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BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）是一种用于AS（Autonomous System，自治系统）之间的动态路由协议。AS是拥有同一选路策略，在同一技术管理部门下运行的一组路由器。
早期发布的三个版本分别是BGP-1（RFC 1105）、BGP-2（RFC 1163）和BGP-3（RFC 1267），当前使用的版本是BGP-4（RFC 1771，已更新至RFC 4271）。BGP-4作为事实上的Internet外部路由协议标准，被广泛应用于ISP（Internet Service Provider，因特网服务提供商）之间。
& 说明：
下文中若不做特殊说明，所指的BGP均为BGP-4。
BGP特性描述如下：
l BGP是一种外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP），与OSPF、RIP等内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）不同，其着眼点不在于发现和计算路由，而在于控制路由的传播和选择最佳路由。
l BGP使用TCP作为其传输层协议（端口号179），提高了协议的可靠性。
l BGP支持CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）。
l 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。
l BGP路由通过携带AS路径信息彻底解决路由环路问题。
l 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。
l BGP易于扩展，能够适应网络新的发展。
发送BGP消息的路由器称为BGP发言者（BGP Speaker），它接收或产生新的路由信息，并发布（Advertise）给其它BGP发言者。当BGP发言者收到来自其它自治系统的新路由时，如果该路由比当前已知路由更优、或者当前还没有该路由，它就把这条路由发布给自治系统内所有其它BGP发言者。
相互交换消息的BGP发言者之间互称对等体（Peer），若干相关的对等体可以构成对等体组（Peer group）。
BGP在路由器上以下列两种方式运行：
l IBGP（Internal BGP）：当BGP运行于同一自治系统内部时，被称为IBGP；
l EBGP（External BGP）：当BGP运行于不同自治系统之间时，称为EBGP。
BGP有5种消息类型：Open、Update、Notification、Keepalive和Route-refresh。这些消息有相同的报文头，其格式如图1所示。
图1 BGP消息的报文头格式
主要字段的解释如下：
l Marker：16字节，用于标明BGP报文边界，所有比特均为“1”。
l Length：2字节，BGP消息总长度（包括报文头在内），以字节为单位。
l Type：1字节，BGP消息的类型。其取值从1到5，分别表示Open、Update、Notification、Keepalive和Route-refresh消息。其中，前四种消息是在RFC 1771中定义，而Type为5的消息则是在RFC 2918中定义的。
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。其消息格式如图2所示。
图2 BGP Open消息格式
主要字段的解释如下：
l Version：BGP的版本号。对于BGP-4来说，其值为4。
l My autonomous system：本地AS号。通过比较两端的AS号可以确定是EBGP连接还是IBGP连接。
l Hold time：保持时间。在建立对等体关系时两端要协商Hold Time，并保持一致。如果在这个时间内未收到对端发来的Keepalive消息或Update消息，则认为BGP连接中断。
l BGP identifier：BGP标识符。以IP地址的形式表示，用来识别BGP路由器。
l Opt Parm Len（Optional Parameters Length）：可选参数的长度。如果为0则没有可选参数。
l Optional parameters：可选参数。用于多协议扩展（Multiprotocol Extensions）等功能。
Update消息用于在对等体之间交换路由信息。它既可以发布可达路由信息，也可以撤销不可达路由信息。其消息格式如图3所示。
图3 BGP Update消息格式
一条Update报文可以通告一类具有相同路径属性的可达路由，这些路由放在NLRI（Network Layer Reachable Information，网络层可达信息）字段中，Path Attributes字段携带了这些路由的属性，BGP根据这些属性进行路由的选择；同时Update报文还可以携带多条不可达路由，被撤销的路由放在Withdrawn Routes字段中。
主要字段的解释如下：
l Unfeasible routes length：不可达路由字段的长度，以字节为单位。如果为0则说明没有Withdrawn Routes字段。
l Withdrawn routes：不可达路由的列表。
l Total path attribute length：路径属性字段的长度，以字节为单位。如果为0则说明没有Path Attributes字段。
l Path atributes：与NLRI相关的所有路径属性列表，每个路径属性由一个TLV（Type-Length-Value）三元组构成。BGP正是根据这些属性值来避免环路，进行选路，协议扩展等。
l NLRI（Network Layer Reachability Information）：可达路由的前缀和前缀长度二元组。
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。其消息格式如图4所示。
主要字段的解释如下：
l Error code：差错码，指定错误类型。
l Error subcode：差错子码，错误类型的详细信息。
l Data：用于辅助发现错误的原因，它的内容依赖于具体的差错码和差错子码，记录的是出错部分的数据，长度不固定。
BGP会周期性地向对等体发出Keepalive消息，用来保持连接的有效性。其消息格式中只包含报文头，没有附加其他任何字段。
Route-refresh消息用来要求对等体重新发送指定地址族的路由信息。其消息格式如图5所示。
主要的字段解释如下：
l AFI：Address Family Identifier，地址族标识。
l Res.：保留，必须置0。
l SAFI：Subsequent Address Family Identifier，子地址族标识。
BGP路由属性是一组参数，它对特定的路由进行了进一步的描述，使得BGP能够对路由进行过滤和选择。
事实上，所有的BGP路由属性都可以分为以下四类：
l 公认必须遵循（Well-known mandatory）：所有BGP路由器都必须能够识别这种属性，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。
l 公认可选（Well-known discretionary）：所有BGP路由器都可以识别，但不要求必须存在于Update消息中，可以根据具体情况来选择。
l 可选过渡（Optional transitive）：在AS之间具有可传递性的属性。BGP路由器可以不支持此属性，但它仍然会接收带有此属性的路由，并通告给其他对等体。
l 可选非过渡（Optional non-transitive）：如果BGP路由器不支持此属性，该属性被忽略，且不会通告给其他对等体。
BGP路由几种基本属性和对应的类别如表1所示。
表1 路由属性和类别
| 属性名称 | 类别 |
| ORIGIN | 公认必须遵循 |
| AS_PATH | 公认必须遵循 |
| NEXT_HOP | 公认必须遵循 |
| LOCAL_PREF | 公认可选 |
| ATOMIC_AGGREGATE | 公认可选 |
| AGGREGATOR | 可选过渡 |
| COMMUNITY | 可选过渡 |
| MULTI_EXIT_DISC (MED) | 可选非过渡 |
| ORIGINATOR_ID | 可选非过渡 |
| CLUSTER_LIST | 可选非过渡 |
(1) 源（ORIGIN）属性
ORIGIN属性定义路由信息的来源，标记一条路由是怎么成为BGP路由的。它有以下三种类型：
l IGP：优先级最高，说明路由产生于本AS内。
l EGP：优先级次之，说明路由通过EGP学到。
l incomplete：优先级最低，它并不是说明路由不可达，而是表示路由的来源无法确定。例如，引入的其它路由协议的路由信息。
(2) AS路径（AS_PATH）属性
AS_PATH属性按一定次序记录了某条路由从本地到目的地址所要经过的所有AS号。当BGP将一条路由通告到其他AS时，便会把本地AS号添加在AS_PATH列表的最前面。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。如图6所示。
通常情况下，BGP不会接受AS_PATH中已包含本地AS号的路由，从而避免了形成路由环路的可能。
同时，AS_PATH属性也可用于路由的选择和过滤。在其他因素相同的情况下，BGP会优先选择路径较短的路由。比如在图6中，AS 50中的BGP路由器会选择经过AS 40的路径作为到目的地址8.0.0.0的最优路由。
在某些应用中，可以使用路由策略来人为地增加AS路径的长度，以便更为灵活地控制BGP路径的选择。
通过AS路径过滤列表，还可以针对AS_PATH属性中所包含的AS号来对路由进行过滤。
(3) 下一跳（NEXT_HOP）属性
BGP的下一跳属性和IGP的有所不同，不一定就是邻居路由器的IP地址。
下一跳属性取值情况分为三种，如所示。
l BGP发言者把自己产生的路由发给所有邻居时，将把该路由信息的下一跳属性设置为自己与对端连接的接口地址；
l BGP发言者把接收到的路由发送给EBGP对等体时，将把该路由信息的下一跳属性设置为本地与对端连接的接口地址；
l BGP发言者把从EBGP邻居得到的路由发给IBGP邻居时，并不改变该路由信息的下一跳属性。如果配置了负载分担，路由被发给IBGP邻居时则会修改下一跳属性。
(4) MED（MULTI_EXIT_DISC）
MED属性仅在相邻两个AS之间交换，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属性相当于IGP使用的度量值（metrics），它用于判断流量进入AS时的最佳路由。当一个运行BGP的路由器通过不同的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。如图8所示，从AS 10到AS 20的流量将选择Router B作为入口。
图8 MED属性
通常情况下，BGP只比较来自同一个AS的路由的MED属性值。
(5) 本地优先（LOCAL_PREF）属性
LOCAL_PREF属性仅在IBGP对等体之间交换，不通告给其他AS。它表明BGP路由器的优先级。
LOCAL_PREF属性用于判断流量离开AS时的最佳路由。当BGP的路由器通过不同的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。如图9所示，从AS 20到AS 10的流量将选择Router C作为出口。
(6) 团体（COMMUNITY）属性
团体属性用来简化路由策略的应用和降低维护管理的难度。它是一组有相同特征的目的地址的集合，没有物理上的边界，与其所在的AS无关。公认的团体属性有：
l 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。
l 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。
l NO_ADVERTISE：具有此属性的路由被接收后，不能被通告给任何其他的BGP对等体。
l NO_EXPORT_SUBCONFED：具有此属性的路由被接收后，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。
在目前的实现中，BGP选择路由时采取如下策略：
l 首先丢弃下一跳（NEXT_HOP）不可达的路由；
l 优选Preferred-value值最大的路由；
l 优选本地优先级（LOCAL_PREF）最高的路由；
l 优选聚合路由；
l 优选AS路径（AS_PATH）最短的路由；
l 依次选择ORIGIN类型为IGP、EGP、Incomplete的路由；
l 优选MED值最低的路由；
l 依次选择从EBGP、联盟、IBGP学来的路由；
l 优选下一跳Cost值最低的路由；
l 优选CLUSTER_LIST长度最短的路由；
l 优选ORIGINATOR_ID最小的路由；
l 优选地址最小的对等体发布的路由。
& 说明：
l CLUSTER_ID为路由反射器的集群ID，CLUSTER_LIST由CLUSTER_ID序列组成，反射器将自己的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，则丢弃该路由，从而避免群内环路的发生。
l 如果配置了负载分担，并且有多条到达同一目的地的路由，则根据配置的路由条数选择多条路由进行负载分担。
在BGP中，由于协议本身的特殊性，它产生的路由的下一跳地址可能不是当前路由器直接相连的邻居。常见的一个原因是：IBGP之间发布路由信息时不改变下一跳。这种情况下，为了能够将报文正确转发出去，路由器必须先找到一个直接可达的地址（查找IGP建立的路由表项），通过这个地址到达路由表中指示的下一跳。在上述过程中，去往直接可达地址的路由被称为依赖路由，BGP路由依赖于这些路由指导报文转发。根据下一跳地址找到依赖路由的过程就是路由迭代（recursion）。
目前系统支持基于迭代的BGP负载分担，即如果依赖路由本身是负载分担的（假设有三个下一跳地址），则BGP也会生成相同数量的下一跳地址来指导报文转发。需要说明的是，基于迭代的BGP负载分担在系统上始终启用。
在实现方法上，BGP的负载分担与IGP的负载分担有所不同：
l IGP是通过协议定义的路由算法，对到达同一目的地址的不同路由，根据计算结果，将度量值（metric）相等的（如RIP、OSPF）路由进行负载分担，选择的标准很明确（按metric）。
l BGP本身并没有路由计算的算法，它只是一个选路的路由协议，因此，不能根据一个明确的度量值决定是否对路由进行负载分担，但BGP有丰富的选路规则，可以在对路由进行一定的选择后，有条件地进行负载分担，也就是将负载分担加入到BGP的选路规则中去。
& 说明：
l BGP只对AS_PATH属性、ORIGIN属性、LOCAL_PREF和MED值完全相同的路由进行负载分担。
l BGP负载分担特性适用于EBGP、IBGP以及联盟之间。
l 如果有多条到达同一目的地的路由，则根据配置的路由条数选择多条路由进行负载分担。
图10 BGP负载分担示意图
在图10中，Router D和Router E是Router C的IBGP对等体。当Router A和Router B同时向Router C通告到达同一目的地的路由时，如果用户在Router C配置了负载分担（如balance 2），则当满足一定的选路规则后，并且两条路由具有相同的AS_PATH属性、ORIGIN属性、LOCAL_PREF和MED值时，Router C就把接收的两条路由同时加入到转发表中，实现BGP路由的负载分担。Router C只向Router D和Router E转发一次该路由，AS_PATH不变，但NEXT_HOP属性改变为Router C的地址，而不是原来的EBGP对等体地址。其它的BGP过渡属性将按最佳路由的属性传递。
在目前的实现中，BGP发布路由时采用如下策略：
l 存在多条有效路由时，BGP发言者只将最优路由发布给对等体；
l BGP发言者只把自己使用的路由发布给对等体；
l BGP发言者从EBGP获得的路由会向它所有BGP对等体发布（包括EBGP对等体和IBGP对等体）；
l BGP发言者从IBGP获得的路由不向它的IBGP对等体发布；
l BGP发言者从IBGP获得的路由发布给它的EBGP对等体（关闭BGP与IGP同步的情况下，IBGP路由被直接发布；开启BGP与IGP同步的情况下，该IBGP路由只有在IGP也发布了这条路由时才会被同步并发布给EBGP对等体）；
l 连接一旦建立，BGP发言者将把自己所有的BGP路由发布给新对等体。
同步是指IBGP和IGP之间的同步，其目的是为了避免出现误导外部AS路由器的现象发生。
如果一个AS中有非BGP路由器提供转发服务，经该AS转发的IP报文将可能因为目的地址不可达而被丢弃。如图11所示，Router E通过BGP从Router D可以学到Router A的一条路由8.0.0.0/8，于是将到这个目的地址的报文转发给Router D，Router D查询路由表，发现下一跳是Router B。由于Router D从IGP学到了到Router B的路由，所以通过路由迭代，Router D将报文转发给Router C。但Router C并不知道去8.0.0.0/8的路由，于是将报文丢弃。
图11 IBGP和IGP同步
如果设置了同步特性，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，它才会被发布给EBGP对等体。
在下面的情况中，可以关闭同步特性。
l 本AS不是过渡AS（图11中的AS 20就属于一个过渡AS）
l 本AS内所有路由器建立IBGP全连接
在大规模的网络中，BGP路由表十分庞大，使用路由聚合（Routes Aggregation）可以大大减小路由表的规模。
路由聚合实际上是将多条路由合并的过程。这样BGP在向对等体通告路由时，可以只通告聚合后的路由，而不是将所有的具体路由都通告出去。
目前系统支持自动聚合和手动聚合方式。使用后者还可以控制聚合路由的属性，以及决定是否发布具体路由。
BGP路由衰减（Route Dampening）用来解决路由不稳定的问题。路由不稳定的主要表现形式是路由振荡（Route flaps），即路由表中的某条路由反复消失和重现。
发生路由振荡时，路由协议就会向邻居发布路由更新，收到更新报文的路由器需要重新计算路由并修改路由表。所以频繁的路由振荡会消耗大量的带宽资源和CPU资源，严重时会影响到网络的正常工作。
在多数情况下，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使用衰减来抑制不稳定的路由。
BGP衰减使用惩罚值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，此数值为系统固定，不可修改）。当惩罚值超过抑制阈值时，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。
图12 BGP衰减示意图
对等体组（Peer Group）是一些具有某些相同属性的对等体的集合。当一个对等体加入对等体组中时，此对等体将获得与所在对等体组相同的配置。当对等体组的配置改变时，组内成员的配置也相应改变。
在大型BGP网络中，对等体的数量会很多，其中很多对等体具有相同的策略，在配置时会重复使用一些命令，利用对等体组在很多情况下可以简化配置。
将对等体加入对等体组中，对等体与对等体组具有相同的路由更新策略，提高了路由发布效率。
对等体组可以使一组对等体共享相同的策略，而利用团体可以使多个AS中的一组BGP路由器共享相同的策略。团体是一个路由属性，在BGP对等体之间传播，它并不受到AS范围的限制。
BGP路由器在将带有团体属性的路由发布给其它对等体之前，可以改变此路由原有的团体属性。
除了使用公认的团体属性外，用户还可以使用团体属性列表自定义扩展团体属性，以便更为灵活地控制路由策略。
为保证IBGP对等体之间的连通性，需要在IBGP对等体之间建立全连接关系。假设在一个AS内部有n台路由器，那么应该建立的IBGP连接数就为n(n-1)/2。当IBGP对等体数目很多时，对网络资源和CPU资源的消耗都很大。
利用路由反射可以解决这一问题。在一个AS内，其中一台路由器作为路由反射器RR（Route Reflector），其它路由器作为客户机（Client）与路由反射器之间建立IBGP连接。路由反射器在客户机之间传递（反射）路由信息，而客户机之间不需要建立BGP连接。
既不是反射器也不是客户机的BGP路由器被称为非客户机（Non-Client）。非客户机与路由反射器之间，以及所有的非客户机之间仍然必须建立全连接关系。如图13所示。
路由反射器和它的客户机组成了一个集群（Cluster）。某些情况下，为了增加网络的可靠性和防止单点故障，可以在一个集群中配置一个以上的路由反射器。这时，位于相同集群中的每个路由反射器都要配置相同的Cluster_ID，以避免路由循环。如图14所示。
在某些网络中，路由反射器的客户机之间已经建立了全连接，它们可以直接交换路由信息，此时客户机到客户机之间的路由反射是没有必要的，而且还占用带宽资源。目前，系统支持配置相关命令来禁止在客户机之间反射路由。
& 说明：
禁止客户机之间的路由反射后，客户机到非客户机之间的路由仍然可以被反射。
联盟（Confederation）是处理AS内部的IBGP网络连接激增的另一种方法，它将一个自治系统划分为若干个子自治系统，每个子自治系统内部的IBGP对等体建立全连接关系，子自治系统之间建立联盟内部EBGP连接关系。如图15所示。
在不属于联盟的BGP发言者看来，属于同一个联盟的多个子自治系统是一个整体，外界不需要了解内部的子自治系统情况，联盟ID就是标识联盟这一整体的自治系统号，如图15中的AS 200就是联盟ID。
联盟的缺陷是：从非联盟方案向联盟方案转变时，要求路由器重新进行配置，逻辑拓扑也要改变。
在大型BGP网络中，路由反射器和联盟可以被同时使用。
基于BGP的GR Restarter为了与BGP对等体建立一个BGP会话连接，首先要发送一个包含了GR能力的OPEN消息到对端，BGP对等体收到该消息后，得知发送方已具有GR能力。这样，通过OPEN消息交互GR能力，GR Restarter与其BGP对等体之间协商建立起GR Session连接。如果双方都没有交换GR能力的信息，建立起的会话也就不具备GR能力。
对于分布式设备，当进行主备倒换时，会话项将丢失，此时具备GR感知能力的BGP对等体会将所有与该GR Restarter有关的路由进行失效标记。但在GR Time内仍按照这些路由进行报文转发，这样确保了在从BGP对等体重新收集路由信息的过程中没有报文丢失。
对于分布式设备，主备倒换后，GR Restarter会重新与BGP对等体建立GR Session连接，同时发送新的GR消息以宣告其重启完毕。此时两个BGP对等体间进行路由信息交换。交换完成后，GR Restarter根据新的路由转发信息更新路由表和转发表，删除失效的路由，完成BGP协议收敛。
传统的BGP-4只能管理IPv4单播路由信息，对于使用其它网络层协议（如IPv6等）的应用，在跨自治系统传播时就受到一定限制。
为了提供对多种网络层协议的支持，IETF对BGP-4进行了扩展，形成MP-BGP，目前的MP-BGP标准是RFC 4760（Multiprotocol Extensions for BGP-4，BGP-4的多协议扩展）。
支持BGP扩展的路由器与不支持BGP扩展的路由器可以互通。
BGP-4使用的报文中，与IPv4地址格式相关的三条信息都由Update报文携带，这三条信息分别是：NLRI、路径属性中的NEXT_HOP、路径属性中的AGGREGATOR（该属性中包含形成聚合路由的BGP发言者的IP地址）。
为实现对多种网络层协议的支持，BGP-4需要将网络层协议的信息反映到NLRI及NEXT_HOP。MP-BGP中引入了两个新的路径属性：
l MP_REACH_NLRI：Multiprotocol Reachable NLRI，多协议可达NLRI。用于发布可达路由及下一跳信息。
l MP_UNREACH_NLRI：Multiprotocol Unreachable NLRI，多协议不可达NLRI。用于撤销不可达路由。
这两种属性都是可选非过渡（Optional non-transitive）的，因此，不提供多协议能力的BGP发言者将忽略这两个属性的信息，不把它们传递给其它邻居。
MP-BGP采用地址族（Address Family）来区分不同的网络层协议，关于地址族的一些取值可以参考RFC 1700（Assigned Numbers）。目前，系统实现了多种MP-BGP扩展应用，包括对VPN的扩展、对IPv6的扩展等。
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