マイクロサービスアーキテクチャにおける分散トレースの応用

[[404533]]

[51CTO.com クイック翻訳]マイクロサービスアーキテクチャの分散トレースは、インターネットベースのビジネス組織でより広く使用されるようになる新しい概念です。

マイクロサービスアーキテクチャは、複数の独立したサービスを使用してアプリケーションを拡張するまったく新しい方法を導入します。モノリシックアーキテクチャと比較して、回復力、スケーラビリティ、生産性、効率性の向上に役立ちます。

ただし、エラーの追跡やインフラストラクチャ全体のトラフィックの監視が困難になるなど、独自の複雑さも生じます。したがって、これらの複雑さを排除するために、多くの組織が分散トレースのアプローチを採用しています。このアプローチは、高度なデバッグの問題を解決し、ネットワークの可視性を向上させるのに役立ちます。また、エンドツーエンドのレイテンシ、特定のサービスや機能など、現在発生しているバグを絞り込むことで開発者をサポートします。

この記事では、分散トレースの方法とそれがマイクロサービスアーキテクチャに与える影響を紹介します。

分散トレースの説明

可観測性とは、インフラストラクチャの動作をきめ細かいレベルで監視することです。これにより、インフラストラクチャ内の可視性が最大化され、インシデント管理チームがマイクロサービスアーキテクチャの信頼性を維持できるようになります。

可観測性は、メトリック、アラート (イベント)、ログ、トレースなどのさまざまな形式 (ツール) でシステムデータを記録することによって実現されます。これらの機能により、インフラストラクチャの内部の健全性に関する詳細な情報が得られます。ここでは、トレースの重要性と、それが分散トレースにどのように進化したかを分析します。

1. 追跡

トレースは、アプリケーションフローとデータの進行を継続的に監視することであり、通常はアプリケーションスタック内のユーザーの移動を表します。これにより、システム全体の動作と状態がより明確になり、理解しやすくなります。分散リクエストトレースは、クラウドコンピューティングアプリケーションの健全性を維持するのに役立つ、観測可能性に対する進化的なアプローチです。

分散トレースは、トランザクション要求を追跡し、マイクロサービスアーキテクチャのパスを通過するときに関連するすべてのデータを記録するプロセスです。業界全体で使用され、構造化された形式でトレーサビリティを検査および視覚化します。このデータ追跡方法は、SRE/DevOps チームがインフラストラクチャの異常につながる技術的な障害を迅速に理解して調査するのに役立ちます。

これは、クラウドネイティブアプリケーション全体の可観測性のための標準化されたフレームワークである OpenTelemetry などのツールを使用することで実行できます。これは、トレースに対するベンダー中立的なアプローチであると考えられています。

2. 分散トレースが必要なのはなぜですか?

2018 年に実施された調査によると、従来の組織の 63% が施設をマイクロサービスアーキテクチャに変更しています。モノリシックアーキテクチャからマイクロサービスアーキテクチャへの大きな移行により、高度に分散されたシステムでのデータ追跡の必要性がより明らかになりました。この分散トレースは、きめ細かい観測機能を備えた監視システムにおける一般的な課題を大幅に軽減します。

たとえば、世界中に何百万人ものユーザーがいるインタラクティブなソーシャルゲームプラットフォームを考えてみましょう。これらのユーザーが特定の好みのデータをプラットフォームに入力すると、プラットフォームはデータを迅速に処理し、適切な結果を提供する必要があります。ここで、分散トレースは、各ユーザーのリクエストをキャプチャし、さまざまなマイクロサービスがそれらのリクエストを処理し、非常に短時間で期待される結果を提供するという重要な役割を果たします。

このソーシャルゲームプラットフォームインフラストラクチャが処理するいくつかの問題に分散トレースがどのように役立つかを見てみましょう。

これらの機能の一部は次のとおりです。

インフラストラクチャ全体にエンドツーエンドの可視性を提供します。
上記のゲームプラットフォームでは、分散トレースによってユーザーの位置とユーザーデータを追跡し、システムに保存します。ユーザーのリクエストに従い、それに関連するすべての必要なデータを記録します。この機能により、プラットフォームはアーキテクチャ内でエンドツーエンドの可視性を実現します。
サービスの依存関係に関する情報を提供します。
マイクロサービス環境内の各サービスは、ユーザー要求を完了するために相互に依存します。ここで、ゲーマーがステータスを更新すると、アーキテクチャ内の中央サーバーとその他のさまざまな位置ベースのノードにアクセスして他のゲーマーと通信し、このタスクを完了します。したがって、各サービスリクエストでは、他の関連サービスに関する情報が提供されます。
システム障害が発生した場合でも回復力を確保します。
無効なユーザー資格情報が原因で失敗するゲームプラットフォームのアプリケーションの購入機能について考えてみましょう。分散トレースを使用すると、開発者はさまざまなログを検索することなく、支払いポータルの API プロセストレースを簡単に識別して問題を修正できます。すべてのトランザクションを必要なネットワークデータとともに記録することで、多くの時間を節約できます。

3. 分散トレースはどのように機能しますか?

ユーザーリクエスト中に分散トレースを実行する方法を見る前に、いくつかの基本的な用語を理解しておきましょう。

リクエスト: この用語は、さまざまなクラウドコンピューティングアプリケーション、マイクロサービス、およびその他の機能が相互に通信する方法を示します。
スパン: スパンは、サービスが特定の時間間隔で何を実行するかと、それに対応するメタデータをサービスに伝えます。これらはトレースの基本的な構成要素です。
トレース: 単一または複数のスパンで構成されるエンドツーエンドのユーザーリクエストを意味します。
タグ: これらは、各スパンに関連付けられた情報 (メタデータ) であり (パスに沿って記録されます)、スパン中に実行された操作の詳細な概要を提供します。

一方、トレースは、関連付けられたタグを持つ一連のスパンで構成されます。

以下では、分散トレースがリクエストを処理する方法について説明します。

（1）分散トレースのプロセスは、エンドユーザーがシステムやアプリケーションと対話し始めたときに始まります。たとえば、新しいユーザーがインタラクティブなモバイルゲームプラットフォームに登録する場合、電子メール ID を入力してパスワードを設定する必要があります。

（２）各ユーザーリクエストはHTTPリクエストに変換され、固有のトラッキングID（グローバルID）が割り当てられます。ここで、ユーザーデータが抽出され、一意の ID が割り当てられます。

（３）リクエストがホストシステムを通過する際、各システム操作はスパンとみなされ、サブ操作はサブスパンとみなされる。トレースの最初のスパンはルートスパンとも呼ばれます。この例では、電子メール ID がルートスパンになり、パスワードが子スパンになります。

（4）各ユーザー操作には3つのIDが付与されます。

追跡IDをリクエストする、
ルートスパンID、
サブスパン ID。

（５）エンドユーザーからの各固有のリクエスト（スパン）には、リクエストの処理に関するすべての情報（タグ）がエンコードされます。これらのデータには以下が含まれます。

ユーザーリクエストを処理するマイクロサービスの名前とアドレス。
リクエスト実行時のプロセス関連のイベントとログのシナリオ。
リクエストタグをクエリおよびフィルター処理し、セッション ID、データベースホスト、HTTP メソッド、およびその他のさまざまなキー識別子によってリクエストを示します。
リクエストの処理中にシステムで障害が発生した場合のエラーメッセージとスタックトレースに関する情報。
これで、処理されたすべてのデータに、ソースから宛先までのパスの追跡に関する関連情報を含むグローバル ID が添付されます。
最後に、ユーザーが要求した旅行中に追跡されたすべての情報は、対応するデータストレージ施設に保存されます。このゲームプラットフォームでは、データは将来の参照用にバックエンドサーバーのデータベース層に保存されます。

4. 分散トレースツールの種類

さらに、アーキテクチャ間で分散トレースを実行するためのツールがあり、これは次の 3 つのサブカテゴリに分類できます。

（１）コード追跡ツール：コンピュータプログラム（コード）の実行中の追跡。これらのツールは、コードの各行、宣言された変数、使用された条件文、反復された関数を追跡し、最終的にコードの期待される出力を提供するのに役立ちます。これらはコード分析や診断の目的に非常に役立ちます。コードトレースツールの例としては、OpenTracing、OpenZipkin、Appdash などがあります。

（２）データ追跡ツール：追跡は、ソースシステムを使用して主要データ要素（CDE）またはテレメトリデータの検証中に実行され、統計的プロセス制御（SPC）手法を使用して監視されます。データ追跡ツールの例としては、Datadog、Jaeger、New Relic、Dynatrace、Lightstep などがあります。

（３）プログラム（プロセス）追跡ツール：アプリケーション実行中の追跡操作を確立する。実行された命令のインデックスと実行中に参照されたデータのトレースが含まれます。これらは、開発者がデバッグの目的で頻繁に使用します。これらのツールの例としては、Strace、Ltrace、Opensnoop、Valgrind Lackey などがあります。

インフラストラクチャの分散トレースを開始するにはどうすればよいですか?

以下は、マイクロサービスアーキテクチャで分散トレースを開始するのに役立つリンクの一覧です。

アーキテクチャに分散トレースを実装するには、「OpenTelemetry (OpenTracing + OpenCensus)」の手順に従います。
Docker 上でネイティブに Jaeger を実行している組織は、Jaeger のドキュメントに記載されている手順に従うことができます。
Java または Docker を使用してインフラストラクチャを構成する場合は、関連する手順に従って、インフラストラクチャに OpenZipkin を適用します。
マイクロサービスアーキテクチャに分散トレースパターンを適用するには、「分散トレースパターン」を参照してください。
IBM Garage アプローチなどのマイクロサービスベースの Web アプリケーション全体に分散トレースを実装します。
ネットワークパスに沿ってシステム要求をトレースし、システムが期待どおりに動作しない理由を理解するには、分散トレースガイドを理解する必要があります。
分散トレースを使用したマイクロサービスアーキテクチャとその動作を理解するには、分散トレースを使用したマイクロサービスを理解する必要があります。

したがって、上記の戦略を実行または実践することで、分散トレースシステムをあらゆるマイクロサービスアーキテクチャに実装できます。

分散トレースがますます採用されるようになると、いくつかの課題も生じます。信頼性を維持するには、ベストプラクティスを維持しながらこれらの機能を実装する必要があります。

マイクロサービスアーキテクチャで分散トレースを採用するためのベストプラクティス:

エンドツーエンドの計測を実装し、すべての受信および送信サービス呼び出しのトレースを記録します。
レイテンシ、トラフィック、エラー、飽和度 (使用率) などの SRE シグナルと RED (応答、エラー、期間) メトリックに焦点を当てて、すべてのシステムトレースをログに記録しながらそれらにアラートを設定し、期間メトリックに焦点を当ててシステムの動作を調査します。
常に OpenTelemetry (OpenTracing + OpenCensus) 標準化に従い、採用したツールが世界標準を満たしていることを確認します。
将来の参照用に、カスタマイズされたビジネスメトリックと追跡範囲をすべて記録します。