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eBPF

Daniel Borkmann {{cite web|url=https://www.linuxfoundation.org/press-release/facebook-google-isovalent-microsoft-and-netflix-launch-ebpf-foundation-as-part-of-the-linux-foundati...

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eBPF es una tecnología que puede ejecutar programas en un contexto privilegiado como el núcleo del sistema operativo . [ 5 ] Es el sucesor del mecanismo de filtrado Berkeley Packet Filter (BPF, donde la "e" originalmente significaba "extendido") en Linux y también se utiliza en partes del núcleo de Linux que no son de red.

Se utiliza para extender de forma segura y eficiente las capacidades del núcleo en tiempo de ejecución sin necesidad de modificar el código fuente del núcleo ni cargar módulos del núcleo . [ 6 ] La seguridad se garantiza mediante un verificador integrado en el núcleo que realiza un análisis estático del código y rechaza los programas que se bloquean, se cuelgan o interfieren negativamente con el núcleo. [ 7 ] [ 8 ]

Este modelo de validación difiere de los entornos aislados , donde el entorno de ejecución está restringido y el entorno de ejecución no tiene conocimiento del programa. [ 9 ] Ejemplos de programas que se rechazan automáticamente son los programas sin garantías de salida sólidas (es decir, bucles for/while sin condiciones de salida) y los programas que desreferencian punteros sin comprobaciones de seguridad. [ 10 ]

Diseño

Los programas cargados que superaron el verificador se interpretan o se compilan justo a tiempo (JIT) en el núcleo para un rendimiento de ejecución nativo. El modelo de ejecución está orientado a eventos y, con pocas excepciones, se ejecuta hasta su finalización , [ 2 ] lo que significa que los programas pueden adjuntarse a varios puntos de conexión en el núcleo del sistema operativo y se ejecutan al activarse un evento. Los casos de uso de eBPF incluyen (pero no se limitan a) redes como XDP , rastreo y subsistemas de seguridad . [ 5 ] Dada la eficiencia y flexibilidad de eBPF, que abrieron nuevas posibilidades para resolver problemas de producción, Brendan Gregg lo denominó "superpoderes para Linux". [ 11 ] Linus Torvalds dijo: "BPF ha sido realmente útil, y su verdadero poder reside en cómo permite a las personas escribir código especializado que no se habilita hasta que se solicita". [ 12 ] Debido a su éxito en Linux, el entorno de ejecución de eBPF se ha portado a otros sistemas operativos como Windows . [ 4 ]

Historia

eBPF evolucionó a partir del clásico filtro de paquetes de Berkeley (cBPF, nombre aplicado retroactivamente). En su nivel más básico, introdujo el uso de diez registros de 64 bits (en lugar de dos registros de 32 bits para cBPF), una semántica de salto diferente, una instrucción de llamada y la convención de paso de registros correspondiente, nuevas instrucciones y una codificación diferente para estas instrucciones. [ 13 ]

Arquitectura y conceptos

Mapas eBPF

Los mapas eBPF son almacenes de clave/valor eficientes que residen en el espacio del kernel y pueden usarse para compartir datos entre múltiples programas eBPF o para comunicarse entre una aplicación de espacio de usuario y el código eBPF que se ejecuta en el kernel. Los programas eBPF pueden aprovechar los mapas eBPF para almacenar y recuperar datos en una amplia gama de estructuras de datos. El kernel principal proporciona implementaciones de mapas. Existen varios tipos, [ 44 ] incluyendo mapas hash, matrices y búferes circulares.

En la práctica, los mapas eBPF se utilizan normalmente para escenarios como un programa en el espacio de usuario que escribe información de configuración para que la recupere un programa eBPF, un programa eBPF que almacena el estado para su posterior recuperación por otro programa eBPF (o una ejecución futura del mismo programa), o un programa eBPF que escribe resultados o métricas en un mapa para que los recupere un programa en el espacio de usuario que presentará los resultados. [ 45 ]

Máquina virtual eBPF

La máquina virtual eBPF se ejecuta dentro del núcleo y recibe un programa en forma de instrucciones de código de bytes eBPF , que se convierten en instrucciones de máquina nativas que se ejecutan en la CPU. Las primeras implementaciones de eBPF interpretaban el código de bytes eBPF, pero esto se ha reemplazado por un proceso de compilación Just-in-Time (JIT) por razones de rendimiento y seguridad. [ 45 ]

La máquina virtual eBPF consta de once registros de 64 bits con subregistros de 32 bits, un contador de programa y un espacio de pila BPF de 512 bytes. Estos registros de propósito general mantienen un registro del estado cuando se ejecutan los programas eBPF. [ 46 ]  

Llamadas de cola

Las llamadas de cola pueden llamar y ejecutar otro programa eBPF y reemplazar el contexto de ejecución , de forma similar a como funciona la llamada al sistema execve() para los procesos regulares. Esto permite que un programa eBPF llame a otro programa eBPF. Las llamadas de cola se implementan como un salto largo, reutilizando el mismo marco de pila . Son particularmente útiles en eBPF, donde la pila está limitada a 512 bytes. Durante el tiempo de ejecución, se puede agregar o reemplazar funcionalidad de forma atómica, alterando así el comportamiento de ejecución del programa BPF. [ 46 ] Un caso de uso común para las llamadas de cola es distribuir la complejidad de los programas eBPF entre varios programas. Otro caso de uso es reemplazar o extender la lógica reemplazando el contenido del array del programa mientras está en uso. Por ejemplo, para actualizar una versión del programa sin tiempo de inactividad o para habilitar/deshabilitar lógica. [ 47 ]

Llamadas de BPF a BPF

En el desarrollo de software, se considera una buena práctica agrupar el código común en una función , encapsulando la lógica para su reutilización. Antes del kernel de Linux 4.16 y LLVM 6.0, un programa típico de C eBPF tenía que indicar explícitamente al compilador que insertara una función en línea , lo que resultaba en un archivo objeto BPF con funciones duplicadas. Esta restricción se eliminó y los compiladores eBPF convencionales ahora admiten la escritura de funciones de forma natural en los programas eBPF. Esto reduce el tamaño del código eBPF generado, lo que facilita su uso por parte de la caché de instrucciones de la CPU. [ 45 ] [ 46 ]

Verificador eBPF

El verificador es un componente central de eBPF, y su principal responsabilidad es asegurar que un programa eBPF sea seguro para ejecutar. Realiza un análisis estático del código de bytes de eBPF para garantizar su seguridad. El verificador analiza el programa para evaluar todas las posibles rutas de ejecución. Recorre las instrucciones en orden y las evalúa. El proceso de verificación comienza con una búsqueda en profundidad a través de todas las posibles rutas del programa; el verificador simula la ejecución de cada instrucción utilizando interpretación abstracta [ 48 ] , rastreando el estado de los registros y la pila. Si alguna instrucción pudiera conducir a un estado inseguro, la verificación falla. Este proceso continúa hasta que se hayan analizado todas las rutas o se encuentre una violación. Dependiendo del tipo de programa, el verificador comprueba las violaciones de reglas específicas. Estas reglas pueden incluir verificar que un programa eBPF siempre finalice en un tiempo razonable (sin bucles infinitos ni recursión infinita ), verificar que un programa eBPF no pueda leer memoria arbitraria, ya que esto podría permitir que un programa filtre información confidencial, verificar que los programas de red no puedan acceder a memoria fuera de los límites del paquete , ya que la memoria adyacente podría contener información confidencial, verificar que los programas no puedan bloquearse mutuamente , por lo que cualquier spinlock mantenido debe liberarse y solo se puede mantener un bloqueo a la vez para evitar bloqueos mutuos en varios programas, y verificar que los programas no puedan leer memoria no inicializada. Esta no es una lista exhaustiva de las comprobaciones que realiza el verificador, y existen excepciones a estas reglas. Un ejemplo es que los programas de rastreo tienen acceso a funciones auxiliares que les permiten leer memoria de forma controlada, pero estos tipos de programas requieren privilegios de root y, por lo tanto, no representan un riesgo de seguridad. [ 47 ] [ 45 ]

Con el tiempo, el verificador eBPF ha evolucionado para incluir nuevas características y optimizaciones, como la compatibilidad con bucles limitados, la eliminación de código muerto , la verificación función por función y las funciones de devolución de llamada .

eBPF CO-RE (compila una vez, ejecuta en todas partes)

Los programas eBPF utilizan la memoria y las estructuras de datos del kernel. Algunas estructuras pueden modificarse entre diferentes versiones del kernel, alterando la distribución de la memoria. Dado que el kernel de Linux se desarrolla continuamente, no hay garantía de que las estructuras de datos internas permanezcan iguales entre diferentes versiones. CO-RE es un concepto fundamental en el desarrollo moderno de eBPF que permite que los programas eBPF sean portables entre diferentes versiones y configuraciones del kernel. Aborda el desafío de las variaciones en la estructura del kernel entre diferentes distribuciones y versiones de Linux . CO-RE comprende BTF (BPF Type Format), un formato de metadatos que describe los tipos utilizados en el kernel y los programas eBPF, y proporciona información detallada sobre la distribución de las estructuras, los desplazamientos de los campos y los tipos de datos. Permite el acceso en tiempo de ejecución a los tipos del kernel, lo cual es crucial para el desarrollo y la verificación de programas BPF. BTF se incluye en la imagen del kernel de los kernels habilitados para BTF. El compilador (por ejemplo, LLVM) emite reubicaciones especiales. Estas reubicaciones capturan descripciones de alto nivel de la información a la que el programa eBPF pretende acceder. La biblioteca libbpf adapta los programas eBPF para que funcionen con la estructura de datos del kernel de destino donde se ejecutan, incluso si esta estructura es diferente de la del kernel donde se compiló el código. Para ello, libbpf necesita la información de reubicación BPF CO-RE generada por Clang como parte del proceso de compilación. [ 45 ] El programa eBPF compilado se almacena en un archivo objeto de formato ejecutable y enlazable (ELF) . Este archivo contiene información de tipo BTF y reubicaciones generadas por Clang . El formato ELF permite que el cargador eBPF (por ejemplo, libbpf) procese y ajuste el programa BPF dinámicamente para el kernel de destino . [ 49 ]

Herrada

El alias eBPF se usa a menudo indistintamente con BPF, [ 2 ] [ 50 ] por ejemplo por la comunidad del kernel de Linux. eBPF y BPF se mencionan como nombres de tecnología, al igual que LLVM . [ 2 ] eBPF evolucionó a partir del lenguaje máquina para la máquina virtual de filtrado en el Berkeley Packet Filter como una versión extendida, pero a medida que sus casos de uso superaron las redes, hoy en día "eBPF" se interpreta preferentemente como un pseudoacrónimo . [ 2 ]

La abeja es el logotipo oficial de eBPF. En la primera Cumbre de eBPF se realizó una votación y la mascota de la abeja fue nombrada "eBee". [ 51 ] [ 52 ] El logotipo fue creado originalmente por Vadim Shchekoldin. [ 52 ] Anteriormente existieron mascotas no oficiales de eBPF, [ 53 ] pero no tuvieron una adopción generalizada.

Gobernancia

La Fundación eBPF se creó en agosto de 2021 con el objetivo de ampliar las contribuciones realizadas para extender las potentes capacidades de eBPF y crecer más allá de Linux. [ 1 ] Entre los miembros fundadores se encuentran Meta , Google , Isovalent, Microsoft y Netflix . El propósito es recaudar, presupuestar y gastar fondos en apoyo de varios proyectos de código abierto, datos abiertos y/o estándares abiertos relacionados con las tecnologías eBPF [ 54 ] para impulsar aún más el crecimiento y la adopción del ecosistema eBPF. Desde su creación, también se unieron Red Hat , Huawei , Crowdstrike , Tigera, DaoCloud, Datoms y FutureWei. [ 55 ]

Adopción

eBPF ha sido adoptado por varios usuarios de producción a gran escala, por ejemplo:

  • Meta utiliza eBPF a través de su balanceador de carga de capa 4 Katran para todo el tráfico que va a facebook.com [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 31 ]
  • Google utiliza eBPF en GKE , desarrolló y utiliza BPF LSM para reemplazar la auditoría y utiliza eBPF para la red [ 29 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]
  • Cloudflare utiliza eBPF para el equilibrio de carga y la protección DDoS y la aplicación de seguridad [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]
  • Netflix utiliza eBPF para la observabilidad de la red en toda la flota y el diagnóstico del rendimiento [ 67 ] [ 68 ]
  • Dropbox utiliza eBPF a través de Katran para el equilibrio de carga de capa 4 [ 69 ]
  • Android utiliza eBPF para NAT46 y monitorización del tráfico [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]
  • Samsung Galaxy utiliza eBPF para soluciones de red [ 73 ]
  • Yahoo! Inc utiliza eBPF a través de Cilium para el balanceo de carga de capa 4 [ 74 ]
  • LinkedIn utiliza eBPF para la observabilidad de la infraestructura [ 75 ]
  • Alibaba utiliza eBPF para el balanceo de carga de pods de Kubernetes [ 76 ]
  • Datadog utiliza eBPF para la aplicación de seguridad y redes de pods de Kubernetes [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]
  • Trip.com utiliza eBPF para la red de pods de Kubernetes [ 80 ] [ 81 ]
  • Shopify utiliza eBPF para la detección de intrusiones a través de Falco [ 82 ].
  • DoorDash utiliza eBPF a través de BPFAgent para la monitorización a nivel de kernel [ 83 ].
  • Microsoft adaptó eBPF y XDP a Windows [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]
  • Seznam utiliza eBPF a través de Cilium para el balanceo de carga de capa 4 [ 87 ].
  • DigitalOcean utiliza eBPF y XDP para limitar la velocidad de acceso a los servicios internos en su red virtual [ 88 ].
  • CapitalOne utiliza eBPF para la red de pods de Kubernetes [ 89 ]
  • Bell Canada utiliza eBPF para modernizar las redes de telecomunicaciones con SRv6 [ 90 ]
  • Elastic_NV utiliza eBPF para el perfilado de código como parte de su oferta de observabilidad [ 91 ].
  • Apple utiliza eBPF para la seguridad de los pods de Kubernetes [ 92 ]
  • Sky utiliza eBPF para la red de pods de Kubernetes [ 93 ]
  • Walmart utiliza eBPF para el equilibrio de carga de capa 4 [ 94 ] [ 95 ]
  • Huawei utiliza eBPF a través de su sistema de arranque seguro DIGLIM [ 96 ].
  • Ikea utiliza eBPF para la red de pods de Kubernetes [ 97 ]
  • El New York Times utiliza eBPF para la creación de redes [ 98 ]
  • Red Hat utiliza eBPF a gran escala para el equilibrio de carga y el rastreo en su nube privada.
  • Palantir Technologies utiliza eBPF para depurar problemas de red en clústeres de Kubernetes a gran escala [ 99 ].
  • Bloombase utiliza eBPF para la detección y mitigación de amenazas en la capa de almacenamiento en red.

Seguridad

Debido a la facilidad de programación, eBPF se ha utilizado como herramienta para implementar ataques de canal lateral de temporización microarquitectónica como Spectre contra microprocesadores vulnerables . [ 100 ] Si bien eBPF sin privilegios implementa mitigaciones contra Spectre v1, v2 y v4 para x86-64 , [ 101 ] [ 102 ] el uso sin privilegios finalmente ha sido deshabilitado por la comunidad del kernel por defecto para proteger a los usuarios de arquitecturas no compatibles y limitar el impacto de futuras vulnerabilidades de hardware. [ 103 ] En x86-64, Spectre v1 se mitiga a través de una combinación de imposición de límites sin bifurcación (por ejemplo, instrucciones de enmascaramiento) y la verificación de rutas de ejecución especulativas. Spectre v4 se mitiga exclusivamente a través de barreras de especulación (es decir, lfence) y Spectre v2 se mitiga a través de retpoline cuando está disponible [ 104 ] o barreras de especulación. Estas medidas de mitigación impiden que programas eBPF maliciosos filtren información confidencial propiedad del núcleo (por ejemplo, direcciones del núcleo), pero no están diseñadas para evitar que programas eBPF inocuos filtren accidentalmente información confidencial que poseen o procesan (por ejemplo, claves criptográficas almacenadas como números). [ 102 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • Gregg, Brendan (diciembre de 2019). Herramientas de rendimiento BPF . Addison-Wesley. ISBN 978-0136554820.
  • David Calavera, Lorenzo Fontana (diciembre de 2019). Observabilidad de Linux con BPF . O'Reilly Media, Incorporated. ISBN 978-1492050209.
  • Gregg, Brendan (diciembre de 2020). Rendimiento de sistemas, segunda edición . Addison-Wesley. ISBN 978-0136820154.
  • Rice, Liz (abril de 2022). ¿ Qué es eBPF? ISBN 978-1492097259.
  • Rice, Liz (abril de 2023). Aprendiendo eBPF: Programando el kernel de Linux para mejorar la observabilidad, la conectividad de red y la seguridad . O'Reilly Media. ISBN 978-1098135126.
  • Thaler, Dave, ed. (octubre de 2024). Arquitectura del conjunto de instrucciones BPF (ISA) . IETF . doi : 10.17487/RFC9669 . RFC 9669. Recuperado el 5 de enero de 2024 .
  • eBPF.io - Introducción, tutoriales y recursos de la comunidad eBPF
  • eBPF.foundation - Sitio web de la Fundación eBPF de la Linux Foundation
  • Tutorial para desarrolladores de eBPF: Aprenda eBPF paso a paso con ejemplos.
  • Documental sobre eBPF: Documental sobre los inicios de eBPF.