文/朱皓

1         BGP的出现

要全面了解BGP，首先我们要回答以下看上去很简单的问题：为什么需要BGP，也就是说BGP是如何产生的，它解决了什么问题。带着以上问题，我们先简单的回顾一个路由协议发展的轨迹。

首先路由的实质是描述一个网络结构的表达方式，路由表其实是一个结果的集合。在早期的ARPANet网络时代，网络规模有限，路由数量也不大，因此所有的路由器可以维护整个网络拓扑，那时候使用的路由协议叫GGP（Gateway-to-Gateway Protocol）。GGP自然成为第一个内部网关协议（IGP）。在1980年左右。当时的网络管理者遇到了与今天类似的问题：网络规模扩大导致的路由数量不断增长。为了解决这种网络规模的增长问题，提出了自治系统的概念（AS），也可以叫做路由管理域。在AS内部使用一种路由协议，然后在AS之间使用另一种路由协议。这样做的好处显而易见，不同的网络可以自己选择IGP协议，然后再通过一个统一的AS间协议进行互连就可以了。

在IGP的发展领域中，先是RIP成为IP路由的主流，之后出现了更高级的IGP协议包括OSP和ISIS，这些协议自动化程度更高、更智能更可靠。同一个AS的路由器间是有相互信任关系的，而且这些路由器往往由同样的管理人员维护，因此IGP的自动发现和路由计算信息泛洪处于完全开放的状态，人工干预的行为是比较少的。

不同AS互相连接的需求，推动产生了外部网关协议（EGP），EGP的主要目的是在不同的AS之间传递路由协议。而不同的AS之间往往是直接相连，大多数AS互联行为只涉及少量的边界路由器（ASBR），所以EGP的设计也非常简单。EGP的RFC827发布于1982年，看上去似乎早于RIP的第一个标准FRC1058，但其实在RFC1058之前，RIP已经被广泛的使用。在当时，RIP+EGP成为一种标准的路由组合。

EGP被设计的如此简单，以至于很快就不能满足网络管理的要求。EGP单纯的发布网络可达信息，不做任何优选，也没有考虑环路避免。有人甚至认为EGP算不上是一个路由协议，EGP的众多缺陷，最终导致被BGP所取代。BGP的第一个FRC1105是1989年发布的，和EGP相比，BGP更像是一个路由协议，具有很多路由协议的特征，比如解决环路问题、收敛问题、触发更新等等。

就像是不同的企业有各自的企业文化和标准，但是企业间的交往却要遵循统一的行为规范和标准一样。对于AS间的路由交互，也必须有一个统一的标准。BGP相比EGP的众多优势，使BGP成为唯一的外部网关协议，并广泛的使用在互连网上。

综上所述，BGP是为了替代EGP而出现的一个外部网关协议，它必须能够进行路由优选、路由环路的避免、能够更高效率的传递路由和维护大量的路由。因为BGP部署在不具有完全信任关系的AS之间，因此需要BGP有丰富的路由控制能力，并且可以通过一些简单统一的方法对BGP进行扩展。

2         BGP的发展

BGPv1（RFC1105）定义了BGP最基础的一些协议特征。BGP在AS间传递路由，因此它非常重要。为了保证BGP的可靠传输，使用了TCP作为传输层协议。使用TCP的好处是显而易见的，BGP可以利用TCP现成的可靠性传输机制、重传、排序等机制来保证协议报文交互的可靠性。对于TCP扩展带来的好处也可以被继承，比如TCP的MD5认证就可以为BGP所用。

BGP是建立在两个不同的AS间，存在信任问题，所以BGP不能通过自动发现，而是需要手动配置邻居，使用指定地址建立TCP关系。与AS外部节点建立的BGP关系叫做EBGP关系，与AS内部节点建立的BGP关系是IBGP关系。

BGP最重要的一个概念就是使用AS号来解决AS间的环路问题，如果收到某个路由信息携带了自己的AS号，那么说明这个路由是已知路由，就不再处理它。如果AS号重复，那么说明出现了路由环路。在BGPv1中并没有AS-path的概念，这个概念在BGPv2中被明确下来。BGP从v1、v2、v3、到现在的v4，也是不断的进行改良。BGP4+则主要是进行了多协议BGP的扩展，也叫MP-BGP。关于MP-BGP的概念本文暂不作讨论。

在AS内部，因为没有AS号的变化，防止环路需要采用其它的方式。BGP规定从IBGP邻居学习到的路由不会传递给另一个IBGP邻居，简单的说就是IBGP间路由只传一跳，路由只传递一次当然就不存在成环的问题。同时就要求AS内部的所有路由器都要两两建立IBGP关系，这就是BGP技术中的BGP全连接。全连接在大型网络中是不可想象的，因此后来衍生出路由反射器和BGP联盟两种技术（RFC1966和RFC1965）。路由反射器是在AS中指定一个节点作为反射器，所有的其它节点都与反射器建立IBGP关系，反射器作为一个中间节点，在其它任何两个IBGP间传递路由。所以反射器从理论上讲，在传递路由的时候，不应该改变路径属性信息，否则就破坏了BGP在AS内部避免环路的原则。但是基于实际应用的角度，不同的厂商对反射器的功能做了很多特性，需要BGP的部署者谨慎使用。BGP联盟则是在AS内部做了重新规划，把一个扁平化的AS又分为多个私有的AS，这样做的好处一方面可以分层的管理一个庞大的AS，另一方面通过层次的划分，自然减少了全连接的需求。

BGP报文采用了TLV的结构，这种结构是非常利于扩展和向下兼容的。所以，随着网络的发展，产生了大量关于BGP扩展的RFC，这更使得BGP成为永葆青春的外部网关协议。

从最初的BGPv1到BGPv4，协议报文的种类和格式都做过调整，但是BGP的设计一直以简单明了作为原则。从BGPv2开始，消息种类确定为4种。建立TCP连接后，使用OPEN消息触发BGP关系建立过程，使用UPDATE消息进行路由的发布和撤销，使用NOTIFICATION消息通告出现错误，使用KEEPALIVE消息对BGP关系进行保活。可见BGP的路由通告是触发更新模式的，只有更新的时候才发送UPDATE，所以，需要KEEPALIVE消息对BGP关系进行保活。BGP状态机也是在BGPv2开始被确定为6种。

1990年出现的BGPv2（RFC1163）是一个重要的分水岭。首次出现了BGP路径属性的概念，而且其中对属性的分类方法沿用至今，成为BGP路由策略的主要手段，为各种对路由的过滤、标识、选择提供了多种多样的方法。

路径属性分为4种，最基本的就是公认必遵属性。顾名思义这类属性必须在发布路由的时候携带，描述了所发布路由的一些基本信息，包括：下一跳、AS_PATH和ORIGIN。下一跳用于路由计算，AS_PATH用于环路避免，而ORIGIN则用于路由选择。在BGP中，路由信息通过网络前缀的方式进行描述，被叫做网络层可达信息（NLRI，本文后面有些地方使用了‘BGP路由’这个通俗的叫法，以方便理解）。这个描述更贴切一些，实际上BGP只传递了一些信息，用于计算出路由。NLRI存在于UPDATE消息中，同时NLRI会附加公认必遵的3种属性，这样比较简单的做法就是一个UPDATE只传递一条NLRI信息。唯一的缺点是，当存在巨量路由时，收敛的速度较慢。

公认必遵属性相对应的就是公认可选，也就是说这些属性必须被所有的BGP路由器所识别，携带与否是可以选择的。

另外的两个路径属性是可选可传递属性和可选不传递属性，很显然，两种属性考虑到了协议的扩展性，对于设备不识别的属性，是可以透传或者忽略的。

各种各样的属性，一方面用于路由选择，另一方面相当于给路由做了标志，在不同的节点，根据这些标志对路由做相应的过滤、修改等操作。也可以根据属性来实现一些BGP的扩展特性。正是因为BGP使用在不完全可信的路由管理域之间，所以需要BGP具有对路由信息灵活的控制手段，这是BGP最重要的特点之一。

网络设备根据NLRI中的网络前缀和对应的路径属性，进行路由计算，计算有可能需要依赖IGP来完成。因为BGP关系可以建立在非直连的网络节点，只要建立TCP连接的地址通过IGP可达，就可以建立BGP关系并交互NLRI信息。另外，NLRI对应的路径属性中携带了下一跳的信息，下一跳也要通过IGP进行查找，如果找不到到达下一跳的路由，那么就说明无法到达发布NLRI的BGP节点，因此该BGP路由处于inactive状态。很显然，inactive的路由信息是不应该发送给其它任何一个对等体的。所以有必要在全局路由表之外，保留一个BGP路由表，通过这个表，可以看到BGP路由决策的部分结果。

在BGP实际的使用中，还有一个同步的概念，也就是IGP路由必须与BGP路由同步。前面已经提到BGP关系是可以在非直连邻居间建立的，路由信息可以在BGP对等体之间传递，但是没有配置BGP的中间链路节点，并没有这些BGP路由信息。路由归根结底是为转发报文而服务的，当报文转发到这些中间链路节点时，会因为没有路由而被丢弃。这个现象很形象的被称为BGP黑洞。解决BGP黑洞其实很简单，就是保证如果某个节点没有配置BGP的话，必须可以通过IGP获得这些BGP路由信息，这就叫IGP路由与BGP路由同步。在真实的网络设计中BGP黑洞是很少出现的，因为如果AS是一个边缘AS，那么BGP多数只部署在AS连接其它AS的边界上。如果AS是位于多个AS中间的区域，那么这个AS是一个核心区域，其中所有的路由器都会部署BGP并且配置了FULL-MASH的IBGP关系。所以BGP黑洞是很少出现的特例，因此当前大多数厂商的实现都是默认关闭了这种同步的检查。

1991年RFC1267定义了BGPv3，一个重要的补充是增加了连接的冲突处理机制，当两个节点同时发起连接时，BGP ID大的一方发起的连接会被保留。

BGPv4（RFC1771）最重要的改变是BGP终于由有类的路由协议成为一个无类的路由协议。这个改变源于有类地址的枯竭，为解决这个问题，1993发布的RFC1520定义了CIDR（Classless Inter-Domain Routing）。而BGP作为唯一的AS间路由协议，支持CIDR是必然的。

BGP一直处于发展和完善中，最新的RFC4271，它对于一些细节进行了进一步的说明，比如对NEXT-HOP属性的处理原则、事件和状态机以及BGP的路由决策流程等等，相比RFC1771的变化还是比较多的。

BGP协议基本概念并不复杂，如果从BGP的使用场景和使用特点来看，理解起来很容易。BGP的困难主要在于部署时如何适应网络拓扑的要求和对路由进行控制，因为BGP控制路由的手段非常多，这些控制都是需要管理员定义和部署，同时还要考虑各种特性和控制手段组合在一起使用时的互相影响。

3         BGP的扩展

前面提到了BGP的一些基本概念：基于TCP的可靠连接、触发更新、AS内和AS间防止环路的技术，通过各种属性实现的路由优选和路由控制策略、消息的类型等等。可以看出BGP的各种特征，都是来源于BGP使用的场合，需求决定了最终的实现，协议不过是统一了实现的方法而已。

关于BGP扩展的RFC非常多，多数都是实现了不同的特性，也有一些是对BGP的分析，甚至是BGP部署方面的建议和经验。下面列出的只是关于BGP的小部分RFC而已。

前面提到的BGP联盟出现在RFC1965（最新版为RFC5065），路由反射出现在RFC1966（最新版为RFC4456）。

BGP路由扩展团体属性出现在RFC1997（最新版本为RFC4360）。

路由刷新功能出现在RFC2918，路由刷新定义了一种新的BGP消息Route-REFRESH，使用这个消息可以要求对等体更新某个地址族的路由信息。

RFC2439定义BGP路由惩罚机制解决了路由不稳定对网络造成的影响。惩罚机制是通过两个定时器来实现的，每次振荡会导致一个惩罚值的累加。如果超过某一个固定值，该路由就不计算不发布，处于抑制状态。

RFC2842定义了BGP携带能力集的方式（最新版为RFC3392），通过在OPEN消息中的能力集字段，可以在BGP建链阶段完成双方能力的通告，并决定是否建立BGP关系和后续协议报文的处理。

RFC2858（最新版为RFC4760）定义了多协议的BGP，扩展以支持非IPv4的网络层可达信息。目前最重要的MPLS VPN技术就是通过BGP的多协议扩展，实现了路由交互。

RFC2385定义了使用TCP的MD5保护BGP连接的方法，而为了加强key的处理，由RFC3562又做了进一步的分析。

RFC4724定义了BGP GR，在双主控和控制转发分离的设备上实现协议的平滑重启，可以保证转发不中断。RFC4781进一步定义了MPLS环境中的BGP GR。

RFC1772描述了BGP4在Internet上的使用方法，包括给出了关于拓扑的建议和一些路由处理的过程。

RFC4272是研究BGP安全性的一个分析文档。

RFC4451甚至对MED属性进行了详细的分析，给出一些实现的建议。

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对BGP的诸多扩展是为了适应不断发展的网络结构，包括网络攻击的可能性。由这些RFC支撑着的BGP毫无疑问已经成为Internet上无法替代的一个路由协议，而且有越来越复杂的趋势。对于BGP的理解，最佳的途径是基于应用。从上面的一些RFC就可以看出来，BGP的协议文档中很多是来源于应用的实践。

在今天的BGP技术中，在NLRI上附加了很多增量的信息，用于实现各种差异化的需求。好在BGP的协议基本构架决定了BGP是一个拥有良好扩展性和兼容性的路由协议。而且BGP技术可以说是一种模块化的技术，在一个基本的协议构架上，可以通过各种扩展增加模块以支持各种新的应用，而且有可能允许不同组件的共存。在最新的草案中，有一个是关于BGP能力集的动态发布。允许在一个已经建立的BGP关系上通过OPEN消息宣称自己支持新的能力集，并且如果不支持该能力集，可以忽略这个消息。并不会影响原有的BGP关系或路由通告。

对BGP的理解过程是一个渐进的过程，BGP的发展也是如此。还是《阿甘正传》中的一句台词做结尾：

Routing is like a box of chocolate，you’d never know what you are going to get……