BGP

Border Gateway Protocol -- 边界网关协议

BGP(Border Gateway Protocol,边界网关协议)是用来连接Internet上的独立系统的路由选择协议。它是Internet工程任务组制定的一个加强的、完善的、可伸缩的协议。BGP4支持CIDR寻址方案,该方案增加了Internet上的可用IP地址数量。BGP是为取代最初的外部网关协议EGP设计的。它也被认为是一个路径矢量协议。

BGP(Border GatewayProtocol)是一种在自治系统之间动态交换路由信息的路由协议。一个自治系统的经典定义是在一个管理机构控制之下的一组路由器,它使用IGP和普通度量值向其他自治系统转发报文。

在BGP中使用自治系统这个术语是为了强调这样一个事实:一个自治系统的管理对于其他自治系统而言是提供一个统一的内部选路计划,它为那些通过它可以到达的网络提供了一个一致的描述。

BGP,边界网关协议,是自主网络系统中网关之间交换器路由信息的协议。边界网关协议常常应用于互联网的网关之间。路由表包含已知路由器的列表、路由器能够达到的地址以及到达每个路由器的路径的跳数。

使用边界网关协议的主机一般也使用传输控制协议(TCP)。当网络检测到某台主机发出变化时,就会发送新的路由表。BGP-4,边界网关协议的最新版本,允许网络管理员在策略描述下配置跳数的规格。



BGP是目前应用在因特网上的IP网络互联协议,为运营商之间的互联提供了稳定而安全的路由协议,具有丰富的路由控制机制。为了更好地控制路由策略,当前大部分的运营商均将BGP部署到骨干路由器。随着网络的不断扩展、路由器数目的增多以及路由信息条目的激增,解决BGP的扩展性问题变得越来越重要。

目前BGP的扩展性面临如下几个问题。

(1)I-BGP的Full-Mesh问题>
  BGP路由协议分为I-BGP和E-BGP两个部分。I-BGP用于自治域内的路由器之间,E-BGP用于自治域间的路由器之间。为了防止产生环回路由,BGP协议要求一个路由器通过I-BGP学到的路由,不再向其他I-BGP邻居广播,所以一个自治域内所有参加I-BGP协议的路由器都要与其他路由器建立会话,从而保证路由信息能够正确地广播到每一个路由器。依照这个原则,一个自治域内总的I-BGP会话数为N×(N-1)/2 (N为运行I-BGP的路由器数),当N不断增大时,这个数字会大得惊人:如100台路由器,则会话数为4950.这对网络设备而言是个非常大的负担,而且还将使网络的管理与配置变得异常复杂。而骨干网通常由大量的运行I-BGP的路由器组成,因此,这个问题是否能够解决,直接影响到网络规模的大小。

(2)更改路由策略时路由振荡的问题
  BGP属于增量更新的路由协议,当有新的路由要发布时,路由器会向邻居发送Update信息,而如果要删除某条路由时,就会发送Withdraw信息。BGP路由的Flap的定义是:当一条路由在被收回(Withdraw)后,又被广播(Update)出来,视为一次Flap.由于任何一条路由的收回和更新都会导致一台路由器整个路由表重新计算,因此当Flap的情况比较多时,对路由器设备的负载将产生巨大的压力。根据笔者在实际工作中的经验,一般情况下,一台高端路由器在计算BGP路由的时候,CPU的负载基本上在80%~90%左右,有时甚至达到100%,占用了几乎所有的CPU资源。虽然目前大部分的高端路由器都将路由计算的模块与转发模块分布在不同的硬件上,来减少主CPU忙导致的路由器性能下降的问题,但是路由表的频繁变化和更新,对整个设备的运行还是有一定的影响的,而且这样的计算会随着路由的收回或广播,继续向自治域内部扩展,使内部的路由器产生同样的问题。

(3)其他需要考虑的问题
  除了上面的两个问题会导致对路由器资源过量消耗之外,还有其他的一些因素,如路由的数目、BGP路由表的大小和路由计算的方式等,同样也会影响路由器的性能。
  另外,网络越大,路由条目越多,配置和管理的工作也就越复杂,这就需要在网络设计的时候尽量简化配置,降低管理人员的工作强度,避免人为原因造成故障。

2 如何解决制约BGP扩展性的问题

针对以上问题,介绍一些相关的解决方法。

(1)解决I-BGP会话数瓶颈的方法
  上面提到的I-BGP的会话数过多的问题,可以采取两种办法来解决:
  1)联盟的方法(Confederations)
  联盟的工作原理是:将原来一个自治域的网络分成多个子自治域,通过Confederations id将原AS号配置到每个路由器上。这样有两个好处:一是可以保留原有的I-BGP属性,包括Local Preference、MED和NEXT_HOP;二是能在Confederations的功能中自动实现,无需管理员在网络的出口处配置过滤内部AS号信息的操作。
  2)路由反射器(Route-Reflector)
  采用路由反射器是目前应用最广泛的方法,较之前面联盟的方法,具有更好的扩展性。路由反射器的工作原理是:将一个自治域内的路由器分成几个 Cluster,每个Cluster由Reflector和Client组成。Reflector之间形成Full Mesh,运行常规的I-BGP;Client只与Reflector运行I-BGP,对于Client来说,Reflector只是普通的邻居而已, Reflector则扮演了路由集散地的角色,将从其他Reflector学到的I-BGP路由转发给Client,同时,将从Client学到的I- BGP路由转发给Cluster内的其他Clients和Cluster外的其他Reflector,再借由Reflectors广播到其所在的 Cluster.在实际的网络中,为了提高冗余度,通常一个Client与多个Reflector建立邻居关系,而且不局限于Client所在 Cluster的Reflector.
  由此可见,Client上的I-BGP会话数一般为1~2个,与联盟的方法相比,只要Reflector的性能足够高,Cluster就可以做得很大,而Client的负载不会随Cluster的变化有太大的变化。对于前一种方法,由于一个子自治域的所有路由器还是要做到Full Mesh,所以最低性能的路由器决定了一个子自治域的大小;而路由反射器法则通常是一个或多个最高性能的路由器决定Cluster的大小,因此,具有更好的网络扩展性能。
  另外,一个Reflector也可以成为另外一个Reflector的Client,形成层级结构,这特别适用于按照分层结构建设的网络,可以很容易地把平面的网络管理演变为分层管理。
  当然,在使用路由反射器的时候,也有一些需要注意的地方,比如:Reflector并不是纯粹的转发路由,所有收到的路由在Reflector上同样要经过最优计算,然后将优选路由向外广播,所以Reflector的选择要依据网络结构而定,尽量使I-BGP邻居关系与实际的电路连接关系相对应。

(2)控制路由振荡
  目前,控制Route Flap主要采取Damping的方法:一个BGP路由器对收到的E-BGP路由设定Penalty值,每一次路由Flap都会使该路由的Penalty 值增大,而路由稳定时,Penalty值会随时间而减小;当Penalty值超过预设的抑制限制时,该路由就不再被广播,而当Penalty减小至低于重用限制时,该路由才会被重新向外广播。这种方法主要是针对E-BGP邻居而言的。这样,当一个网络内部发生路由振荡时,与之相连的其他网络通过 Damping可以有效地防御对各自网络的影响。
  在网络维护中,经常会遇到这样的情况:宁愿一条电路中断一段时间,也不希望它在不停地震荡。因为中断一段时间后,只要电路恢复,网络流量也会随之恢复;与此相反,振荡的电路恢复后,需要等待一段时间才能恢复正常的流量(其他网络都在抑制振荡的路由)。Damping则可以有效地保证因特网的稳定,但同时也会导致一些故障的延时恢复。
  当前的设备基本都支持Damping的功能,而且提供可以配置的参数来精细控制Damping.一般情况下,设备提供的缺省配置能够满足大多数网络的需求,如果确有特殊需要,则一定要经过仔细计算,否则,不是没有效果,就是把别人的路由抑制后很长时间不能恢复。

(3)Peer Group的应用
  在实际的网络中,有一种非常普遍的现象,即一个路由器会有多个属于一类的BGP Peer.这里的“属于一类”是指BGP的策略相同或类似,当Peer比较多时,BGP的配置会变得臃肿,同时,路由器的负载也会加重,因为一旦有路由的更新,路由器需要针对每个Peer做一次策略计算(虽然策略都相同)。另外,应用Peer Group还有一个好处,就是降低了对路由器设备的资源消耗,因为路由器对同一Group更新路由时,由于使用相同策略,因此只进行一次路由计算,从而大大减少了占用CPU的时间。
  在实际的网络维护中,即使当同一类的Peer很少时,一般也建议采用Peer Group的方式,因为这样具有很好的扩展性。Peer Group不但适用于I-BGP的Peer,也适用于E-BGP的Peer.

(4)关于route refresh的措施
  骨干网络维护中,经常会遇到修改BGP策略的情况,如更新某个Peer的as-path限制列表,在配置修改后需要使其生效,以前的做法是中断当前的BGP会话,然后重新建立,命令如下:
  clear ip bgp x.x.x.x
  这么做主要是因为路由器在收到对方的BGP路由表后,先进行策略运算,然后将最优路由存储在本机的BGP路由表中,而不是把原始的路由统统保存。当策略改变时,必须重新建立连接来获得对方的全部路由,然后利用新策略再次计算。这种方式的弊端显而易见,如网络阻断、大量消耗路由器的CPU资源等。
  解决这个问题目前通常采用两种方法:一种方法是设法保存原始的BGP路由,这样,重新计算时就不需要重传了;另外一种方法是在启用新策略的时候,在不中断BGP会话的前提下,向对方请求重发全部BGP路由表。
  第一种方法是利用软件配置实现的,配置的命令如下:
  neighbor 1.1.1.1 soft-reconfiguration inbound
  在启用新策略的时候输入命令:
  clear ip bgp 1.1.1.1 soft [in|out]
  这样,所有的原始BGP路由就会被存储在另外一张路由表里面,在修改策略的时候,通过对这张路由表进行运算,就可以得到最优的BGP路由表,这样对路由产生的资源消耗较小;而且有这样一张原始的路由表,可以在修改策略后、正式启用之前使用命令来检查策略修改后的效果。但这种方法需要额外的内存资源来存储路由表。
  第二种方法是由路由器设备的BGP 能力(BGP Capabilities)决定的,也就是系统软件本身内置的功能模块。在建立BGP会话的时候,这个参数通过BGP OPEN在两个路由器间进行交换。一个设备是否支持BGP Refresh Capabilites,可以用命令下列来检查:
  show ip bgp n x.x.x.x
  如果参与BGP的两个路由器都具备这个功能,那么不需要任何配置,当执行clear ip bgp n x.x.x.x in 时,本端BGP进程不会中断BGP会话,而是向对端请求重发全部的BGP路由表。相对于第一种方法,这种方法的好处是可以节省内存资源,缺点是网络管理员无法了解对方发过来的原始路由,而且重发了全部路由表,效率上也没有第一种方法高。目前骨干网内的设备基本上都支持这个功能。

3 总结
  以上对BGP扩展性相关的几个问题和相关的措施进行了论述,在实际的应用中还需要根据具体情况来部署。但是总的思路和原则都是一样的,即一方面要降低设备的资源消耗,另外一方面要简化维护管理,从硬件、软件两方面来提高网络的扩展性。


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参考资料:
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贡献者:
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