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BGP（Border Gateway Protocol，邊界網關協議）是一種用於AS（Autonomous System，自治係統）之間的動態路由協議。AS是擁有同一選路策略，在同一技術管理部門下運行的一組路由器。
早期發布的三個版本分別是BGP-1（RFC 1105）、BGP-2（RFC 1163）和BGP-3（RFC 1267），當前使用的版本是BGP-4（RFC 1771，已更新至RFC 4271）。BGP-4作為事實上的Internet外部路由協議標準，被廣泛應用於ISP（Internet Service Provider，因特網服務提供商）之間。
& 說明：
下文中若不做特殊說明，所指的BGP均為BGP-4。
BGP特性描述如下：
l BGP是一種外部網關協議（Exterior Gateway Protocol，EGP），與OSPF、RIP等內部網關協議（Interior Gateway Protocol，IGP）不同，其著眼點不在於發現和計算路由，而在於控製路由的傳播和選擇最佳路由。
l BGP使用TCP作為其傳輸層協議（端口號179），提高了協議的可靠性。
l BGP支持CIDR（Classless Inter-Domain Routing，無類別域間路由）。
l 路由更新時，BGP隻發送更新的路由，大大減少了BGP傳播路由所占用的帶寬，適用於在Internet上傳播大量的路由信息。
l BGP路由通過攜帶AS路徑信息徹底解決路由環路問題。
l BGP提供了豐富的路由策略，能夠對路由實現靈活的過濾和選擇。
l BGP易於擴展，能夠適應網絡新的發展。
發送BGP消息的路由器稱為BGP發言者（BGP Speaker），它接收或產生新的路由信息，並發布（Advertise）給其它BGP發言者。當BGP發言者收到來自其它自治係統的新路由時，如果該路由比當前已知路由更優、或者當前還沒有該路由，它就把這條路由發布給自治係統內所有其它BGP發言者。
相互交換消息的BGP發言者之間互稱對等體（Peer），若幹相關的對等體可以構成對等體組（Peer group）。
BGP在路由器上以下列兩種方式運行：
l IBGP（Internal BGP）：當BGP運行於同一自治係統內部時，被稱為IBGP；
l EBGP（External BGP）：當BGP運行於不同自治係統之間時，稱為EBGP。
BGP有5種消息類型：Open、Update、Notification、Keepalive和Route-refresh。這些消息有相同的報文頭，其格式如圖1所示。
圖1 BGP消息的報文頭格式
主要字段的解釋如下：
l Marker：16字節，用於標明BGP報文邊界，所有比特均為“1”。
l Length：2字節，BGP消息總長度（包括報文頭在內），以字節為單位。
l Type：1字節，BGP消息的類型。其取值從1到5，分別表示Open、Update、Notification、Keepalive和Route-refresh消息。其中，前四種消息是在RFC 1771中定義，而Type為5的消息則是在RFC 2918中定義的。
Open消息是TCP連接建立後發送的第一個消息，用於建立BGP對等體之間的連接關係。其消息格式如圖2所示。
圖2 BGP Open消息格式
主要字段的解釋如下：
l Version：BGP的版本號。對於BGP-4來說，其值為4。
l My autonomous system：本地AS號。通過比較兩端的AS號可以確定是EBGP連接還是IBGP連接。
l Hold time：保持時間。在建立對等體關係時兩端要協商Hold Time，並保持一致。如果在這個時間內未收到對端發來的Keepalive消息或Update消息，則認為BGP連接中斷。
l BGP identifier：BGP標識符。以IP地址的形式表示，用來識別BGP路由器。
l Opt Parm Len（Optional Parameters Length）：可選參數的長度。如果為0則沒有可選參數。
l Optional parameters：可選參數。用於多協議擴展（Multiprotocol Extensions）等功能。
Update消息用於在對等體之間交換路由信息。它既可以發布可達路由信息，也可以撤銷不可達路由信息。其消息格式如圖3所示。
圖3 BGP Update消息格式
一條Update報文可以通告一類具有相同路徑屬性的可達路由，這些路由放在NLRI（Network Layer Reachable Information，網絡層可達信息）字段中，Path Attributes字段攜帶了這些路由的屬性，BGP根據這些屬性進行路由的選擇；同時Update報文還可以攜帶多條不可達路由，被撤銷的路由放在Withdrawn Routes字段中。
主要字段的解釋如下：
l Unfeasible routes length：不可達路由字段的長度，以字節為單位。如果為0則說明沒有Withdrawn Routes字段。
l Withdrawn routes：不可達路由的列表。
l Total path attribute length：路徑屬性字段的長度，以字節為單位。如果為0則說明沒有Path Attributes字段。
l Path atributes：與NLRI相關的所有路徑屬性列表，每個路徑屬性由一個TLV（Type-Length-Value）三元組構成。BGP正是根據這些屬性值來避免環路，進行選路，協議擴展等。
l NLRI（Network Layer Reachability Information）：可達路由的前綴和前綴長度二元組。
當BGP檢測到錯誤狀態時，就向對等體發出Notification消息，之後BGP連接會立即中斷。其消息格式如圖4所示。
主要字段的解釋如下：
l Error code：差錯碼，指定錯誤類型。
l Error subcode：差錯子碼，錯誤類型的詳細信息。
l Data：用於輔助發現錯誤的原因，它的內容依賴於具體的差錯碼和差錯子碼，記錄的是出錯部分的數據，長度不固定。
BGP會周期性地向對等體發出Keepalive消息，用來保持連接的有效性。其消息格式中隻包含報文頭，沒有附加其他任何字段。
Route-refresh消息用來要求對等體重新發送指定地址族的路由信息。其消息格式如圖5所示。
主要的字段解釋如下：
l AFI：Address Family Identifier，地址族標識。
l Res.：保留，必須置0。
l SAFI：Subsequent Address Family Identifier，子地址族標識。
BGP路由屬性是一組參數，它對特定的路由進行了進一步的描述，使得BGP能夠對路由進行過濾和選擇。
事實上，所有的BGP路由屬性都可以分為以下四類：
l 公認必須遵循（Well-known mandatory）：所有BGP路由器都必須能夠識別這種屬性，且必須存在於Update消息中。如果缺少這種屬性，路由信息就會出錯。
l 公認可選（Well-known discretionary）：所有BGP路由器都可以識別，但不要求必須存在於Update消息中，可以根據具體情況來選擇。
l 可選過渡（Optional transitive）：在AS之間具有可傳遞性的屬性。BGP路由器可以不支持此屬性，但它仍然會接收帶有此屬性的路由，並通告給其他對等體。
l 可選非過渡（Optional non-transitive）：如果BGP路由器不支持此屬性，該屬性被忽略，且不會通告給其他對等體。
BGP路由幾種基本屬性和對應的類別如表1所示。
表1 路由屬性和類別
| 屬性名稱 | 類別 |
| ORIGIN | 公認必須遵循 |
| AS_PATH | 公認必須遵循 |
| NEXT_HOP | 公認必須遵循 |
| LOCAL_PREF | 公認可選 |
| ATOMIC_AGGREGATE | 公認可選 |
| AGGREGATOR | 可選過渡 |
| COMMUNITY | 可選過渡 |
| MULTI_EXIT_DISC (MED) | 可選非過渡 |
| ORIGINATOR_ID | 可選非過渡 |
| CLUSTER_LIST | 可選非過渡 |
(1) 源（ORIGIN）屬性
ORIGIN屬性定義路由信息的來源，標記一條路由是怎麼成為BGP路由的。它有以下三種類型：
l IGP：優先級最高，說明路由產生於本AS內。
l EGP：優先級次之，說明路由通過EGP學到。
l incomplete：優先級最低，它並不是說明路由不可達，而是表示路由的來源無法確定。例如，引入的其它路由協議的路由信息。
(2) AS路徑（AS_PATH）屬性
AS_PATH屬性按一定次序記錄了某條路由從本地到目的地址所要經過的所有AS號。當BGP將一條路由通告到其他AS時，便會把本地AS號添加在AS_PATH列表的最前麵。收到此路由的BGP路由器根據AS_PATH屬性就可以知道去目的地址所要經過的AS。離本地AS最近的相鄰AS號排在前麵，其他AS號按順序依次排列。如圖6所示。
通常情況下，BGP不會接受AS_PATH中已包含本地AS號的路由，從而避免了形成路由環路的可能。
同時，AS_PATH屬性也可用於路由的選擇和過濾。在其他因素相同的情況下，BGP會優先選擇路徑較短的路由。比如在圖6中，AS 50中的BGP路由器會選擇經過AS 40的路徑作為到目的地址8.0.0.0的最優路由。
在某些應用中，可以使用路由策略來人為地增加AS路徑的長度，以便更為靈活地控製BGP路徑的選擇。
通過AS路徑過濾列表，還可以針對AS_PATH屬性中所包含的AS號來對路由進行過濾。
(3) 下一跳（NEXT_HOP）屬性
BGP的下一跳屬性和IGP的有所不同，不一定就是鄰居路由器的IP地址。
下一跳屬性取值情況分為三種，如所示。
l BGP發言者把自己產生的路由發給所有鄰居時，將把該路由信息的下一跳屬性設置為自己與對端連接的接口地址；
l BGP發言者把接收到的路由發送給EBGP對等體時，將把該路由信息的下一跳屬性設置為本地與對端連接的接口地址；
l BGP發言者把從EBGP鄰居得到的路由發給IBGP鄰居時，並不改變該路由信息的下一跳屬性。如果配置了負載分擔，路由被發給IBGP鄰居時則會修改下一跳屬性。
(4) MED（MULTI_EXIT_DISC）
MED屬性僅在相鄰兩個AS之間交換，收到此屬性的AS一方不會再將其通告給任何其他第三方AS。
MED屬性相當於IGP使用的度量值（metrics），它用於判斷流量進入AS時的最佳路由。當一個運行BGP的路由器通過不同的EBGP對等體得到目的地址相同但下一跳不同的多條路由時，在其它條件相同的情況下，將優先選擇MED值較小者作為最佳路由。如圖8所示，從AS 10到AS 20的流量將選擇Router B作為入口。
圖8 MED屬性
通常情況下，BGP隻比較來自同一個AS的路由的MED屬性值。
(5) 本地優先（LOCAL_PREF）屬性
LOCAL_PREF屬性僅在IBGP對等體之間交換，不通告給其他AS。它表明BGP路由器的優先級。
LOCAL_PREF屬性用於判斷流量離開AS時的最佳路由。當BGP的路由器通過不同的IBGP對等體得到目的地址相同但下一跳不同的多條路由時，將優先選擇LOCAL_PREF屬性值較高的路由。如圖9所示，從AS 20到AS 10的流量將選擇Router C作為出口。
(6) 團體（COMMUNITY）屬性
團體屬性用來簡化路由策略的應用和降低維護管理的難度。它是一組有相同特征的目的地址的集合，沒有物理上的邊界，與其所在的AS無關。公認的團體屬性有：
l INTERNET：缺省情況下，所有的路由都屬於INTERNET團體。具有此屬性的路由可以被通告給所有的BGP對等體。
l NO_EXPORT：具有此屬性的路由在收到後，不能被發布到本地AS之外。如果使用了聯盟，則不能被發布到聯盟之外，但可以發布給聯盟中的其他子AS。
l NO_ADVERTISE：具有此屬性的路由被接收後，不能被通告給任何其他的BGP對等體。
l NO_EXPORT_SUBCONFED：具有此屬性的路由被接收後，不能被發布到本地AS之外，也不能發布到聯盟中的其他子AS。
在目前的實現中，BGP選擇路由時采取如下策略：
l 首先丟棄下一跳（NEXT_HOP）不可達的路由；
l 優選Preferred-value值最大的路由；
l 優選本地優先級（LOCAL_PREF）最高的路由；
l 優選聚合路由；
l 優選AS路徑（AS_PATH）最短的路由；
l 依次選擇ORIGIN類型為IGP、EGP、Incomplete的路由；
l 優選MED值最低的路由；
l 依次選擇從EBGP、聯盟、IBGP學來的路由；
l 優選下一跳Cost值最低的路由；
l 優選CLUSTER_LIST長度最短的路由；
l 優選ORIGINATOR_ID最小的路由；
l 優選地址最小的對等體發布的路由。
& 說明：
l CLUSTER_ID為路由反射器的集群ID，CLUSTER_LIST由CLUSTER_ID序列組成，反射器將自己的CLUSTER_ID加入CLUSTER_LIST中，若反射器收到路由中CLUSTER_LIST中包含有自己的CLUSTER_ID，則丟棄該路由，從而避免群內環路的發生。
l 如果配置了負載分擔，並且有多條到達同一目的地的路由，則根據配置的路由條數選擇多條路由進行負載分擔。
在BGP中，由於協議本身的特殊性，它產生的路由的下一跳地址可能不是當前路由器直接相連的鄰居。常見的一個原因是：IBGP之間發布路由信息時不改變下一跳。這種情況下，為了能夠將報文正確轉發出去，路由器必須先找到一個直接可達的地址（查找IGP建立的路由表項），通過這個地址到達路由表中指示的下一跳。在上述過程中，去往直接可達地址的路由被稱為依賴路由，BGP路由依賴於這些路由指導報文轉發。根據下一跳地址找到依賴路由的過程就是路由迭代（recursion）。
目前係統支持基於迭代的BGP負載分擔，即如果依賴路由本身是負載分擔的（假設有三個下一跳地址），則BGP也會生成相同數量的下一跳地址來指導報文轉發。需要說明的是，基於迭代的BGP負載分擔在係統上始終啟用。
在實現方法上，BGP的負載分擔與IGP的負載分擔有所不同：
l IGP是通過協議定義的路由算法，對到達同一目的地址的不同路由，根據計算結果，將度量值（metric）相等的（如RIP、OSPF）路由進行負載分擔，選擇的標準很明確（按metric）。
l BGP本身並沒有路由計算的算法，它隻是一個選路的路由協議，因此，不能根據一個明確的度量值決定是否對路由進行負載分擔，但BGP有豐富的選路規則，可以在對路由進行一定的選擇後，有條件地進行負載分擔，也就是將負載分擔加入到BGP的選路規則中去。
& 說明：
l BGP隻對AS_PATH屬性、ORIGIN屬性、LOCAL_PREF和MED值完全相同的路由進行負載分擔。
l BGP負載分擔特性適用於EBGP、IBGP以及聯盟之間。
l 如果有多條到達同一目的地的路由，則根據配置的路由條數選擇多條路由進行負載分擔。
圖10 BGP負載分擔示意圖
在圖10中，Router D和Router E是Router C的IBGP對等體。當Router A和Router B同時向Router C通告到達同一目的地的路由時，如果用戶在Router C配置了負載分擔（如balance 2），則當滿足一定的選路規則後，並且兩條路由具有相同的AS_PATH屬性、ORIGIN屬性、LOCAL_PREF和MED值時，Router C就把接收的兩條路由同時加入到轉發表中，實現BGP路由的負載分擔。Router C隻向Router D和Router E轉發一次該路由，AS_PATH不變，但NEXT_HOP屬性改變為Router C的地址，而不是原來的EBGP對等體地址。其它的BGP過渡屬性將按最佳路由的屬性傳遞。
在目前的實現中，BGP發布路由時采用如下策略：
l 存在多條有效路由時，BGP發言者隻將最優路由發布給對等體；
l BGP發言者隻把自己使用的路由發布給對等體；
l BGP發言者從EBGP獲得的路由會向它所有BGP對等體發布（包括EBGP對等體和IBGP對等體）；
l BGP發言者從IBGP獲得的路由不向它的IBGP對等體發布；
l BGP發言者從IBGP獲得的路由發布給它的EBGP對等體（關閉BGP與IGP同步的情況下，IBGP路由被直接發布；開啟BGP與IGP同步的情況下，該IBGP路由隻有在IGP也發布了這條路由時才會被同步並發布給EBGP對等體）；
l 連接一旦建立，BGP發言者將把自己所有的BGP路由發布給新對等體。
同步是指IBGP和IGP之間的同步，其目的是為了避免出現誤導外部AS路由器的現象發生。
如果一個AS中有非BGP路由器提供轉發服務，經該AS轉發的IP報文將可能因為目的地址不可達而被丟棄。如圖11所示，Router E通過BGP從Router D可以學到Router A的一條路由8.0.0.0/8，於是將到這個目的地址的報文轉發給Router D，Router D查詢路由表，發現下一跳是Router B。由於Router D從IGP學到了到Router B的路由，所以通過路由迭代，Router D將報文轉發給Router C。但Router C並不知道去8.0.0.0/8的路由，於是將報文丟棄。
圖11 IBGP和IGP同步
如果設置了同步特性，在IBGP路由加入路由表並發布給EBGP對等體之前，會先檢查IGP路由表。隻有在IGP也知道這條IBGP路由時，它才會被發布給EBGP對等體。
在下麵的情況中，可以關閉同步特性。
l 本AS不是過渡AS（圖11中的AS 20就屬於一個過渡AS）
l 本AS內所有路由器建立IBGP全連接
在大規模的網絡中，BGP路由表十分龐大，使用路由聚合（Routes Aggregation）可以大大減小路由表的規模。
路由聚合實際上是將多條路由合並的過程。這樣BGP在向對等體通告路由時，可以隻通告聚合後的路由，而不是將所有的具體路由都通告出去。
目前係統支持自動聚合和手動聚合方式。使用後者還可以控製聚合路由的屬性，以及決定是否發布具體路由。
BGP路由衰減（Route Dampening）用來解決路由不穩定的問題。路由不穩定的主要表現形式是路由振蕩（Route flaps），即路由表中的某條路由反複消失和重現。
發生路由振蕩時，路由協議就會向鄰居發布路由更新，收到更新報文的路由器需要重新計算路由並修改路由表。所以頻繁的路由振蕩會消耗大量的帶寬資源和CPU資源，嚴重時會影響到網絡的正常工作。
在多數情況下，BGP協議都應用於複雜的網絡環境中，路由變化十分頻繁。為了防止持續的路由振蕩帶來的不利影響，BGP使用衰減來抑製不穩定的路由。
BGP衰減使用懲罰值來衡量一條路由的穩定性，懲罰值越高則說明路由越不穩定。路由每發生一次振蕩（路由從激活狀態變為未激活狀態，稱為一次路由振蕩），BGP便會給此路由增加一定的懲罰值（1000，此數值為係統固定，不可修改）。當懲罰值超過抑製閾值時，此路由被抑製，不加入到路由表中，也不再向其他BGP對等體發布更新報文。
被抑製的路由每經過一段時間，懲罰值便會減少一半，這個時間稱為半衰期（Half-life）。當懲罰值降到再使用閾值時，此路由變為可用並被加入到路由表中，同時向其他BGP對等體發布更新報文。
圖12 BGP衰減示意圖
對等體組（Peer Group）是一些具有某些相同屬性的對等體的集合。當一個對等體加入對等體組中時，此對等體將獲得與所在對等體組相同的配置。當對等體組的配置改變時，組內成員的配置也相應改變。
在大型BGP網絡中，對等體的數量會很多，其中很多對等體具有相同的策略，在配置時會重複使用一些命令，利用對等體組在很多情況下可以簡化配置。
將對等體加入對等體組中，對等體與對等體組具有相同的路由更新策略，提高了路由發布效率。
對等體組可以使一組對等體共享相同的策略，而利用團體可以使多個AS中的一組BGP路由器共享相同的策略。團體是一個路由屬性，在BGP對等體之間傳播，它並不受到AS範圍的限製。
BGP路由器在將帶有團體屬性的路由發布給其它對等體之前，可以改變此路由原有的團體屬性。
除了使用公認的團體屬性外，用戶還可以使用團體屬性列表自定義擴展團體屬性，以便更為靈活地控製路由策略。
為保證IBGP對等體之間的連通性，需要在IBGP對等體之間建立全連接關係。假設在一個AS內部有n台路由器，那麼應該建立的IBGP連接數就為n(n-1)/2。當IBGP對等體數目很多時，對網絡資源和CPU資源的消耗都很大。
利用路由反射可以解決這一問題。在一個AS內，其中一台路由器作為路由反射器RR（Route Reflector），其它路由器作為客戶機（Client）與路由反射器之間建立IBGP連接。路由反射器在客戶機之間傳遞（反射）路由信息，而客戶機之間不需要建立BGP連接。
既不是反射器也不是客戶機的BGP路由器被稱為非客戶機（Non-Client）。非客戶機與路由反射器之間，以及所有的非客戶機之間仍然必須建立全連接關係。如圖13所示。
路由反射器和它的客戶機組成了一個集群（Cluster）。某些情況下，為了增加網絡的可靠性和防止單點故障，可以在一個集群中配置一個以上的路由反射器。這時，位於相同集群中的每個路由反射器都要配置相同的Cluster_ID，以避免路由循環。如圖14所示。
在某些網絡中，路由反射器的客戶機之間已經建立了全連接，它們可以直接交換路由信息，此時客戶機到客戶機之間的路由反射是沒有必要的，而且還占用帶寬資源。目前，係統支持配置相關命令來禁止在客戶機之間反射路由。
& 說明：
禁止客戶機之間的路由反射後，客戶機到非客戶機之間的路由仍然可以被反射。
聯盟（Confederation）是處理AS內部的IBGP網絡連接激增的另一種方法，它將一個自治係統劃分為若幹個子自治係統，每個子自治係統內部的IBGP對等體建立全連接關係，子自治係統之間建立聯盟內部EBGP連接關係。如圖15所示。
在不屬於聯盟的BGP發言者看來，屬於同一個聯盟的多個子自治係統是一個整體，外界不需要了解內部的子自治係統情況，聯盟ID就是標識聯盟這一整體的自治係統號，如圖15中的AS 200就是聯盟ID。
聯盟的缺陷是：從非聯盟方案向聯盟方案轉變時，要求路由器重新進行配置，邏輯拓撲也要改變。
在大型BGP網絡中，路由反射器和聯盟可以被同時使用。
基於BGP的GR Restarter為了與BGP對等體建立一個BGP會話連接，首先要發送一個包含了GR能力的OPEN消息到對端，BGP對等體收到該消息後，得知發送方已具有GR能力。這樣，通過OPEN消息交互GR能力，GR Restarter與其BGP對等體之間協商建立起GR Session連接。如果雙方都沒有交換GR能力的信息，建立起的會話也就不具備GR能力。
對於分布式設備，當進行主備倒換時，會話項將丟失，此時具備GR感知能力的BGP對等體會將所有與該GR Restarter有關的路由進行失效標記。但在GR Time內仍按照這些路由進行報文轉發，這樣確保了在從BGP對等體重新收集路由信息的過程中沒有報文丟失。
對於分布式設備，主備倒換後，GR Restarter會重新與BGP對等體建立GR Session連接，同時發送新的GR消息以宣告其重啟完畢。此時兩個BGP對等體間進行路由信息交換。交換完成後，GR Restarter根據新的路由轉發信息更新路由表和轉發表，刪除失效的路由，完成BGP協議收斂。
傳統的BGP-4隻能管理IPv4單播路由信息，對於使用其它網絡層協議（如IPv6等）的應用，在跨自治係統傳播時就受到一定限製。
為了提供對多種網絡層協議的支持，IETF對BGP-4進行了擴展，形成MP-BGP，目前的MP-BGP標準是RFC 4760（Multiprotocol Extensions for BGP-4，BGP-4的多協議擴展）。
支持BGP擴展的路由器與不支持BGP擴展的路由器可以互通。
BGP-4使用的報文中，與IPv4地址格式相關的三條信息都由Update報文攜帶，這三條信息分別是：NLRI、路徑屬性中的NEXT_HOP、路徑屬性中的AGGREGATOR（該屬性中包含形成聚合路由的BGP發言者的IP地址）。
為實現對多種網絡層協議的支持，BGP-4需要將網絡層協議的信息反映到NLRI及NEXT_HOP。MP-BGP中引入了兩個新的路徑屬性：
l MP_REACH_NLRI：Multiprotocol Reachable NLRI，多協議可達NLRI。用於發布可達路由及下一跳信息。
l MP_UNREACH_NLRI：Multiprotocol Unreachable NLRI，多協議不可達NLRI。用於撤銷不可達路由。
這兩種屬性都是可選非過渡（Optional non-transitive）的，因此，不提供多協議能力的BGP發言者將忽略這兩個屬性的信息，不把它們傳遞給其它鄰居。
MP-BGP采用地址族（Address Family）來區分不同的網絡層協議，關於地址族的一些取值可以參考RFC 1700（Assigned Numbers）。目前，係統實現了多種MP-BGP擴展應用，包括對VPN的擴展、對IPv6的擴展等。
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