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1. BGP基础

为方便管理规模不断扩大的网络，网络被分成了不同的AS（Autonomous System，自治系统）。早期，EGP（Exterior Gateway Protocol，外部网关协议）被用于实现在AS之间动态交换路由信息。但是EGP设计得比较简单，只发布网络可达的路由信息，而不对路由信息进行优选，同时也没有考虑环路避免等问题，很快就无法满足网络管理的要求，BGP是为取代最初的EGP而设计的另一种外部网关协议。不同于最初的EGP，BGP能够进行路由优选、避免路由环路、更高效率的传递路由和维护大量的路由信息。

1.1     BGP概述

1.1.1   AS（Autonomous System，自治系统）

OSPF、IS-IS等IGP路由协议在组织机构网络内部广泛应用，随着网络规模扩大，网络中路由数量不断增长，IGP已无法管理大规模网络，AS的概念由此诞生。

AS指的是在同一个组织管理下，使用统一选路策略的设备集合,不同AS通过AS号区分，AS号存在16bit、32bit两种表示方式。IANA负责AS号的分发,当不同AS之间需要进行通信时，在AS之间应使用何种路由协议进行路由的传递？

 

提示：

• IANA（Internet Assigned Numbers Authority，因特网地址分配组织）：IAB（Internet Architecture Board，因特网体系委员会）的下设组织。IANA授权NIC（ Network Information Center，网络信息中心）和其他组织负责IP地址和域名分配，同时，IANA负责维护TCP/IP协议族所采用的协议标识符数据库，包括自治系统号。
• 在长度为16bit的AS号表示方式中：64512-65534为私有AS号，在长度为32bit的AS号表示方式中：4200000000-4294967294为私有AS号。

1.1.2   使用IGP传递路由

1. AS之间需要直连链路，或通过VPN协议构造逻辑直连（例如GRE Tunnel）进行邻居建立。

VPN（virtual private network，虚拟专用网）：使用虚拟专业网络技术可以从逻辑上建立一个直接连接的网络。

1. AS之间可能是不同的机构、公司，相互之间无法完全信任，使用IGP可能存在暴露AS内部的网络信息的风险。
2. 整个网络规模扩大，路由数量进一步增加，路由表规模变大，路由收敛变慢，设备性能消耗加大。

 

1.1.3   使用BGP传递路由

为此在AS之间专门使用BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）协议进行路由传递，相较于传统的IGP协议：

1. BGP基于TCP，只要能够建立TCP连接即可建立BGP。
2. 只传递路由信息，不会暴露AS内的拓扑信息。
3. 触发式更新，而不是进行周期性更新。

 

1.1.4   BGP的发展史

 

目前关于BGP-4最新的RFC是4271，相比较于RFC1771，对于一些细节进行了进一步说明，如事件、状态机以及BGP路由决策流程等。

1.1.5   BGP在企业中的应用

1. 企业内部互通

 

1. 企业与运营商互通

1.2     BGP的基本概念

1.2.1   BGP概述

BGP是一种实现自治系统AS之间的路由可达，并选择最佳路由的矢量性协议。早期发布的三个版本分别是BGP-1（RFC1105）、BGP-2（RFC1163）和BGP-3（RFC1267），1994年开始使用BGP-4（RFC1771），2006年之后单播IPv4网络使用的版本是BGP-4（RFC4271），其他网络（如IPv6等）使用的版本是MP-BGP（RFC4760）。

BGP的特点：

1. BGP使用TCP作为其传输层协议（端口号为179），使用触发式路由更新，而不是周期性路由更新。
2. BGP能够承载大批量的路由信息，能够支撑大规模网络。
3. BGP提供了丰富的路由策略，能够灵活的进行路由选路，并能指导对等体按策略发布路由。
4. BGP能够支撑MPLS/VPN的应用，传递客户VPN路由。
5. BGP提供了路由聚合和路由衰减功能用于防止路由振荡，通过这两项功能有效地提高了网络稳定性。

1.2.2   BGP特征          

BGP特征1：

 

1. BGP使用TCP为传输层协议，TCP端口号179。路由器之间的BGP会话基于TCP连接而建立。
2. 运行BGP的路由器被称为BGP发言者（BGP Speaker），或BGP路由器。
3. 两个建立BGP会话的路由器互为对等体（Peer），BGP对等体之间交换BGP路由表。
4. BGP路由器只发送增量的BGP路由更新，或进行触发式更新（不会周期性更新）。
5. BGP能够承载大批量的路由前缀，可在大规模网络中应用。

BGP特征2：

1. BGP通常被称为路径矢量路由协议（Path-Vector Routing Protocol）。
2. 每条BGP路由都携带多种路径属性（Path attribute），BGP可以通过这些路径属性控制路径选择，而不像IS-IS、OSPF只能通过Cost控制路径选择，因此在路径选择上，BGP具有丰富的可操作性，可以在不同场景下选择最合适的路径控制方式。

1.2.3   BGP对等体关系

与OSPF、IS-IS等协议不同，BGP的会话是基于TCP建立的。建立BGP对等体关系的两台路由器并不要求必须直连，BGP存在两种对等体关系类型---EBGP及IBGP。

EBGP（External BGP）：位于不同自治系统的BGP路由器之间的BGP对等体关系。两台路由器之间要建立EBGP对等体关系，必须满足两个条件：

1. 两个路由器所属AS不同（即AS号不同）。
2. 在配置EBGP时，Peer命令所指定的对等体IP地址要求路由可达，并且TCP连接能够正确建立。

IBGP（Internal BGP）：位于相同自治系统的BGP路由器之间的BGP邻接关系。

 

BGP对等体关系建立 1：

1. 先启动BGP的一端先发起TCP连接，如左图所示，R1先启动BGP，R1使用随机端口号向R2的179端口发起TCP连接，完成TCP连接的建立。
2. 三次握手建立完成之后，R1、R2之间相互发送Open报文，携带参数用于对等体建立，参数协商正常之后双方相互发送Keepalive报文，收到对端发送的Keepalive报文之后对等体建立成功，同时双方定期发送Keepalive报文用于保持连接。
3. 其中Open报文中携带：

1. My Autonomous System：自身AS号
2. Hold Time：用于协商后续Keepalive报文发送时间
3. BGP Identifier：自身Router ID

BGP建立对等体的对等体都会发起TCP三次握手，所以会建立两个TCP连接，但是实际BGP只会保留其中一个TCP连接，从Open报文中获取对端BGP Identifier之后BGP对等体会比较本端的Router ID和对端的Router ID大小，如果本端Router ID小于对端Router ID，则会关闭本地建立的TCP连接，使用由对端主动发起创建的TCP连接进行后续的BGP报文交互。

BGP对等体关系建立 2：

BGP对等体关系建立之后，BGP路由器发送BGP Update（更新）报文通告路由到对等体。

 

1.2.4   TCP连接源地址

1. 缺省情况下，BGP使用报文出接口作为TCP连接的本地接口。
2. 在部署IBGP对等体关系时，建议使用Loopback地址作为更新源地址。Loopback接口非常稳定，而且可以借助AS内的IGP和冗余拓扑来保证可靠性。
3. 在部署EBGP对等体关系时，通常使用直连接口的IP地址作为源地址，如若使用Loopback接口建立EBGP对等体关系，则应注意EBGP多跳问题。

 

 一般而言在AS内部，网络具备一定的冗余性。在R1与R3之间，如果采用直连接口建IBGP邻居关系，那么一旦接口或者直连链路发生故障，BGP会话也就断了，但是事实上，由于冗余链路的存在，R1与R3之间的IP连通性其实并没有DOWN（仍然可以通过R4到达彼此）。

1.2.5   BGP报文类型

BGP存在5种类型的报文，不同类型的报文拥有相同的头部（header）：

 

不同于常见的IGP协议，BGP使用TCP作为传输层协议，端口号179，这使得BGP支持在非直连的路由器之间建立对等体关系。

1.2.6   BGP报文格式

BGP五种报文都拥有相同的报文头，格式如下图所示：

 

1. 主要字段解释：

• Marker：16Byte，用于标明BGP报文边界，所有bit均为“1”。
• Length：2Byte，BGP报文总长度（包括报文头在内），以Byte为单位。
• Type：1Byte，BGP报文的类型。其取值从1到5，分别表示Open、Update、Notification、Keepalive和Route-refresh 报文。

2. BGP报文格式 – Open

Open报文是TCP连接建立之后发送的第一个报文，用于建立BGP对等体之间的连接关系，报文格式如下图所示，主要字段解释如下：

1. Version：BGP的版本号。对于BGP 4来说，其值为4。
2. My AS（autonomous system）：本地AS号。通过比较两端的AS号可以判断对端是否和本端处于相同AS。
3. Hold Time：保持时间。在建立对等体关系时两端要协商Hold Time，并保持一致。如果在这个时间内未收到对端发来的Keepalive报文或Update报文，则认为BGP连接中断。
4. BGP Identifier：BGP标识符，以IP地址的形式表示，用来识别BGP路由器。

 

1. BGP报文格式 - Update

Update报文用于在对等体之间传递路由信息，可以用于发布、撤销路由，一个Update报文可以通告具有相同路径属性的多条路由，这些路由保存在NLRI（Network Layer Reachable Information，网络层可达信息）中。同时Update还可以携带多条不可达路由，用于告知对方撤销路由，这些保存在Withdrawn Routes字段中。

1. 报文格式如下图所示，主要字段解释如下：

• Withdrawn routes：不可达路由的列表。
• Path attributes：与NLRI相关的所有路径属性列表，每个路径属性由一个TLV（Type-Length-Value）三元组构成。
• NLRI：可达路由的前缀和前缀长度二元组。

• Unfeasible routes length：不可达路由字段的长度，以Byte为单位。如果为0则说明没有Withdrawn Routes 字段。
• Withdrawn Routes Length：标明Withdrawn Routes部分的长度。其值为零时，表示没有撤销的路由。
• Total path attribute length：路径属性字段的长度，以Byte为单位。如果为0则说明没有Path Attributes 字段。

3.     BGP报文格式 - Notification

当BGP检测到错误状态时（对等体关系建立时、建立之后都可能发生），就会向对等体发送Notification，告知对端错误原因。之后BGP连接将会立即中断。

1. Error Code、Error subcode：差错码、差错子码，用于告知对端具体的错误类型。
2. Data：用于辅助描述详细的错误内容，长度并不固定。

4.     BGP报文格式 -Keepalive

BGP路由器收到对端发送的Keepalive报文，将对等体状态置为已建立，同时后续定期发送keepalive报文用于保持连接，Keepalive报文格式中只包含报文头，没有附加其他任何字段。

5.     BGP报文格式 - Route-refresh

Route-refresh报文用来要求对等体重新发送指定地址族的路由信息，一般为本端修改了相关路由策略之后让对方重新发送Update报文，本端执行新的路由策略重新计算BGP路由。

1. 相关字段内容如下：

• AFI：Address Family Identifier，地址族标识，如IPv4。
• Res.：保留，8个bit必须置0。
• SAFI：Subsequent Address Family Identifier，子地址族标识。

 

在Open报文协商时会协商是否支持Route-refresh，如果对等体支持Route-refresh能力，则可以通过refresh bgp命令手工对BGP连接进行软复位，BGP软复位可以在不中断BGP连接的情况下重新刷新BGP路由表，并应用新的策略。

对于不支持Route-Refresh能力的BGP对等体，可以配置keep-all-routes命令，保留该对等体的所有原始路由，这样不需要复位BGP连接即可完成路由表的刷新。

缺省情况下未开启keep-all-routes。

1.2.7   BGP状态机

BGP状态机汇总表：

BGP状态机迁移：

 

Idle状态是BGP初始状态。在Idle状态下，BGP拒绝对等体发送的连接请求。只有在收到本设备的Start事件后，BGP才开始尝试和其它BGP对等体进行TCP连接，并转至Connect状态。

1. Start事件是由一个操作者配置一个BGP过程，或者重置一个已经存在的过程或者路由器软件重置BGP过程引起的。
2. 任何状态中收到Notification报文或TCP拆链通知等Error事件后，BGP都会转至Idle状态。

在Connect状态下，BGP启动连接重传定时器（Connect Retry），等待TCP完成连接。

1. 如果TCP连接成功，那么BGP向对等体发送Open报文，并转至OpenSent状态。
2. 如果TCP连接失败，那么BGP转至Active状态。
3. 如果连接重传定时器超时，BGP仍没有收到BGP对等体的响应，那么BGP继续尝试和其它BGP对等体进行TCP连接，停留在Connect状态。

在Active状态下，BGP总是在试图建立TCP连接。

1. 如果TCP连接成功，那么BGP向对等体发送Open报文，关闭连接重传定时器，并转至OpenSent状态。
2. 如果TCP连接失败，那么BGP停留在Active状态。
3. 如果连接重传定时器超时，BGP仍没有收到BGP对等体的响应，那么BGP转至Connect状态。

在OpenSent状态下，BGP等待对等体的Open报文，并对收到的Open报文中的AS号、版本号、认证码等进行检查。

1. 如果收到的Open报文正确，那么BGP发送Keepalive报文，并转至OpenConfirm状态。
2. 如果发现收到的Open报文有错误，那么BGP发送Notification报文给对等体，并转至Idle状态。

在OpenConfirm状态下，BGP等待Keepalive或Notification报文。如果收到Keepalive报文，则转至Established状态，如果收到Notification报文，则转至Idle状态。

在Established状态下，BGP可以和对等体交换Update、Keepalive、Route-refresh报文和Notification报文。

1. 如果收到正确的Update或Keepalive报文，那么BGP就认为对端处于正常运行状态，将保持BGP连接。
2. 如果收到错误的Update或Keepalive报文，那么BGP发送Notification报文通知对端，并转至Idle状态。
3. Route-refresh报文不会改变BGP状态。
4. 如果收到Notification报文，那么BGP转至Idle状态。
5. 如果收到TCP拆链通知，那么BGP断开连接，转至Idle状态。

BGP状态机详解

 

1.2.8   BGP对等体表

在设备上通过display bgp peer命令查看BGP对等体表：

 

1. 其中主要参数含义：

• Peer：对等体地址
• V：version，版本号
• AS：对等体AS号
• Up/Down：该对等体已经存在up或者down的时间
• State：对等体状态，这里显示的为BGP状态机的状态
• PrefRcv：prefix received，从该对等体收到的路由前缀数目
• MsgRcvd 、MsgSent：从对等体收到的报文个数，向对等体发送的报文个数。
• OutQ：out queue，对外发送报文队列中排队的个数，一般为0。

BGP对等体表的作用为列出本设备的BGP对等体，以及对等体的状态等信息。

1.2.9   BGP路由表

在设备上通过display bgp routing-table查看BGP路由表：

 

• Network：路由的目的网络地址以及网络掩码
• NextHop：下一跳地址

如果想要查看某条路由更加详细的信息，可以通过display bgp routing-table ipv4-address { mask | mask-length} 查看，该命令会将匹配的BGP路由信息详细展示：

 

通过display bgp routing-table ipv4-address { mask | mask-length } 可以显示指定IP地址/掩码长度的路由信息，在其中有关于该BGP路由的详细信息，如：路由始发者、下一跳地址、路由的路径属性等。

1.2.10 BGP路由表生成

不同于IGP路由协议，BGP自身并不会发现并计算产生路由，BGP将IGP路由表中的路由注入到BGP路由表中，并通过Update报文传递给BGP对等体。

BGP注入路由的方式有两种：

1. Network
2. import-route

与IGP协议相同，BGP支持根据已有的路由条目进行聚合，生成聚合路由。

Network注入路由

/* Network方式注入的路由必须是已经存在于IP路由表中的路由条目，否则不会被成功注入到BGP路由表中*/

AS200内的BGP路由器通过Update报文将路由传递给AS300内的BGP路由器。

AS300内的BGP路由器收到路由后，将这两条路由加入到本地的BGP路由表中。

import-route方式注入路由

Network方式注入路由虽然是精确注入，但是只能一条条配置逐条注入IP路由表中的路由，如果注入的路由条目很多配置命令将会非常复杂，为此可以使用import-route方式，将：

1. 直连路由
2. 静态路由
3. OSPF路由
4. IS-IS路由

等协议的路由注入到BGP路由表中。

1.2.11 BGP路由聚合

与众多IGP协议相同，BGP同样支持路由的手工聚合，在BGP配置视图中使用aggregate命令可以执行BGP路由手工聚合，在BGP已经学习到相应的明细路由情况下，设备会向BGP注入指定的聚合路由。

执行聚合之后，在本地的BGP路由表中除了原本的明细路由条目之外，还会多出一条聚合的路由条目。如果在执行聚合时指定了detail-suppressed，则BGP只会向对等体通告聚合后的路由，而不通告聚合前的明细路由，如上图：在聚合时配置了抑制明细路由的参数，R3上查看路由表，将只能看到BGP路由：10.1.0.0/22，无法看到聚合前的明细路由。

1.2.12 通告原则

BGP通过network、import-route、aggregate聚合方式生成BGP路由后，通过Update报文将BGP路由传递给对等体。

BGP通告遵循以下原则：

1.     只发布最优路由。

通过display bgp routing-table命令可以查看BGP路由表，在BGP路由表中同时存在以下两个标志的路由为最优、有效：

1. * : 代表有效
2. > : 代表最优

2.     从EBGP对等体获取的路由，会发布给所有对等体。

3.     IBGP水平分割：从IBGP对等体获取的路由，不会发送给IBGP对等体。

如下图所示，如果IBGP对等体学习到的路由会继续传递给其他的IBGP对等体：

1. R2将一条路由传递给了IBGP对等体R3
2. R3收到路由之后传递给IBGP对等体R1
3. R1继续传递给IBGP对等体R2

路由环路形成。

 

第三条原则可能会带来新的问题，如左侧所示，当BGP路由器R2将路由传递给BGP路由器R1时，由于第三条原则限制，R1无法将BGP路由传递给R3，R3将无法学习到路由。

为解决该问题可以采用AS内IBGP全互联的方式，即：R2、R3之间建立非直连的IBGP对等体关系，以此让BGP路由器R2将路由传递给BGP路由器 R3。

 

4.     当一台路由器从自己的IBGP对等体学习到一条BGP路由时（这类路由被称为IBGP路由），它将不能使用该条路由或把这条路由通告给自己的EBGP对等体，除非它又从IGP协议（例如OSPF等，此处也包含静态路由）学习到这条路由，也就是要求IBGP路由与IGP路由同步。同步规则主要用于规避BGP路由黑洞问题，如图所示：

1. BGP路由器R4上存在一条路由10.0.4.0/24，R4将其传递给了R2。
2. R2将路由传递给非直连IBGP对等体R3。
3. R3将路由传递给R5。
4. 之后R5向10.0.4.4发起访问。

 

 

R5访问10.0.4.4：

1. R5查找路由表，将报文发送给R3。
2. R3收到报文后查找路由表，匹配到一条BGP路由，其下一跳为R2，但是R2为非直连下一跳，需要进行路由迭代，通过IGP学习到的路由迭代出下一跳为R1。R3将报文发送给R1。
3. R1收到报文后查找路由表，因为R1并非BGP路由器，未与R2建立IBGP对等体关系，因此R1上并无BGP路由10.0.4.0/24，路由查找失败，R1将报文丢弃。

产生该问题根本原因为AS200域内未运行BGP的路由器并无从BGP学习到的路由条目，查找路由失败，导致R1丢弃报文。为此制定了BGP同步原则：

当BGP的路由条目也存在于IGP路由表时才对外发送，以图中场景为例，当R3查看IGP路由表，OSPF路由表中并无路由10.0.4.0/24，因此并不会向R5发送该路由，自然也不会产生后续的访问失败问题。

解决该问题的方式有：

1. 将BGP路由重分发到IGP中，基本不会使用该方式。
2. 建立全互联的IBGP对等体关系，让全网所有路由器都拥有BGP路由。