網絡支架—BGP

2019-11-04 10:47:43

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供稿：網友

1. 概述因特網，在20世紀60年代末，作為一個實驗，開始于DARPA（美國國防部的高級研究項目治理局）。隨著研究機構、學院和政府加入，形成了最早的ARPANET。后來，美國國家科學基金會又開發了NSFNET（1995年4月停用）。發展到現在，因特網成為了由商業提供者運營的的更分散的體系。而下一代因特網（NGI）的計劃已于1997年10月啟動，目前已推出的主要方案有Internet2,Abilene等。出于治理和擴展的目的，因特網可以被分割成許多不同的自治系統（Autonomous System）。換句話說，因特網是由自治系統匯集而成的。BGPv4(Border gateway PRotocol Version 4)——邊緣網關協議（定義于RFC1771），是現行因特網的實施標準，就是用來連接自治系統，實現自治系統間的路由選擇功能的。2. IGP與EGP所有的路由選擇協議可以被分成IGP和EGP兩種。要了解IGP和EGP的概念，應該首先了解自治系統（AS）的概念。傳統的AS定義（RFC1771）：AS是同一個技術治理下的一組路由器，它們使用一種內部網關協議和一致的度量尺度來對數據包進行AS內部的路由，而使用外部網關協議來對發向其它AS的數據包進行路由選擇。發展到現在，已經答應并且時常采用在一個自治系統AS中使用多個內部網關協議，甚至多個路由選擇的度量標準。所以，現在的自治系統被擴展的定義為：共享同一路由選擇策略的一組路由器。IGP（Interior gateway protocols）——內部網關協議，定義為在一個自治系統內部使用的路由協議（包括動態路由協議和靜態路由）。IGP的功能是完成數據包在AS內部的路由選擇，或者說，是講述數據包如何穿過本地AS的。Ripv1&v2，IGRP，EIGRP，OSPF，ISIS都是典型的IGP。EGP（Exterior gateway protocols）——外部網關協議，定義為在多個自治系統之間使用的路由協議。它主要完成數據包在AS間的路由選擇，或者說，講述數據包為了到達目的IP，需要通過哪些AS。BGP4就是一種EGP。IGP只作用于本地AS內部，而對其他AS一無所知。它負責將數據包發到主機所在的網段（segment）。EGP作用于各AS之間，它只了解AS的整體結構，而不了解各個AS內部的拓撲結構。它只負責將數據包發到相應的AS中，余下的工作便交給IGP來做。每個自治系統AS都有唯一的標識，稱為AS號（AS number），由IANA（Internet Assigned Numbers Authority）來授權分配。這是一個16位的二進制數，范圍為1~65535，其中65412~65535為AS專用組（RFC2270）。

網絡支架—BGP（圖一）

圖一

3．BGP-4的基本概念BGP-4是典型的外部網關協議，是現行的因特網實施標準。它完成了在自治系統AS間的路由選擇。可以說，BGP協議是現代整個網絡的支架。BGP-4在RFC1771中作出了規定，并且還涉及其他很多的RFC文檔。在這一新版本中，BGP開始支持CIDR（Classless interdomains routing）和AS路徑聚合（Aggregation），這種新屬性的加入，可以減緩BGP表中條目的增長速度。

網絡支架—BGP（圖二）

圖二

BGP協議是一種距離矢量（Distance vector）的路由協議，但是比起RIP等典型的距離矢量協議，又有很多增強的性能。BGP使用TCP作為傳輸協議，使用端口號179。在通信時，要先建立TCP會話，這樣數據傳輸的可靠性就由TCP協議來保證，而在BGP的協議中就不用再使用差錯控制和重傳的機制，從而簡化了復雜的程度。另外，BGP使用增量的、觸發性的路由更新，而不是一般的距離矢量協議的整個路由表的、周期性的更新，這樣節省了更新所占用的帶寬。BGP還使用“保留”信號（Keepalive）來監視TCP會話的連接。而且，BGP還有多種衡量路由路徑的度量標準（稱為路由屬性），可以更加準確的判定出最優的路徑。與傳統的內部路由協議相比，BGP還有一個有趣的特性，就是使用BGP的路由器之間，可以被未使用BGP的路由器隔開。這是因為BGP在獨立的內部路由協議之上工作，所以通過BGP會話連接的路由器能被多個運行內部路由協議的路由器分開。建立了BGP會話連接的路由器被稱作對等體（peers or neighbors），對等體的連接有兩種模式：IBGP（Internal BGP）和EBGP（External BGP）。IBGP是指單個AS內部的路由器之間的BGP連接，而EBGP則是指AS之間的路由器建立BGP會話。網絡支架—BGP（圖三）

圖三前面已經提到，BGP是用來完成AS之間的路由選擇的，所以對于BGP來說，每一個AS都是一個原子的跳度。那么，IBGP又起什么樣的作用呢？IBGP是用來在AS內部完成BGP更新信息的交換。雖然這種功能也可以由“再分布” （Redistribution）技術來完成——將EBGP傳送來的其他AS的路由“再分布”到IGP中，然后將其“再分布”到EBGP傳送到其他AS。但是相比之下，IBGP提供了更高的擴展性、靈活性和治理的有效性。比如，IBGP提供了選擇本地AS外出點的方式。IBGP的功能是維護AS內部連通性。BGP規定，一個IBGP的路由器不能將來自另一IBGP路由器的路由發送給第三方IBGP路由器。這也可以理解為通常所說的Split-horizon規則。當路由器通過EBGP接收到更新信息時，它會對這個更新信息進行處理，并發送到所有的IBGP及余下的EBGP對等體；而當路由器從IBGP接收到更新信息時，它會對其進行處理并僅通過EBGP傳送，而不會向IBGP傳送。所以，在AS中，BGP路由器必須要通過IBGP會話建立完全連接的網狀連接，以此來保持BGP的連通性。假如沒有在物理上實現全網狀（full meshed）的連接，就會出現連通性上的問題（這在大型網絡中會碰到擴展性的問題，將在下面“擴展性”一節中作討論。）
AS在BGP看來是一個整體，AS內部的BGP路由器都必須將相同的路由信息發送給邊界的EBGP路由器。路由信息在通過IBGP鏈路時不會發生改變，只有通過EBGP鏈路時，路由信息才會發生變化。在AS內部，通過IBGP連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，兩個表之間的信息可以通過“再分布”（Redistribution）技術進行交換）。4. BGP的路由選擇BGP的消息報頭由三個部分組成：標記、長度和類型。標記段占16個字節，用于安全檢測和同步檢測；長度段占2個字節，標明整個BGP消息的長度；類型段占一個字節，標明消息的類型。報頭的后面可以不接數據部分，如Keepalive消息。BGP消息有四種類型:OPEN，UPDATE，NOTIFICATION和KEEPALIVE，分別用于建立BGP連接，更新路由信息，差錯控制和檢測可到達性。OPEN消息是在建立TCP連接后，向對方發出的第一條消息，它包括版本號、各自所在AS的號碼（AS Number）、BGP標識符（BGP Identifier）、協議參數、會話保持時間（Hold timer）以及可選參數、可選參數長度。其中，BGP標識符用來標識本地路由器，在連接的所有路由器中應該是唯一的。這個標識符一般都使用接口上的最大的IP地址（經常使用loopback接口來防止地址失效）。而會話保持時間，是指在收到相繼的Keepalive或者Update信號之間的最大間隔時間。假如超過這個時間路由器仍然沒有收到信號，就會認為對應的連接中斷了。假如把這個保持時間的值設為0，那么表示認為連接永遠存在。UPDATE消息由不可到達路由（Withdrawn Route）、路由屬性（Route Attributes）和網絡層可到達性（Network Layer Reachability Information—NLRI）組成。BGP路由屬性是BGP 路由的核心概念。它是一組參數，在UPDATE消息中被發給連接對等體。這些參數記錄了BGP路由信息，用于選擇和過濾路由。它可以被看作選擇路由的度量尺度（metric）。路由屬性被分為四類：公認強制（Well-known mandatory attributes）、公認自由選擇（Well-known discretionary attributes）、可選傳遞（Optional transitive attributes）和可選非傳遞（Optional nontransitive attributes）。公認的（Well-known）屬性對于所有的BGP路由器來說都是可辨別的；每個UPDATE消息中都必須包含強制(mandatory）屬性，而自由選擇的（discretionary）屬性則是可選的，可包括也可不包括。對于可選的（Optional）屬性，不是所有的BGP工具都支持它。當BGP不支持這個屬性時，假如這個屬性是過渡性的（transitive），則會被接受并傳給其他的BGP對等體；假如這個屬性是非傳遞性的（nontransitive），則被忽略，不傳給其他對等體。在技術文檔RFC1771定義了1~7號的BGP路由屬性，依次是：1，ORIGIN（產生該路由信息的AS）；2，AS_PATH（包已通過的AS集或序列）；3，NEXT_HOP（要到達該目的下一跳的IP地址，IBGP連接不會改變從EBGP發來的NEXT_HOP）；4，MULTI_EXIT_DISC（本地路由器使用，區別到其他AS的多個出口）；5，LOCAL-PREF（在本地AS內傳播，標明各路徑的優先級）；6，ATOMIC_AGGREGATE；7，AGGREGATOR。RFC1997還定義了8，COMMUNITY。其中，1、2號屬性是公認強制；3、5、6是公認可選；7、8是可選過渡；4是可選非過渡。這些屬性在路由的選擇中，考慮的優先級是不同的，僅就這8個屬性來說,其中優先級最高的是LOCAL-PREF，接下來是ORIGIN和AS_PATH。BGP所使用到的路由屬性并不僅僅是這8個，其他的具體內容可以參閱RFC文檔（RFC1771、1996、1997、1966、1863、2283）。網絡層可到達性（NLRI）包含了<長度，前綴>這樣的二維數組，使用CIDR(Classless Interdomain Routing)技術，來聚合路由，以減緩BGP表的增長速度。BGP工作流程如下：首先，在要建立BGP會話的路由器之間建立TCP會話連接，然后通過交換OPEN信息來確定連接參數，如運行版本等。建立對等體連接關系后，最開始的路由信息交換將包括所有的BGP路由，也就是交換BGP表中所有的條目。初始化交換完成以后，只有當路由條目發生改變或者失效的時候，才會發出增量的觸發性的路由更新。所謂增量，就是指并不交換整個BGP表，而只更新發生變化的路由條目；而觸發性，則是指只有在路由表發生變化時才更新路由信息，而并不發出周期性的路由更新。比起傳統的全路由表的定期更新，這種增量觸發的更新大大節省了帶寬。路由更新都是由UPDATE消息來完成。UPDATE包含了發送者可到達的目的列表和路由屬性。當沒有路由更新傳送時，BGP會話用KEEPALIVE消息來驗證連接的可用性。由于KEEPALIVE包很小，這也可以大量節省帶寬。在協商發生錯誤時，BGP會向雙方發送NOTIFICATION消息來通知錯誤。5．BGP與IGP的互操作BGP路由表是獨立于IGP路由表的，但是這兩個表之間可以進行信息的交換，這就是前面提到的“再分布”技術（Redistribution）。信息的交換有兩個方向：從BGP注入IGP，以及從IGP注入BGP。前者是將AS外部的路由信息傳給AS內部的路由器，而后者是將AS內部的路由信息傳到外部網絡，這也是路由更新的來源。把路由信息從BGP注入IGP涉及到一個重要概念——同步（Synchronization）。同步規則，是指當一個AS為另一個AS提供了過渡服務時，只有當本地AS內部所有的路由器都通過IGP的路由信息的傳播收到這條路由信息以后，BGP才能向外發送這條路由信息。當路由器從IBGP收到一條路由更新信息時，在轉發給其他EBGP對等體轉之前，路由器會對同步性進行驗證。只有IGP熟悉這個更新的目的時（即IGP路由表中有相應的條目），路由器才會將其通過EBGP轉發；否則，路由器不會轉發該更新信息。同步規則的主要目的是為了保證AS內部的連通性，防止路由循環的黑洞。但是在實際的應用中，一般都會將同步功能禁用，而使用AS內IBGP的全網狀連接結構來保證連通性，這樣即可以避免向IGP中注入大量BGP路由，加快路由器處理速度，又可以保證數據包不丟失。要安全的禁用同步，需要滿足以下兩個條件之一：1，所處的AS是單口的，或者說是末端AS（Stub AS）――即是指只有一個點與外界網絡連接。2，雖然所處的AS是過渡型的（指一個AS可以通過本地AS，與第三方AS建立連接的），但是在AS內部的所有路由器都運行BGP。第2種情況是很常見的，因為AS內所有的路由器都有BGP信息，所以IGP只需要為本地AS 傳送路由信息。大部分的網絡設備在實現BGP時，都提供了禁用同步的開關。
將IGP路由信息注入BGP，是路由更新的來源。它直接影響到因特網的路由穩定性。信息注入有兩種方式：動態和靜態。動態注入又分為完全注入和選擇性注入。完全動態注入是指將所有的IGP路由再分布（Redistribution）到BGP中。這種方式的優點是配置簡單，但是可控性弱，效率低。選擇性的動態注入則是將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）。這種方式會先驗證地址及掩碼，大大增強了可控性，提高了效率，可以防止錯誤的路由信息注入。但是無論哪種動態注入方式，都會造成路由的不穩定。因為動態注入完全依靠于IGP信息，當IGP路由發生路由波動時，不可避免的會影響到BGP的路由更新。這種路由的不穩定會發出大量的更新信息，浪費大量的帶寬。對于這種缺陷，可以使用在邊界處使用路由衰減和聚合（BGP4的新增特性CIDR）來改善。靜態注入就可以有效解決路由不穩定的問題。它是將靜態路由的條目注入到BGP中去。靜態路由存在于IGP路由表中。由于靜態路由條目是人為的加入的，不會受到IGP波動的影響，所以很穩定。它的穩定性防止了路由波動引起的反復更新。但是，靜態注入也會產生數據流阻塞等問題。所以，在選擇注入方式時，需要根據網絡的實際狀況來作出選擇。BGP還提供選擇不同路由策略（Policy）的方法來控制BGP更新信息的數據流。具體的說，可以改變治理距離（Administrative distance）來確定使用哪一個路由協議的更新信息；可以使用BGP過濾（如route maps）來控制更新數據流；還可以用CIDR和地址聚合來改變更新信息；也可以使用路由反射器（Route Reflectors）來改變路由更新信息的轉發方式，從而改變對BGP內部網絡的物理拓撲的全網狀要求。6．針對大型網絡的擴展特性前面已經提到，由于IBGP的Split-horizon特性，為了保證連續性，就必須在AS內實現全網狀的（full meshed）連接。但是，對于一個X個節點的網絡來說，全網狀的拓撲要求（（X-1）X/2）個連接。當X的值很大的時候，就會帶來過多的花費，以及龐大的配置任務。這是很不經濟和低效的。為了減少對IBGP鏈路的要求，在RFC1966、RFC1965中，分別提出了路由反射器（Route Reflection）和聯盟（Confederations）技術。路由器可以配置成路由反射器，路由反射器答應將一個IBGP傳來的BGP路由傳到另一個IBGP鏈路上。這樣就緩解了對全網狀拓撲的需求。但是并不是所有情況下，路由反射器都是一種最佳選擇，因為這樣會加大作為反射器的路由器的系統開銷，從而減慢處理速度，甚至造成數據丟失。而且，假如路由反射器出現問題，那么所有的連接都會被中斷。為了防止中斷出現，增加冗余度，一般可以配置多個路由反射器。網絡支架—BGP（圖四）

圖四聯盟則是將AS再劃分成子AS（sub AS），在sub AS中運行IBGP，使用全網狀結構；而在sub AS之間使用EBGP，這樣也可減少對IBGP連接的需求。聯盟同樣也存在缺陷，如路由選擇等。所以和路由反射器一樣，一般只在存在很多IBGP連接時才會使用聯盟技術。7．BGP的使用BGP的功能是在各AS之間完成路由選擇。它主要用于ISP(Internet Service Provider)之間的連接和數據交換。但是，并不是所有情況下BGP都適用。使用BGP會大大增加路由器的開銷，并且大大增加規劃和配置的復雜性。所以，使用BGP協議需要先做好需求分析。一般來說，假如本地的AS與多個外界AS建立了連接，并且有數據流從外部AS通過本地AS到達第三方的AS，那么可以考慮使用BGP來控制數據流。假如本地AS與外界只有一個連接（通常說的stub AS），而且并不需要對數據流進行嚴格控制，那就不必使用BGP協議，而可以簡單的使用靜態路由（Static route）來完成與外部AS的數據交換。另外，硬件和線路的原因也會影響到BGP的選擇。如前所說，使用BGP會加大路由器的開銷，并且BGP路由表也需要很大的存儲空間，所以當路由器的CPU或者存儲空間有限時，或者帶寬太小時，不宜使用BGP路由協議。8.總結BGP的主要功能是連接各個AS，提供AS之間的信息交換。各個BGP系統之間交換路由信息，來保證得到一個無環路的路由結構。BGP還提供了在AS的水平上的路由策略的選擇方式，以優化路由選擇。作為整個互聯網的整體支架，BGP提供了一個功能強大的連接AS的工具，但是它在使用中也存在一定的局限性，所以在決定使用之前一定要作認真分析，以確定是否使用BGP以及具體實施方案。

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