基于EVE-NG的BGP路由协议研究与仿真

熊建辉， 卢 宇，b， 郑中华

（福建师范大学a.协和学院；b.物理与能源学院，福州350117）

0 引 言

随着各种新型ICP及应用不断涌现，生活、工作、娱乐越来越网络化、便捷化，电信骨干网络流量每年以50%以上的速度高速增长，使得互联网规模的不断扩大及运营商网络出现流量分布不均衡、资源利用率低等问题［1］，产生了如何基于现有网络实现多样化路由策略等实现流量调度需要。核心骨干网络路由器路由条目多达十余万条，路由协议成为计算机网络的核心技术和万物互联的基础技术。边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）是目前唯一的一种广泛应用于运营商网络的外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP）［2］，可用来解决不同自治系统（Autonomous System，AS）之间的路由及通过路由策略优化路由的问题，从而实现流量按需可控调度。

骨干网路由设备价格昂贵，而现网承载任务重大、试验风险高［3］。本文基于EVE-NG虚拟仿真环境下的IOL 及i86bi＿linux-L3-adventer prisek9-ms.157-3.M.bin仿真设计并实现了一个多AS有选路需求的仿真网络，重点是研究BGP路由协议的技术框架、原理，验证BGP路由协议工作机制，仿真设计方案还可直接移植到实际的网络中。

1 BGP路由协议原理

路由协议根据作用范围可分为内部网关协议（Interror Gateway Protocol，IGP）和EGP。BGP 属于EGP被称为路径矢量路由协议，支持CIDR和VLSM，有别于距离矢量路由协议在于其定义了路径属性，并且可以根据需要通过设置不同的BGP路径属性值来控制选路［4］。BGP路由条目数量巨大，以增量更新及触发更新机制基于TCP179端口更新路由信息。当前使用的BGP协议版本为RFC 4271，并且在一些方面进行了升级，具体详见RFC6286，RFC6608，RFC6793，RFC7606，RFC7607，RFC7705，RFC 8212（2017 年7月）等。以下从BGP基本术语、邻居建立机制、消息类型等入手阐述BGP路由协议原理。

1.1 BGP 基本术语

自治系统（AS）：处于同一个管理机构控制之下的路由器和网络群组的集合。如CHINANET-IDC-GD就是一个AS。AS通过16 bit的AS号来标识，并分公共AS号（1～64511）和私有AS号（64512～65535），在RFC 6793 中其长度扩展为32 bit（1 ～4294967295）［5］。在AS内一般运行IGP，运营商网络常用的IGP有ISIS、OSPF 等。

BGP发言者（BGP Speaker）：运行BGP协议的路由器，也称BGP路由器。

BGP对等体（BGP Peer）：相互交换消息的BGP发言者之间互称为BGP对等体。

EBGP关系：处于不同AS的边界BGP发言者与对等体之间的关系。为形成EBGP关系一般需要确保BGP发言者与对等体存在直连或静态路由。

IBGP关系：因BGP路由穿越本AS传递到另外一个AS，而在本AS内形成的BGP发言者与对等体之间的关系。为形成IBGP关系先确保AS内部存在IGP（如OSPF等）路由使得BGP发言者与对等体网络能通。

1.2 BGP 邻居建立机制［6］

BGP路由协议中通过形成并维护BGP邻居表（adjancy table），BGP 转发表（forwarding database）及路由表（routing table）来实现其工作机制。其中形成邻居表是基础，每个BGP发言者邻居关系建立过程（BGP有限状态机）如下：

空闲（Idle）状态：为初始状态，当协议激活后初始化，复位计时器，发起第一个TCP连接，同时监听远程对等体所发起的连接，转向连接状态。

连接（Connect）状态：开始TCP连接并等待TCP连接成功的消息。如果TCP连接成功，则进入Open发送状态；如果TCP连接失败，进入活跃状态。

活跃（Active）状态：总是试图建立TCP连接，若连接计时器超时，则退回到连接状态，TCP连接成功就转为OPEN发送状态。

OPEN 发送（Open sent）状态：TCP连接已建立，已发送第一个OPEN报文，等待接收对方的Open报文，并对报文进行检查，若发现错误则发送Notification消息报文并退回到Idle状态。若检查无误则发送Keepalive消息报文，Keepalive计时器开始计时，并转为Open证实状态。

OPEN证实（Open confirm）状态：等待接受Keepalive报文，复位保持计时器。如收到Keepalive报文，就转为Established状态，邻居关系完成。如果系统收到一条更新或Keepalive消息，它将重新启动保持计时器；如果收到Notifi cation消息，则退回到空闲状态。

已建立（Established）状态：邻居关系协商完成，即建立了邻居（对等体）关系，路由器将和邻居交换Update报文，同时复位保持计时器。

1.3 BGP 消息类型

Open消息：为TCP连接建立（3次握手）后发送的第一个消息，用于建立BGP对等体之间的邻居关系形成BGP邻居表。

Keepalive消息：BGP会周期性地向对等体发出Keepalive消息，用来复位保持稳定的邻居关系。

Update消息：用于在对等体之间交换路由信息，其中携带BGP路径属性，它既可发布可达路由信息，也可撤销不可达路由信息，用来形成BGP转发表。

Notification消息：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。

Route-refresh消息：当路由策略发送变化时，请求BGP邻居重新通告路由的消息，用来刷新BGP转发表。

BGP协议中AS能接收邻居的消息也会宣告消息给邻居［7］，消息中的路径属性可以根据需要设计路由策略来修改，然后根据选路原则从BGP转发表中选择最优的BGP转发条目放进路由表中。

1.4 BGP 路径属性

BGP协议把一个AS理解为一个大的路由器，BGP表的每一条条目包含下一跳AS、网络目的前缀及若干属性。该属性称为BGP路径属性，正是设计了众多BGP路径属性，方可根据需要改变BGP路径属性来制定想要的路由策略，从而实现流量调度，成为BGP除能支持大规模路由条目外另一大优势。BGP路径属性就是可对特定路由进行了进一步描述的参数，被携带在Update消息中在BGP路由器中传递，通过制定策略在发送或接受该消息时对路径属性值进行修改，然后再根据BGP选路原则决定该条目是否优选为最佳，最佳的将被放进路由表中。BGP路径属性可被看作是不同类型的metric值，一般分为公认强制遵守、公认可选遵守、可选并传递的、可选不传递的等4类属性［8］。公认的属性是指不同网络设备厂商都识别的，又分为强制包含和可选包含。可选是指可以不识别此类属性，传递的是指传递给对等体，不传递即不会传递给对等体。目前BGP及其扩展协议定义了多达16种路径属性，其中常见的属性有ORIGIN、AS-PATH、NEXT-HOP、LOCAL-PREF、MULTI-EXIT-DISC（MED）、Community及Weight等等，其中前3个为公认强制遵守的，第4个为公认可选遵守的，第5个为可选并传递的，第6个为可选不可传递的［9］。

1.5 BGP 选路原则

BGP选路原则即BGP协议选择最优BGP转发表条目放进路由表中的优先顺序，作为制定BGP路由策略的基础。是否能成为最优BGP转发条目与改条目中携带的BGP路径属性有关，由于不同厂商的BGP路径属性不一样，BGP选路原则也有差异，比如有些厂商路由器ID也参与选路（级别较低）［10］。以路由器为例，BGP选路原则首先得满足路由的下一跳可达、关闭同步等前提，具体原则包含14条，按属性优先级从高往低匹配，一旦匹配成功则不再往下匹配。以下为常用的6条原则：

（1）先比较Weight值，越大越优先：Weight属性为厂家私有，本地通告的路由的Weight为32 768，从BGP对等体学习的路由Weight属性默认为0，保证了本地始发的路由最优先，该参数本地有效。

（2）再比较LOCAL＿PREFf值，越大越优先：Local Preference属性只能在IBGP对等体之间传递，如果在EBGP对等体之间收到的路由的路径属性中携带Local Preference，则会触发Notifica tion报文，中断BGP链接。

（3）本地通告的路由优先：如果LOCAL＿PREF值相同，则选择BGP本地通告的路由也就是下一跳为0.0.0.0的转发的条目放进路由表。

（4）最短AS路径的优先：AS路径即记录路由信息传递过程所经过的AS号，AS数量最少的优先。并且聚合路由时，使用as-set后产生的AS列表中｛｝内的AS号长度为1；而在联盟内的AS列表中（）内的AS号长度不参与计算。另外不同方向的route-map中插入的AS号的位置是不同的。

（5）比较origin属性：该属性标识路径信息的来源，为公认强制属性，该属性值为：IGP，标识信息来源于AS内部；EGP，标识信息通过AS外部学习；Incomplete，标识信息通过别的方式习得；并且优先顺序：IGP＞EGP＞incomplete。Origin属性虽然在BGP路由信息必须中携带，但很少使用作为BGP选路策略。

（6）多出口标识符（Multi-Exit Discriminator，MED）：该属性为公认可选（主流厂商都实现该路径属性）非传递属性，MED值越小越优先，MED可以在IBGP间传递，可以传递给EBGP；但是最多只能传递到相邻的AS中。通常用于AS的出口策略，也即控制进入本AS的入流量。在厂家的BGP表显示为metric。它跟Local Preference属性基本上是相反的，配置上则很相似。

1.6 BGP 路由策略

BGP路由策略就是根据要实现的选路目标及BGP选路原则而制定修改BGP路径属性的一套方法。BGP路由策略实现的具体过程：根据选路原则确定要修改的路径属性，然后抓获BGP条目信息，最后修改其中需要修改的路径属性，该过程可以发生在BGP条目信息的发送者或接受者上。通常通过访问控制列表（ACL）、前缀列表（Prefix-list）等设置条件，然后通过Route-map中match语句来匹配调用设置的条件，对于匹配成功的通过Route-map中的set语句来修改具体的路径属性。

Route-map应用范围非常广泛，其一般形式如下：

route-map Name ［deny｜permit］N1 ／／Name 为该routemap的名字，N1为该序列的序列号

match X1 X2...Xn ／／X1、X2...Xn 表示匹配条件X1、X2...Xn“与”的关系

set Y1 ／／Y1 为同时满足X1、X2...Xn时修改路径属性的语句

...

...

route-map Name ［deny｜permit］Nx

match Xx1

...

match Xx＋n ／／Xx1...Xx＋ n 表示匹配条件Xx1...Xx＋n“或”的关系

set Yx ／／Yx为满足条件Xx1...Xx＋n中的至少一个时修改路径属性的语句

一个Route-map一般包含多个序列语句，每个序列语句中可包含match匹配语句和set修改路径属性的语句，并且末尾隐含deny any序列语句。序列语句中［deny｜permit］为可选、默认为permit，根据场景不一样所代表的含义不一样，Nx为该序列的序列号默认为10，除第1个外所有序列均需标明序列号。Routemap定义好需调用在接口上方可生效。

2 EVE-NG简介

下一代仿真虚拟环境（EmulatedVirtual Environment-Next Generation，EVE-NG），原名是Unified Networking Lab。EVE-NG实质为一块深度定制的Ubuntu操作系统，不仅融合了dynamips、IOL、KVM 还支持多个厂家的网络设备；不仅可以模拟仿真网络设备，还可运行虚拟机，只要能将虚拟机的虚拟磁盘格式转换为qcow2都可以在EVE-NG上运行，因此EVENG为一名副其实的仿真虚拟环境平台。应用时，可直接安装在x86架构的物理主机上或部署在VMware Workstation及Exsi平台上，另外还有ova版本直接导入VMware等虚拟机中运行［11］。EVE-NG目前包含社区版、专业版及学习中心版［12］。

EVE-NG与以往GNS3、eNSP、HCL及Packet Tracer不同。GNS3虽然也是融合了dynamips但更像是一款单机版虚拟仿真软件，虽然dynamips能够部署成C／S架构，但文本配置比较复杂；而EVE-NG可部署成B／S架构，管理应用简单，服务端安装EVE-NG并根据不同客户需要搭建不同的网络结构，客户端只需支持http／https登录服务端选择网络结构进行实验。学习中心版可供多个客户同时登录并隔离实验。

3 BGP网络设计与仿真

本实验通过EVE-NG虚拟仿真环境下的Cisco IOL 及i86bi＿linux-L3-adventerprisek9-ms.157-3.M.bin型号的IOS仿真了一个包含6台路由器的多AS多出口的BGP 网络，R1、R2、R3、R4 属于AS64521，R5、R6分别位于AS64525、AS64526，重点研究BGP在3个AS特别是AS 64521中的实现机制和过程，该网络设备间连接及接口信息等情况如图1所示。

图1 BGP网络实例结构

BGP路由协议有良好的特性，本实验重点展示了通过local-prefer ence属性、MED属性设计路由策略来实现如下目标：

（1）AS64525与AS64526网络相通；

（2）访问AS64525 的.5.5.50／24 网段时通过R1；

（3）AS64525 访问AS64526 中的60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 网段时通过R2 出发；

（4）AS64525与AS64521间的多出口链路中的一个断开时所有流量通过另外一条链路。

实验过程中根据需要拓展ping查看数据往返情况、BGP链接、邻居表、BGP转发表、路由表等信息。在部署BGP时首先部署好IGP（如OSPF等）使得本AS域内全网可通，方可建立BGP连接［13］，在本例中通过逻辑链路的Full-mesh（IBGP）实现AS64521内BGP路由器之间的互联。

3.1 实现AS64525与AS64526网络相通

（1）网络基本配置。按照表1，分别配置路由器R1～R6各端口的IP地址和子网掩码等信息，其中Lo0、Lo1等为环回网卡，测试用。

表1 网络基本配置

（2）AS64521 IGP配置。根据以上理论分析：在一个AS内部须先运行IGP，在本实验中选择OSPF（选择IS-IS也行，均为运营商网络主流协议），为简化问题假定R1、R2、R3、R4 均处于骨干区域（area 0），以R2为例配置如下，R1、R3、R4的配置以此类推。

R2（config）＃router ospf 100

R2（config-router）＃net 2.2.2.2 0.0.0.255 area 0

R2（config-router）＃net 10.1.25.0 0.0.0.255 area 0

R2（config-router）＃net 10.1.23.0 0.0.0.255 area 0

R1、R3、R4均配置完毕后，在R4上分别拓展ping 1.1.1.1、2.2.2.2，源为4.4.4.4，测试结果如下：

Sending 5，100-byte ICMP Echos to 1.1.1.1，timeout is 2

seconds：！！！！！

Success rate is 100 percent（5／5），round-trip min／avg／max ＝ 4／19／40 ms

Sending 5，100-byte ICMP Echos to 2.2.2.2，timeout is 2

seconds：.！！！！

表明AS内已实现全网可达。

（3）BGP 基本配置。根据图1，R1、R2、R3、R4 为同一AS，R5、R6分别单独为一个AS，它们之间的AS号及关系见表2，分别配置路由器R1～R6的AS号及其邻居关系。

表2 AS及BGP邻居关系

R1上的BGP配置如下，R2、R3、R4上的BGP配置与R1类似不再赘述，R5、R6通过直连接口配置与邻居间的BGP关系。

R1（config）＃router bgp 64521

R1（config-router）＃bgp router-id 1.1.1.1

R1（config-router）＃no auto-summary

R1（config-router）＃no synchronization

R1（config-router）＃neighbor 3.3.3.3 remote-as 64521

R1（config-router）＃neighbor 3.3.3.3 up lo0

R1（config-router）＃neighbor 3.3.3.3 next-hop-self

R1（config-router）＃neighbor 4.4.4.4 remote-as 64521

R1（config-router）＃neighbor 4.4.4.4 up lo0

R1（config-router）＃neighbor 4.4.4.4 next-hop-self

R1（config-router）＃neighb 10.1.15.5 remote-as 64525

配置好R1、R2、R3、R4、R5、R6 上的BGP 基本信息后，可以查看到建立的TCP关系，以R1为例，其BGP TCP链接关系如下，表明其与R3、R4的IBGP关系及与R5的EBGP关系建立好了。

R1＃show tcp bri

TCB Local Address Foreign Address （state）

C6CC8908 1.1.1.1.47519 3.3.3.3.179 ESTAB

C6CC5A98 1.1.1.1.25826 4.4.4.4.179 ESTAB

C6CC63A0 10.1.15.1.29240 10.1.15.5.179 ESTAB

在BGP中通告路由和建立TCP关系是分开的，接下来需要在R5、R6上向网络通告自己的BGP路由，以R6为例通告路由配置如下（R5与之类似不再赘述）：

R6（config）＃router bgp 64526

R6（config-router）＃net 6.6.6.0 mask 255.255.255.0

R6（config-router）＃network 60.60.60.0 mask 255.255.255.0

R6（config-router）＃network 60.60.61.0 mask 255.255.255.0

R5、R6 通告完路由后，在R1、R2、R3、R4、R5、R6上查看到到达5.5.5.0／24、6.6.6.0／24、50.50.50.0／24、60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 等网络的路由信息，以R6为例信息如图2所示：

图2 通告后R6上的路由信息

以上表明BGP配置成功。

（4）测试及分析。通过以上配置，AS64525与AS64526之间的网络通过穿越AS64525网络理应互通。选择在R5上测试，为了更清晰的看到数据的往返路由情况，我们选择了拓展Ping，目标IP为6.6.6.6、源IP 为5.5.5.5，选择“记录”路由过程信息，具体信息如图3所示，以上结果看出正确率为100%，表明该网络可达；通过记录的路由过程信息表明从5.5.5.0／24 到60.60.61.0／24 去往时经历了R5、R1、R3、R4、R6，返回时经历了R6、R4、R3、R2、R5。进一步，在R5上继续拓展Ping，目标IP 改为为60.60.60.6 或6.6.6.6、源IP 改为50.50.50.5 或5.5.5.5，记录的路由过程信息与上面一样，测试结果见表3。

图3 R5 拓展ping 6.6.6.6、源IP 为5.5.5.5 结果

表3 AS64525与AS64526间连通性测试

测试结果表明“去”均是经历R1，“回”都是经历R2。测试看起来貌似很成功，但是BGP的“路径”特性及“负载”功能还未得到体现，更重要的是如果本结构图中E0／0接口均换成F0／0后，测试结果是“去”和“回”都是经过R2，这样造成了所有大流量都是经过R2，而R1却空闲。因此需要进一步选路优化。

3.2 BGP 选路优化

通过以上工作实现了第1点需求，接下来通过BGP选路优化实现第2点和第3点同时保障第4点需求，即进一步实现AS64525 自治系统5.5.5.0／24 网段访问6.6.6.0／24 时（从R1 出去然后）从R1 返回；AS64525 自治系统访问60.60.60.0、60.60.61.0／24网段时从R2出去（然后从R2返回）；当AS64525与AS64521之间的一个链路故障时，所有流量自动切换到另一链路［14］。

根据前面阐述的基本原理，BGP选路主要通过Route-map并结合访问控制列表（Access Control List）或前缀列表（Prefix-list）来实现，以下分别来通过案例进行论证。

（1）实现访问AS64525 的5.5.5.0／24 网段时通过R1。选路分析：通过上面BGP基本工作，已实现了流量从R1出去、从R2返回，所以接下来只需要实现AS64525 自治系统5.5.5.0／24 网段访问6.6.6.0 从R1返回即可。因此需要使得在R3上优选从R1收到的5.5.5.0／24 即可，根据选路原则，可选择增大R1 的local-preference属性值（默认值为100），具体设计的路由策略如下：

R1（config）＃access-list 1 permit 5.5.5.0

R1（config）＃route-map out＿of＿R1 permit 10

R1（config-route-map）＃match ip address 1

R1（config-route-map）＃set local-preference 110

R1（config-route-map）＃exit

R1（config）＃route-map out＿of＿R1 permit 20

R1（config）＃router bgp 64521

R1（config-router）＃neighbor 3.3.3.3 route-map out＿of＿R1 out

在R3上，查看BGP转发表，会看到返回5.5.5.0／24 的路由最优路由下一跳是1.1.1.1（R1），如图4所示。实现目标。

图4 调整R1的local-preference后R3上的BGP转发表

（2）实现访问AS64526 中的60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 网段时通过R2。选路分析：通过上面BGP基本工作，已实现流量从R1出去、从R2返回，所以接下来只需要实现AS64525自治系统访问60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 网段时从R2 进入AS64521即可，因此需要使得R5上优选从R2收到的关于60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 网段的路由信息即可。根据选路原则，可选择增大R1发来的关于60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 路由信息的MED 属性值（厂家设备中以metric标识，默认为0），由于涉及到两个网段为了提高效率通过prefix-list来抓取，具体设计的路由策略如下：

R1（config）＃ip prefix-list 2 permit 60.60.60.0／23 ge 24 le 24

R1（config）＃route-map out＿of＿R2 permit 10

R1（config-route-map）＃match ip address prefix-list 2

R1 （config-route-map）＃set metric 10

R1（config-route-map）＃exit

R1（config）＃router bgp 64521

R1（config-router）＃neighbor 10.1.25.5 route-map out＿of＿R2 out

在R5上，查看BGP转发表，收到来自R1的关于60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 条目的Metric 属性变为10，因此也变成了次优路由，最优路由经由R2，详细信息如图5所示。

（3）测试与分析。在R5上，通过拓展ping R6目的IP 为6.6.6.6 源IP 为5.5.5.5 时，记录的ping包往返路由信息如图6所示，成功率为100%，往返路由为：R5-＞ R1-＞ R3-＞ R4-＞ R6-＞ R6-＞ R4-＞ R3-＞R1，实现了源为5.5.5.0／24 的信息从R1 发从R1 回的目标。

图6 R5 拓展ping IP 为6.6.6.6 源IP 为5.5.5.5 结果

在R5上，继续拓展ping R6目的IP分别为60.60.60.6、60.60.61.6，源IP 分别为50.50.50.5、5.5.5.5，记录所有ping包往返路由信息，成功率均为100%，测试结果详细信息如表4所示。

表4 优化后AS64525测试

测试结果表明：实现了访问AS64525 的5.5.5.0／24网段时通过R1；实现了访问AS64526中的60.60.60.0／24、60.60.61.0／24 网段时通过R2。

进一步测试是否实现了当AS64525与AS64521之间的一个链路故障时，所有流量自动切换到另一链路。测试如下：现在假定AS64525与AS64521间R5-R2链路故障（关闭R5的S1／1），在R5上查看到的BGP转发表如图7所示；并且在R5上能ping通R6。

图7 R5与R1直接链路故障是R5上的BGP转发表

4 结 语

BGP路由协议作为互联网核心骨干网络中的核心和基础［15］，网络规模庞大且流量调度需求多样化、协议原理复杂。通过EVE-NG虚拟仿真环境下的IOL及i86bi＿linux-L3-adventerpr isek9-ms.157-3.M.bin 型号的IOS仿真设计并实现了一个BGP实例网络，并结合给定选路需求演绎了路由策略设计的方法和具体过程，基于对邻居表、BGP转发表、路由表等信息和拓展ping得到的路由过程信息的分析，清晰验证了BGP路由协议原理和卓越特性。并且该仿真设计方案可直接移植到实际网络中，对指导实际网络的应用有一定应用价值。