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Observabilité : eBPF, un atout dans la main des DevOps
Capturer sélectivement des paquets réseau sans tout transmettre vers l’espace utilisateur : telle fut la première raison d’être de BPF (Berkeley Packet Filter). C’était dans les années 90, sur les systèmes UNIX-BSD. La technologie permettait, à l’appui d’un jeu d’instructions virtuel RISC-like et d’un interpréteur, d’injecter des programmes dans le noyau pour en étendre les capacités à l’exécution.
Les premiers usages au-delà du réseau avaient émergé au début des années 2010. À commencer par l’outil seccomp-bpf, servant à filtrer les syscalls. Les travaux de modernisation lancés dans ce contexte aboutirent à eBPF (extended BPF). Cette nouvelle incarnation fut intégrée à Linux en 2014. À la clé, entre autres, des instructions et des structures de données supplémentaires, davantage de registres, un compilateur JIT et des points d’attache additionnels pour les programmes. La promesse demeurait : apporter de l’extensibilité au kernel sans passer par des modules ou changer le code source.
Sur ce socle, des projets sont d’abord nés dans le domaine du traçage. Des couches d’abstraction ont pris corps en parallèle, comme la boîte à outils BCC (BPF Compiler Collection), associant front-end Python/Lua et back-end C pour faciliter l’écriture de programmes. Tandis que le compilateur fut intégré dans LLVM.
Cilium, une couche d’abstraction devenue référente
Facebook fut l’un des premiers à industrialiser eBPF, avec un équilibreur de charge L4 pour ses datacenters : Katran, aujourd’hui open source. La possibilité d’attacher eBPF très en amont sur le chemin de réception – en l’occurrence, au niveau du piote NIC – permet d’effectuer le load balancing à la source, sans NAT (paquets traités avant interception par le noyau).
Google a quant à lui contribué à faire avancer les choses dans le champ de la sécurité. Dans le cadre de l’extension de son offre Kubernetes vers les infrastructures sur site (sous les marques Anthos et GDC), il a donné naissance au framework BPF LSM. Celui-ci adapte le principe des modules de sécurité à l’écosystème eBPF, en permettant d’utiliser les mêmes hooks (points d’attache) que SELinux.
Pour rendre la technologie plus accessible, le projet Cilium fut lancé en 2016. Avec, pour le porter, une société aujourd’hui référente dans l’écosystème eBPF : Isovalent, qui appartient à Cisco depuis 2024. Il assurait initialement la mise en réseau de conteneurs. Dans ces environnements où les adresses IP tournent beaucoup, ses tables de hachage en ont fait une alternative plus « élastique » à Iptables/netfilter.
Et vint l’observabilité
Après la mise en réseau vint l’observabilité, favorisée par la multiplicité des points d’attache exploitables. En plus de ceux prédéfinis (appels système, entrées/sorties de fonctions, tracepoints…), on peut utiliser des sondes noyau (kprobes) et utilisateur (uprobes). Mais aussi des fonctions arbitraires, en les étiquetant. L’exécution est orientée événements : les programmes eBPF se déclenchent lorsque le noyau ou une application passe par ces hooks.
Ce modèle ouvre la porte à la collecte de données sans instrumentation (pas de modification du code des applications ou des agents d’observabilité) et consommant potentiellement moins de ressources système. Cilium l’implémente via une plate-forme intégrée : Hubble, qui cartographie les services et donne une visibilité des flux grâce aux identités de workloads. Il y a ajouté une brique pour sécuriser l’exécution : Tetragon, qui met en œuvre des politiques de contrôle d’accès sur les fonctions noyau, les syscalls, etc.
S’économiser l’instrumentation… dans certains cas
Datadog aussi a un usage assez transversal d’eBPF : analyse de performance des applications (Universal Service Monitoring), visibilité sur le trafic réseau (Cloud Network Monitoring), détection des menaces (Workload Protection), supervision d’intégrité des fichiers (application de règles pour limiter les envois)…
« Sans eBPF, on aurait probablement besoin de consentir un effort de modification de la configuration des agents », fait remarquer Pejman Tabassomi, Field CTO EMEA, concernant le monitoring réseau. Sur la partie APM (surveillance des performances des applications), l’approche traditionnelle d’instrumentation « permet d’aller loin dans les détails, mais c’est contraignant parce qu’on est dépendant d’un framework ou d’un runtime », explique l’intéressé. eBPF « permet d’arriver à un objectif par tout à fait identique mais comparable, sans avoir à recourir à une librairie », déclare-t-il.
Pas tout à fait identique, donc. « Il y a une sorte de compromis entre le niveau d’introspection et la facilité de mise en œuvre », résume Pejman Tabassomi. Il l’illustre par un cas d’observation des temps de réponse entre deux services. Pour mesurer le nombre et la durée des appels, eBPF peut suffire. En revanche, s’il y a besoin de comprendre les lignes de code qui peuvent poser problème, les appels de fonctions et de méthodes qui sont en cause, « à ce moment-là, on va plutôt faire de l’APM. » Non sans surveiller des initiatives communautaires tel le profiler de code en cours de développement dans l’univers OpenTelemetry.
Chez Splunk, « l’histoire avec eBPF a démarré lors du rachat de Flowmill » en 2020, fait savoir Stéphane Estevez, EMEA Market Advisor pour l’observabilité. Cet outil de monitoring réseau a alimenté la stratégie « full OpenTelemetry » de l’éditeur. « Être chez Cisco nous a donné l’accès à Isovalent pour l’observabilité et la sécurité », précise Stéphane Estevez. Tetragon, par exemple, alimente des dashboards TCP et DNS dans la composante Network Explorer.
Chez IBM, Instana est le principal terrain d’implémentation d’eBPF. La technologie présente une utilité particulière pour la détection des crashs système, selon Éric Cattoir, membre d’une équipe au niveau EMEA qui couvre les sujets regroupés sous la bannière IT Automation. En écho à Pejman Tabassomi, il déclare, sur le volet instrumentation : « Ça rend la vie plus facile pour notre produit : on a moins à suivre l’évolution des technologies (nouvelles versions de langages, de compilateurs…) ». Instana a toujours eu une approche d’auto-instrumentation, rappelle-t-il, « mais c’est difficile à mettre en place pour certains langages : eBPF facilite cela en permettant d’obtenir de manière standard des informations de profilage ».
On trouve aussi de l’eBPF dans le produit SevOne (observabilité réseau), pour la couche overlay de Kubernetes.
Des programmes composables et portables
Avec les années, les programmes eBPF sont devenus composables : ils peuvent appeler des fonctions (forme de gosub)… et d’autres programmes en remplaçant le contexte d’exécution (goto). Un mécanisme CO-RE (« Compile Once, Run Everywhere ») a été instauré à partir d’un format spécifique de métadonnées (BTF, BPF Type Format) pour procurer une portabilité entre les versions du kernel. Et des passerelles se sont créées avec l’espace utilisateur, à travers une des structures de données que gère eBPF : les magasins clé-valeur dits maps. Des outils sont par ailleurs apparus pour exécuter des programmes en userspace (rBPF, uBPF, bpftime). Ils ont accompagné l’émergence de langages de jaut niveau tel bpftrace – inspiré de DTrace, avec LLVM en back-end et BCC pour interagir avec le sous-système eBPF.
Sauf à activer le mode sans privilèges avec accès limité au noyau, les processus qui chargent des programmes eBPF doivent s’exécuter en mode admin ou avoir la capacité CAP_BPF. La mémoire est protégée en lecture seule et les accès sont masqués pour limiter les effets secondaires observables de l’exécution spéculative. Si une entité tente de modifier le programme, le noyau plante.
Le code passe dans tous les cas par un vérificateur statique. Lequel contrôle, en particulier, que le programme est d’une complexité finie, qu’il se terminera bien et qu’il n’entraînera pas de deadlock ni d’accès mémoire hors limites. Dans la pratique, l’outil reste sujet aux faux positifs. Jusqu’à Linux 5.3, les boucles étaient d’ailleurs proscrites dans les programmes eBPF, le vérificateur étant jugé capable de les évaluer efficacement.
Une fondation où convergent les Big Tech
Depuis 2021, il existe une Fondation eBPF. Google, Meta et Isovalent en sont membres platine. CrowdStrike – qui exploite la techno pour détecter les mouvements de données non autorisés – l’est aussi. Ainsi que Huawei, Intel, Microsoft – qui développe eBPF pour Windows tout en l’exploitant en remplacement du fournisseur d’événements AuditD dans Defender pour Linux – et Red Hat. Datadog est membre argent. Netflix, qui avait pris très tôt le train eBPF, l’est aussi.
Conjointement aux initiatives du marché, cette fondation soutient des projets académiques, à l’instar d’eBPF Governor, alternative aux sous-systèmes de gestion de l’alimentation sur Linux. Des recherches sont également en cours sur la vérification formelle des programmes, en complément à la réécriture du vérificateur en Rust.
Plusieurs projets devenus référents dans l’écosystème eBPF sont maintenant sous l’aile de la CNCF (Cloud Native Computing Foundation). Outre Cilium, on peut citer Falco (détection de menaces), confié en 2018 par Sysdig. Dans le champ de l’observabilité, il y a Pixie, que New Relic a reversé à la CNCF en 2021, quelques mois après en avoir fait l’acquisition (il en propose aujourd’hui une version SaaS).
Pièce maîtresse du réseau mondial de Cloudflare, eBPF a aussi investi les clouds hyperscale. À l’instar de Google sur GKE, AWS s’en sert sur son Kubernetes managé (Caretta pour la cartographie réseau, Hubble pour l’analyse du trafic). Il l’a aussi intégré dans CloudWatch (composante Network Flow Monitor) et de GuardDuty (EC2 Runtime Monitoring). Microsoft l’exploite pour contourner Iptables sur les data planes de offre AKS (Azure Kubernetes Services).
Pour le monitoring, Dynatrace a choisi de s’appuyer sur Inspektor Gadget, framework CNCF qui encapsule les programmes eBPF sous forme d’images OCI. Il le met à contribution dans un module de découverte de services.
Chez Elastic, eBPF alimente le profilage continu, ainsi que la protection de Linux et de Kubernetes dans le cadre de l’offre SIEM/XDR.
Illustration principale © kwanchaift – Adobe Stock
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