计算机网络自顶向下方法42——网络层 自治系统间路由选择：BGP 深度解析

我们开始深入解析将全球数以万计的自治系统粘合在一起的胶水——BGP。这是互联网能够成为一个真正“网”的核心所在。

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自治系统间路由选择：BGP 深度解析

BGP是互联网的事实标准外部网关协议，是所有ISP之间进行路由通信的共同语言。理解BGP，就理解了互联网的骨架。

一、BGP 概述：互联网的“外交官”

1. 核心角色：在AS间传递可达性信息

• 内部 vs. 外部：OSPF、RIP等IGP负责AS内部的路由，像一个国家的国内交通系统。而BGP负责AS之间的路由，像国家间的外交官，互相通告“如何到达我这里的网络”。

• 路径向量协议：BGP不属于严格的距离向量或链路状态协议，它被归类为路径向量协议。它通告的不仅是距离，而是完整的AS路径。

2. BGP 的核心作用

• 获取子网可达性信息：BGP允许一个子网向互联网的其他部分通告它的存在：“我在这里，可以通过我所在的AS到达我”。

• 策略决策：这是BGP最强大也最复杂的地方。一个AS可以策略性地决定它向谁发送流量，以及从谁那里接收流量。这不仅仅是技术最优，更是商业最优。

• 基于策略的路由选择：BGP路由决策可以由任意策略决定，而不仅仅基于最短路径。这些策略考虑了政治、安全、商业和经济因素。

二、BGP 基础：会话与通告

1. BGP 会话

• BGP连接被称为“BGP会话”，运行在TCP端口179上。使用TCP确保了BGP报文的可靠传输。

• 两种类型的会话：

  • eBGP：运行在不同AS的BGP路由器之间。用于在AS间交换路由信息。

  • iBGP：运行在同一AS内部的BGP路由器之间。用于确保AS内部的所有BGP路由器拥有一致的对外路由信息。

2. 通告BGP路由信息

• BGP通告的内容：当一台BGP路由器通过eBGP会话学习到一条去往某IP前缀（如138.16.0.0/16）的路由后，它会在AS内部通过iBGP共享，并可能通过eBGP通告给其他邻居AS。

• 通告的不是路径，而是“前缀 + BGP属性”：BGP通告的不是简单的下一跳，而是一个网络层可达性信息（包含IP前缀）和一系列BGP属性。最重要的属性之一是 AS-PATH。

3. BGP 属性
BGP路由的决策依赖于一系列属性，这些属性像标签一样附着在每条路由上：

• AS-PATH：记录了该路由通告所经过的AS序列。例如，AS6431, AS7018, AS15169 表示去往某个前缀，需要先经过AS6431，然后是AS7018，最后到达AS15169。

  • 作用1：防止环路。如果BGP路由器在收到的AS-PATH中看到了自己所在的AS号，它会拒绝该路由，因为这形成了环路。

  • 作用2：是路由选择算法的重要依据（通常偏好路径更短的）。

• NEXT-HOP：这是一个微妙而关键的属性。它指示了到达该路由的下一跳边界路由器的IP地址。对于从eBGP对等体学来的路由，NEXT-HOP就是那个eBGP对等体的接口IP。

三、确定最好的BGP路由：复杂的决策过程

当一台BGP路由器从不同的邻居那里收到通往同一个IP前缀的多条路由时，它会执行一个多阶段的决策过程来选择“最佳”路由。

1. 热土豆路由选择

• 核心思想：“把烫手的土豆（数据包）尽快扔出你自己的AS”。它关注的是如何最小化本AS内部的流量开销。

• 工作机制：对于所有可用的BGP路由，路由器选择那个NEXT-HOP路由器在本AS内“最近” 的路由。这个“最近”通常由AS内部的IGP（如OSPF）开销来衡量。

• 示例：一个ISP在纽约和旧金山都有入口点可以到达某个前缀。对于洛杉矶的一台路由器，它会选择通过旧金山入口的路由，因为数据包在它自己的AS内部传输到旧金山比到纽约的开销更小。

• 本质：一种自私的路由策略，只优化自己的成本，不管数据包在后续AS中的路径如何。

2. BGP路由选择算法（决策过程）
如果热土豆路由选择后仍有多个选项，BGP路由器会按顺序应用以下规则，直到只剩下一条路由：

决策步骤详解：

1. 本地偏好：这是最高优先级的属性，仅在同一AS内的iBGP对等体之间传递。网络管理员可以手动设置，以明确指示：“当有多个出口时，优先使用这个出口”。例如，优先使用高速、稳定的私有对等链路，而不是廉价的上行链路。

2. 最短AS-PATH：在本地偏好相同或未设置的情况下，选择经过AS数量最少的路由。这是最直观的“最短路径”选择。

3. 最低MED（多出口鉴别器）：MED是一个提示性的属性，由一个AS发送给另一个AS，意思是：“如果你有多个入口点可以到达我，请优先使用这个”。接收AS在LOCAL_PREF和AS-PATH都相同的情况下，会选择MED值最低的路由。

4. 热土豆路由：如果以上所有条件都无法区分，则采用热土豆路由，尽快将数据包送出本AS。

5. 如果仍有平局，则可能基于BGP Router ID等打破僵局。

四、BGP与IP任播

1. 什么是IP任播？
IP任播是一种网络寻址和路由技术，其中多个分布在不同地理位置的服务器共享同一个IP地址。数据包根据BGP路由，被路由到拓扑上“最近” 的那台服务器。

2. BGP如何实现任播？

• 通告相同前缀：所有提供相同服务的服务器（或它们前面的路由器）都向互联网通告完全相同的IP前缀（例如，一个DNS服务器的IP）。

• BGP自然选择：BGP的路由选择算法（特别是热土豆原则和最短AS-PATH）会自动将用户的请求引导到通告该前缀的、拓扑最近的站点。

3. 任播的应用

• 根域名服务器和顶级域名服务器（如a.root-servers.net）广泛使用任播，以提供极高的可用性和全球负载均衡。

• 大型CDN和云服务提供商：使用任播将用户请求导向最近的数据中心入口。

• DDoS缓解：攻击流量会被分散到全球多个清洁中心。

五、路由选择策略：BGP的商业本质

BGP的配置本质上就是商业策略的体现。

1. 客户、提供商和对等体
一个ISP与其他AS的关系无外乎三种：

• 提供商：我付钱给它，它为我提供到互联网其他部分的流量传输。

• 客户：它付钱给我，我为它提供到互联网其他部分的流量传输。

• 对等体：我们互不收费，仅交换通往彼此客户的路由信息，以改善双方用户的互访质量。

2. 基于商业关系的策略示例

• 出口策略：

  • 对客户：通告“我可以到达所有我知道的网络”（包括我的客户、对等体和提供商网络）。

  • 对提供商：通告“我可以到达我自己的网络和我的客户网络”。不会通告从其他提供商或对等体学来的路由，因为我不想成为免费的“中转站”。

  • 对对等体：通告“我可以到达我的客户网络”。仅此而已。

• 进口策略：

  • 从提供商/对等体接收路由时：设置较低的LOCAL_PREF。

  • 从客户接收路由时：设置非常高的LOCAL_PREF。这意味着：只要客户能到达的目的地，就优先通过客户链路发送，因为这是能带来收入的流量。

总结

BGP远不止一个技术协议，它是技术、商业和政治的混合体。

• 技术核心：通过路径向量和可靠的TCP会话，在AS间安全地交换可达性信息。

• 决策复杂性：其路由选择是一个多阶段过滤器，综合考虑了管理员策略、AS跳数和内部开销，其著名的热土豆路由策略旨在最小化自身成本。

• 商业本质：BGP配置直接反映了AS间的商业合同关系（客户、提供商、对等体），策略决定了流量的进出口。

• 强大应用：IP任播巧妙地利用了BGP的“最近”路由特性，实现了全球负载均衡和高可用服务。

正是BGP的这种灵活性和策略驱动特性，使得它虽然复杂，却成为支撑起一个多元化、竞争化、去中心化的全球互联网的唯一可行选择。

详解：为何需要区分AS间与AS内路由选择协议？

我们可以用一个生动的比喻来理解：

• 自治系统内部 像一个国家。

• 自治系统之间 像国际社会。

• OSPF/RIP 等内部网关协议就像国家的国内法律和交通系统，追求高效、统一、可控。

• BGP 这个外部网关协议就像国家间的外交规则和条约，讲究策略、协商、互利，并尊重各自的主权。

下面我们从多个维度进行深度解析。

一、核心目标与哲学的根本差异

维度	自治系统内部	自治系统之间
核心目标	性能最优化	策略控制与策略实现
设计哲学	“合作”	“竞争与协作”
信任模型	高信任度	低信任度
关注点	最小化延迟、最大化吞吐量、快速收敛	商业关系、安全、流量成本、政治考量

深入解释：

• AS内部：通常由一个组织管理，所有设备都为共同目标服务。因此，路由协议的目标非常纯粹：找到最快、最短的路径，并在链路故障时尽快恢复（快速收敛）。这是一个工程最优化问题。

• AS之间：由不同组织（ISP、公司）管理，各有各的利益。对于AS X来说，通过AS Y的路径即使延迟再低，但如果AS Y是它的竞争对手且收费高昂，AS X也宁愿选择另一个更友好、更便宜的AS Z。这是一个商业和政治决策问题。

二、技术尺度的巨大差异

维度	自治系统内部	自治系统之间
规模	相对较小（几十到几千台路由器）	极其巨大（互联网包含数万个AS）
拓扑变化	相对频繁（链路抖动、设备维护）	相对稳定（AS间连接比较固定）
可扩展性	分层设计是关键（如OSPF的区域）	路径矢量和策略控制是关键

深入解释：

• AS内部：使用链路状态协议（如OSPF） 是可行的，因为通过划分区域，可以将洪泛和计算限制在局部。路由器需要知道整个区域的拓扑细节，以便计算精确的最短路径。

• AS之间：如果让全球所有AS都运行一个统一的链路状态协议，那么每次任何AS内发生任何变化，都需要洪泛到全球所有BGP路由器，这带来的控制平面流量和计算开销将是灾难性的，完全不可扩展。BGP的路径向量方式只传递“路径摘要”（AS序列），而不传递拓扑细节，完美解决了可扩展性问题。

三、策略与控制能力的刚性需求

这是最核心的区别。

• AS内部：策略需求简单。通常只有基本的流量工程（如调整链路开销来引导流量）和安全过滤。管理员拥有绝对控制权。

• AS之间：策略需求极其复杂，直接关系到运营商的生存。例如：

  • 进口策略：“我从我的客户那里学来的路由，优先级最高；从对等体学来的次之；从上游提供商学来的优先级最低。” 因为来自客户的流量能赚钱。

  • 出口策略：“我向我所有的邻居通告我客户的路由，但只向我客户通告我自己的和我的客户的路由，绝不把我的提供商或对等体的路由通告给其他人。” 避免成为免费的“中转站”。

BGP被设计成一种“可编程”的协议，它提供了丰富的属性（如 LOCAL_PREF, AS-PATH, MED, Communities），让管理员可以像写程序一样，精细地实现这些商业策略。而OSPF这类IGP根本不具备如此丰富的策略表达能力。

四、安全与信任模型的本质不同

维度	自治系统内部	自治系统之间
信任基础	所有路由器由同一机构管理，默认信任。	对方AS是另一个商业实体，不可默认信任。
主要威胁	配置错误、设备故障。	恶意路由注入、路由劫持。
协议机制	认证机制主要用于防止意外或内部误配置。	协议设计必须防范外部攻击。

深入解释：

• AS内部：OSPF邻居之间通常有认证，但这更多是为了防止意外或内部问题。

• AS之间：BGP设计时必须假设对方可能（无意或恶意地）发送错误路由。其 AS-PATH 属性本身就是一个安全特性：它可以防止环路（看到自己的AS号就拒绝），并且让接收方可以看到路由的来源，从而基于来源做出策略决策。此外，现代BGP强烈推荐使用 RPKI 来验证对方通告的IP地址前缀是否真的属于它，以防御路由劫持。

总结：一种协议无法兼顾所有

让我们用表格来做一个最终的总结，清晰地展示为什么“一招鲜”行不通：

需求	AS内部（如OSPF）	AS之间（如BGP）	如果强行互换会导致
核心目标	性能最优	策略最优	要么无法实现商业目标，要么性能低下
规模适应性	通过分层支持成百上千路由器	通过路径摘要支持数万AS	全球路由表洪泛，网络立即崩溃
收敛速度	秒级，追求快速	分钟级，追求稳定	要么AS内部动荡波及全球，要么AS间变化响应太慢
策略表达能力	弱（主要靠调整度量值）	极强（多种属性、过滤器）	复杂的商业关系无法实现，运营商无法盈利
安全模型	基于内部信任	基于外部不信任	极易遭受路由欺骗和劫持

结论：

互联网这种 “IGP处理国内事务，BGP处理外交事务” 的分层路由模型，是一种经过时间检验的、完美的职责分离。它允许每个AS独立地管理自己的内部网络（选择最适合自己的IGP），同时通过一个统一而灵活的外交语言（BGP）与外部世界进行复杂的、策略驱动的交互。这种设计赋予了互联网无与伦比的可扩展性、灵活性和鲁棒性。