BGP漫谈

2020-07-02 00:00:00 互联网 信息 路由 小明 公网

什么是BGP

BGP全称是Border Gateway Protocol, 对应中文是边界网关协议。这个名字比较抽象，而维基中文的解释我觉得比较好（维基英文甚至都没有类似的解释）。BGP是互联网上一个核心的去中心化自治路由协议。从这个解释来看，首先这是一个用于互联网（Internet）上的路由协议。它的地位是核心的（目前是重要的，互联网上使用的路由协议），它的目的是去中心化，以达到各个网络自治。不过还是有点抽象？


先看看几个相关的概念：
  • AS（Autonomous system）：自治系统，指在一个（有时是多个）组织管辖下的所有IP网络和路由器的全体，它们对互联网执行共同的路由策略。也就是说，对于互联网来说，一个AS是一个独立的整体网络。而BGP实现的网络自治也是指各个AS自治。每个AS有自己的编号。
  • IGP（Interior Gateway Protocol）：内部网关协议，在一个AS内部所使用的一种路由协议。一个AS内部也可以有多个路由器管理多个网络。各个路由器之间需要路由信息以知道子网络的可达信息。IGP就是用来管理这些路由。代表的实现有RIP和OSPF。
  • EGP（Exterior Gateway Protocol）：外部网关协议，在多个AS之间使用的一种路由协议，现在已经淘汰，被BGP取而代之。

由于BGP就是为了替换EGP而创建，它的地位与EGP相似。但是BGP也可以应用在一个AS内部。因此BGP又可以分为IBGP（Interior BGP ：同一个AS之间的连接）和EBGP（Exterior BGP：不同AS之间的BGP连接）。既然EGP已经被替代了，那EBGP的存在比较好理解，但是IGP协议都还活得好好的（这里指的是OSPF），那IBGP的意义何在？IGP的协议是针对同一个AS网络来设计的，一个自治网络的规模一般都不大，所以设计的时候就没有考虑大规模网络的情况。而当一个自治网络足够大时，OSPF存在性能瓶颈（后面会说明）。BGP本身就是为了在Internet工作，其设计就是为了满足大型网络的要求，所以大型私有IP网络内部可以使用IBGP。总的来说，这几类路由协议，小规模私有网络IGP，大规模私有网络IBGP，互联网EBGP。

为什么需要BGP

BGP号称是使互联网工作的协议，看起来似乎很重要，为什么平常的生活中很少接触呢？似乎云里面也不怎么提BGP，我们来看看原因吧。

假设小明正在搭建一个云环境，提供虚拟机服务。



云里的虚机需要有互联网访问能力，于是小明向ISP（Internet service provider）申请了一个公网IP，这里的ISP可以是联通，移动，电信等等。虚机们可以通过路由器的NAT/PAT（Network / Port address translation）将自己的私网IP转换成这个公网IP，然后小明在云中路由器上将ISP router的地址设为默认路由。这样地址转换之后的IP包都发送到了ISP，进而发送到了互联网（这也是我们家用路由器能让家里的设备上网的原理）。这样小明的1.0版本云简单上线。这里小明不需要BGP。

版本上线之后怎么办？当然是开发下一版本！下一版本的需求是可以通过互联网访问虚机（也就是从互联网访问我们家里的电脑）。这个也不难，可以通过端口转发（Port Forward），将虚机的一个端口与公网IP的端口进行映射。例如将虚机的22端口映射到公网IP的1122端口，那么可以通过互联网ssh到公网IP:1122，登陆虚机。这部分工作仍然是在小明的云中路由器完成。这样，小明的2.0版本云上线了，这里小明还是不需要BGP。

2.0版本虽然支持了从互联网访问虚机，但是还有问题：

  1. 每个虚机每开放一个端口都需要映射一次
  2. 公网IP的端口是有限的

为了解决这些问题，小明向联通申请了一些公网IP地址，对于需要从外网访问的虚机，直接给它们分配公网IP。这样小明的3.0版本云上线了，这里小明还是不需要BGP。因为：
  1. 联通是小明云连接的ISP，小明只能通过联通访问互联网，所以小明的云中路由器的默认路由只能设置成ISP 路由器的地址。
  2. 小明云里面的公网IP都是联通分配的，联通当然知道该从哪个IP地址作为下一跳去访问那些IP地址。

联通的IP毕竟是有限的，而且联通还老是断线。这都发布3个版本了，小明决定干一票大的。

首先，小明向IANA（Internet Assigned Numbers Authority）申请了自己的公网IP池。因为有了自己的公网IP，也必须要考虑申请AS号。AS号是一个16bit的数字，全球共用这60000多个编号。1 – 64511 是全球的，而 64512 – 65535 是可以自用的，类似于私网网段。每个自治网络都需要申请自己的AS编号，联通的AS号是9800。

然后，小明分别向联通和电信买了线路，这样就算联通断线还能用电信。

那现在问题来了：

  1. 联通或者电信怎么知道小明申请的公网IP是什么。换言之，我现在拨号拨进了联通宽带，我怎么才能访问到小明云的公网IP？
  2. 小明的云中路由器的默认路由该设置到联通的ISP路由器，还是电信的？

终于，在小明的4.0版本云上，小明需要用BGP了。通过BGP，小明可以将自己云中的路由信息发送到联通，电信，这样ISP就知道了改如何访问小明的公网虚拟机，也就是说我们普通的使用者通过ISP，能访问到小明的网络。另一方面，通过在云中运行BGP服务，小明可以管理云中路由器的默认路由。

总的来说，要是你之前没有听过或者用过BGP，只能说你的网络还没有到那个规模 ：）

BGP协议

BGP可以说是复杂的路由协议。它是应用层协议，其传输层使用TCP，默认端口号是179。因为是应用层协议，可以认为它的连接是可靠的，并且不用考虑底层的工作，例如fragment，确认，重传等等。BGP是使用TCP作为传输层的路由协议，其他的路由协议可能都还到不了传输层。

TCP连接的窗口是65K字节，也就是说TCP连接允许在没有确认包的情况下，连续发送65K的数据。而其他的路由协议，例如EIGRP和OSPF的窗口只有一个数据包，也就是说前一个数据包收到确认包之后，才会发送下一个数据包。当网络规模巨大时，需要传输的数据也相应变大，这样效率是非常低的。这也是它们不适合大规模网络的原因。而正是由于TCP可以可靠的传输大量数据，且互联网的路由信息是巨大的，TCP被选为BGP的传输层协议，并且BGP适合大规模网络环境。

和大部分协议一样，BGP的数据由header和data组成。Header有19个字节，所有的BGP数据的Header格式是一样的。

Marker有16个字节长，存储着同步信息和加密信息。Length2个字节，包含header在内的长度。Type1个字节，表示当前BGP数据的类型，具体有4类：


  • Open（code 1）：TCP连接建立之后，BGP发送的个包。收到Open之后，BGP peer会发送一个Keepalive消息以确认Open。其他所有的消息都只会在Open消息确认之后，并且BGP连接已经建立之后发送。
  • Update（code 2）：BGP连接后的Update会交换整个BGP route table，之后的Update只会发送变化了的路由信息。所以说BGP是动态的传输路由消息的变化。
  • Notification（code 3）：出错时发送的消息，这个消息一旦发送，BGP连接将会中断。
  • Keepalive（code 4）：没有data，只有header。用来保持BGP连接，通常是1/3的BGP session hold time。默认是60秒，如果hold time是0，不会发送Keepalive。

每一种BGP数据的data都不相同，这些都由网络设备商实现了，简单看一下Open和Update的data吧。

BGP Open 数据，由于是发送的个包，因此就是一些配置信息。例如自身的AS号，BGP连接的超时时间（hold time），BGP id。

BGP Update 数据，主要就是交换Network Layer Reachability Information (NLRI)。一个Update数据包里面只会有一条path的路由信息，因此只有一组path attribute，但是路由可以有多条。具体的说，一个BGP router可能连接了多个BGP peer router，那么它在发送BGP Update数据时，一次只会发送一个它的BGP peer router的信息。


BGP如何工作

BGP是一种路径矢量协议（Path vector protocol）的实现。因此，它的工作原理也是基于路径矢量。首先说明一下，下面说的BGP route指的是BGP自己维护的路由信息，区分于设备的主路由表，也就是我们平常看见的那个路由表。BGP route是BGP协议传输的数据，并存储在BGP router的数据库中。并非所有的BGP route都会写到主路由表。每条BGP route都包含了目的网络，下一跳和完整的路径信息。路径信息是由AS号组成，当BGP router收到了一条 路由信息，如果里面的路径包含了自己的AS号，那它就能判定这是一条自己曾经发出的路由信息，收到的这条路由信息会被丢弃。

这里把每个BGP服务的实体叫做BGP router，而与BGP router连接的对端叫BGP peer。每个BGP router在收到了peer传来的路由信息，会存储在自己的数据库，前面说过，路由信息包含很多其他的信息，BGP router会根据自己本地的policy结合路由信息中的内容判断，如果路由信息符合本地policy，BGP router会修改自己的主路由表。本地的policy可以有很多，举个例子，如果BGP router收到两条路由信息，目的网络一样，但是路径不一样，一个是AS1->AS3->AS5，另一个是AS1->AS2，如果没有其他的特殊policy，BGP router会选用AS1->AS2这条路由信息。policy还有很多其他的，可以实现复杂的控制。


除了修改主路由表，BGP router还会修改这条路由信息，将自己的AS号加在BGP数据中，将下一跳改为自己，并且将自己加在路径信息里。在这之后，这条消息会继续向别的BGP peer发送。而其他的BGP peer就知道了，可以通过指定下一跳到当前BGP router，来达到目的网络地址。


所以说，BGP更像是一个可达协议，可达信息传来传去，本地根据收到的信息判断决策，再应用到路由表。

就像前面说的BGP是复杂的路由协议，本篇就讲了些基本概念。下一篇看看OpenStack里面的BGP项目： neutron-dynamic-routing

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