BGP基本原理

BGP基本原理

BGP（边界网关协议）是互联网中用于在不同的自治系统（AS）之间交换路由信息的协议。本文将详细介绍BGP的基本原理，包括其运行方式、消息类型、有限状态机、处理过程以及关键属性。

BGP运行方式

BGP在路由器上以下列两种方式运行，如图1所示：

• IBGP（Internal BGP）：当BGP运行于同一AS内部时，称为IBGP。
• EBGP（External BGP）：当BGP运行于不同AS之间时，称为EBGP。

图1 BGP的运行方式

BGP消息中的角色

• 发言者（Speaker）：发送BGP消息的路由器称为BGP发言者，它接收或产生新的路由信息，并发布给其它BGP Speaker。当BGP Speaker收到来自其它AS的新路由时，如果该路由比当前已知路由更优或者当前还没有该路由，它就把这条路由发布给所有其他BGP Speaker（发布该路由的BGP Speaker除外）。
• 对等体（Peer）：相互交换消息的BGP Speaker之间互称对等体。

BGP的消息

BGP的运行是通过消息驱动的，共有Open、Update、Notification、Keepalive、Route-refresh几种消息类型。

• Open消息：是TCP连接建立后发送的第一个消息，用于建立BGP对等体之间的连接关系。对等体在接收到Open消息并协商成功后，将发送Keepalive消息确认并保持连接的有效性。确认连接有效后，对等体间可以交换Update、Notification、Keepalive和Route-refresh消息。
• Update消息：用于在对等体之间交换路由信息。Update消息可以发布多条属性相同的可达路由信息，也可以撤销多条不可达路由信息。
• **一条Update消息可以发布多条具有相同路由属性的可达路由，这些路由可共享一组路由属性。所有包含在一个给定的Update消息里的路由属性适用于该Update消息中的NLRI（Network Layer Reachability Information）字段里的所有目的地（用IP前缀表示）。
• **一条Update消息可以撤销多条不可达路由。每一个路由通过目的地（用IP前缀表示），清楚的定义了BGP Speaker之间先前通告过的路由。
• **一条Update消息可以只用于撤销路由，这样就不需要包括路径属性或者NLRI。相反，也可以只用于通告可达路由，就不需要携带撤销路由信息了。
• Notification消息：当BGP检测到错误状态时，就向对等体发出Notification消息，之后BGP连接会立即中断。
• Keepalive消息：BGP会周期性地向对等体发出Keepalive消息，用来保持连接的有效性。
• Route-refresh消息：Route-refresh消息用来请求对等体重新发送所有的可达路由信息。在所有BGP设备使能Route-refresh能力的情况下，如果BGP的入口路由策略发生了变化，本地BGP设备会向对等体发布Route-refresh消息，收到此消息的对等体会将其路由信息重新发给本地BGP设备。这样，可以在不中断BGP连接的情况下，动态刷新BGP路由表并应用新的路由策略。

BGP有限状态机

BGP有限状态机共有六种状态，分别是Idle、Connect、Active、OpenSent、OpenConfirm和Established。在BGP对等体建立的过程中，通常可见的三个状态是：Idle、Active、Established。

• Idle状态下，BGP拒绝任何进入的连接请求，是BGP初始状态。
• Connect状态下，BGP等待TCP连接建立完成后再决定后续操作。
• Active状态下，BGP将尝试进行TCP连接的建立，是BGP的中间状态。
• OpenSent状态下，BGP等待对等体的Open消息。
• OpenConfirm状态下，BGP等待一个Notification报文或Keepalive报文。
• Established状态下，BGP对等体间可以交换Update报文、Route-refresh报文、Keepalive报文和Notification报文。BGP对等体双方的状态必须都为Established，BGP邻居关系才能建立，双方通过Update报文交换路由信息。

BGP处理过程

• 因为BGP的传输层协议是TCP协议，所以在BGP对等体建立之前，对等体之间首先进行TCP连接。BGP邻居间会通过Open消息协商相关参数，建立BGP对等体关系。
• 建立连接后，BGP邻居之间交换整个BGP路由表。BGP协议不会定期更新路由表，但当BGP路由发生变化时，会通过Update消息增量地更新路由表。
• BGP会发送Keepalive消息来维持邻居间的BGP连接。
• 当BGP检测到网络中的错误状态时（例如收到错误报文时），BGP会发送Notification消息进行报错，BGP连接会随即中断。

BGP属性

BGP路由属性是一套参数，它对特定的路由进一步的描述，使得BGP能够对路由进行过滤和选择。事实上，所有的BGP路由属性都可以分为以下4类：

• 公认必须遵循的（Well-known mandatory）：所有BGP设备都可以识别，且必须存在于Update消息中。如果缺少这种属性，路由信息就会出错。
• 公认任意（Well-known discretionary）：所有BGP设备都可以识别，但不要求必须存在于Update消息中，可以根据具体情况来选择。
• 可选过渡（Optional transitive）：在AS之间具有可传递性的属性。BGP设备可以不支持此属性，但它仍然会接收这类属性，并通告给其他对等体。
• 可选非过渡（Optional non-transitive）：如果BGP设备不支持此属性，则相应的这类属性会被忽略，且不会通告给其他对等体。

下面介绍几种常用的BGP路由属性：

• Origin属性，属于公认必须遵循属性，Origin属性用来定义路径信息的来源，标记一条路由是怎么成为BGP路由的。它有以下3种类型：

• IGP：具有最高的优先级。通过路由始发AS的IGP得到的路由信息，比如通过network命令注入到BGP路由表的路由，其Origin属性为IGP。

• EGP：优先级次之。通过EGP得到的路由信息，其Origin属性为EGP。

• Incomplete：优先级最低。通过其他方式学习到的路由信息。比如BGP通过import-route命令引入的路由，其Origin属性为Incomplete。

• AS_Path属性，属于公认必须遵循属性，AS_Path属性按矢量顺序记录了某条路由从本地到目的地址所要经过的所有AS编号。

当BGP Speaker本地通告一条路由时：

• 当BGP Speaker将这条路由通告到其他AS时，便会将本地AS号添加在AS_Path列表中，并通过Update消息通告给邻居路由器。
• 当BGP Speaker将这条路由通告到本地AS时，便会在Update消息中创建一个空的AS_Path列表。

当BGP Speaker传播从其他BGP Speaker的Update消息中学习到的路由时：

• 当BGP Speaker将这条路由通告到其他AS时，便会把本地AS编号添加在AS_Path列表的最前面（最左面）。收到此路由的BGP设备根据AS_Path属性就可以知道去目的地址所要经过的AS。离本地AS最近的相邻AS号排在前面，其他AS号按顺序依次排列。
• 当BGP Speaker将这条路由通告到本地AS时，不会改变这条路由相关的AS_Path属性。

AS_Path属性有四种形式，分别是：AS_Sequence、AS_Set、AS_Confed_Sequence和AS_Confed_Set。

• AS_Sequence：它是到目的地的路径上所经过的AS号的有序集合，按照顺序记录了路由经过的所有AS。
• AS_Set：它是到目的地的路径上所经过的AS号的无序集合。AS_Set通常用在路由聚合的场景，由于路由聚合后，系统无法将聚合前的具体路由所经过的AS再排出一个有序集合的，所以只能使用AS_Set进行无序记录。AS_Set内不管含有多少AS号，在BGP选路时都按照长度为1进行计算。
• AS_Confed_Sequence：是联盟内子AS的一个有序集合。联盟是处理AS内部的IBGP网络连接激增的一种方法，它将一个AS划分为若干个子自治系统（Sub AS），每个子AS内部建立IBGP全连接关系，子AS之间建立EBGP连接关系。
• AS_Confed_Set：是联盟内子AS的一个无序集合，主要用在联盟内路由聚合的场景。

AS_Confed_Sequence和AS_Confed_Set的作用是避免联盟内的AS间路由循环和进行联盟内的路由选路。

• Next_Hop属性，属于公认必须遵循属性，BGP的下一跳属性和IGP的有所不同，不一定就是邻居路由器的IP地址。通常情况下，Next_Hop属性遵循下面的规则：

• BGP Speaker在向EBGP对等体发布某条路由时，会把该路由信息的下一跳属性设置为本地与对端建立BGP邻居关系的接口地址。

• BGP Speaker将本地始发路由发布给IBGP对等体时，会把该路由信息的下一跳属性设置为本地与对端建立BGP邻居关系的接口地址。

• BGP Speaker在向IBGP对等体发布从EBGP对等体学来的路由时，并不改变该路由信息的下一跳属性。

• MED属性，属于可选非过渡属性，MED（Multi-Exit-Discriminator）属性仅在相邻两个AS之间传递，收到此属性的AS一方不会再将其通告给任何其他第三方AS。MED属性相当于IGP使用的度量值（Metrics），它用于判断流量进入AS时的最佳路由。当一个运行BGP的路由器通过不同的EBGP对等体得到目的地址相同但下一跳不同的多条路由时，在其它条件相同的情况下，将优先选择MED值较小者作为最佳路由。

• Local_Pref属性，属于公认任意属性，Local_Pref属性仅在IBGP对等体之间有效，不通告给其他AS。它表明路由器的BGP优先级。Local_Pref属性用于判断流量离开AS时的最佳路由。当BGP的路由器通过不同的IBGP对等体得到目的地址相同但下一跳不同的多条路由时，将优先选择Local_Pref属性值较高的路由。