BGP漫談

什麼是BGP

BGP全稱是Border Gateway Protocol, 對應中文是邊界網關協議。這個名字比較抽象，而維基中文的解釋我覺得比較好（維基英文甚至都沒有類似的解釋）。BGP是互聯網上一個核心的去中心化自治路由協議。從這個解釋來看，首先這是一個用於互聯網（Internet）上的路由協議。它的地位是核心的（目前是最重要的，互聯網上唯一使用的路由協議），它的目的是去中心化，以達到各個網路自治。不過還是有點抽象？

先看看幾個相關的概念：

• AS（Autonomous system）：自治系統，指在一個（有時是多個）組織管轄下的所有IP網路和路由器的全體，它們對互聯網執行共同的路由策略。也就是說，對於互聯網來說，一個AS是一個獨立的整體網路。而BGP實現的網路自治也是指各個AS自治。每個AS有自己唯一的編號。

• IGP（Interior Gateway Protocol）：內部網關協議，在一個AS內部所使用的一種路由協議。一個AS內部也可以有多個路由器管理多個網路。各個路由器之間需要路由信息以知道子網路的可達信息。IGP就是用來管理這些路由。代表的實現有RIP和OSPF。

• EGP（Exterior Gateway Protocol）：外部網關協議，在多個AS之間使用的一種路由協議，現在已經淘汰，被BGP取而代之。

由於BGP就是為了替換EGP而創建，它的地位與EGP相似。但是BGP也可以應用在一個AS內部。因此BGP又可以分為IBGP（Interior BGP ：同一個AS之間的連接）和EBGP（Exterior BGP：不同AS之間的BGP連接）。既然EGP已經被替代了，那EBGP的存在比較好理解，但是IGP協議都還活得好好的（這裡指的是OSPF），那IBGP的意義何在？IGP的協議是針對同一個AS網路來設計的，一個自治網路的規模一般都不大，所以設計的時候就沒有考慮大規模網路的情況。而當一個自治網路足夠大時，OSPF存在性能瓶頸（後面會說明）。BGP本身就是為了在Internet工作，其設計就是為了滿足大型網路的要求，所以大型私有IP網路內部可以使用IBGP。總的來說，這幾類路由協議，小規模私有網路IGP，大規模私有網路IBGP，互聯網EBGP。

為什麼需要BGP

BGP號稱是使互聯網工作的協議，看起來似乎很重要，為什麼平常的生活中很少接觸呢？似乎雲裡面也不怎麼提BGP，我們來看看原因吧。

假設小明正在搭建一個雲環境，提供虛擬機服務。

雲里的虛機需要有互聯網訪問能力，於是小明向ISP（Internet service provider）申請了一個公網IP，這裡的ISP可以是聯通，移動，電信等等。虛機們可以通過路由器的NAT/PAT（Network / Port address translation）將自己的私網IP轉換成這個公網IP，然後小明在雲中路由器上將ISP router的地址設為默認路由。這樣地址轉換之後的IP包都發送到了ISP，進而發送到了互聯網（這也是我們家用路由器能讓家裡的設備上網的原理）。這樣小明的1.0版本雲簡單上線。這裡小明不需要BGP。

版本上線之後怎麼辦？當然是開發下一版本！下一版本的需求是可以通過互聯網訪問虛機（也就是從互聯網訪問我們家裡的電腦）。這個也不難，可以通過埠轉發（Port Forward），將虛機的一個埠與公網IP的埠進行映射。例如將虛機的22埠映射到公網IP的1122埠，那麼可以通過互聯網ssh到公網IP:1122，登陸虛機。這部分工作仍然是在小明的雲中路由器完成。這樣，小明的2.0版本雲上線了，這裡小明還是不需要BGP。

2.0版本雖然支持了從互聯網訪問虛機，但是還有問題：

1. 每個虛機每開放一個埠都需要映射一次

2. 公網IP的埠是有限的

為了解決這些問題，小明向聯通申請了一些公網IP地址，對於需要從外網訪問的虛機，直接給它們分配公網IP。這樣小明的3.0版本雲上線了，這裡小明還是不需要BGP。因為：

1. 聯通是小明雲唯一連接的ISP，小明只能通過聯通訪問互聯網，所以小明的雲中路由器的默認路由只能設置成ISP 路由器的地址。
2. 小明雲裡面的公網IP都是聯通分配的，聯通當然知道該從哪個IP地址作為下一跳去訪問那些IP地址。

聯通的IP畢竟是有限的，而且聯通還老是斷線。這都發布3個版本了，小明決定干一票大的。

首先，小明向IANA（Internet Assigned Numbers Authority）申請了自己的公網IP池。因為有了自己的公網IP，也必須要考慮申請AS號。AS號是一個16bit的數字，全球共用這60000多個編號。1 – 64511 是全球唯一的，而 64512 – 65535 是可以自用的，類似於私網網段。每個自治網路都需要申請自己的AS編號，聯通的AS號是9800。

然後，小明分別向聯通和電信買了線路，這樣就算聯通斷線還能用電信。

那現在問題來了：

1. 聯通或者電信怎麼知道小明申請的公網IP是什麼。換言之，我現在撥號撥進了聯通寬頻，我怎麼才能訪問到小明雲的公網IP？
2. 小明的雲中路由器的默認路由該設置到聯通的ISP路由器，還是電信的？

終於，在小明的4.0版本雲上，小明需要用BGP了。通過BGP，小明可以將自己雲中的路由信息發送到聯通，電信，這樣ISP就知道了改如何訪問小明的公網虛擬機，也就是說我們普通的使用者通過ISP，能訪問到小明的網路。另一方面，通過在雲中運行BGP服務，小明可以管理雲中路由器的默認路由。

總的來說，要是你之前沒有聽過或者用過BGP，只能說你的網路還沒有到那個規模 ：）

BGP協議

BGP可以說是最複雜的路由協議。它是應用層協議，其傳輸層使用TCP，默認埠號是179。因為是應用層協議，可以認為它的連接是可靠的，並且不用考慮底層的工作，例如fragment，確認，重傳等等。BGP是唯一使用TCP作為傳輸層的路由協議，其他的路由協議可能都還到不了傳輸層。

TCP連接的窗口是65K位元組，也就是說TCP連接允許在沒有確認包的情況下，連續發送65K的數據。而其他的路由協議，例如EIGRP和OSPF的窗口只有一個數據包，也就是說前一個數據包收到確認包之後，才會發送下一個數據包。當網路規模巨大時，需要傳輸的數據也相應變大，這樣效率是非常低的。這也是它們不適合大規模網路的原因。而正是由於TCP可以可靠的傳輸大量數據，且互聯網的路由信息是巨大的，TCP被選為BGP的傳輸層協議，並且BGP適合大規模網路環境。

和大部分協議一樣，BGP的數據由header和data組成。Header有19個位元組，所有的BGP數據的Header格式是一樣的。

Marker有16個位元組長，存儲著同步信息和加密信息。Length2個位元組，包含header在內的長度。Type1個位元組，表示當前BGP數據的類型，具體有4類：

• Open（code 1）：TCP連接建立之後，BGP發送的第一個包。收到Open之後，BGP peer會發送一個Keepalive消息以確認Open。其他所有的消息都只會在Open消息確認之後，並且BGP連接已經建立之後發送。

• Update（code 2）：BGP連接後的首次Update會交換整個BGP route table，之後的Update只會發送變化了的路由信息。所以說BGP是動態的傳輸路由消息的變化。

• Notification（code 3）：出錯時發送的消息，這個消息一旦發送，BGP連接將會中斷。

• Keepalive（code 4）：沒有data，只有header。用來保持BGP連接，通常是1/3的BGP session hold time。默認是60秒，如果hold time是0，不會發送Keepalive。

每一種BGP數據的data都不相同，這些都由網路設備商實現了，簡單看一下Open和Update的data吧。

BGP Open 數據，由於是發送的第一個包，因此就是一些配置信息。例如自身的AS號，BGP連接的超時時間（hold time），BGP id。

BGP Update 數據，主要就是交換Network Layer Reachability Information (NLRI)。一個Update數據包裡面只會有一條path的路由信息，因此只有一組path attribute，但是路由可以有多條。具體的說，一個BGP router可能連接了多個BGP peer router，那麼它在發送BGP Update數據時，一次只會發送一個它的BGP peer router的信息。

BGP如何工作

BGP是一種路徑矢量協議（Path vector protocol）的實現。因此，它的工作原理也是基於路徑矢量。首先說明一下，下面說的BGP route指的是BGP自己維護的路由信息，區分於設備的主路由表，也就是我們平常看見的那個路由表。BGP route是BGP協議傳輸的數據，並存儲在BGP router的資料庫中。並非所有的BGP route都會寫到主路由表。每條BGP route都包含了目的網路，下一跳和完整的路徑信息。路徑信息是由AS號組成，當BGP router收到了一條 路由信息，如果裡面的路徑包含了自己的AS號，那它就能判定這是一條自己曾經發出的路由信息，收到的這條路由信息會被丟棄。

這裡把每個BGP服務的實體叫做BGP router，而與BGP router連接的對端叫BGP peer。每個BGP router在收到了peer傳來的路由信息，會存儲在自己的資料庫，前面說過，路由信息包含很多其他的信息，BGP router會根據自己本地的policy結合路由信息中的內容判斷，如果路由信息符合本地policy，BGP router會修改自己的主路由表。本地的policy可以有很多，舉個例子，如果BGP router收到兩條路由信息，目的網路一樣，但是路徑不一樣，一個是AS1->AS3->AS5，另一個是AS1->AS2，如果沒有其他的特殊policy，BGP router會選用AS1->AS2這條路由信息。policy還有很多其他的，可以實現複雜的控制。

除了修改主路由表，BGP router還會修改這條路由信息，將自己的AS號加在BGP數據中，將下一跳改為自己，並且將自己加在路徑信息里。在這之後，這條消息會繼續向別的BGP peer發送。而其他的BGP peer就知道了，可以通過指定下一跳到當前BGP router，來達到目的網路地址。

所以說，BGP更像是一個可達協議，可達信息傳來傳去，本地根據收到的信息判斷決策，再應用到路由表。

就像前面說的BGP是最複雜的路由協議，本篇就講了些基本概念。下一篇看看OpenStack裡面的BGP項目： neutron-dynamic-routing

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