監控能力作爲基礎運維能力和核心穩定性措施，開發運維人員可以通過監控系統有效進行故障定位，預防潛在風險，分析長期趨勢進行容量規劃和性能調優，是軟件開發生命週期中必不可少的一環。與此同時，Serverless 作爲雲計算的最佳實踐和未來演進趨勢，其全託管免運維的使用體驗和按量付費的成本優勢，使得其在雲原生時代備受推崇，在下一個十年將成爲雲廠商提供的核心能力。隨着 Serverless 的心智普及度越來越高，場景覆蓋度越來越廣，更多使用 PHP, Python，C/C++, Node.Js, Golang 等語言的用戶開始進行 Serverless 架構升級。
對於這部分用戶來說，傳統的應用監控方案存在以下痛點：
- 建設成本高：需部署一整套監控系統，包括數據採集，指標傳輸，持久化存儲，可視化展示，告警等模塊，增加了額外的資源成本和人力成本。
- 埋點強入侵：需評估各語言，各框架，各接口的監控指標訴求，引入三方依賴進行繁瑣地手動埋點。雖然對於 PHP, Python 等語言，已經有藉助對象（模塊）替換增強的技術實現無需修改的指標採集，但其能力成熟度，框架兼容性，運行穩定性等方面都還有進一步提升的空間。
- 運維複雜：用戶需要確保整個監控鏈路的低延時，高可用和指標準確性，需要對比分析引入監控埋點後對原有應用性能上的影響並持續優化。
Serverless 產品需要提供一種統一的，開箱即用的，無入侵零改造的方式來實現任意語言的應用監控能力，使得多語言用戶可以充分享受 Serverless 帶來的普惠技術紅利。下面我們首先對其背後使用的 eBPF（Extended Berkeley Packet Filter） 技術進行介紹。
eBPF 全稱爲 Extended Berkeley Packet Filter，始於 Linux 3.18，是一項革命性的 Linux 內核技術。eBPF 提供了基於系統或程序事件的高效，安全，無入侵執行特定代碼的通用能力。在 eBPF 誕生之前，由於用戶態與系統態相互隔離，應用程序無法直接處理內核數據，而如果直接修改內核又具備相當的複雜性，每次開發或調試都需要重新編譯，效率十分低下，安全性也無法保證。
eBPF 作爲一個運行在內核中的虛擬機，允許開發人員直接提交 eBPF 程序，在不修改內核代碼的情況下運行特定的功能。eBPF 程序基於事件驅動模型，當內核運行到特定 hook 點時會觸發執行,預定義的 hook 點包括系統調用、函數進入/退出、內核 tracepoints、網絡事件等。對於不存在的 hook 點也可以通過 KProbe,UProbe 進行動態埋點，提供內核態和用戶態函數的追蹤能力。藉助豐富的 hook 點，eBPF 技術可被廣泛應用於包括網絡監控、安全過濾和性能分析等諸多場景。
eBPF 的工作流程如下圖所示，首先通過在用戶空間內使用 LLVM 或者 GCC 將編寫好的 eBPF 程序編譯成爲字節碼，然後藉助系統調用 bpf 將其加載至內核中。eBPF 虛擬機將使用驗證器對字節碼進行安全性校驗，如只能使用受限的 helper 輔助函數，有限的循環次數和執行時間，DAG 判斷是否存在不可達代碼等，避免其造成內核崩潰。
安全校驗後 eBPF 字節碼將通過即時編譯器（JIT，Just-In-Time Compiler）編譯成爲原生機器碼，提供近乎內核本地代碼的執行效率，並掛載到具體的 hook 點上。用戶態程序與 eBPF 程序間通過常駐內存的 eBPF Map 結構進行雙向通信，每當特定的事件發生時，eBPF 程序可以將採集的統計信息通過 Map 結構傳遞給上層用戶態的應用程序，進行進一步數據處理與分析。
SAE（Serverless 應用引擎）作爲業界首款面向應用的 Serverless PaaS 平臺，全託管免運維，實現了單體 Web 應用，微服務應用以及定時任務的 Serverless 化。其核心優勢之一在於用戶可以低心智負擔，零改成成本的將其應用/任務直接部署至 SAE 中。目前在 JAVA 生態中，無論是代碼包部署，監控調用鏈的集成，還是分佈式調度框架的遷移，都可以讓用戶無需改動任何業務邏輯和版本依賴的情況下使用。
基於 eBPF 技術，SAE 應用監控支持了針對任意語言，任意框架的無入侵指標採集與監控告警能力，提供包括應用/實例維度的黃金三指標 RED（請求數，錯誤數，響應時間）和 HTTP 狀態碼統計，以及提供服務與依賴服務的接口級別調用信息。藉助內置可視化大盤，開發運維人員可以及時評估當前應用對外服務狀態，有效識別用戶體驗、服務中斷、業務異常等問題。
SAE 應用監控能力具備以下核心優勢：
- 免運維：開箱即用，部署即生效，用戶無需額外運行維護監控告警組件。
- 代碼無侵入：無需任何代碼埋點，無需任何依賴修改即可獲取到豐富的監控數據。
- 語言無關：通過內核層進行網絡協議解析，支持任意語言，任意框架。
- 多協議覆蓋：支持對 HTTP,MySQL,Redis,Kafka,DNS 等網絡協議，進行指標和鏈路的監控。
- 高性能：通過減少數據在內核態和用戶態之間的拷貝，以極低的性能消耗獲取指標數據。
技術實現上，SAE 通過將 eBPF 探針以 sidecar 的形式與用戶業務程序部署在同一安全容器中,實現了多租隔離。eBPF 程序將會監聽 accept/close/read/write/sendto/recvfrom 等系統調用，獲取本地及遠端地址，線程上下文，文件描述符 fd 等信息，同時關聯當前容器實例信息產出原始事件。然後將原始事件的內容發送至用戶態程序。用戶態程序進行應用層協議識別，解析出協議的關鍵字段，匹配單條鏈路的請求和響應，同時經過事件過濾，維度收斂，元信息關聯，預聚合等步驟進行數據加工，生成最終指標。最後週期性將採集指標上報至 Arms Promethues 中進行持久化存儲。
總結
面向未來，雲計算將會全面 Serverless 化，多語言，全生態的支持將會是 Serverless 產品發力的重點，SAE 應用監控能力同樣會持續不斷的演進和增強，目前已經全面上線了無入侵，多維度，高性能的應用核心指標監控和告警能力，歡迎大家使用。同時在後續的 RoadMap 中，SAE 將會推出全局調用拓撲，服務上下游依賴，調用鏈路詳情等進階功能，打造更加完善的 Serverless 多語言可觀測體系。
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