文/叶翀
在开始之前，假设让我们来给通信协议画一个简单的素描。
抛开对上层协议和复杂应用的支持不谈，通信协议最基本的功能是运行在两台或多台设备之间，通过收集、发布、交换一些信息，来为设备间的通信建立通道，即实现支撑上层数据互通。为了实现通信协议这个基本功能，需要解决三个问题：
l 单台设备需要收集和存储哪些信息？
l 设备之间如何交互和通信，来汇总出完整的信息？
l 信息汇总之后，进行怎样的决策，来得出通信通道？
对如上三个问题进一步分解，可以得出：
一、协议发布哪些信息？
l 协议需要哪些信息？
l 如何描述和存储这些信息？
二、与谁交换信息？
l 选择哪一个底层协议作为承载进行通信交互？
l 动态发现交换对象——邻居，还是静态配置邻居？
l 邻居建立过程是怎样的？
三、如何交换信息？
l 交换信息报文格式如何？
l 报文格式怎么做可以具备比较好的扩展性？
四、如何从信息中决策出最佳通信通道？
五、其他必要的考虑
通过这些问题，我们将在下文描述BGP的简单框架。当然这些仅仅是框架，它们只是BGP协议最基础的部分。BGP最强大的功能在于灵活的策略和多协议扩展支持，这些在本文中都没有涉及，在本刊的其他文章中都会有详尽的介绍。
在BGP的前身EGP中，引入一个概念，叫做自治系统AS，Autonomous System。AS指的是在统一技术管理下的一系列路由器。比如运行OSPF的一张网络，或者运行ISIS的一张网络，都可以作为一个AS。实际网络中，自治系统是人工规划的，AS号由专门的机构分配。通常在AS内部运行某种IGP协议，用于AS内部的路由学习和管理；而在AS的边界运行BGP，用于AS之间交换路由信息。借助BGP，各AS可以独立选择自己适合的IGP协议，并通过BGP来获得其它AS的路由信息。
从这个用途来看，对BGP来说，需要做到以下几点：
l 能够支持从各类IGP（包括直连路由）引入路由信息
l 能够从这些数据中决策出最优路由
l 不论从哪类IGP引入，将最优路由对外发布时，采用统一的格式
路由信息的引入过程不在本文的讨论范围内，决策过程见本文第5节。我们来看看上面三点中信息的收集和存储问题。BGP需要收集哪些信息，来支撑下一步的决策？
最基本的是IP前缀和掩码、下一跳，这是一条路由的最简描述，任何一种路由协议都需要收集这些信息。为了支持路由优选，需要考虑路由的优先级（至少一种度量），并记录路由的来源（哪个AS发布，什么方式引入），这是我们需要收集的可供下一步决策的最小信息集合。后面我们会看到，这些其实就是BGP UPDATE报文中的主要字段。IP前缀和掩码对应UPDATE中的NLRI，下一跳对应NEXT_HOP，优先级对应LOCAL_PREF和MED，路由来源对应AS_PATH和ORIGIN。
BGP存储路由信息的数据库叫做RIB，Routing Information Base。这个数据库分为三个部分：
l Adj-RIBs-In，保存BGP Speaker从邻居学到的路由信息，即初始路由
l Loc-RIB，保存经过决策从Adj-RIBs-In选取的路由信息，即最优路由
l Adj-RIBs-Out，保存BGP Speaker发给邻居的路由信息，即发布路由
上面三个数据库，仅仅是协议关于BGP路由管理的概念性设想，实际实现中，不要求必须保留路由的三套拷贝。
初步设想了单台设备需要收集和存储哪些信息之后，我们来看看设备之间如何通信。考虑到BGP用在AS之间，是作为大型网络之间接口的角色存在，对报文传输的稳定性有很高的要求，BGP选择了TCP作为承载协议，使用端口号179。由于TCP提供了稳定可靠的传输，BGP不需要专门的机制来处理复杂的报文分片、重传、确认等细节。
在TCP之上，BGP报文头如图1所示，共19个字节：
图1 BGP报文头
承载不同BGP协议报文类型通过Type字段标识，Length字段标识BGP消息的字节长度，含BGP报文头，虽然是16Bit数，合法范围只从19到4096。Marker字段用来探测对端与本端是否同步。
承载协议确立为TCP之后，下一个问题是，采用普通路由协议的动态发现邻居方式呢，还是采用手工静态配置方式？BGP采用了后者，只要双方指定地址路由可达，就可以建立邻居。这么做至少有两个好处：
1、可以与对端设备用任何IP地址建立邻居，而不限于某个固定的接口IP。这样，当两台设备采用环回地址而非直连地址建立BGP邻居时，即使主链路中断了，也可以切换到备份链路上，保持邻居不断。这种稳定性正是BGP作为大型网络路由承载的必要特质。
2、可以跨越多台设备建立邻居。当一个AS有多个设备运行BGP 建立域内全连接时，不必每台设备物理直连，只要用IGP保证建立邻居的地址可达，即可建立全网连接，减少不必要的链路建设。
同一个AS内，设备之间的邻居叫做IBGP（Interior BGP）邻居，不同AS间，设备之间的邻居叫做EBGP（Exterior BGP）邻居。运行BGP的设备叫做BGP发言者（BGP Speaker），相互之间称作BGP对等体（BGP peer）。
BGP用来建立邻居的OPEN消息格式如图2所示：
图2 OPEN消息
Version：标识运行的BGP版本。如果一个对等体的版本比对方旧，它会拒绝新版本的连接，于是对方降低版本号重新进行协商，直到双方对版本达成一致为止。
My AS：邻居建立发起者的AS号。用来决定双方是IBGP邻居，还是EBGP邻居。
Hold Time：对等体通过定期发送KEEPALIVE消息通知对端本端还在，以保持邻居。由于KEEPALIVE纯粹是一个通信知会，不需要携带什么信息，因此KEEPALIVE报文实际上是不带数据的BGP报文头。Hold Time是设备收到一个KEEPALIVE之前允许经过的最大秒数。这个时间或者是0秒（不发送KEEPALIVE），或者是至少3秒。一般默认KEEPALIVE每60秒发送一次，Hold Time为180秒。协商时，采用OPEN消息中较小的那个Hold Time作为双方的Hold Time。
BGP Identifier：用来标识邻居的IP地址。
Optional Parameters：公布对一些可选功能的支持，如认证、多协议支持等等。
建立邻居时，BGP先尝试与对等体建立一个TCP连接。如果TCP连接建立成功，BGP发送一个OPEN消息给对端，并等待从对端发来的OPEN消息。收到一个OPEN消息以后，BGP检查该消息的所有字段，如果没有发现错误，则向对端发送一个KEEPALIVE消息并启动KEEPALIVE定时器。收到KEEPALIVE消息，则邻居建立。
当邻居检测到错误需要中断连接时，BGP发送NOTIFICATION消息通知对端，消息格式如图3所示：
图3 NOTIFICATION消息
相关错误码和含义的列表请参考协议，这里不展开讨论。
综上我们可以得出BGP四种消息报文的用途：OPEN用来建立邻居，KEEPALIVE维持邻居，UPDATE发布路由信息，NOTIFICATION通知对端检测到错误。
BGP建立邻居采用有限状态机，共有6种状态。BGP的运行流程就是在这6种状态之间根据资源和事件的要求作转换。它们分别是：
1、Idle
BGP协议初始时是处于Idle状态。在这个状态时，系统不分配任何资源，也拒绝所有进入的BGP连接。只有收到Start Event时，才分配BGP资源，启动ConnectRetry计时器，启动对其它BGP对等体的传输层连接，同时也侦听是否有来自其它对等体的连接请求。
2、Connect
这个状态下，BGP等待TCP完成连接。若连接成功，本地清空ConnectRetry计时器，并向对等体发送OPEN报文，然后状态改变为OpenSent状态；否则，本地重置ConnectRetry计时器，侦听是否有对等体启动连接，并移至Active状态。
3、Active
这个状态下，BGP初始化TCP连接来获得一个对等体。如果连接成功，本地清空ConnectRetry计时器，并向对等体发送OPEN报文，并转至OpenSent状态。
4、OpenSent
这个状态下，BGP等待对等体的OPEN报文。收到报文后对报文进行检查，如果发现错误，本地发送NOTIFICATION报文给对等体，并改变状态为IDLE。如果报文正确，BGP发送KEEPALIVE报文，并转至OpenConfirm状态。
5、OpenConfirm
这个状态下，BGP等待KEEPALIVE或NOTIFICATION报文。如果收到KEEPALIVE报文，则进入Established状态，如果收到NOTIFICATION报文，则变为Idle状态。
6、Established
这个状态下， BGP可以和其他对等体交换UPDATE，NOTIFICATION，KEEPALIVE报文。如果收到了正确的UPDATE或KEEPALIVE报文，就认为对端处于正常运行状态，本地重置Hold Timer。如果收到NOTIFICATION报文，本地转到Idle状态。如果收到错误的UPDATE报文，本地发送NOTIFICATION报文通知对端，并改变本地状态为Idle。如果收到了TCP拆链通知，本地关闭BGP连接，并回到Idle状态。
综上，我们可以画出BGP的有限状态机如图4所示：
图4 BGP有限状态机
邻居建立后，BGP采用UPDATE消息来发布路由或撤销路由。UPDATE消息由三部分组成：
Unfeasible Routes：之前发布过，不再有效的路由。
Path Attributes：路由信息的附加描述，是BGP用以进行路由控制和决策的重要信息。
NLRI：由一个或多个IP地址/前缀长度组成。
其格式如图5所示，一个UPDATE消息中可以携带多条路由信息：
图5 UPDATE消息
由于BGP在报文格式中普遍采用了TLV（Type，Length，Value）的形式，而不是固定长度固定字段的形式，使得BGP具有非常好的扩展性，在后期追加新类型支持新业务时，只需要定义新的类型编码和值，报文不需要做任何更改。
关于BGP属性的具体类型和含义，请参考《BGP属性简介》一文。
上面我们描述了BGP发言者之间交换哪些信息。决策过程选择路由用于下一步的发布，应用本地策略信息库PIB（Policy Informaiton Base）来处理Adj-RIB-In中的路由。决策过程的输出是发布到所有邻居（包括IBGP和EBGP）的路由信息集合，被选的路由存储在Adj-RIB-Out中。
决策过程分三步来进行：
1、当本地BGP发言者接收到EBGP邻居发布过来的更新、替代或撤销路由时，为每一条路由计算优先级，并将最高优先级的路由通告到所有IBGP邻居。
2、在步骤一完成后激活。负责从到达目的地的所有路由中选择最好的路由，同时安装每条选中的路由到相应的Loc-RIB。如果路由信息携带的下一跳路由不可达，则将该路由排除在这个决策过程之外。
3、在步骤二完成后激活。负责根据在PIB中的规则，发布Loc_RIB中的路由到EBGP邻居的每个对端。
最优路由有三种情况：
1、 对同一个目的地集合有路由的最高优先级
2、 是到目的地的唯一路由
3、 两条或两条以上具有相同优先级，必须用更细的法则算出一条最优来。此过程称之为Tie-Break
一般来说，BGP计算路由优先级采用如下规则：
1、 选择具有最高LOCAL_PREF值的路由
2、 如果LOCAL_PREF相同，选择从本地IGP（含直连路由）引入的路由
3、 如果LOCAL_PREF相同，且没有本地引入路由，则选择AS_PATH最短的路由
4、 如果AS_PATH路径长度相同，判断ORIGIN值，IGP优于EGP，EGP优于Incomplete
5、 如果ORIGIN相同，优选MULTI_EXIT_DISC值较小的
6、 如果MED也相同，依次选择从EBGP、Confederation、IBGP发布的路由
7、 如果发布源也相同，优选下一跳IP在本地路由表中Cost值最小的路由
8、 如果下一跳Cost也相同，优选CLUSTER_LIST长度最短的路由
9、 如果CLUSTER_LIST长度也相同，优选ORIGINATOR_ID最小的路由
10、 如果ORIGINATOR_ID长度也相同，优选ROUTER_ID最小的路由
Tie-break采用如下过程：
1、 优选MULTI_EXIT_DISC值较小的.
2、 优选下一跳IP在本地路由表中Cost值最小的路由
3、 优选EBGP邻居发布的路由
4、 选择BGP标识符最小的邻居发布的路由
为优化协议，BGP还在如下方面做了考虑：
1、减少路由振荡
大型网络之间，路有频繁振荡会带来严重的后果。因此BGP为尽可能减少路由振荡做了一些考虑。
l BGP邻居超时时间很长，通常是180秒。当应用环回地址建立邻居时，即便链路中断，只要备份链路能够及时发布切换环回地址路由，邻居可以保持建立，不引起振荡。
l BGP规定，如果需要撤销到一个目的地址的路由，同时更新一个掩码不同的路由，则应该把他们组合在一个UPDATE消息中。这样BGP可以一次处理，不出现路由振荡。
l BGP提供路由抑制机制（Route flap damping），它为每条路由分配一个动态的度量数字，用来反馈路由稳定程度。当一条路由出现振荡，就给他分配一个惩罚值。振荡越多，惩罚值越高。如果惩罚值超出预设的门限，该路由就不再对外发布。直到一段时间后惩罚值降低到可重新使用的门限值。
2、节省设备资源
l 在BGP向其他邻居发布路由时，引入一个介于0.75~1的随机因子，将该因子分别与每对邻居间发布路由的最小时间间隔相乘，从而得出不同的路由发布最小时间间隔，以避免路由都挤在一个时间发布占用太多的带宽和CPU。
l BGP支持路由聚合，可根据某些属性进行灵活的聚合，减少路由发布条目。
l 引入路由反射器。IBGP要求全链接，引入反射器后，每台BGP发言者只需要与BGP反射器建立邻居，BGP反射器会把从IBGP邻居学到的路由发布给其他IBGP邻居，以节省开销。
小测试：
1、 你能画出BGP的邻居状态机吗？
2、 BGP采用手工静态配置邻居，有哪些好处？
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