BGP基础知识总结
BGP基础知识总结
什么是BGP
边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）是一种用来在路由选择域之间交换网络层可达性信息（Network Layer Reachability Information，NLRI）的路由选择协议。由于不同的管理机构分别控制着他们各自的路由选择域，因此，路由选择域经常被称为自治系统AS（Autonomous System）。现在的Internet是一个由多个自治系统相互连接构成的大网络，BGP作为事实上的Internet外部路由协议标准，被广泛应用于ISP（Internet Service Provider）之间。
BGP版本
- 早期版本：BGP-1（RFC 1105）、BGP-2（RFC 1163）、BGP-3（RFC 1267）
- 1994年开始使用BGP-4（RFC 1771）
- 2006年之后单播IPv4网络使用BGP-4（RFC 4271），其他网络（IPv6、组播等）使用MP-BGP（RFC 4760）。
- MP-BGP是对BGP-4进行了扩展，来达到在不同网络中应用的目的，BGP-4原有的消息机制和路由机制并没有改变。
- MP-BGP在IPv6单播网络上的应用称为BGP4+，在IPv4组播网络上的应用称为MB（Multicast BGP）
BGP基础
- 实现AS之间的路由可达，并选择最佳路由的距离矢量路由协议。
- 采用认证和GTSM的方式，保证了网络的安全性。
- 提供了丰富的路由属性，能够进行灵活的路由选路。
- 提供了路由聚合和路由衰减功能用于防止路由振荡，有效提高了网络的稳定性。
- 使用TCP（端口号=179），并支持与BFD联动、BGP Tracking、BGP GR、NSR，提高了网络的可靠性。
- 在邻居数目多、路由量大且大部分邻居具有相同出口策略的场景下，使用按组打包技术极大的提高了打包发包性能。
- 仅增量式、触发式更新。
Autonomous System
在同一个组织管理下，使用统一选路策略的设备集合。
| AS号类型 | 2字节AS号 | 4字节AS号 |
|---|---|---|
| 公有AS | 1~64511 | 1 |
| 私有AS | 54512~65534 | 64512~65534 |
知名AS号：4134（中国电信163），4809（中国电信CN2），9929（中国网通）
AS在BGP中的关键作用： 最佳路由的选举、避免环路、路由过滤
为什么需要BGP？
IGP（Interior Gateway Protocol，内部网关协议）被设计用来在单一的路由选择域内提供可达性信息并不适合提供域间路由选择功能，BGP（Border Gateway Protocol，域间路由协议）作为优秀的域间路由协议得以产生并发展。
当今的网络通常使用以下类型的IGP：
- 距离矢量协议，例如路由信息协议（Routing Information Protocol, RIP）。
- 链路状态协议，例如开放式最短路径优先（Open Shortest Path First, OSPF）协议和中间系统到中间系统（Intermediate System to Intermediate System, IS-IS）协议。
虽然这些协议是为不同目的设计的，并且具有不同的行为特征，但是它们的共同目标是解决在一个路由选择域内的路径最优化问题。IGP并不适合提供域间路由选择功能。比如说，一种域间路由选择协议应该能够提供广泛的策略控制，因为不同的域通常需要不同的路由选择策略和管理策略。
从一开始，BGP就被设计成一种域间路由选择协议，其设计目标就是策略控制能力和可扩展性。但是，BGP也不适合替代IGP，因为它们适用的场景不同。
BGP有两种运行方式，当BGP运行于同一AS内部时，被称为IBGP（Internel BGP，内部边界网关协议）；当BGP运行于不同AS之间时，称为EBGP（Externel BGP，外部边界网关协议）。如图1 BGP的运行方式所示：
BGP是怎么工作的？
BGP报文中的角色
Speaker：发送BGP报文的路由设备称为BGP发言者（Speaker），它接收或产生新的路由信息，并发布（Advertise）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）。
Peer：相互交换报文的BGP Speaker之间互称对等体（Peer）。
BGP邻居
- 邻居关系建立在TCP连接基础上，因此邻居不一定需要直连，可以通过IGP或静态路由来提供TCP连接的可达性 。（区别于IGP）
- 邻居必须手动指定，而非自动建立。（区别于IGP）
- 一台BGP设备只能运行在一个AS内。（区别于IGP）
BGP的报文
BGP的运行是通过报文驱动的，共有Open、Update、Notification、Keepalive和Route-refresh五种报文类型。
Open报文：是TCP连接建立后发送的第一个报文，用于建立BGP对等体之间的连接关系。对等体在接收到Open报文并协商成功后，将发送Keepalive报文确认并保持连接的有效性。确认后，对等体间可以进行Update、Notification、Keepalive和Route-refresh报文的交换。
Update报文：用于在对等体之间交换路由信息。Update报文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。
Notification报文：当BGP检测到错误状态时，就向对等体发出Notification报文，之后BGP连接会立即中断。
Keepalive报文：BGP会周期性地向对等体发出Keepalive报文，用来保持连接的有效性。
Route-refresh报文：Route-refresh报文用来请求对等体重新发送所有的可达路由信息。
| 类型 | 备注 |
|---|---|
| Open | 类似Hello，建立邻居关系。 |
| Keeplive | 类似Hello，维护邻居关系。默认周期=60s。 |
| Update | 路由更新，包含丰富的路由属性。 |
| Notification | 当检测到错误、发送后关闭BGP连接。 |
| Route-refresh | 当路由策略发生变化时，触发请求邻居重新通告路由。 |
PS：所有报文都是单播。
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报文协商相关参数，建立起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会发送Keepalive报文来维持邻居间的BGP连接，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报文增量地更新路由表。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报文进行报错，BGP连接会随即中断。示意图见图1 邻居建立过程图。
BGP有限状态机
BGP有限状态机共有六种状态，分别是Idle、Connect、Active、Open-Sent、Open-Confirm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连接的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。
Open-Sent状态下，BGP等待对等体的Open报文。
Open-Confirm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。
| 状态 | 备注 |
|---|---|
| Idle | 开始准备TCP的连接并监听远程对等体 |
| Connect | 发起TCP连接，等待TCP连接完成 |
| Active | TCP连接失败，继续尝试TCP连接 |
| Open Sent | TCP连接成功，已发送Open包 |
| Open Confirm | 已收到对方正确的Open包，等待Keeplive包 |
| Established | 收到Keeplive后，邻居建立完成，开始通告路由 |
BGP对等体双方的状态必须都为Established，BGP邻居关系才能成立，双方通过Update报文交换路由信息。
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：
| 类型 | 备注 |
|---|---|
| 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报文中。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报文中，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：
| 属性 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| Origin属性 | 公认必须遵 | 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，包含IGP、EGP和Incomplete三种类型。 |
| AS_Path属性 | 公认必须遵 | 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。 |
| Next_Hop属性 | 公认必须遵 | 去往目的路由下一跳AS的路由器的IP地址 |
| MED | 可选非过渡 | 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。 |
| Local_Pref属性 | 公认任意 | 仅在IBGP对等体之间有效，不通告给其他AS，用于表明路由设备的BGP优先级。 |
Preferred-Value：协议首选值
Origin：起源
BGP路由的生成方式
| 代码 | 备注 |
|---|---|
| i = IGP | 通过network宣告的路由 |
| e = EGP | 通过EGP学习到的路由 |
| ? = incomplete | 通过import引入的路由 |
| 优先级：i > e > ? |
AS_PATH：AS路径
- BGP路由在传输的路径中所经历的AS的列表
- 发布给EBGP对等体的时候更新（加入本地的AS号码）
- 丢弃AS_PATH属性中包含本AS号的路由（防止AS间环路）
- AS数量越少越优先
Local-Preference：本地优先级
- 只传播给IBGP邻居
- 越大越优先，默认=100
- 影响AS内部IBGP邻居的路由决策（出站路由-离开AS）
MED：Multi-Exit-DISC
- 相当于IGP的度量值
- 区别到达同一邻居AS的多条入口链路
- 越小越优先
- 仅在相邻两个AS之间传递，不会跨AS传递。
- 影响AS外部EBGP邻居的路由决策（入站路由-进入AS）
缺省情况下，不允许比较来自不同AS邻居的路由信息的MED值，除非能够确认不同的AS采用了同样的IGP和路由选择方式，则可以使用命令：
| 命令 | 备注 |
|---|---|
| compare-different-as-med | 比较不同AS邻居的MED值 |
Atomic_Aggregate及Aggregator：
聚合路由会丢失明细路由的路由属性，因此需要给下游BGP对等体告警，并提示“聚合点”及“聚合设备所属的AS号”。
总结
| 属性 | 规则 |
|---|---|
| PrefVal | 越大越优先 |
| Origin | i > e > ? |
| AS_PATH | 越少越优先 |
| Next Hop | 本地优于非本地 |
| Local-Preference | 越大越优先 |
| MED | 越小越优先 |
BGP是如何处理路由的？
BGP对路由的处理如图 BGP对路由的处理过程所示。BGP路由来源包括从其他协议引入和从邻居学习两个部分，为了减少路由规模，可以对优选的BGP路由进行聚合。在引入路由、从邻居接收或发送路由的过程中，可以通过路由策略实现对路由的过滤，也可以修改路由的属性。
路由引入
BGP协议自身不能发现路由，所以需要引入其他协议的路由（如IGP或者静态路由等）注入到BGP路由表中，从而将这些路由在AS之内和AS之间传播。
BGP引入路由时支持Import和Network两种方式：Import方式是按协议类型，将RIP路由、OSPF路由、IS-IS路由、静态路由和直连路由等某一协议的路由注入到BGP路由表中；Network方式比Import方式更精确，将指定前缀和掩码的一条路由注入到BGP路由表中。
| 方式 | 备注 |
|---|---|
| Network | 逐条将IP路由表中已经存在的路由引入到BGP路由表中 |
| Import | 将直连、静态、RIP、OSPF、ISIS等协议的路由引入到BGP路由表中 |
路由选择
当到达同一目的地存在多条路由时，BGP采取路由选择策略进行路由选择，例如优选没有迭代到Graceful Down（该SRv6 TE-Policy处于延迟删除状态）的SRv6 TE-Policy的路由、在与RPKI（Resource Public Key Infrastructure）服务器进行连接的情景中，应用起源AS验证结果后的BGP路由优先级顺序为Valid > NotFound > Invalid、优选没有误码的路由等。
BGP选路原则：BGP不像IGP，本身并没有路由算法，而是结合丰富的属性进行选路。前提条件：丢弃下一跳不可达的路由。
| 顺序 | 比较项 | 规则 |
|---|---|---|
| 1 | Preferred-Value | 越大越优先 |
| 2 | Local_Preference | 越大越优先 |
| 3 | Route Type | 手动聚合>自动聚合>network>import>从对等体学习 |
| 4 | AS_Path | 越短越优先 |
| 5 | Origin | i > e > ? |
| 6 | MED | 越小越优先 |
| 7 | Peer Type | EBGP > IBGP |
| 8 | IGP Metric | 越小越优先 |
| 9 | Cluster_List | 越短越优先 |
| 10 | Originator_ID | 越小越优先 |
| 11 | Router ID | 越小越优先 |
| 12 | Peer Address | 越小越优先 |
如果比较到第8条全部相同，则为等价路由，可以负载分担（AS_PATH必须一致）
负载分担相关命令：
| 命令 | 备注 |
|---|---|
| maximum load-balancing 2 | 配置最多支持的负载数量 |
路由聚合
在大规模的网络中，BGP路由表十分庞大，使用路由聚合（Routes Aggregation）可以大大减小路由表的规模。
路由聚合实际上是将多条路由合并的过程。这样BGP在向对等体通告路由时，可以只通告聚合后的路由，而不是通告所有的具体路由。
BGP路由聚合支持两种方式：
- 自动聚合：对BGP引入的路由进行聚合。配置自动聚合后，对参加聚合的具体路由进行抑制。配置自动聚合后，BGP将按照自然网段聚合路由（如10.1.1.1/32和10.2.1.1/32将聚合为A类地址10.0.0.0/8），并且BGP向对等体只发送聚合后的路由。
- 手动聚合：对BGP本地路由进行聚合。手动聚合可以控制聚合路由的属性，以及决定是否发布具体路由。
| 聚合方式 | 相关命令 | 备注 |
|---|---|---|
| 静态聚合 | network | 配置静态路由汇总明细路由，再用network进行宣告 |
| 自动聚合 | summary automatic | 对引入（import）的路由进行主类掩码聚合，原引入的路由被抑制，不会被优选和发布给BGP邻居 |
| 手动聚合 | aggregate | 对BGP本地路由表中的路由进行聚合 |
IPv4支持自动聚合和手动聚合两种方式，而IPv6仅支持手动聚合。
BGP发布路由
BGP发布路由时采用如下策略：
- 存在多条有效路由时，BGP Speaker只将最优路由发布给对等体。
- 从EBGP获得的路由会向它所有BGP对等体发布（包括EBGP对等体和IBGP对等体）。
- 从IBGP获得的路由不会向它的IBGP对等体发布。
- 从IBGP获得的路由会通告给它的EBGP对等体，不过要依据IGP和BGP同步的情况。
- 连接一旦建立，BGP Speaker将把自己可发布的BGP最优路由发布给新对等体。
BGP下一跳
- BGP在给邻居通告路由时的下一跳 = 更新源。
- 在EBGP间传递时会修改下一跳为自己的更新源。
- 在IBGP间传递时不会修改下一跳为自己的更新源。
BGP支持哪些扩展？
传统的BGP-4只能管理IPv4单播路由信息，对于使用其它网络层协议（如IPv6、组播等）的应用就受到一定限制。
为了提供对多种网络层协议的支持，IETF（Internet Engineering Task Force）对BGP-4进行了扩展，形成MP-BGP（Multi-protocol Extensions for Border Gateway Protocol）。MP-BGP向前兼容，即支持BGP扩展的路由器与不支持BGP扩展的路由器可以互通。
- MP-BGP在现有BGP-4协议的基础上增强功能，使BGP能够为多种路由协议提供路由信息，包括IPv6（即BGP4+）和组播。
- MP-BGP可以同时为单播和组播维护路由信息，将它们储存在不同的路由表中，保持单播和组播之间路由信息相互隔离。
MP-BGP可以同时支持单播和组播模式，为两种模式构建不同的网络拓扑结构。 - 原BGP-4支持的单播路由策略和配置方法大部分都可应用于组播模式，从而根据路由策略为单播和组播维护不同的路由。
BGP采用地址族（Address Family）来区分不同的网络层协议，关于地址族的一些取值可以参考相关标准。支持多种MP-BGP扩展应用，包括对VPN的扩展、对IPv6的扩展等，不同的扩展应在各自的地址族视图下配置。
- BGP-IPv4单播地址族有以下作用：维护公网BGP邻居，并且传递公网IPv4路由信息；传递公网IPv4标签路由，主要用在Option C方式的跨域BGP/MPLS IP VPN或Option C方式的跨域BGP/MPLS IPv6 VPN场景里。
- BGP-IPv6单播地址族有以下作用：维护公网IPv6 BGP邻居，并且传递公网IPv6路由信息；传递IPv6标签路由，主要用于配置6PE场景里。
- BGP-IPv4组播地址族视图、BGP-MVPN地址族视图、BGP-IPv6 MVPN地址族视图、BGP-MDT地址族视图等组播相关地址族可以传输跨AS的路由信息，主要应用于MBGP、BIER、NG MVPN、BIERv6和Rosen MVPN。
- BGP-VPNv4地址族、BGP-VPNv6地址族、BGP-VPN实例视图、BGP多实例VPN实例视图、BGP-L2VPN-AD地址族视图、BGP-L2VPN-AD地址族视图等VPN相关地址族主要应用于BGP/MPLS IP VPN、VPWS以及VPLS。
- BGP-EVPN地址族视图、BGP多实例EVPN地址族视图等EVPN相关地址族主要用于配置BGP EVPN对等体，应用于EVPN VPLS、EVPN VPWS以及EVPN L3VPN。EVPN（Ethernet Virtual Private Network）是一种用于二层网络互联的VPN技术。EVPN技术采用类似于BGP/MPLS IP VPN的机制，在BGP协议的基础上定义了一种新的网络层可达信息NLRI（Network Layer Reachability Information）即EVPN NLRI，EVPN NLRI定义了几种新的BGP EVPN路由类型，用于处在二层网络的不同站点之间的MAC地址学习和发布。
- BGP IPv4 SR-Policy地址族视图和BGP IPv6 SR-Policy地址族视图主要应用于Segment Routing MPLS和Segment Routing IPv6。
- BGP-Flow地址族视图、BGP-Flow VPNv4地址族视图、BGP-Flow VPNv6地址族视图、BGP-Flow VPN实例IPv4地址族视图、BGP-Flow VPN实例IPv6地址族视图等Flow相关地址族主要用于防止DoS/DDoS攻击，可以提高网络安全性和可用性。
- BGP-Labeled地址族视图和BGP-Labeled-VPN实例IPv4地址族视图的应用主要在于BGP分标签方案的运营商配置。
- BGP-LS地址族视图主要用于汇总IGP协议收集的拓扑信息上送给上层控制器。
