BGP基础原理和状态机分析

概述：

BGP (Border Gateway Protocol) 边界网关协议，是一种在自治系统AS (Autonomous System)之间传递并选择最佳路由的高级矢量路由协议。早期发布的三个版本分别是BGP-1 (RFC1105)、 BGP-2 (RFC1163)和BGP-3 ( RFC1267)，1994 年开始使用BGP-4(RFC1771)，2006年之后单播IPv4网络使用的版本是BGP-4 (RFC4271)， BGP的当前版本是BGP-4 (RFC4271)。

BGP能够进行路由优选，避免路由环路，能更高效率地传递路由和维护大量的路由信息。

虽然BGP用于在AS之间传递路由信息，但并不是所有AS之间传递路由信息都需要运行BGP。比如在数据中心上行连入Internet的出口上，为了避免Internet海量路由对数据中心内部网络的影响，设备采用静态路由代替BGP与外部网络通信。

BGP的优势：

BGP从多方面保证了网络的安全性、灵活性、稳定性、可靠性和高效性。
BGP采用认证和GTSM的方式，保证了网络的安全性。
BGP提供了丰富的路由策略，能够灵活地进行路由选路，并且能指导邻居按策略发布路由。
BGP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。
BGP使用TCP作为其传输层协议(端口号为179)，并支持BGP与BFD联动、BGP Tracking和BGP GR，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，BGP使用按组打包技术极大地提高了BGP打包发包性能。

路径矢量路由协议：

BGP是一种路径矢量协议，和IGP中的距离矢量协议不同（如RIP），是将AS作为一个节点来计算，因此每一个节点都依靠下游邻居来将它的路由表中的路由传递下去，节点在路由的基.上进行路由计算并且将结果传递给上游邻居。BGP到它每一个运行BGP的对等体都形成一个独特的、基于单播的连接，为了提供对等体连接的可靠性，BGP使用TCP (端口号179)作为底层的传输机制。不同的是IGP协议以一个路由器作为一个节点，而BGP协议以一个AS作为节点，BGP使用的是一个AS的列表，数据包经过这些AS才能够到达目的，因为这些列表中记录了数据包所经过的路径，因此将BGP称为路径向量路由协议。

与BGP路由相关的AS号列表被称为AS_ PATH（这也是路径矢量的精髓）。EGP协议无法解决环路问题，而BGP可以通过AS_ PATH属性来检测环路，如果路由器中收到一个更新消息中存在本地的AS号，就说明存在环路，具体防环内容在后面笔记中分析。。

IGP和BGP的区别：

功能上的区别：BGP的功能主要是在不同AS间传递路由表，而IGP主要却是在一个AS中发现和计算路由。
AS号的区别：在BGP中，AS号用于标识路由器属于那个组织，决定两个对等体建立邻居关系是IBGP还是EBGP。在IGP中，比如OSPF，只是一个进程标识，本地有意义；EIGRP中AS的作用也用于标识路由器属于哪个AS，属于不同AS的路由器不能建立邻居关系。
转发表的区别：BGP没有给出每个AS域内的拓扑结构，因此BGP只能看到AS树，而IGP只能看到AS域内拓扑结构。
network的区别： BGP中：network将路由宣告给BGP邻居，也可做为汇总的手段。无论是宣告还是汇总，都必需在IGP表中存在精确路由。因此，用作汇总时，须写一条指向null 0的静态路由。 IGP中：network的作用是告诉路由器哪些接口启用该协议。
next-hop的区别： BGP的下一跳与IGP有所不同，它可以是通告此路由的对等体的地址，如EBGP，这同 IGP是相同的。而在其它情况下，BGP使用第三方的下一跳，如 IBGP对从 EBGP对等体获得的下一跳不加改变的在自治系统内传递；在多路访问媒体上，BGP以路由的实际来源为下一跳，即使它不是BGP对等体。
通告路由的区别： BGP采用发送路由增量（Incremental）的方法，完成全部路由信息的通告和维护：初始化时发送所有的路由给BGP对等体（BGP Peer），同时在本地保存了已经发送给 BGP对等体的路由信息。当本地的 BGP收到了一条新路由时（如通过 IGP 注入了新路由或加入了新的静态路由），与保存的已发送信息进行比较，如未发送过，则发送，如已发送过则与已经发送的路由进行比较，如新路由花费更小，则发送此新路由，同时更新已发送信息，反之则不发送。当本地BGP发现一条路由失效时（如对应端口失效），如此路由已发送过，则向BGP对等体发送一个撤消路由消息。对于IGP，虽也存在增量更新，但更新方式不太一样。当感知网络拓扑发生变化时，本地路由协议只将更新的路由发送出去；当收到新路由时，和已存在的路由表比较选出最优的放进路由表，若比较结果路由表发生改变，将变化部分发送给邻居。这两种情况都不保存任何已发送信息，路由选择的工作由对端来完成；而 BGP必须为每个 BGP对端保存已经发送的路由信息（在BGP表中），以便发送一条新路由前确认其是否真的应该发送。
传输层协议的区别：BGP采用的是TCP进行传递路由，需要手动指定邻居，不能自己发现邻居，所以可以是多跳，保证了路由传递的可靠性，而在IGP中都是通过UDP+组播的情况进行传输的。
路由更新时的区别：BGP只采用增量更新，并且只有新的路由条目的时候触发，不会进行周期性更新，并且只发送更新的路由条目。在IGP中都是采用的周期更新加触发更新。BGP不采用周期性更新的原因是避免条目太多，更新时网络拥塞或崩溃。（BGP虽然只发送路由条目，但是有很多选路属性，更新的时候字节数比较大）

BGP接入：

事实上并不是所有的网络都需要使用BGP，在一个单一的企业网内，通常使用IGP协议做路由策略就足够了，因为IGP具有收敛速度快，部署简单的特点。但是如果需要跨运营商在不同的自治系统之间传递路由时，就必须用到BGP了。使用BGP大部分都设计Internet的连接，在用户与ISP之间或者在ISP与ISP之间，但即使是自治系统之间，BGP也不是必须要使用的。例如以下几种场景无需使用BGP：

单宿主自治系统。用户和ISP之间只有一条线连接，在这种场景下面，BGP或者IGP都是没有必要的，当链路出现故障时，不需要路由协议来选路，只需要一条缺省路由就可以，并把缺省路由通告到AS内其他路由器，如左图所示。
多宿主到单一的自治系统。用户和ISP之间有多条链路，多宿主到一个ISP典型的做法是使用一条链路作为主用链路，另外一条链路作为备用链路。此时也不需要运行BGP，只需要将备份链路的路由优先级设置较高，只有当主链路失效以后才使用备份链路，如右图所示。

BGP基本概念：

自治系统（AS）：
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AS是指在一个实体管辖下的拥有相同选路策略的IP网络：

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。
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（全局进行分配）。
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。
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。（注意AS号为0是不能使用的）（私网AS号:64512-65535，一共1024个）（一个设备上的BGP只能存在于一个AS号中（AS没有多个进程）。）

对等体：
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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。

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）。

IBGP与EBGP之间的不同点：

AS号，IBGP邻居关系之间的AS号相同，EBGP邻居间的AS号必须不同。
IBGP常使用回环口进行邻居建立，而EBGP常使用物理接口进行邻居建立。为什么IBGP建立邻居关系经常使用回环口，而EBGP使用的是物理接口：
一般EBGP建立关系直接用直连的接口建立即可，因为一般EBGP传递只有一跳，并且用回环口建立邻居关系是为了保证一个冗余环境，但是大多是EBGP邻居间只有一条链路，也就是无论用物理接口或者回环口建立当链路一断开，连接始终会断开的，不存在一个冗余环境，只用物理接口建立即可，回环口配置过于麻烦；当然，如果有多条链路，还是建议用回环口和静态路由进行建立的。而对于IBGP来说，在一个AS中一般是有多条链路互通的，当一条链路断开后，IGP路由重新收敛，保证建立BGP邻居关系的回环口依然能够传递条目，保证了一个链路的冗余，并且回环口一般除了路由性能Down了，是不会down掉的，除非自己undo掉，很稳定。
下一跳是否修改，IBGP不会修改条目下一跳，EBGP传递时会修改下一跳为自己。
TTL值不同，IBGP为255，EBGP为1。
条目转发机制，从IBGP对等体获得的BGP路由，只发给它的EBGP对等体，从EBGP对等体获得的BGP路由，发给他的EBGP和IBGP对等体。
AS是否会添加，EBGP传递时需要添加自己的AS号，而IBGP之间传不会。
是否会过滤对应的属性，因为属性传递的范围不同。

相同点：

当存在多条到达同一目的地址的有效路由时，BGP设备只将最优路由发布给对等体。
路由更新时，BGP路由设备只发送要更新的BGP路由，而不是发送整个路由表。
所有对等体发送的路由,BGP设备都会接收。

BGP的报文种类：

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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。
• 一条Update消息可以发布多条具有相同路由属性的可达路由，这些路由可共享一组路由属性。所有包含在一个给定的Update消息里的路由属性适用于该Update消息中的NLRI（Network Layer Reachability Information）字段里的所有目的地（用IP前缀表示）。
• 一条Update消息可以撤销多条不可达路由。每一个路由通过目的地（用IP前缀表示），清楚的定义了BGP Speaker之间先前通告过的路由。
• 一条Update消息可以只用于撤销路由，这样就不需要包括路径属性或者NLRI。相反，也可以只用于通告可达路由，就不需要携带撤销路由信息了。
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邻居关系建立：

BGP的路由器标识( Router_ ID )：
BGP的Router__ID是一个用于标识BGP设备的32位的值，通常是IPv4地址的形式，在BGP会话建立时发送的Open报文中携带。对等体之间建立BGP会话时，每个BGP设备都必须有唯一的Router_ID，否则对等体之间不能建立BGP连接。

BGP的Router_ ID 在BGP网络中必须是唯一的，可以采用手动配置，也可以让BGP自己在设备上选取。缺省情况下，BGP选择设备上的Loopback接口的IPv4地址作为BGP的Router_ ID。如果设备.上没有配置Loopback接口，系统会选择接口中最大的IPv4地址作为BGP的Router_ID一旦选出Router_ID,除非发生进程重启或接口地址删除等事件，否则即使配置了更大的地址，也保持原来的Router_ ID。

BGP有限状态机：

BGP的有限状态机描述了BGP的邻居的建立和维护过程，状态机共分为6种，分别是Idle、Connect、 Active、 OpenSent、 OpenConfirm 和Established。如下图所示：
在这里插入图片描述

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（一般可以理解为有目标路由），重置连接重传定时器（Connect Retry，缺省为32秒，可以称为Idle定时器），超时后，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。
• 查看信息可以看到，在Idle状态保持了32s后，迅速建立了BGP邻居关系，到达establish状态。
在Connect状态下，BGP启动连接重传定时器，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（收到了RST报文），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（例如对端没有本端的路由），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，例如重置BGP进程），则退回到Idle状态。
• 停留在Connect状态的时候，抓包情况如下：Connect状态端主动不断尝试连接，目的端口是对方的TCP179端口，源端口地址为随机端口。

TCP连接失败的主要原因是配置错误：例如BGP邻居指定错误、没有指定更新源。
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。
• 如果发生其他事件 (如BGP系统或操作人员重置BGP进程)，则退回到Idle状态。
• 处于在Active状态时，只有被动等待对方请求，如果连接请求无法通过，向对端发送RST报文，让对端重新发起，抓包情况如下：

注意：
• BGP认证失败，状态首先会停留在Connect状态。
• 一般情况下BGP不会一直停留在Connect和Active状态，而是会在connect和active 之间来回切换，有可能是TCP重传次数（connect状态TCP重传次数过多，下触发了TCP的报错，进入active状态，active状态连接超时，进入connect状态）过多或者IP地址不可达所造成的。
• 当Connect和Active切换次数到达了一个临界值，会重新转化为Idle状态，32s后重新进入connect状态进行连接，周而复始。

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。

BGP邻居无法建立的原因：
BGP对等体之间无法建立邻居主要体现在邻居状态无法进入到Established状态，有可能处于Idle、 Connect、Active 状态，如果处于这三种状态，说明BGP会话没有建立成功，如果处于OpenSent、OpenConfirm 则说明邻居协商出现问题。以下总结了邻居无法建立的一些因素：

两边BGP peer地址不可达，一般是底层原因或者缺少可达的路由。
对等体AS配置错误。
eBGP的跳数问题。
更新源问题。
BGP的认证错误。
Open 报文协商失败，Open报文需要协商BGP版本、Holdtime、 Router_ ID以及可选项参数(包括各种能力参数)等。
BGP的Router_ ID冲突。
联盟与非联盟之间的BGP连接配置错误。
错误报文导致连接中断，比较少见的如BGP的Marker值出现错误。

BGP路由信息处理：

原则：

从IBGP对等体获得的BGP路由，BGP设备只发布给它的EBGP对等体。
从EBGP对等体获得的BGP路由，BGP设备发布给它所有EBGP和IBGP对等体。
当存在多条到达同一目的地址的有效路由时，BGP设备只将最优路由发布给对等体。
路由更新时，BGP设备只发送更新的BGP路由。
所有对等体发送的路由，BGP设备都会接收。

数据库：
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路由信息处理：

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。
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)。
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。

BGP的属性：

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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

具体解析在后续专门的笔记中分析。

参考资料：《HCIE路由交换学习指南》、HCIE培训文档