Synthetic Monitoring, das nicht täuscht: Checks pro Layer designen

Synthetic Monitoring, das nicht täuscht, ist mehr als „alle 60 Sekunden eine URL abrufen“. In modernen Cloud- und Microservice-Umgebungen entstehen Ausfälle oft schleichend, selektiv oder nur unter bestimmten Pfaden: DNS löst sporadisch nicht auf, TLS-Handshakes werden langsam, ein Load Balancer verwirft Idle Sessions, oder ein einzelnes AZ zeigt Paketverlust. Ein einziger synthetischer HTTP-Check kann dabei sowohl zu falscher Sicherheit („alles grün“) als auch zu unnötigem Alarm („rot, aber niemand merkt etwas“) führen. Der Schlüssel ist, Synthetic Monitoring bewusst zu designen: Checks pro Layer, mit klarer Aussagekraft, sauberer Isolation und nachvollziehbaren Failure Signatures. Genau darum geht es in diesem Beitrag: Sie lernen, wie Sie Synthetic Monitoring so aufbauen, dass es zuverlässig signalisiert, was kaputt ist (oder kaputt zu werden droht), wo es kaputt ist (Region, AZ, Edge, Ingress, Service) und wie Sie es beweisen können, ohne dass der Check selbst zur Fehlerquelle wird. Ein OSI-orientiertes Design hilft dabei, weil es den Weg vom physikalischen Transport bis zur Anwendung in sinnvolle Teilfragen zerlegt: Kann ich erreichen? Kann ich verbinden? Kann ich aushandeln? Kann ich sprechen? Bekomme ich die richtige Antwort? Das Ergebnis sind synthetische Checks, die nicht täuschen, weil sie genau definieren, welche Schicht sie prüfen – und welche bewusst nicht.

Warum „ein HTTP-Check“ oft täuscht

Ein klassischer synthetischer Check ist ein HTTP-GET auf eine öffentliche URL. Das ist besser als nichts, aber er bündelt viele Abhängigkeiten in einem Signal: DNS, Routing, TCP, TLS, CDN/WAF, Load Balancer, Auth, App, Datenbank. Wenn der Check fehlschlägt, wissen Sie nicht, ob es DNS, TLS oder die App war. Wenn er erfolgreich ist, kann trotzdem ein Teil Ihrer Nutzer betroffen sein (z. B. nur bestimmte Regionen, nur mobile Carrier, nur IPv6, nur ein bestimmter Endpunkt). Dazu kommt: Synthetic Monitoring läuft meist aus wenigen festen Quellen (PoPs/Agents). Das macht es anfällig für „Observer Bias“: Der Beobachter sitzt im gesunden Teil des Systems und sieht die Störung nicht.

• False Negative: Nutzer haben Probleme, der synthetische Check ist grün (z. B. weil CDN cached, während Origin down ist).
• False Positive: Der Check ist rot, aber das System ist ok (z. B. Agent hat DNS-Probleme oder Egress-Block).
• Falsche Root Cause: HTTP 504 im Check wirkt wie App-Timeout, ist aber ein Netzwerk- oder LB-Problem.

Ein OSI-basiertes Layer-Design trennt diese Abhängigkeiten auf und macht aus einem diffusen Signal eine diagnosefähige Messung.

Grundprinzipien: So werden synthetische Checks aussagekräftig

• Ein Check, eine Hypothese: Jeder Check beantwortet eine konkrete Ja/Nein-Frage oder liefert ein klares Timing-Segment (z. B. DNS-Lookup-Zeit).
• Layer-Isolation: Prüfen Sie gezielt eine Schicht und halten Sie höhere Schichten so konstant wie möglich.
• Mehrere Perspektiven: Checks aus unterschiedlichen Regionen/AZs/Netzen (Internet, VPN, Private Link) reduzieren Blindspots.
• Realistische Pfade: Prüfen Sie die gleichen Endpunkte und Protokollvarianten wie echte Clients (HTTP/1.1 vs HTTP/2, IPv4 vs IPv6, SNI/ALPN).
• Kontrollierte Abhängigkeiten: Vermeiden Sie, dass Auth, Captchas, Bot-Schutz oder Rate Limits den Check verfälschen.
• Beweisbarkeit: Loggen Sie für jeden Lauf die technischen Fakten: Resolver, IPs, TLS-Version, Zertifikatskette, Route-Info (sofern möglich), Response-Header.

Als Grundlage für SRE-Monitoring-Denke und Signalqualität ist das Kapitel „Monitoring Distributed Systems“ im Google SRE Book eine solide Referenz. Für standardisierte Telemetrie (insbesondere, wenn Sie Synthetics mit Tracing/Metriken verbinden möchten) ist OpenTelemetry nützlich.

OSI-orientierte Check-Architektur: Die Schichten als Diagnoseleitfaden

In der Praxis ist Synthetic Monitoring selten „Layer 1 bis 7“ im Lehrbuch. Dennoch ist das OSI-Modell als Denkmuster extrem hilfreich: Es zwingt Sie, zwischen physischem/Netzwerk-Transport (L1–L3), Transportzuverlässigkeit (L4), Sitzungs-/Zustandslogik (L5), Verschlüsselungs-/Aushandlungslogik (L6) und Anwendung/HTTP (L7) zu unterscheiden. Sie müssen nicht jeden Layer mit einem eigenen Tool messen, aber Sie sollten für jede relevante Schicht mindestens einen Check besitzen, der im Incident schnell beantwortet: „Ist diese Schicht wahrscheinlich der Engpass?“

Layer 3: Namensauflösung und Erreichbarkeit – DNS- und Routing-Synthetics

Für die meisten Online-Services beginnt der Pfad nicht mit HTTP, sondern mit DNS. DNS-Probleme sind tückisch: Sie können selektiv auftreten (nur bestimmte Resolver, nur IPv6-AAAA, nur regionale PoPs) und sich als „random timeouts“ äußern. Deshalb braucht Synthetic Monitoring mindestens zwei DNS-Checks: einen für Verfügbarkeit und einen für Performance/Stabilität.

DNS-Checks, die nicht täuschen

• Lookup gegen mehrere Resolver: z. B. interner Resolver, lokaler ISP-Resolver, öffentlicher Resolver. Prüfen Sie A und AAAA separat.
• Messung der Lookup-Latenz: nicht nur „Antwort ja/nein“, sondern Timing (p50/p95/p99 über Zeit).
• Antwortkonsistenz: Beobachten Sie, ob die zurückgegebenen IPs/Records erwartbar sind (z. B. Region-Pinning, Geo-DNS, Weighted Records).
• TTL-Realität: Prüfen Sie, ob TTLs sinnvoll sind und ob Änderungen propagieren (zu kurze TTLs erhöhen Last und Fehleranfälligkeit).

Design-Tipp: Loggen Sie pro Lauf den verwendeten Resolver, die erhaltenen IPs und den TTL-Wert. Das macht spätere Korrelationen möglich, ohne dass Sie in Server-Logs graben müssen. Für DNS-Grundlagen und Begriffe ist die Dokumentation der IETF RFCs die verlässliche Quelle; für einen praktischen Einstieg helfen auch seriöse Betreiberhandbücher großer DNS-Anbieter.

Reachability-Checks auf Layer 3

• ICMP-Ping ist optional: In vielen Umgebungen ist ICMP gefiltert. Verlassen Sie sich nicht darauf.
• Traceroute/Path-Discovery: Wenn möglich, nutzen Sie es eher als Debug-Werkzeug (on demand) statt als Dauercheck.
• TCP- oder UDP-basierte Reachability: Für realistische Pfade ist ein TCP-SYN-Check oft aussagekräftiger als Ping.

Wichtig: Ein Reachability-Check sollte klar markieren, welche Destination er testet. Prüfen Sie nicht „irgendeine IP“, sondern den konkreten Service-Endpunkt oder den Load Balancer, den echte Clients nutzen.

Layer 4: TCP/UDP – Verbindungsaufbau, Timeouts, Retries, Port-Realität

Layer 4 ist die Schicht, in der viele „mysteriöse“ Störungen tatsächlich entstehen: SYN-Timeouts, Retransmissions, RST-Stürme, NAT-Port-Engpässe, conntrack-Sättigung oder Idle-Timeouts. Ein HTTP-Check sieht am Ende nur „Timeout“, aber ein L4-Synthetic kann präzise zeigen: „Ich kann DNS auflösen, aber der TCP-Handshake dauert 3 Sekunden“ oder „SYN kommt nicht zurück“.

TCP-Synthetics: Minimalset

• TCP Connect Check: Messen Sie Zeit bis connect() erfolgreich ist (oder bis Timeout). Das ist Ihr Basis-Signal für L4.
• Port-Varianten: Prüfen Sie relevante Ports (z. B. 443, 80, 8443) und unterscheiden Sie „refused“ vs „timeout“.
• Mehrfachversuche bewusst: Ein einzelner Versuch zeigt Verfügbarkeit, mehrere Versuche zeigen Stabilität. Vermischen Sie beides nicht im gleichen Check.

Warum Retries Synthetics verfälschen können

Viele Libraries retryen still im Hintergrund. Das kann „grün“ erzeugen, obwohl der erste Versuch scheitert – und es kann die Latenz künstlich aufblasen. Ein guter Synthetic muss deshalb explizit festlegen, ob Retries erlaubt sind. Für Diagnosechecks gilt meist: keine automatischen Retries, sondern klare Fehler. Für SLO-nahe „User-Journey“-Checks können Retries sinnvoll sein, müssen dann aber als Teil des Verhaltens dokumentiert werden.

Ein einfaches Timeout-Modell zur Check-Konfiguration

Timeouts sollten nicht „gefühlt“ sein. Ein praktikabler Ansatz ist, ein globales Budget (z. B. 3 Sekunden) in Layer-Budgets zu zerlegen. Das ist keine perfekte Wissenschaft, aber es macht Entscheidungen nachvollziehbar:

$t\_\mathrm{gesamt}=t\_\mathrm{dns}+t\_\mathrm{tcp}+t\_\mathrm{tls}+t\_\mathrm{http}$

So können Sie z. B. sagen: DNS maximal 500 ms, TCP maximal 800 ms, TLS maximal 800 ms, HTTP maximal 900 ms. Wichtig ist nicht die perfekte Zahl, sondern die klare Trennung: Wenn der Check rot ist, sehen Sie sofort, welches Segment das Budget reißt.

Layer 6: TLS – Handshake, Zertifikatskette, SNI/ALPN

TLS-Probleme werden in Incidents häufig falsch als „Netzwerk“ bezeichnet, weil sie sich als Verbindungsfehler äußern. Synthetics auf Layer 6 verhindern diese Verwechslung, indem sie die Aushandlung sichtbar machen: Welche TLS-Version wurde verhandelt? Welche Cipher Suite? Welches Zertifikat wurde präsentiert? Stimmt die Chain? Passt SNI? Wird HTTP/2 via ALPN angeboten?

TLS-Checks, die Diagnose liefern

• Handshake-Latenz messen: getrennt von TCP-Connect. So erkennen Sie z. B. CPU-Engpässe am Terminator.
• Zertifikatsprüfung: Ablaufdatum, Chain-Vollständigkeit, Subject Alternative Names, OCSP/Stapling (wenn relevant).
• SNI-Varianten: Prüfen Sie bewusst die Domain, die echte Clients nutzen; ohne SNI kann „falsches“ Zertifikat erscheinen.
• ALPN/HTTP-Version: Prüfen Sie, ob HTTP/2 oder HTTP/1.1 angeboten wird, wenn das für Performance relevant ist.

Für TLS-Grundlagen und Begriffe ist die Dokumentation der RFC Editor Plattform nützlich. In der Praxis hilft auch ein kurzer Abgleich mit den Best Practices moderner Browser/Clients, damit Ihre Synthetics nicht an unrealistischen Cipher-Vorgaben scheitern.

Layer 7: HTTP – Semantik, richtige Antwort, nicht nur „200 OK“

Layer-7-Synthetics sind am nächsten an der Nutzererfahrung – und am anfälligsten für Täuschung, wenn sie zu oberflächlich sind. Ein HTTP-200 kann eine Fehlerseite sein, ein 302 kann eine Login-Schleife sein, ein 200 kann aus dem Cache kommen, während der Origin brennt. Deshalb muss ein guter L7-Check nicht nur Statuscodes prüfen, sondern Semantik: Header, Body-Merkmale, Redirect-Ketten, Caching-Header und eventuell eine minimale Business-Regel (ohne dass Sie daraus einen Integrationstest machen).

HTTP-Checks: Minimum für „nicht täuschend“

• Status + Erwartung: Prüfen Sie Statuscodes, aber auch erwartete Header (z. B. Content-Type) und ein Body-Snippet.
• Redirect-Kontrolle: Begrenzen Sie Redirects und loggen Sie die Kette; sonst versteckt sich ein Login-Loop.
• Cache-Transparenz: Prüfen Sie Cache-Header (Age, Cache-Control, Via) und definieren Sie, ob Cache-Hits ok sind.
• Methoden bewusst wählen: GET ist ok für Read, aber für „Write-Pfade“ sind synthetische Writes oft riskant; nutzen Sie stattdessen „dry-run“ oder isolierte Test-Tenants.

Für HTTP-Semantik und Statuscodes ist RFC 9110 eine verlässliche Referenz. Das hilft auch, wenn Teams diskutieren, ob ein 503 „Upstream down“ oder „Überlast“ bedeutet.

Layer-übergreifend: User-Journey-Checks ohne Selbstbetrug

Viele Teams möchten „Login, Warenkorb, Checkout“ synthetisch prüfen. Das ist sinnvoll, aber gefährlich: Auth, Bot-Schutz, Rate Limits, Captchas, MFA, Session-Cookies und Third-Party-Dependencies können den Check verfälschen oder sogar produktive Systeme belasten. Der Trick ist, Journey-Checks als separate Klasse zu behandeln: Sie sind nicht primär Root-Cause-Detektoren, sondern End-to-End-Symptom-Sensoren. Root Cause liefern dann die Layer-Checks.

• Trennen Sie Journey und Layer: Journey meldet „User Impact“, Layer sagt „welche Schicht“.
• Stabile Test-Identität: Nutzen Sie dedizierte Test-Accounts/Tenants und klare Rate-Limits.
• Deterministische Assertions: Prüfen Sie wenige, robuste Merkmale, nicht komplexe UI-Details.
• Third Parties explizit: Wenn Payment/SSO/CDN beteiligt ist, definieren Sie, ob der Check diese Abhängigkeit bewusst einschließt.

Checks pro Umgebung: Internet, Private Link, VPN, In-Cluster

Ein typischer Blindspot entsteht, wenn Synthetics nur „von außen“ messen, während echte Probleme „innen“ auftreten – oder umgekehrt. Deshalb sollten Sie Synthetics entlang der wichtigsten Netzpfade platzieren. Denken Sie in „Perspektiven“ statt in „mehr Checks“.

• Public Internet: Edge/CDN/WAF, öffentliche DNS-Auflösung, globale Erreichbarkeit.
• Region/AZ-intern: East-West-Traffic, Load-Balancer-to-Backend, Cross-AZ-Latenz.
• Private Connectivity: VPN/Private Link, Corporate Egress, Partner-Anbindungen.
• In-Cluster: Service-to-Service (z. B. über ClusterDNS), CNI-Verhalten, NetworkPolicy-Effekte.

Ein häufiger Fehler ist, Internet-Synthetics zu nutzen, um interne Probleme zu erkennen. Das klappt selten zuverlässig. Besser: Jede Perspektive bekommt ein kleines, layerbasiertes Minimalset.

Alarmierung: Wie Sie verhindern, dass Synthetics „Lärm“ werden

Synthetics sind binär und dadurch anfällig für Flattern. Eine einzelne Fehlmessung ist selten ein Incident. Gleichzeitig dürfen Sie echte Ausfälle nicht wegmitteln. Das Design der Alert-Logik ist daher Teil des „nicht täuschenden“ Monitorings.

Bewährte Alert-Mechaniken für synthetische Checks

• Mehrere Regionen: Alarm nur, wenn mindestens N von M Standorten fehlschlagen (reduziert Observer Bias).
• Mehrere Versuche, aber transparent: Wenn Sie Retries nutzen, reporten Sie „first attempt success“ vs „eventual success“ getrennt.
• Burn-Rate-Idee: Für SLO-nahe Journey-Checks kann eine Burn-Rate-Logik sinnvoll sein, statt „sofort rot“.
• Segmentierte Alerts: Separate Alerts für DNS, TCP, TLS, HTTP. So landet nicht alles als „Website down“ im Pager.
• Maintenance Awareness: Geplante Deployments dürfen Checks nicht blind ausschalten, aber sie brauchen Kontext (z. B. Warn- statt Kritikalarm).

Praktischer Blueprint: Ein OSI-basiertes Synthetic-Minimalset

Wenn Sie heute beginnen oder Ihr Setup „entwirren“ möchten, ist ein Minimalset pro kritischem Service ein guter Start. Es erzeugt wenig Last, aber hohe Diagnosekraft.

• DNS: A- und AAAA-Lookup gegen 2–3 Resolver, inklusive Latenz und Antwortlog.
• TCP: Connect-Check auf 443 (oder Service-Port), mit klarer Timeout-Definition ohne Retries.
• TLS: Handshake-Check mit SNI, Zertifikatsvalidierung, ALPN-Log.
• HTTP: GET auf eine stabile Endpoint-URL, mit Header- und Body-Assertion, Redirect-Log, Cache-Transparenz.
• Journey (optional): 1 schlanker End-to-End-Flow mit klaren Grenzen, getrennt von Root-Cause-Checks.

Typische Täuschungen und wie Sie sie vermeiden

• CDN kaschiert Origin-Probleme: Ergänzen Sie einen Origin-Check (z. B. via „Host Header“/dedizierter Origin-Domain) oder prüfen Sie Cache-Header.
• WAF/Bot-Schutz blockt Synthetics: Verwenden Sie offiziell erlaubte Agent-Identitäten oder separate „synthetic allowlists“ und prüfen Sie Block-Reason-Codes.
• Rate Limits treffen Checks: Budgetieren Sie Check-Frequenzen und nutzen Sie dedizierte Tokens/Test-Tenants.
• DNS-Caching verfälscht Ergebnisse: Messen Sie bewusst „cold“ und „warm“ (oder loggen Sie Cache-Hits), sonst verwechseln Sie Resolver- mit Client-Cache-Effekten.
• Retries verstecken Instabilität: Reporten Sie die Erstversuchsrate separat, sonst bleibt „flaky“ unsichtbar.
• Nur eine Perspektive: Ein Agent in einer Region ist kein globaler Beweis. Nutzen Sie mindestens zwei unabhängige Standorte.

Integration mit Observability: Synthetics als Trigger, Traces als Erklärung

Das beste Synthetic Monitoring ist nicht isoliert, sondern verknüpft: Ein fehlgeschlagener TLS-Check sollte direkt zu den relevanten Metriken führen (Handshake-Latenz, Fehlercodes), ein HTTP-Timeout sollte passende Traces öffnen (Upstream connect time, retries, queueing). Selbst wenn Sie nicht überall Tracing haben, können Sie synthetische Runs mit einer korrelierbaren ID versehen (z. B. Request-Header), damit Logs und Metriken den Lauf wiederfinden. Für Best Practices rund um Telemetrie-Korrelation ist der OpenTelemetry Observability Primer ein guter Einstiegspunkt.

Check-Last und Kosten: Synthetics sollen messen, nicht stören

Synthetische Checks sind aktive Last. Wenn sie zu aggressiv sind, erzeugen sie Nebenwirkungen: Rate Limits, Warm-Up-Effekte, Cache-Verdrängung, zusätzliche TLS-Handshakes, unnötige Datenbankqueries. Ein „nicht täuschendes“ Setup berücksichtigt deshalb die Last explizit:

• Frequenz nach Kritikalität: DNS/TCP/TLS können häufiger laufen als tiefe Journey-Flows.
• Payload minimieren: Kleine Responses, HEAD statt GET (wenn sinnvoll), keine großen Downloads.
• Begrenzte Parallelität: Vermeiden Sie, dass Synthetics selbst einen Mini-Loadtest darstellen.
• Getrennte Endpunkte: Nutzen Sie, wo möglich, „health endpoints“, die repräsentativ, aber kostengünstig sind.

Wie Sie Checks „beweisfähig“ dokumentieren

Damit Synthetics im Incident nicht diskutiert, sondern genutzt werden, müssen sie reproduzierbar und nachvollziehbar sein. Das ist weniger ein Tool-Thema als ein Design- und Dokumentationsstandard.

• Pro Check: Zweck (welcher Layer, welche Hypothese, was bedeutet rot?)
• Pro Check: Abhängigkeiten (DNS-Resolver, Auth, WAF, Rate Limits, Proxy, IPv4/IPv6)
• Pro Check: Artefakte (IPs, Zertifikatdetails, Timing-Segmente, Redirect-Kette, Response-Header)
• Pro Alert: Runbook (erste 3 Diagnosefragen, passende Dashboards/Links, Eskalationskriterien)

Wenn Sie diese Standards einhalten und Checks pro Layer designen, entsteht Synthetic Monitoring, das nicht täuscht: Es zeigt nicht nur „rot oder grün“, sondern liefert verwertbare Signale, die Sie schnell von DNS über TCP und TLS bis zur HTTP-Semantik führen – ohne dass der Check selbst das System oder die Diagnose in die Irre leitet.

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