网络支架——BGP

2019-11-04 20:52:07

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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

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