context;
    }

    /**
     * Continue the correlation context in another thread.传递到另外的线程
     *
     * @param snapshot holds the context.
     */
    void continued(ContextSnapshot snapshot) {
        this.data.putAll(snapshot.getCorrelationContext().data);
    }
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通过源码可知，CorrelationContext通过Map来存放数据，CorrelationContext数据支持跨线程、跨进程透传。

四、小结

分析Dubbo插件的跨进程核心代码，了解了跨进程传播协议的核心实现逻辑。

其实在其他分布式追踪系统(如Zipkin、Jager)、全链路灰度系统等涉及到跨进程数据传播的系统中，也是使用了类似于上面SkyWalking协议的思路。

参考

SkyWalking Cross Process Propagation Headers Protocol
SkyWalking Cross Process Correlation Headers Protocol
详解 Apache SkyWalking 的跨进程传播协议