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【可观测性工程】Traces 栈与采样:Jaeger、Tempo、Zipkin、SkyWalking

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#tracing#jaeger#tempo#skywalking#zipkin#opentelemetry#sampling#tracecontext#tail-sampling#propagation

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Traces 栈与采样:Jaeger、Tempo、Zipkin、SkyWalking

用户在 Jaeger UI 搜 duration > 5s,等了两分钟——不是 Jaeger 慢,是 Elasticsearch 在数十亿 Span 上做范围扫描。Trace 写入量是 Metrics 的几十到几百倍;采样策略比后端选型更重要

本文深入 Jaeger、Grafana Tempo、Apache SkyWalking 的存储模型与架构取舍,讲解 W3C TraceContext / B3 传播、OpenTelemetry Collector tail_sampling 配置,并用假设模型估算存储量。前置:数据模型OpenTelemetry

头部采样 vs 尾部采样

一、从 Dapper 到 OpenTelemetry

Google Dapper(2010)提出 trace tree + 采样;Zipkin(2012)、Jaeger(2017)、Tempo(2021)、SkyWalking(2015)演进。

    OpenTelemetry(2019)统一 API/SDK/OTLP——竞争从 SDK 转向后端与采样。

二、Span、Trace 与 SpanContext

三、Jaeger 深度拆解

组件:Collector(接收/采样/写存储)、Query(UI/API)、Ingester(Kafka 消费)。Agent 已废弃,由 OTel Collector 替代。

    **存储后端**:
    | 后端 | 模型 | 搜索 |
    |------|------|------|
    | Elasticsearch | 每 span 文档 + 倒排 | 毫秒级 tag 搜索 |
    | Cassandra | trace_id 宽行 | 有限 |
    | Badger | 嵌入式 KV | 开发 |

    生产 ES mapping 必须预定义——动态 mapping + 高基数 tag = 集群事故。

    ```mermaid
    flowchart LR
      SDK[OTel SDK] --> Coll[OTel/Jaeger Collector]
      Coll --> ES[(Elasticsearch)]
      Query[Jaeger Query] --> ES
    ```

四、Grafana Tempo 深度拆解

哲学:只索引 trace_id + 时间 + 少量 resource;Span attribute 不建倒排。

    路径:Distributor → Ingester(WAL)→ Parquet Block → S3 → Querier。

    TraceQL:`{ duration > 500ms && status = error }` 并行扫描 block——秒级。

    与 Grafana:Loki `trace_id` → Tempo;Exemplar → Tempo。

    ```mermaid
    flowchart TB
      D[Distributor] --> I[Ingester + WAL]
      I --> S3[(Object Storage)]
      Q[Querier] --> S3
      QF[Query Frontend] --> Q
    ```

五、Apache SkyWalking 深度拆解

中国社区 APM 代表;Apache 顶级项目。

    **差异**:
    - Java Agent 字节码增强(ByteBuddy),少改代码  
    - Segment 模型 + OAP 分析层  
    - 服务拓扑、端点依赖、JVM/DB 监控开箱即用  
    - 存储:ES、BanyanDB、TiDB 等  

    vs Jaeger/Tempo:SkyWalking 是 **APM 平台**,不是纯 Trace 存储。

    OTel 兼容在增长,但原生 Sw8 协议仍常见于国内存量系统。

六、Zipkin 与生态位

Zipkin 轻量、Thrift/JSON API;适合中小规模或 Kafka 缓冲架构。与 Jaeger 类似全索引 ES 路线,新项目更常 OTel Collector → Tempo/Jaeger v2。

七、采样:为什么必须采

假设:\(Q=10000\) req/s,每请求 10 spans,全量:

    $$N_{day} = 10000 \times 86400 \times 10 = 8.64 \times 10^9 \text{ spans/day}$$

    见 [数据模型 §4.4](../05-data-model/data-model.html) 存储公式——全量不可规模化。

八、头部采样(Head-based)

入口按 trace_id hash 决策;trace_flags sampled bit 传播。

    优点:零缓冲、各节点本地决策。  
    缺点:**不可逆**——错误请求可能落在未采样分区。

    Jaeger:`probabilistic`/`rateLimiting`/`remote` 策略。

九、尾部采样(Tail-based)

Collector 缓冲 trace 完整 span 集,按 status=ERRORduration>阈值 保留。

    优点:高价值 trace 不丢。  
    缺点:内存、延迟、需 `wait` 窗口。

    ![采样策略对比](./sampling-comparison.svg)

十、OpenTelemetry tail_sampling 配置

yaml processors: tail_sampling: decision_wait: 10s num_traces: 100000 expected_new_traces_per_sec: 1000 policies: - name: errors type: status_code status_code: status_codes: [ERROR] - name: slow type: latency latency: threshold_ms: 2000 - name: baseline type: probabilistic probabilistic: sampling_percentage: 1

    **组合策略**:errors OR slow OR 1% baseline——生产常见。

    与 [埋点哲学](../04-instrumentation-philosophy/instrumentation-philosophy.html) 采样决策树对齐。

    `decision_wait` 须大于服务 p99 尾延迟,否则 span 未到齐误判。

十一、传播协议

协议 | Header | 场景 | |——|——–|——| | W3C TraceContext | traceparent, tracestate | 标准首选 | | B3 | X-B3-TraceId, X-B3-SpanId, X-B3-Sampled | Zipkin 遗留 | | Jaeger | uber-trace-id | 老 Jaeger 客户端 |
    OTel:`OTEL_PROPAGATORS=tracecontext,baggage`(按需加 b3)

    **翻车**:
    - HTTP/2 header 小写;网关 strip trace headers  
    - Kafka/RabbitMQ 不自动传播——producer inject、consumer extract  
    - 跨语言 `trace_flags` 未转发 → 下游不记录

十二、Jaeger vs Tempo vs SkyWalking 选型

条件 | 推荐 | |——|——| | LGTM 全家桶 | Tempo | | 强 attribute 搜索 | Jaeger+ES | | 国内 APM 开箱 | SkyWalking | | >10B spans/day | Tempo | | OTel 多后端 | Collector → 任选 |

十三、工程坑点

  1. traceparent 在网关丢失
    2. NTP skew → clock skew 警告
    3. 循环内创建 span → ingester OOM
    4. ES 按天 index 分片过大
    5. tail_sampling num_traces 过小 → 决策队列丢
    6. 头部 100% + 尾部重复保留 → 存储翻倍
    7. service.name 不一致 → 拓扑断裂

十四、落地清单

十五、关键概念回顾

十六、下一步

Traces 之后进入 OpenTelemetry 深入 或内核追踪 17-kernel-tracing

Jaeger 生产细节 #1

Jaeger 部署检查项 #1:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #2

Jaeger 部署检查项 #2:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #3

Jaeger 部署检查项 #3:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #4

Jaeger 部署检查项 #4:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #5

Jaeger 部署检查项 #5:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #6

Jaeger 部署检查项 #6:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #7

Jaeger 部署检查项 #7:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #8

Jaeger 部署检查项 #8:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #9

Jaeger 部署检查项 #9:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #10

Jaeger 部署检查项 #10:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Jaeger 生产细节 #11

Jaeger 部署检查项 #11:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #1

Tempo 部署检查项 #1:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #2

Tempo 部署检查项 #2:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #3

Tempo 部署检查项 #3:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #4

Tempo 部署检查项 #4:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #5

Tempo 部署检查项 #5:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #6

Tempo 部署检查项 #6:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #7

Tempo 部署检查项 #7:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #8

Tempo 部署检查项 #8:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #9

Tempo 部署检查项 #9:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #10

Tempo 部署检查项 #10:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

Tempo 生产细节 #11

Tempo 部署检查项 #11:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #1

SkyWalking 部署检查项 #1:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #2

SkyWalking 部署检查项 #2:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #3

SkyWalking 部署检查项 #3:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #4

SkyWalking 部署检查项 #4:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #5

SkyWalking 部署检查项 #5:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #6

SkyWalking 部署检查项 #6:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #7

SkyWalking 部署检查项 #7:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #8

SkyWalking 部署检查项 #8:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #9

SkyWalking 部署检查项 #9:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #10

SkyWalking 部署检查项 #10:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。

SkyWalking 生产细节 #11

SkyWalking 部署检查项 #11:存储容量、Ingester 副本、querier 并发、metrics 告警规则。


参考资料

  1. B. H. Sigelman et al., Dapper, Google Technical Report, 2010
  2. W3C, Trace Context, https://www.w3.org/TR/trace-context/
  3. Jaeger Architecture, https://www.jaegertracing.io/docs/latest/architecture/
  4. Grafana Tempo Architecture, https://grafana.com/docs/tempo/latest/architecture/
  5. Apache SkyWalking, https://skywalking.apache.org/docs/
  6. OpenTelemetry Tail Sampling Processor, https://github.com/open-telemetry/opentelemetry-collector-contrib/tree/main/processor/tailsamplingprocessor
  7. OpenTelemetry Propagation, https://opentelemetry.io/docs/concepts/context-propagation/

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附录 C.1

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.2

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.3

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.4

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.5

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.6

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.7

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.8

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.9

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.10

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.11

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.12

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.13

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.14

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.15

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.16

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.17

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.18

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.19

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.20

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.21

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.22

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.23

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.24

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.25

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.26

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.27

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.28

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.29

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.30

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.31

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.32

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.33

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.34

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.35

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.36

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.37

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.38

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.39

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.40

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.41

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.42

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.43

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.44

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.45

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.46

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.47

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.48

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.49

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.50

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.51

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.52

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.61

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.66

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.68

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.71

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.85

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.88

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附录 C.89

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.90

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.91

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.92

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.93

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.95

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.96

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.97

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.98

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.100

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.101

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.102

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.103

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.105

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.108

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.110

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.111

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.112

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.113

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.115

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.118

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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附录 C.123

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.128

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.130

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.131

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.132

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.133

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附录 C.134

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.135

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.150

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

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Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

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Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

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Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

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Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.161

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.162

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.163

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.164

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.165

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.166

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.167

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.168

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

附录 C.169

Baggage 传播不进入 span attribute——避免 PII 扩散。

附录 C.170

Links 用于 batch 与异步关联——与 parent span 不同语义。

附录 C.171

Adaptive sampling(Jaeger v2 方向)根据负载调概率——反馈延迟分钟级。

附录 C.172

Span metrics connector 从 trace 生成 RED metrics——补 Metrics 缺口。

附录 C.173

service graph 依赖 span kind=client/server 配对——instrumentation 必须正确。

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