HCIE课程笔记11-BGP基本原理

时间  2021-01-05 标签 华为路由交换课程笔记 bgp

    BGP是Border Gateway Protocol的简称

    BGP是一种增强的路径矢量路由协议，同时BGP是拥有丰富的策略控制技术的外部网关协议。

    BGP多运行于AS与AS之间

 

一 BGP概述

（1）BGP是一种外部网关协议（EGP），与OSPF、RIP等内部网关协议（IGP）不同，其着眼点不在于自动发现网络拓扑，而在于在AS之间选择最佳路由和控制路由的传播。

（2） BGP使用TCP作为其传输层协议（监听端口号为179），提高了协议的可靠性，且不需要专门的机制来确保连接的可控性。

（3）BGP进行域间的路由选择，对协议的稳定性要求非常高。因此用TCP协议的高可靠性来保证BGP协议的稳定性。

（4）BGP的对等体之间必须在逻辑上连通，并进行TCP连接。

（5）路由更新时，BGP只发送更新的路由，大大减少了BGP传播路由所占用的带宽，适用于在Internet上传播大量的路由信息。

（6）BGP从设计上避免了环路的发生。AS之间：BGP通过携带AS路径信息来标记途经的AS，带有本地AS号的路由将被丢弃，从而避免了域间产生环路。AS内部：BGP在AS内学到的路由不再通告给AS内的BGP邻居，避免了AS内产生环路。

（7）BGP提供了丰富的路由策略，能够对路由实现灵活的过滤和选择。

（8） BGP提供了防止路由振荡的机制，有效提高了Internet网络的稳定性。

（9） BGP易于扩展，能够适应网络新的发展。主要是通过TLV进行扩展。

 

二 BGP基本概念

1 自治系统

AS（autonomous system）是指在一个实体管辖下的拥有相同选路策略的IP网络。

（1）自治系统的典型定义是指由同一个技术管理机构管理，使用统一选路策略的一些路由器的集合。

（2） 每个自治系统都有唯一的自治系统编号，这个编号是由IANA分配的。

（3）自治系统的编号范围是从1到65535，其中1到64511是注册的因特网编号，64512到65535是私有网络编号。

（4）BGP网络中的每个AS都被分配一个唯一的AS号，用于区分不同的AS。AS号分为2字节AS号和4字节AS号，其中2字节AS号的范围为1 至65535，4字节AS号的范围为1至4294967295。支持4字节AS号的设备能够与支持2字节AS号的设备兼容。

2 EBGP和IBGP

 

 

 

 IBGP：运行于同一AS内部的BGP称为IBGP。为了防止AS内产生环路，从IBGP对等体学到的路由不能转发给其他IBGP对等体；所以IBGP对等体相互之间需要建立全连接。

 EBGP：运行于不同AS之间的BGP称为EBGP。为了防止AS间产生环路，当BGP路由器从EBGP对等体接收到路由时，会将带有本地AS号的路由丢弃。

3 BGP报文交互中的角色

 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。

 Peer：相互交换消息的BGP Speaker之间互称对等体（Peer），若干相关的对等体可以构成对等体组（Peer Group）。

 

4 BGP报文

    BGP的运行是通过消息驱动的，共有Open、Update、Notification、Keepalive和Route-Refresh等5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。确认后，对等体间可以进行Update、Notification、Keepalive和Route-Refresh消息的交换。

 Update消息：用于在对等体之间交换路由信息。一条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。

 Keepalive消息：BGP会周期性的向对等体发出Keepalive消息，用来保持连接的有效性。

 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。

 Route-Refresh消息：通过OPEN消息告知BGP peer本地支持路由刷新能力（Route-Refresh capability）。在所有BGP路由器使能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路由器会向对等体发布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路由器。这样，可以在不中断BGP连接的情况下，对BGP路由表进行动态刷新，并应用新的路由策略。

 

BGP报文应用：

 BGP使用TCP建立连接，本地监听端口为179。和TCP连接建立相同，BGP连接的建立也要经过一系列的对话和握手。TCP通过握手协商通告其端口等参数，BGP的握手协商的参数有：

BGP版本、BGP连接保持时间、本地的路由器标识（RouterID）、授权信息等。这些信息都在Open消息中携带。

  BGP连接建立后，如果有路由需要发送则发送Update消息通告对端。Update消息发布路由时，还要携带此路由的路由属性，用以帮助对端BGP协议选择最优路由。在本地BGP路由变化时，要通过Update消息来通知BGP对等体。

 经过一段时间的路由信息交换后，本地BGP和对端BGP都无新路由通告，趋于稳定状态。此时要定时发送KEEPALIVE消息以保持BGP连接的有效性。对于本地BGP，如果在保持时间内，未收到任何对端发来的BGP消息，就认为此BGP连接已经中断，将断开此BGP连接，并删除所有从该对等体学来的BGP路由。

 当本地BGP在运行中发现错误时（如对端BGP版本本地不支持、本地BGP收到了结构非法的Update消息等），要发送Notification消息通告BGP对等体。本地BGP退出BGP连接时，也需发送Notification报文。

BGP报头

 Marker（标记）：16字节，固定为1。

 Length（长度）：两字节无符号整数。指定了消息的全长，包括头部。

 Type（类型）：1 字节，指示报文类型：

• Open

• Update

• Keepalive

• Notification

• Route-Refresh

 

Open报文结构

 Version：BGP的版本号。对于BGPv4来说，其值为4。

 My Autonomous System：本地AS编号。通过比较两端的AS编号可以确定是EBGP连接还是IBGP连接。

 Hold Time：在建立对等体关系时两端要协商Hold time，并保持一致。如果两端所配置的Hold time时间不同，则BGP会选择较小的值作为协商的结果。如果在这个时间内未收到对端发来的Keepalive消息，则认为BGP连接中断。如果保持时间为0，则标识不发送Keepalive报文。

 BGP Identifier：BGP路由器的Router ID，以IP地址的形式表示，用来识别BGP路由器。

 Opt Parm Len（Optional Parameters Length）：可选参数的长度。如果为0则没有可选参数。

 Optional Parameters：是一个可选参数用于BGP验证或多协议扩展（Multiprotocol Extensions）等功能。每一个参数为一个（Parameter Type-Parameter Length-Parameter

Value）三元组 。

 

Update报文结构

 Withdrawn Routes Length ：（2字节无符号整数） 不可达路由长度，表示Withdrawn Routes字段的数据长度。如果Withdrawn Routes Length字段数值为0，则表示Withdrawn

Routes字段没有任何数据，在UPDATE消息中不会被显示。

 Withdrawn Routes ：（变长） 撤销路由。该字段包括一系列的IP地址前缀信息，以<length, prefix>的格式来表示，比如<19,198.18.160.0>表示一个198.18.160.0 255.255.224.0的

网络。

 Path Attribute Length ：（2字节无符号整数） 路由属性长度，表示Path Attribute字段的数据长度。如果Path Attribute Length数值为0，则表示Path Attribute字段没有任何数据，在UPDATE消息中不会被显示。

 Network Layer Reachability Information ：（变长） 网络可达信息。包括一系列的IP地址前缀。格式与撤消路由字段一样<length, prefix>。

 

Keepalive报文结构

 KeepAlive 报文的组成只包括一个BGP数据报头。缺省情况下，发送KeepAlive 的时间间隔为 60 秒，Hold Time是180秒。每次从邻居处接收到KeepAlive 报文将重置Hold Time定时器，如果Hold Time定时器超时，就认为对等体Down掉。

 

Notification报文结构

 Errorcode：错误码。1字节长的字段。每个不同的错误都使用唯一的代码表示，而每一个错误码都可以拥有一个或多个错误子码，但如果某些错误码并不存在错误子码的话，则该错误子码字段以全0表示。

 Errsubcode：错误子码。

 

5 BGP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。

 

 Idle状态是BGP初始状态。在Idle状态下，BGP拒绝邻居发送的连接请求。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。

• 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。

• 任何状态中收到Notification报文或TCP拆除链路通知等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，缺省为32秒），等待TCP完成连接。

• 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；

• 如果TCP连接失败，那么BGP转至Active状态；

• 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。

• 如果发生其他事件（由系统或者操作人员启动的），则退回到Idle状态。

 

 在Active状态下，BGP总是在试图建立TCP连接。

• 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；

• 如果TCP连接失败，那么BGP停留在Active状态；

• 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。

• 如果收到的Open报文正确，那么BGP发送Keepalive报文，并转至OpenConfirm状态；

• 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。

• 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。

• 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。

• Route-refresh报文不会改变BGP状态。

• 如果收到Notification报文，那么BGP转至Idle状态。

• 如果收到TCP连接断开消息，那么BGP断开连接，转至Idle状态。

 

6 对等体之间的交互原则

 

 

BGP对等体交互原则：

(1)从IBGP对等体获得的路由，只发布给EBGP对等体

(2)从EBGP对等体获得的路由，发布给所有EBGP和IBGP对等体

(3)只讲BGP的最优路由发布给对等体

(4)只发送更新的BGP路由

 

 

 

7 数据库

IP路由表（IP-RIB）：全局路由信息库，包括所有IP路由信息；

BGP路由表（Loc-RIB）:BGP路由信息库，包括本地BGP Speaser选择的路由信息；

邻居表：对等体邻居清单列表；

Adj-RIB-In：对等体宣告给本地BGP Speaker的未处理的路由信息库；

Adj-RIB-Out：本地BGP Speaker宣告给指定对等体的路由信息库；

 

8 BGP路由信息处理

 

 

 

BGP路由信息处理：

 （1）当从对等体接收到更新数据包时，路由器会把这些更新数据包存储到路由选择信息库(Routing Information Base, RIB)中，并指明是来自哪个对等体的(Adj-RIB-In)。这些更新数据包被输入策略引擎过滤后，路由器将会执行路径选择算法，来为每一条前缀确定最佳路径。

 （2）得出的最佳路径被存储到本地BGP RIB (Loc-RIB)中，然后被提交给本地IP路由选择表(IP-RIB)，以用作安装考虑。

 （3）除了从对等体接收来的最佳路径外，Loc-RIB也会包含当前路由器注入的(被称为本地发起的路由)，并被选择为最佳路径的BGP前缀。Loc-RIB中的内容在被通告给其他对等体之前，必须通过输出策略引擎。只有那些成功通过输出策略引擎的路由，才会被安装到输出RIB (Adj-RIB-Out)中。

 

9 BGP与IGP交互

 

BGP同步：
在IBGP路由加入路由表并发布给EBGP对等体之前，会先检查IGP路由表。只有在IGP也知道这条IBGP路由时，它才会被加入到路由表，并发布给EBGP对等体。

 

同步是指IBGP和IGP之间的同步，其目的是避免误导外部AS的路由器。

 

二 BGP路由属性特点

BGP路由属性是一套参数，它是对路由的进一步的描述的进一步的描述

（1）公认必遵：所有BGP路由器必须识别，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；

（2）公认任意：所有BGP路由器必须可以识别，但不要求必须存在于Update消息中；缺少这类属性不会导致路由信息出错；

（3）可选过渡：在BGP对等体之间具有可传递性的属性；BGP路由器可以不支持此属性，但它仍然会接受这类属性，并传递给其他对等体；

（4）可选非过渡：如果BGP路由器不支持此属性，则相应的这类属性会被忽略，且不会传递给其他对等体；

 

常用的属性类别如下所示：

 Origin为公认必遵属性

 AS_Path为公认必遵属性

 Next_Hop为公认必遵属性

 Local_Pref为公认任意属性

 community为可选过渡属性

 MED为可选非过渡属性

 Originator_ID为可选非过渡属性

 Cluster_List为可选非过渡属性

 

 

Origin

 

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：

(1) 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。标识符为”i”;

(2) EGP：优先级次之。通过EGP得到的路由信息，其Origin属性为EGP。标识符为“e”；

(3) 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。标识符为“?”;

 

 

AS_Path

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路由器从EBGP对等体接收路由时，如果发现AS_Path列表中有本AS号，则不接收该路由，从而避免了AS间的路由环路。

 

   当BGP Speaker本地通告一条路由时：

  (1)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。

  (2)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:

  (1)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路由器根据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。

  (2)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.

拓扑描述：

 当R4将网段10.0.0.0/24通告给AS400和AS100时，会在AS_PATH中添加自己的AS号。当R5将网段10.0.0.0/24通告给AS100时，也会添加添加自己的AS号。当AS100内的R1、R3和R2之间将网段10.0.0.0/24相互通告时，AS_PATH属性不会改变，在其他BGP选路条件相同的前提下，BGP会选择AS_PATH路径最短的，即选择通过R3直达R4的路由。

 

Next_Hop

 

 

      Next_Hop属性记录了路由的下一跳信息。BGP的下一跳属性和IGP的有所不同，不一定就是邻居设备的IP地址。通常情况下，Next_Hop属性遵循下面的规则：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

 

 

Local_Pref

Local_Pref属性

 (1)该属性仅在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。

 (2)该属性用于判断流量离开AS时的最佳路由。当BGP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。

 

 

 

MED

    MED属性用于判断流量进入AS时的最佳路由，当一个运行BGP的设备通过不同的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。

    MED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属性可以手动配置，如果路由没有配置MED属性，BGP选路时将该路由的MED值按缺省值0来处理。

 

 

 

团体属性

   团体属性是一组有相同特征的目的地址的集合。团体属性用一组以4字节为单位的列表来表示，设备中团体属性的格式是aa:nn或团体号。

   团体属性属于可选过度属性，团体属性分为自定义团体属性和公共团体属性。

   公共团体属性有如下四类：

（1）Internet：缺省情况下，所有的路由都属于Internet团体。具有此属性的路由可以被通告给所有的BGP对等体。

（2） No_Advertise：具有此属性的路由在收到后，不能被通告给任何其他的BGP对等体。

（3）No_Export：具有此属性的路由在收到后，不能被发布到本地AS之外。如果使用了联盟，则不能被发布到联盟之外，但可以发布给联盟中的其他子AS。

（4）No_Export_Subconfed：具有此属性的路由在收到后，不能被发布到本地AS之外，也不能发布到联盟中的其他子AS。

  

 

四 BGP选路原则

当到达同一目的地存在多条路由时，BGP依照如下策略顺序进行路由选择：

  1. 如果此路由的下一跳不可达，忽略此路由；
  2. 优选协议首选值（PrefVal）最高的路由；华为设备的特有属性，仅在本地有效；
  3. 优选本地优先级（Local_Pref）最高的路由；缺省本地优先级100，可以通过执行default local-preference命令可以修改BGP路由的缺省本地优先级；
  4. 优选本地生成的路由；包括通过network命令或import-route命令引入的路由、手动聚合路由和自动聚合路由。优选聚合路由（聚合路由优先级高于非聚合路由）；通过aggregate命令生成的手动聚合路由的优先级高于summary automatic命令生成的自动聚合路由；通过network命令引入的路由优先级高于通过import-route命令引入的路由；
  5. 优选AS路径（AS_Path）最短的路由;AS_Path的长度不包括AS_CONFED_SEQUENCE和AS_CONFED_SET;AS_SET的长度为1，无论AS_SET中包括多少AS号；执行bestroute as-path-ignore命令后，BGP选路时，忽略AS_Path的比较。
  6. 比较Origin属性，依次优选Origin类型为IGP、EGP、Incomplete;
  7. 优选MED值最低的路由；BGP只比较来自同一个AS（不包括联盟的子AS）的路由的MED值；缺省值为0；执行bestroute med-none-as-maximum命令后，BGP选路时将该路由的MED值安最大值来处理；
  8. 优选从EBGP邻居学来的路由（EBGP路由优先级高于IBGP的路由）；
  9. 优选到下一跳IGP Metric较小的路由；
  10. 优选Cluster_List最短的路由；
  11. 优选Router ID最小的路由器发布的路由；
  12. 比较对等体的IP Address，优选从具有较小IP Adddress的对等体学来的路由

 

负载分担：当到达同一目的地址存在多条等价路由时，可以通过BGP等价负载分担实现均衡流量的目的；形成BGP等价负载分担的条件是：BGP选路规则中“到下一跳的IGP metric”这条规则之前所有需要比较的属性完全相同。

 

五 BGP扩展特性

安全特性

BGP安全特性：

 （1）MD5：BGP使用TCP作为传输层协议，为提高BGP的安全性，可以在建立TCP连接时进行MD5认证。但BGP的MD5认证并不能对BGP报文认证，它只是为TCP连接设置MD5认证密码，由TCP完成认证。如果认证失败，则不建立TCP连接。  

   （2）限制从对等体接收的路由数量，防止资源耗尽性攻击。

   （3）AS_Path长度保护。通过在入口和出口两个方向对AS_Path的长度进行限定，直接丢弃AS_Path超限的报文。

 

 

路由衰减

    路由衰减（Route Dampening）用来解决路由不稳定的问题。多数情况下，BGP协议都应用于复杂的网络环境中，路由变化十分频繁。为了防止持续的路由振荡带来的不利影响，BGP使用路由衰减来抑制不稳定的路由。

    BGP衰减使用惩罚值（Penalty Value）来衡量一条路由的稳定性，惩罚值越高则说明路由越不稳定。路由每发生一次振荡（路由从激活状态变为未激活状态，称为一次路由振荡），BGP便会给此路由增加一定的惩罚值（1000）。当惩罚值超过抑制阈值（Suppress Value）时，此路由被抑制，不加入到路由表中，也不再向其他BGP对等体发布更新报文。被抑制的路由每经过一段时间，惩罚值便会减少一半，这个时间称为半衰期（Half-life）。当惩罚值降到再使用阈值（Reuse Value）时，此路由变为可用并被加入到路由表中，同时向其他BGP对等体发布更新报文。上文提到的惩罚值、抑制阈值和半衰期都可以手动配置。路由衰减只适用于EBGP路由。对于从IBGP收来的路由不能进行衰减，因为IBGP路由经常含有本AS的路由，内部网络路由要求转发表尽可能一致，IGP快速收敛就是为了达到信息同步，转发一致。如果衰减对IBGP路由起作用，不同设备的衰减参数不一致时，会导致转发表不一致。

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