BGP基础知识

   今天海翎光电的小编主要介绍一下BGP的相关基础知识，文章浅显易懂，适合对BGP完全没有了解的同学。

BGP介绍

    边界网关协议BGP（Border Gateway Protocol）是一种实现自治系统AS（Autonomous System）之间的路由可达，并选择最佳路由的路径矢量路由协议。目前在IPV4环境下主要使用BGPV4，目前市场上也存在BGPV4+，BGPV4+在BGPV4的基础上支持多个地址族，如IPv6。

    BGP协议本身不产生路由，而是转发本地路由表中来自其他协议生成的路由条目；AS之间正常存在大量的BGP邻居关系，且BGP协议不会计算最佳路径；因此在BGP协议中管理员需要进行策略来干涉选路

AS-自治系统

• AS(自治系统)，由单一的机构或组织所管理的一系列IP网络及设备所构成集合。
• 划分AS的原因：1.整个地球上的网络范围太大，单个网络收敛很慢且网络延迟大；2.每个网络可能是某个组织或公司组建的，他们并不想将自己辛苦组建的网络交给别人管理，所以需要自治管理
• 为了方便对自治系统进行管理，给每一个自治系统设计了一个号，即AS号。AS号由16位二进制构成，取值范围：0 - 65535，其中1 - 64511号为公有AS号， 64512 - 65534被设定为私有AS号。
• 因为传统的AS号存在不够用的情况，所以，目前大部分设备均支持拓展的AS号，由32位二进制构成。中国由于加入互联网较晚，所以中国的AS号大多都是扩展AS号。

BGP原理概述

    想要AS之间互相通信，我们可以使用重发布，通过重发布将AS的路由信息导入到其他AS以达到AS间的互通，和重发布类似，BGP也是通过发送AS的路由信息以实现全网可达。那为什么AS间更多的是使用BGP而不是重发布呢？

BGP和重发布的区别

• 重发布要求AS间需要有ASBR，ASBR同时具有两个AS的路由信息，通过ASBR实现路由共享；而BGP是没有ASBR的，由于AS是自治系统，如果有ASBR，那这个ASBR归谁管理？如果只归一方管理，那他可以通过路由策略提高自己AS的流量的转发速度，所以BGP是AS间各出一个或多个运行BGP的路由器，让这些运行BGP的路由器建立邻居关系后交换路由信息。

• 重发布在导入路由时会洗掉开销值，会造成选路不佳的问题，而BGP具备强大的路由策略，BGP为路由信息设计了路径属性，通过属性进行选路，是的选路过程更加灵活，可控性更高。

BGP特性

• BGP协议是无类别的路径矢量协议。无类别即BGP在传递路由时会携带子网掩码；路径矢量，不同与距离矢量，路径矢量是以一个AS为单位，而距离矢量是以一个路由为单位，距离矢量是一种路由算法，而BGP不需要计算路由，它只需将以计算好的路由传递给了邻居即可。
• 我们对IGP(内部网关协议)和EGP(外部网关协议)的要求不同，IGP需要在一个AS内计算路由，所以我们要求IGP选路佳、收敛快、占用资源少；而EGP不同，EGP协议只需传递AS以计算好的路由，所以我们对EGP的可控性、可靠性要求更高。
• EGP的追求：可控性：AS之间需要传递大量的路由信息，所谓可控，就是可以更方便的干涉选路，更容易做策略，以弥补重发布的不足。为了保证路由传递的可控性，更方便干涉选路，BGP协议舍弃了开销值，取而代之的是他为路由信息设计了很多路径属性。可以通过属性进行选路，是的选路过程更加灵活，可控性更高。
• EGP的追求：可靠性：BGP协议设备间需要交互大量的路由条目，但又不能选择周期更新来占用链路资源，故只能进行触发更新；又为了保证传输的可靠性，直接选择TCP协议作为传输层的协议来完成数据收发，使用的是TCP 179号端口。但使用TCP协议通讯也会造成一些问题，传输效率降低，只能单播通讯（TCP需要去建立会话），占用资源会加大 ，用TCP之后，便不能通过广播或者组播去自动发现邻居进行通信了。
• 由于BGP依靠TCP协议传输数据，BGP协议可以实现非直连建邻，非直连建邻的前提条件是邻居双方网络可达， BGP的非直连建邻是建立在IGP的基础上。
• BGP的邻居更准确的说是BGP的对等体，我们可以根据邻居关系的建立情况，将BGP的邻居关系分为两种：

• 因为EBGP对等体之间一般采用直连建邻的方法，所以，我们将EBGP对等体之间的数据包中的TTL值设置为1；而IBGP对等体之间往往需要非直连建邻，所以，IBGP对等体之间的数据报中的TTL值我们设置为255；当然，如果EBGP对等体之间需要非直连建邻，则需要手工修改TTL值。
• EGP的追求：：AS-BY-AS：BGP将一个AS作为一个单位来看待，以一个AS为一跳，

BGP特点总结

• 无类别路径矢量 -----距离矢量的升级版—AS–BY–AS
• 使用单播更新来发送所有信息；基于TCP 179端口工作
• 增量更新，仅触发更新，无周期更新
• 具有丰富的属性来取代IGP中度量进行选路，有多个参数控制协议
• 可以在进项和出项对流量实施强大的策略，可控性非常强大
• 默认不被用于负载均衡-----通过各种选路规则仅仅产生一条最佳路径
• BGP支持认证和聚合（将现有的IP地址合并成较大的、具有更多主机地址的路由域）

BGP的数据包

    BGP协议中所有的数据包均需要在tcp会话建立后，基于TCP的会话来进行传输及可靠性的保障。

Open包

• Open包主要用来建立邻居关系，正常进收发一次即可，Open包会携带一些建邻需要协商的参数，邻居互相认同对方的参数才可以建立邻居关系。以下为Open包会携带的一些参数：
• AS号：在手工建立邻居关系需要时声明邻居的AS号。对端收到后会检查声明的AS号是否和本地的AS号一致，一致才可以建立邻居关系。
• 认证：BGP在建邻时如果做认证的话，需要比对双方认证口令，不一致则无法建立邻居关系。
• Router-ID：主要区分和标定路由器。OPEN报文中携带RID的目的是为了确保双方的RID不一致。确保其唯一性，如果相同，则无法正常建立邻居关系。

• holdtime：保活时间， 这个参数默认值为 180S，即180S内若收不到对方发送的keeplive或者UPdate包则将判定BGP链接中断。双方建邻时携带这个值，但是并不要求必须相同。但是，执行时必须相同，所以，将会选择二者中较小的作为执行时间

keeplive包

• 用来保活邻居关系，默认周期1min查询邻居关系是否存在；实际保活TCP会话。
• Keeplive报文的发送周期为保活时间（hold time）的1/3，保活时间默认为180S，则周期发送时间默认为60S。
• KeepLive包还有一个作用：在收到对方发送的OPEN报文后，临时充当确认包的作用。

Update包

• BGP中的更新包，用来携带路由条目，包括目标网段，子网掩码信息以及BGP的各种属性
• 在UPdate包中存在撤销路由字段，我们可以直接将不可达的路由信息放在该字段下进行通告，以达到传递失效信息的目的。而不需要像RIP那样采用带毒传输的方式。

Notification包

• BGP设计的一个告警机制，出现错误数据时收发，当BGP检测到一个错误的时候，将会用这个包进行告警，告知对端错误点在哪

Route-refresh包

• 用于改变路由策略后请求对等体重新发送路由信息，前提是对等体双方均支持路由刷新

BGP的状态机

BGP的状态机仅描述BGP对等体建立过程中的状态变化。因为BGP可以做到建立邻居关系和发布路由分开完成。

• idle状态：空闲状态，一旦指定邻居，就处于idle状态，然后BGP会首先检查指定的IP地址在本地路由表中是否可达，如果可达，则开始尝试建立TCP会话，进入下一个状态；如果不可达，则将停留在idle状态
• connect状态：进行TCP会话连接的状态。如果TCP会话建立成功，则进入下一个状态；如果TCP会话建立失败，则进入Active状态，该状态会反复尝试TCP连接，如果尝试超时，则放弃重连，退回到idle状态。

• OpenSent：开始发送OPEN报文，报文中携带建立邻居关系所需的参数。当收到对端发送的OPEN报文后，并且报文里的参数没有问题，则将回复一个keeplive作为确认，进入下一个状态；

• OPENConfirm：在该状态，本段在等待对端keeplive包，当对端收到本端的Open报文且确认参数无误，发送keeplive包进行确认进入下一个状态。
• Established ：建立完成状态 ，标志着对等体关系的建立。

BGP的工作过程

• 配置完成后，邻居间单播TCP三次握手，目标端口179，建立TCP的会话；之后所有的BGP协议数据包基于该会话进行传输
• 会话建立后，邻居间正常收发一次open报文，并互发keeplive包进行确认建立BGP的邻居关系，并生成邻居表
• 邻居关系建立后，默认每1min，使用keeplive周期保活邻居关系，周期保活TCP会话
• 邻居关系建立后，管理员选择性将本地路由表中通过任意来源获取的路由条目，向BGP协议中进行宣告；使用updata数据包进行邻居间路由共享；之后生成BGP表；
• 本地对BGP表中的路由进行选择，默认将最优路径加载于路由表中（最优-仅仅基于BGP的选路规则，不一定为最佳路径；BGP默认不支持负载均衡）
• 若出现错误信息，邻居间将使用Notification报文进行报错操作
• 收敛完成，仅keeplive周期保活即可，默认保活时间为180S，周期发送时间为60S。
• 若发生结构突变，则将直接发送UPdate报文进行触发更新。

BGP的路由黑洞

• AS间通过EBGP对等体交换路由信息，然后通过单播将获取到的路由信息发送给IBGP对等体，使AS所有运行BGP的设备拥有了所有AS的路由信息，如下：R3从R1学到AS100的1.0.0.0/8的路由信息，然后通过单播传给R7，R7传给R2，所有AS内运行BGP的路由器都学到了1.0.0.0/8的路由信息

• 矢量协议的特点是谁发给我这条路由，我到这条路由就找谁，如果R7想ping1.0.0.0/8，那R7就会将ping包发送给R3，由R3转发。在R7发送ping包时，它首先查看路由表查找R3的位置，假设R7通过R4找R3，那R7就会将ping包发给R4，当这个ping包来到R4上，R4看二层是找自己的，解封装看三层，发现这个ping包的DIP为1.0.0.0/8网段的，但R4上没有运行BGP，没有收到关于1.0.0.0/8网段的路由信息，所以R4就会把这个ping包丢弃，虽然R7上有1.0.0.0/8的网段路由信息，但无法与R1通信，这就是BGP的路由黑洞。
• BGP的路由黑洞：由于BGP协议可以非直连建邻，故可能出现BGP协议跨越未运行BGP协议的路由器，导致BGP路由传递后，显示控制层面可达，但是，数据层面，流量经过未运行BGP协议的路由器时，无法通过，形成路由黑洞。

解决路由黑洞

AS内的设备全部运行BGP：既然路由黑洞是未运行BGP协议的路由器导致的，那就让AS内所有的设备都运行BGP获取路由信息。但这个方法是不现实的，可以承载越多路由信息的路由器其价格也就越昂贵，每一台运行BGP的路由器需要承载所有AS的路由信息，可以承载世界上几万几十万的路由信息的路由器价格也是上百万的，所以，是不可能让AS内的设备拥有全部路由信息的。

• AS内运行BGP的设备将从BGP重发布到AS内运行的IGP协议里：通过重发布将BGP所有路由导入到IGP协议里，同样需要AS内所有设备可以承载所有AS的路由信息，同第一条一样不现实。
• 物理、逻辑拓扑全连：直接让AS内运行BGP协议的所有设备互相连接，使IBGP间通信不需要经过未运行BGP协议的设备，但由一个AS地理范围可能很大，IBGP间距离较远，所以使用真实链路连接IBGP也不现实，所以我们可以用GRE/MGRE等vpn技术，通过虚拟链路连接IBGP对等体

• MPLS：当前工程中主要使用的解决BGP路由黑洞方案，MPLS后续会讲。

BGP的防环机制—水平分割

EBGP水平分割

• 下图中有三个AS，其中AS:1的一条路由信息传给了AS:2，AS:2将这条路由信息传给AS:3，如果AS:3又将这条路由信息传回给AS:1且AS:1将这条路由信息加表，就会导致路由环路。

• BGP协议在路由条目中有一条专门记录所经过的AS编号的路径属性，在上图中AS:1发出的路由信息会携带编号1，AS:2将这条路由信息转发给R3时，添加编号2；AS:3将这条路由信息转发给AS:1时，也会添加编号3；最终AS:1收到这条路由信息的AS_PATH属性记录了1、2、3，R1发现该属性中有自己的编号则拒绝接受这条路由信息，避免环路产出。

IBGP水平分割

• 下图在AS:64513内，R2、R3、R4两两建邻，如果R2发布一条路由信息由R4到R3，再到R2，并且R3转发给R2的路由信息改变了R2的路由表，则会形成环路。

• 因为BGP的AS-BY-AS的特性，导致AS内部被认为是一个整体，在默认情况下，路由的属性是不会发生变化的，所以，无法通过属性来进行防环。
• IBGP水平分割：当一个路由器从一个IBGP对等体出学习到某一条BGP路由时，他将不再把这条路由信息通告给其他的IBGP对等体。

• IBGP水平分割可以有效的解决IBGP对等体之间路由回传造成的环路问题，但是，也会引发路由信息传递障碍问题。如下图中，如果R1学到其他AS的路由信息，它会将这些路由信息传递给R2，但由于IBGP水平分割，R2不能将这些路由信息传递给R3，R3就无法获取R1收集到的路由信息。

• 想要避免IBGP水平分割带来的问题，可以让所有AS内部运行BGP的路由器均建立IBGP对等体关系， 这种建立全连的IBGP对等体的方案并不是最佳解决方案，因为，当一个AS内运行BGP协议的路由器数量较多时，建立全连的邻居关系，将造成大量的资源浪费，并且降低网络的可扩展性。
• BGP存在两个技术专门用于解决IBGP水平分割带来的问题：1.路由反射器，2.联邦。

BGP基本配置

EBGP对等体直连建邻

• 启动BGP进程，1 指的时该路由器所在的AS号；因为一个路由只能属于一个AS中，所以一个路由器只能启动一个BGP进程

• 配置RID，BGP要求邻居间的RID不能相同，可以手工配置，也可以自动获取

• 指定建邻的IP地址和邻居所在的AS的编号，指定邻居IP后，如果该邻居可达，则尝试建立TCP会话。

IBGP对等体环回建邻

由于，IBGP邻居处于同一个AS中，正常一个AS中存在大量的备份路径，若使用物理接口建立邻居关系，将浪费这些备份或者负载均衡的路径；故建议使用环回接口来进行IBGP对等体关系的建立。

• 由于邻居在收到数据包时，会检测该包的源IP和本地指定的邻居IP是否相同，不同则无法建邻。所以一旦使用环回地址作为建邻地址，同时需要修改源IP地址未本地环回地址。

EBGP对等体环回建邻

EBGP间使用环回建邻首先要有一条路由可以去往邻居的环回，一般我们使用静态路由

• 因为EBGP对等体之间一般采用直连建邻的方法，所以，EBGP对等体之间的数据包中的TTL值设置为1,这意味着R1只能与R2的g 0/0/0口通信而不能与R2的环回通信，所以使用EBGP对等体环回建邻时需要修改数据报的TTL值。

总结：再建立对等体关系时，建议EBGP对等体间直连建邻；IBGP对等体间建议使用环回接口进行建邻。