Extended Berkeley Packet Filter – Effizienzsteigerung für Netzwerke Wie auch der Mittelstand von eBPF profitiert

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eBPF (extended Berkeley Packet Filter) ist eine Revolution im Bereich der Netzwerkoptimierung, blieb bislang aber eher „den Großen“ vorbehalten. Doch neue eBPF-Lösungen ermöglichen es nun auch mittelständischen Unternehmen, ihre Netzwerke effizienter zu gestalten, Ressourcen zu schonen und die Sicherheit zu verbessern.

eBPF (extended Berkeley Packet Filter) ist eine Technologie, die Programme direkt im Linux-Betriebssystem-Kernel ausführt. Dadurch ermöglicht sie eine effiziente Verarbeitung von Netzwerkpaketen sowie die Optimierung von Sicherheits- und Überwachungsprozessen. Ursprünglich vor allem in großen IT-Umgebungen im Einsatz, wird eBPF dank neuer, benutzerfreundlicherer Tools wie Cilium und Hypershield zunehmend auch für mittelständische Unternehmen relevant. Bisher erschwerten komplexe Implementierungen und ein hoher Bedarf an Spezialwissen den Einsatz dieser Technologie.

Warum eBPF?

Der Kernel ist das Herzstück jedes IT-Systems. Änderungen daran waren bislang äußerst aufwendig und risikoreich, denn: Der Linux-Kernel enthält Millionen Zeilen komplexer Codes, sodass Änderungen nicht nur umfassend getestet werden, sondern auch mit bestehenden Funktionen kompatibel sein müssen, um Stabilitäts- und Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Es kann Jahre dauern, bis Änderungen tatsächlich in den Hauptbestandteil des Kernels aufgenommen werden.

eBPF revolutioniert diesen Prozess, indem es Entwicklern erlaubt, Funktionen zu ergänzen, ohne den Kernel direkt zu verändern. Dies bietet Unternehmen neue Möglichkeiten zur Optimierung ihrer IT-Infrastruktur. Besonders in Netzwerkumgebungen zeigt sich, wie vielseitig und leistungsfähig die Technologie ist.

Effizientere Netzwerke mit eBPF

eBPF-basierte Netzwerklösungen bieten Unternehmen die Flexibilität, den Netzwerkstack an spezifische Anforderungen anzupassen. Anwendungsbeispiele sind:

• Integration in Kubernetes-Umgebungen: Legacy-Anwendungen lassen sich nahtlos einbinden, ohne bestehende Netzwerkstrukturen zu verändern.

• Netzwerkoptimierung: Mit Hilfe von eBPF können Hardware-Netzwerkfunktionalitäten wie Loadbalancing oder Quality of Service (QoS) durch Kernel-nahe Softwarelösungen ersetzt werden.

• Telekommunikationsprotokolle wie SRv6: Für Telekommunikationsanbieter bietet eBPF die Möglichkeit, spezielle Protokolle effizient zu integrieren.

eBPF erlaubt zudem erhebliche Leistungsgewinne, da Pakete direkt im Kernel verarbeitet werden. Sie müssen weder in den Userspace überführt noch erneut zurückgeführt werden, was Latenzen reduziert und die Effizienz steigert.

XDP: Maximale Netzwerkgeschwindigkeit

XDP ist eine auf eBPF basierende Technologie, die speziell für die ultraschnelle Verarbeitung von Netzwerkpaketen im Linux-Kernel entwickelt wurde. Diese Technologie ermöglicht es, Latenzzeiten zu minimieren und Ressourcen zu optimieren. Beispiele für den Einsatz von XDP sind:

• Dynamisches Traffic Shaping: Netzwerklasten können in Echtzeit angepasst werden, um Engpässe zu vermeiden.

• Hochperformantes Load Balancing: Eingehender Netzwerk-Traffic kann basierend auf IP-Adressen oder anderen Kriterien effizient verteilt werden.

• Netzwerklogik auf NICs: Regeln zur Paketfilterung oder -manipulation werden mit Hilfe von XDP direkt auf Netzwerkkarten angewendet, wodurch unerwünschte Pakete das System gar nicht erst erreichen.

In einer Studie von Andree Toonk, bei der er 14 Millionen Pakete pro Sekunde über eine 10-Gbps-Leitung sendete, wurden mit dem Einsatz von XDP nur 5 CPU-Kerne benötigt – das entspricht einem Fünftel der Rechenleistung im Vergleich zur standardmäßigen Linux-Netzwerkfunktionalität.

eBPF in Kubernetes: Mehr Effizienz für Container-Netzwerke

Während XDP vor allem auf Geschwindigkeit und Effizienz bei der Netzwerkverarbeitung abzielt, zeigt sich die Flexibilität von eBPF besonders in komplexen IT-Umgebungen mit Kubernetes. Hier ermöglicht die Technologie eine umfassende Optimierung von Netzwerkprozessen und Sicherheitsmechanismen.

In Kubernetes-Umgebungen verfügt jeder Pod über einen eigenen Netzwerk-Namespace und eine individuelle IP-Adresse. Netzwerkpakete müssen den Host-Netzwerkstack durchlaufen, bevor sie den Ziel-Pod erreichen. Das führt zu zusätzlicher Komplexität und erhöhten Latenzen.

Mit eBPF lassen sich ineffiziente Lösungen wie iptables und Sidecar-Container ersetzen. Dadurch sind Netzwerkregeln und Verbindungstracking direkt im Kernel verwaltbar. Der Vorteil:

• Reduktion der Latenz: Netzwerkverkehr wird ohne Umwege verarbeitet.

• Effizientere Verwaltung: Sidecar-Container, die oft komplex zu administrieren sind, werden überflüssig.

• Optimierte Ressourcen: Netzwerkregeln und Sicherheitsmaßnahmen beanspruchen weniger Kapazitäten und werden viel übersichtlicher.

Eine eBPF-basierte Lösung wie Cilium integriert sich nahtlos in Kubernetes und bietet nicht nur optimierte Netzwerkverbindungen, sondern auch zusätzliche Sicherheitsfunktionen wie Mikrosegmentierung und API-Schutz.

Echtzeit-Observability und Security mit eBPF

Darüber hinaus entfaltet eBPF seine Stärken auch außerhalb von Kubernetes, insbesondere in den Bereichen Überwachung und Sicherheit. Diese Funktionen machen die Technologie universell einsetzbar und zu einem wichtigen Bestandteil moderner IT-Strategien.

Transparenz in Echtzeit

eBPF ermöglicht die Echtzeit-Überwachung von Prozessen und Netzwerkaktivitäten. eBPF-Programme können dynamisch implementiert werden, d.h., ohne dass Anwendungen oder Systeme unterbrochen werden müssen. Auch in containerisierten Umgebungen zeigt sich das Potenzial:

• Prozesse und Ressourcen im Blick: Administratoren erhalten umfassende Einblicke in alle laufenden Prozesse eines Systems und können die Ressourcennutzung bis ins Detail analysieren.

• Kontextbezogene Daten: Neben der bloßen Erfassung von Ereignissen liefert eBPF Informationen darüber, warum und wie diese entstanden sind.

• Schnellere Fehlerbehebung: Echtzeit-Überwachung ermöglicht es, Leistungsengpässe oder Sicherheitsprobleme unmittelbar zu erkennen und zu beheben.

Schutz auf Kernel-Ebene

Sicherheitsfunktionen wie DDoS-Schutz oder Firewalls können mit eBPF direkt in den Kernel integriert werden, wodurch die Leistung gesteigert und Risiken minimiert werden:

• Paketfilterung auf Hardware-Ebene: Schadhafte Pakete werden bereits auf Netzwerkkarten erkannt und können blockiert werden, bevor sie das System erreichen.

• Zero-Trust-Ansätze: eBPF ermöglicht eine detaillierte Überprüfung von Netzwerkverkehr und API-Anfragen, wodurch potenzielle Sicherheitslücken geschlossen werden.

• Angriffsprävention: eBPF-basierte Sicherheitslösungen schützen vor Exploits wie „Packet of Death“-Angriffen, die gezielt Schwachstellen im Kernel ausnutzen könnten.

Fazit: eBPF für alle Unternehmensgrößen

eBPF hat sich als nützliches und effizientes Tool für moderne IT-Infrastrukturen etabliert und wird zunehmend in IT-Umgebungen aller Größenordnungen eingesetzt, denn: Was einst großen Konzernen vorbehalten war, wird durch neue, benutzerfreundliche Tools wie Cilium oder Hypershield auch für den Mittelstand nutzbar. Mit minimalem Aufwand können Administratoren so von einer höheren Leistung, besseren Sicherheit und umfassender Netzwerktransparenz profitieren. Logicalis unterstützt Unternehmen dabei, die Potenziale von eBPF-Technologien gezielt zu nutzen. Als Cisco-Partner und Hypershield-Tester kann das Unternehmen helfen, eBPF-basierte Anwendungen effizient in bestehende IT-Strukturen zu implementieren und den Betrieb nachhaltig zu optimieren.

Über die Autoren

Vladislavs Gavrilovs hat Anfang 2024 seine Ausbildung zum Fachinformatiker für Systemintegration abgeschlossen und arbeitet seitdem als Junior Solution Architekt bei der Logicalis GmbH. Seine Kernthemen sind Containerisierung und alles rund um Linux.

Volker Krahe arbeitet seit 2024 bei der Logicalis GmbH als Solution Engineer und betreut Kundenprojekte im Finanzsektor mit Fokus auf Big Data, Monitoring und Automatisierung. Seine fachlichen Schwerpunkte liegen auf Linux und der Ansible-Automatisierung.

Darius Lück absolviert seit 2023 seine Ausbildung zum Fachinformatiker Systemintegration bei der Logicalis GmbH.

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