网络支架—BGP

2019-11-04 10:47:43

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供稿：网友

1. 概述因特网，在20世纪60年代末，作为一个实验，开始于DARPA（美国国防部的高级研究项目治理局）。随着研究机构、学院和政府加入，形成了最早的ARPANET。后来，美国国家科学基金会又开发了NSFNET（1995年4月停用）。发展到现在，因特网成为了由商业提供者运营的的更分散的体系。而下一代因特网（NGI）的计划已于1997年10月启动，目前已推出的主要方案有Internet2,Abilene等。出于治理和扩展的目的，因特网可以被分割成许多不同的自治系统（Autonomous System）。换句话说，因特网是由自治系统汇集而成的。BGPv4(Border gateway PRotocol Version 4)——边缘网关协议（定义于RFC1771），是现行因特网的实施标准，就是用来连接自治系统，实现自治系统间的路由选择功能的。2. IGP与EGP所有的路由选择协议可以被分成IGP和EGP两种。要了解IGP和EGP的概念，应该首先了解自治系统（AS）的概念。传统的AS定义（RFC1771）：AS是同一个技术治理下的一组路由器，它们使用一种内部网关协议和一致的度量尺度来对数据包进行AS内部的路由，而使用外部网关协议来对发向其它AS的数据包进行路由选择。发展到现在，已经答应并且时常采用在一个自治系统AS中使用多个内部网关协议，甚至多个路由选择的度量标准。所以，现在的自治系统被扩展的定义为：共享同一路由选择策略的一组路由器。IGP（Interior gateway protocols）——内部网关协议，定义为在一个自治系统内部使用的路由协议（包括动态路由协议和静态路由）。IGP的功能是完成数据包在AS内部的路由选择，或者说，是讲述数据包如何穿过本地AS的。Ripv1&v2，IGRP，EIGRP，OSPF，ISIS都是典型的IGP。EGP（Exterior gateway protocols）——外部网关协议，定义为在多个自治系统之间使用的路由协议。它主要完成数据包在AS间的路由选择，或者说，讲述数据包为了到达目的IP，需要通过哪些AS。BGP4就是一种EGP。IGP只作用于本地AS内部，而对其他AS一无所知。它负责将数据包发到主机所在的网段（segment）。EGP作用于各AS之间，它只了解AS的整体结构，而不了解各个AS内部的拓扑结构。它只负责将数据包发到相应的AS中，余下的工作便交给IGP来做。每个自治系统AS都有唯一的标识，称为AS号（AS number），由IANA（Internet Assigned Numbers Authority）来授权分配。这是一个16位的二进制数，范围为1~65535，其中65412~65535为AS专用组（RFC2270）。

网络支架—BGP（图一）

图一

3．BGP-4的基本概念BGP-4是典型的外部网关协议，是现行的因特网实施标准。它完成了在自治系统AS间的路由选择。可以说，BGP协议是现代整个网络的支架。BGP-4在RFC1771中作出了规定，并且还涉及其他很多的RFC文档。在这一新版本中，BGP开始支持CIDR（Classless interdomains routing）和AS路径聚合（Aggregation），这种新属性的加入，可以减缓BGP表中条目的增长速度。

网络支架—BGP（图二）

图二

BGP协议是一种距离矢量（Distance vector）的路由协议，但是比起RIP等典型的距离矢量协议，又有很多增强的性能。BGP使用TCP作为传输协议，使用端口号179。在通信时，要先建立TCP会话，这样数据传输的可靠性就由TCP协议来保证，而在BGP的协议中就不用再使用差错控制和重传的机制，从而简化了复杂的程度。另外，BGP使用增量的、触发性的路由更新，而不是一般的距离矢量协议的整个路由表的、周期性的更新，这样节省了更新所占用的带宽。BGP还使用“保留”信号（Keepalive）来监视TCP会话的连接。而且，BGP还有多种衡量路由路径的度量标准（称为路由属性），可以更加准确的判定出最优的路径。与传统的内部路由协议相比，BGP还有一个有趣的特性，就是使用BGP的路由器之间，可以被未使用BGP的路由器隔开。这是因为BGP在独立的内部路由协议之上工作，所以通过BGP会话连接的路由器能被多个运行内部路由协议的路由器分开。建立了BGP会话连接的路由器被称作对等体（peers or neighbors），对等体的连接有两种模式：IBGP（Internal BGP）和EBGP（External BGP）。IBGP是指单个AS内部的路由器之间的BGP连接，而EBGP则是指AS之间的路由器建立BGP会话。网络支架—BGP（图三）

图三前面已经提到，BGP是用来完成AS之间的路由选择的，所以对于BGP来说，每一个AS都是一个原子的跳度。那么，IBGP又起什么样的作用呢？IBGP是用来在AS内部完成BGP更新信息的交换。虽然这种功能也可以由“再分布” （Redistribution）技术来完成——将EBGP传送来的其他AS的路由“再分布”到IGP中，然后将其“再分布”到EBGP传送到其他AS。但是相比之下，IBGP提供了更高的扩展性、灵活性和治理的有效性。比如，IBGP提供了选择本地AS外出点的方式。IBGP的功能是维护AS内部连通性。BGP规定，一个IBGP的路由器不能将来自另一IBGP路由器的路由发送给第三方IBGP路由器。这也可以理解为通常所说的Split-horizon规则。当路由器通过EBGP接收到更新信息时，它会对这个更新信息进行处理，并发送到所有的IBGP及余下的EBGP对等体；而当路由器从IBGP接收到更新信息时，它会对其进行处理并仅通过EBGP传送，而不会向IBGP传送。所以，在AS中，BGP路由器必须要通过IBGP会话建立完全连接的网状连接，以此来保持BGP的连通性。假如没有在物理上实现全网状（full meshed）的连接，就会出现连通性上的问题（这在大型网络中会碰到扩展性的问题，将在下面“扩展性”一节中作讨论。）
AS在BGP看来是一个整体，AS内部的BGP路由器都必须将相同的路由信息发送给边界的EBGP路由器。路由信息在通过IBGP链路时不会发生改变，只有通过EBGP链路时，路由信息才会发生变化。在AS内部，通过IBGP连接的路由器都有相同的BGP路由表（BGP路由表（BGP Routing Table）用于存放BGP路由信息，不同于IGP路由表，两个表之间的信息可以通过“再分布”（Redistribution）技术进行交换）。4. BGP的路由选择BGP的消息报头由三个部分组成：标记、长度和类型。标记段占16个字节，用于安全检测和同步检测；长度段占2个字节，标明整个BGP消息的长度；类型段占一个字节，标明消息的类型。报头的后面可以不接数据部分，如Keepalive消息。BGP消息有四种类型:OPEN，UPDATE，NOTIFICATION和KEEPALIVE，分别用于建立BGP连接，更新路由信息，差错控制和检测可到达性。OPEN消息是在建立TCP连接后，向对方发出的第一条消息，它包括版本号、各自所在AS的号码（AS Number）、BGP标识符（BGP Identifier）、协议参数、会话保持时间（Hold timer）以及可选参数、可选参数长度。其中，BGP标识符用来标识本地路由器，在连接的所有路由器中应该是唯一的。这个标识符一般都使用接口上的最大的IP地址（经常使用loopback接口来防止地址失效）。而会话保持时间，是指在收到相继的Keepalive或者Update信号之间的最大间隔时间。假如超过这个时间路由器仍然没有收到信号，就会认为对应的连接中断了。假如把这个保持时间的值设为0，那么表示认为连接永远存在。UPDATE消息由不可到达路由（Withdrawn Route）、路由属性（Route Attributes）和网络层可到达性（Network Layer Reachability Information—NLRI）组成。BGP路由属性是BGP 路由的核心概念。它是一组参数，在UPDATE消息中被发给连接对等体。这些参数记录了BGP路由信息，用于选择和过滤路由。它可以被看作选择路由的度量尺度（metric）。路由属性被分为四类：公认强制（Well-known mandatory attributes）、公认自由选择（Well-known discretionary attributes）、可选传递（Optional transitive attributes）和可选非传递（Optional nontransitive attributes）。公认的（Well-known）属性对于所有的BGP路由器来说都是可辨别的；每个UPDATE消息中都必须包含强制(mandatory）属性，而自由选择的（discretionary）属性则是可选的，可包括也可不包括。对于可选的（Optional）属性，不是所有的BGP工具都支持它。当BGP不支持这个属性时，假如这个属性是过渡性的（transitive），则会被接受并传给其他的BGP对等体；假如这个属性是非传递性的（nontransitive），则被忽略，不传给其他对等体。在技术文档RFC1771定义了1~7号的BGP路由属性，依次是：1，ORIGIN（产生该路由信息的AS）；2，AS_PATH（包已通过的AS集或序列）；3，NEXT_HOP（要到达该目的下一跳的IP地址，IBGP连接不会改变从EBGP发来的NEXT_HOP）；4，MULTI_EXIT_DISC（本地路由器使用，区别到其他AS的多个出口）；5，LOCAL-PREF（在本地AS内传播，标明各路径的优先级）；6，ATOMIC_AGGREGATE；7，AGGREGATOR。RFC1997还定义了8，COMMUNITY。其中，1、2号属性是公认强制；3、5、6是公认可选；7、8是可选过渡；4是可选非过渡。这些属性在路由的选择中，考虑的优先级是不同的，仅就这8个属性来说,其中优先级最高的是LOCAL-PREF，接下来是ORIGIN和AS_PATH。BGP所使用到的路由属性并不仅仅是这8个，其他的具体内容可以参阅RFC文档（RFC1771、1996、1997、1966、1863、2283）。网络层可到达性（NLRI）包含了<长度，前缀>这样的二维数组，使用CIDR(Classless Interdomain Routing)技术，来聚合路由，以减缓BGP表的增长速度。BGP工作流程如下：首先，在要建立BGP会话的路由器之间建立TCP会话连接，然后通过交换OPEN信息来确定连接参数，如运行版本等。建立对等体连接关系后，最开始的路由信息交换将包括所有的BGP路由，也就是交换BGP表中所有的条目。初始化交换完成以后，只有当路由条目发生改变或者失效的时候，才会发出增量的触发性的路由更新。所谓增量，就是指并不交换整个BGP表，而只更新发生变化的路由条目；而触发性，则是指只有在路由表发生变化时才更新路由信息，而并不发出周期性的路由更新。比起传统的全路由表的定期更新，这种增量触发的更新大大节省了带宽。路由更新都是由UPDATE消息来完成。UPDATE包含了发送者可到达的目的列表和路由属性。当没有路由更新传送时，BGP会话用KEEPALIVE消息来验证连接的可用性。由于KEEPALIVE包很小，这也可以大量节省带宽。在协商发生错误时，BGP会向双方发送NOTIFICATION消息来通知错误。5．BGP与IGP的互操作BGP路由表是独立于IGP路由表的，但是这两个表之间可以进行信息的交换，这就是前面提到的“再分布”技术（Redistribution）。信息的交换有两个方向：从BGP注入IGP，以及从IGP注入BGP。前者是将AS外部的路由信息传给AS内部的路由器，而后者是将AS内部的路由信息传到外部网络，这也是路由更新的来源。把路由信息从BGP注入IGP涉及到一个重要概念——同步（Synchronization）。同步规则，是指当一个AS为另一个AS提供了过渡服务时，只有当本地AS内部所有的路由器都通过IGP的路由信息的传播收到这条路由信息以后，BGP才能向外发送这条路由信息。当路由器从IBGP收到一条路由更新信息时，在转发给其他EBGP对等体转之前，路由器会对同步性进行验证。只有IGP熟悉这个更新的目的时（即IGP路由表中有相应的条目），路由器才会将其通过EBGP转发；否则，路由器不会转发该更新信息。同步规则的主要目的是为了保证AS内部的连通性，防止路由循环的黑洞。但是在实际的应用中，一般都会将同步功能禁用，而使用AS内IBGP的全网状连接结构来保证连通性，这样即可以避免向IGP中注入大量BGP路由，加快路由器处理速度，又可以保证数据包不丢失。要安全的禁用同步，需要满足以下两个条件之一：1，所处的AS是单口的，或者说是末端AS（Stub AS）――即是指只有一个点与外界网络连接。2，虽然所处的AS是过渡型的（指一个AS可以通过本地AS，与第三方AS建立连接的），但是在AS内部的所有路由器都运行BGP。第2种情况是很常见的，因为AS内所有的路由器都有BGP信息，所以IGP只需要为本地AS 传送路由信息。大部分的网络设备在实现BGP时，都提供了禁用同步的开关。
将IGP路由信息注入BGP，是路由更新的来源。它直接影响到因特网的路由稳定性。信息注入有两种方式：动态和静态。动态注入又分为完全注入和选择性注入。完全动态注入是指将所有的IGP路由再分布（Redistribution）到BGP中。这种方式的优点是配置简单，但是可控性弱，效率低。选择性的动态注入则是将IGP路由表中的一部分路由信息注入BGP（如使用CiscoIOS中的network子命令）。这种方式会先验证地址及掩码，大大增强了可控性，提高了效率，可以防止错误的路由信息注入。但是无论哪种动态注入方式，都会造成路由的不稳定。因为动态注入完全依靠于IGP信息，当IGP路由发生路由波动时，不可避免的会影响到BGP的路由更新。这种路由的不稳定会发出大量的更新信息，浪费大量的带宽。对于这种缺陷，可以使用在边界处使用路由衰减和聚合（BGP4的新增特性CIDR）来改善。静态注入就可以有效解决路由不稳定的问题。它是将静态路由的条目注入到BGP中去。静态路由存在于IGP路由表中。由于静态路由条目是人为的加入的，不会受到IGP波动的影响，所以很稳定。它的稳定性防止了路由波动引起的反复更新。但是，静态注入也会产生数据流阻塞等问题。所以，在选择注入方式时，需要根据网络的实际状况来作出选择。BGP还提供选择不同路由策略（Policy）的方法来控制BGP更新信息的数据流。具体的说，可以改变治理距离（Administrative distance）来确定使用哪一个路由协议的更新信息；可以使用BGP过滤（如route maps）来控制更新数据流；还可以用CIDR和地址聚合来改变更新信息；也可以使用路由反射器（Route Reflectors）来改变路由更新信息的转发方式，从而改变对BGP内部网络的物理拓扑的全网状要求。6．针对大型网络的扩展特性前面已经提到，由于IBGP的Split-horizon特性，为了保证连续性，就必须在AS内实现全网状的（full meshed）连接。但是，对于一个X个节点的网络来说，全网状的拓扑要求（（X-1）X/2）个连接。当X的值很大的时候，就会带来过多的花费，以及庞大的配置任务。这是很不经济和低效的。为了减少对IBGP链路的要求，在RFC1966、RFC1965中，分别提出了路由反射器（Route Reflection）和联盟（Confederations）技术。路由器可以配置成路由反射器，路由反射器答应将一个IBGP传来的BGP路由传到另一个IBGP链路上。这样就缓解了对全网状拓扑的需求。但是并不是所有情况下，路由反射器都是一种最佳选择，因为这样会加大作为反射器的路由器的系统开销，从而减慢处理速度，甚至造成数据丢失。而且，假如路由反射器出现问题，那么所有的连接都会被中断。为了防止中断出现，增加冗余度，一般可以配置多个路由反射器。网络支架—BGP（图四）

图四联盟则是将AS再划分成子AS（sub AS），在sub AS中运行IBGP，使用全网状结构；而在sub AS之间使用EBGP，这样也可减少对IBGP连接的需求。联盟同样也存在缺陷，如路由选择等。所以和路由反射器一样，一般只在存在很多IBGP连接时才会使用联盟技术。7．BGP的使用BGP的功能是在各AS之间完成路由选择。它主要用于ISP(Internet Service Provider)之间的连接和数据交换。但是，并不是所有情况下BGP都适用。使用BGP会大大增加路由器的开销，并且大大增加规划和配置的复杂性。所以，使用BGP协议需要先做好需求分析。一般来说，假如本地的AS与多个外界AS建立了连接，并且有数据流从外部AS通过本地AS到达第三方的AS，那么可以考虑使用BGP来控制数据流。假如本地AS与外界只有一个连接（通常说的stub AS），而且并不需要对数据流进行严格控制，那就不必使用BGP协议，而可以简单的使用静态路由（Static route）来完成与外部AS的数据交换。另外，硬件和线路的原因也会影响到BGP的选择。如前所说，使用BGP会加大路由器的开销，并且BGP路由表也需要很大的存储空间，所以当路由器的CPU或者存储空间有限时，或者带宽太小时，不宜使用BGP路由协议。8.总结BGP的主要功能是连接各个AS，提供AS之间的信息交换。各个BGP系统之间交换路由信息，来保证得到一个无环路的路由结构。BGP还提供了在AS的水平上的路由策略的选择方式，以优化路由选择。作为整个互联网的整体支架，BGP提供了一个功能强大的连接AS的工具，但是它在使用中也存在一定的局限性，所以在决定使用之前一定要作认真分析，以确定是否使用BGP以及具体实施方案。

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