Der Extended Berkeley Packet Filter (eBPF) hat die Beobachtbarkeit, Leistungsüberwachung und Sicherheit des Linux-Kernels revolutioniert. eBPF ermöglicht es Entwicklern, Sandbox-Programme direkt im Kernel auszuführen, ohne den Kernel-Code zu ändern, und eröffnet so die Möglichkeit, Daten effizient zu überwachen, zu verfolgen und zu bearbeiten. In Kombination mit der Programmiersprache Go ebpf, die für ihre Einfachheit, Parallelität und ihr robustes Ökosystem bekannt ist, wird eBPF zu einem leistungsstarken Werkzeug zum Erstellen leistungsstarker, sicherer und skalierbarer Anwendungen. In diesem Artikel untersuchen wir eBPF in Go, seine Funktionsweise, seine Anwendungsfälle und ein praktisches Beispiel.

Was ist eBPF?
eBPF, ursprünglich für die Paketfilterung konzipiert, hat sich zu einer allgemeineren Technologie entwickelt, die für eine Vielzahl von Programmieraufgaben auf Kernel-Ebene verwendet wird. eBPF-Programme werden im Linux-Kernel ausgeführt und ermöglichen die Interaktion mit Systemereignissen, Netzwerkpaketen und Systemaufrufen, ohne dass der Kernel selbst geändert werden muss.

Durch die Nutzung von eBPF profitieren Entwickler:
• Tiefer Einblick in das Innenleben des Kernels.
• Sicherheit durch Sandbox-Ausführung mit strenger Überprüfung.
• Leistung durch minimalen Overhead und Echtzeit-Ereignisverarbeitung.
• Flexibilität bei der Nachverfolgung, Profilerstellung und Durchsetzung von Sicherheitsrichtlinien.
Diese Vielseitigkeit hat dazu geführt, dass eBPF in Observability-Tools wie Prometheus, Sicherheitsplattformen wie Cilium und Netzwerk-Tools beliebt geworden ist.

Warum Go mit eBPF verwenden?
Go ist eine moderne Programmiersprache, die für ihre Einfachheit, ihr Parallelitätsmodell und ihre starke Standardbibliothek bekannt ist. Diese Eigenschaften machen es ideal für die Arbeit mit eBPF, da Go die Entwicklung skalierbarer und effizienter Systeme vereinfacht und gleichzeitig die Codebasis überschaubar hält. Das umfangreiche Ökosystem an Tools und Bibliotheken von Go ermöglicht es Ingenieuren in Kombination mit der Leistungsfähigkeit von eBPF, leistungsstarken Code auf Kernel-Ebene in einer einfacher zu wartenden Sprache zu schreiben.

Vorteile der Verwendung von Go mit eBPF:
• Hohe Leistung: Go ist schnell und in Kombination mit dem minimalen Overhead von eBPF können Anwendungen mit nahezu Kernel-Geschwindigkeit ausgeführt werden.
• Benutzerfreundlichkeit: Die Syntax und das Parallelitätsmodell von Go ermöglichen schnellere Entwicklungszyklen.
• Effiziente Speicherverwaltung: Die Speicherbereinigung von Go stellt sicher, dass der Speicher sauber verwaltet wird, und verringert so das Risiko von Speicherlecks, die bei C-basierten eBPF-Programmen häufig auftreten.

Schlüsselkonzepte von eBPF in Go
Bevor wir in den Go-Code eintauchen, werfen wir einen Blick auf einige grundlegende Konzepte von eBPF:
1. eBPF-Programme
Ein eBPF-Programm ist eine kleine Funktion, die als Reaktion auf ein bestimmtes Ereignis im Kernel ausgeführt wird. Das Programm ist in einer Sandbox untergebracht und wird verschiedenen Prüfungen unterzogen, um sicherzustellen, dass es dem System keinen Schaden zufügt. Zu den typischen Ereignissen gehören die Verarbeitung von Netzwerkpaketen, die Funktionsverfolgung und Leistungsindikatoren.
2. eBPF-Karten
eBPF-Karten sind Datenstrukturen, die zum Speichern von Daten verwendet werden, auf die eBPF-Programme zugreifen können. Diese Karten können Metriken, Konfigurationsdaten und andere wichtige Informationen enthalten, die zwischen User-Space und Kernel-Space geteilt werden.
3. eBPF-Verifizierer
Vor der Ausführung muss das eBPF-Programm den Prüfer durchlaufen, der auf unsicheres oder fehlerhaftes Verhalten prüft. Der Prüfer stellt sicher, dass das Programm den Kernel nicht zum Absturz bringt oder Daten verliert.
4. eBPF-Hooks
eBPF-Programme werden über Hooks an Kernel-Ereignisse angehängt, zu denen Tracepoints, Kprobes (Funktionseinstiegspunkte), Uprobes (User-Space-Funktionsverfolgung) und Socket-Filter gehören können.
Erstellen von eBPF-Programmen in Go
Um mit eBPF in Go zu arbeiten, ist die primäre Bibliothek Cilium/ebpf, eine Go-native Bibliothek, die Ihnen die Interaktion mit eBPF-Programmen, Karten und Hilfsprogrammen ermöglicht.

Voraussetzungen
Um mitzumachen, stellen Sie sicher, dass Sie Folgendes haben:

1. Ein Linux-System mit Kernel-Version 4.14 oder neuer.
2. Wird auf Ihrem System installiert.
3. Ciliums eBPF-Bibliothek: Holen Sie sich github.com/cilium/ebpf

Ein einfaches eBPF-Programm in Go schreiben
Hier ist ein einfaches Beispiel für das Anhängen eines eBPF-Programms zur Verfolgung von Systemaufrufen:

1. Erstellen Sie das eBPF-Programm in C
Obwohl eBPF-Programme in anderen Sprachen geschrieben werden können, ist C nach wie vor die am häufigsten verwendete Sprache. Schreiben Sie ein einfaches Programm, das bei jedem bestimmten Systemaufruf einen Zähler erhöht:

#include 
#include 

BPF_HASH(syscall_count, u32, u64);

int trace_syscall(struct pt_regs *ctx) {
    u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid();
    u64 *count = syscall_count.lookup(&pid);
    if (count) {
        (*count)  ;
    } else {
        u64 initial_count = 1;
        syscall_count.update(&pid, &initial_count);
    }
    return 0;
}

Dieses Programm verfolgt von Prozessen durchgeführte Systemaufrufe und speichert die Anzahl der Systemaufrufe pro Prozess-ID.

2. Kompilieren des eBPF-Programms
Nach dem Schreiben kompilieren Sie das eBPF-Programm mit LLVM:
clang -O2 -target bpf -c syscall_counter.c -o syscall_counter.o

3. Laden und Ausführen des eBPF-Programms in Go
Schreiben Sie nun den Go-Code, der das eBPF-Programm lädt und mit ihm interagiert.
Paket main

import (
    "log"
    "github.com/cilium/ebpf"
    "golang.org/x/sys/unix"
)

func main() {
    // Load the precompiled eBPF program
    prog, err := ebpf.LoadProgram("syscall_counter.o")
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to load eBPF program: %v", err)
    }
    defer prog.Close()

    // Attach the eBPF program to the system call entry point
    err = unix.SetSyscallEntry(prog, unix.SYS_write)
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to attach eBPF program: %v", err)
    }

    log.Println("eBPF program successfully attached.")
}

Hier laden wir das kompilierte eBPF-Programm und hängen es mithilfe des Syscall-Pakets von Go an den Schreibsystemaufruf an.

4. Beobachten der Ausgabe
Sobald das Programm ausgeführt wird, beginnt es mit der Verfolgung von Systemaufrufen. Sie können die Zählungen überprüfen, indem Sie auf die eBPF-Karte zugreifen, was in Go mithilfe der eBPF-Bibliothek erfolgt.

func readMap() {
    syscallCount := ebpf.Map("syscall_count")
    defer syscallCount.Close()

    iter := syscallCount.Iterate()
    var pid uint32
    var count uint64

    for iter.Next(&pid, &count) {
        log.Printf("PID: %d, Syscall Count: %d\n", pid, count)
    }
}

Anwendungsfälle für Go eBPF
Die Kombination von Go und eBPF bietet mehrere leistungsstarke Anwendungsfälle in verschiedenen Domänen:

1. Beobachtbarkeit und Überwachung
Tools wie bpftrace nutzen eBPF, um detaillierte Metriken und Protokolle ohne großen Aufwand zu sammeln. In Go können Sie benutzerdefinierte Metrik-Pipelines erstellen, die die Anwendungsleistung oder den Netzwerkverkehr in Echtzeit überwachen.
2. Sicherheitsdurchsetzung
Mit Go können Sie Systeme erstellen, die sicherheitsrelevante Ereignisse (z. B. nicht autorisierte Systemaufrufe, verdächtiges Netzwerkverhalten) automatisch überwachen, indem Sie benutzerdefinierte eBPF-Programme schreiben, die diese Aktivitäten beobachten und protokollieren.
3. Optimierung der Netzwerkleistung
eBPF ermöglicht eine detaillierte Überwachung von Netzwerkpaketen und Bandbreitennutzung. Wenn Sie dies mit der Leistung von Go kombinieren, können Sie effiziente Systeme für Lastausgleich, Traffic-Shaping und Echtzeit-Netzwerkanalyse erstellen.

Abschluss
Go eBPF gibt Entwicklern die Möglichkeit, effiziente, leistungsstarke Anwendungen zu schreiben, die Beobachtbarkeit und Kontrolle auf Kernel-Ebene nutzen. Unabhängig davon, ob Sie Tools zur Leistungsüberwachung, Sicherheitsdurchsetzung oder Netzwerkoptimierung entwickeln, bietet die Kombination von Go mit der Flexibilität von eBPF ein enormes Potenzial. Indem Sie die Schlüsselkonzepte verstehen und praktische Erfahrungen mit Go eBPF sammeln, können Sie die wahre Leistungsfähigkeit des Linux-Kernels für Ihre Anwendungen freischalten.