基于eNSP的BGP路由協(xié)議黑洞研究與仿真

趙建華，韓智慧，宋 嚴(yán)

(1.長春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林 長春 130032；2.長春科技學(xué)院智能制造學(xué)院，吉林 長春 130600)

BGP，即邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，是一種運行在自治系統(tǒng)(AS)之間的動態(tài)路由協(xié)議[1]，具有強(qiáng)大的路徑選擇能力，這也使得BGP適用于大型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如運營商網(wǎng)絡(luò)、大型企業(yè)網(wǎng)等，然而對于運營商或大型企業(yè)級別的網(wǎng)絡(luò)，路由的穩(wěn)定性及可達(dá)性尤為重要。

1 BGP網(wǎng)絡(luò)中路由黑洞產(chǎn)生的原因

在運行BGP協(xié)議的兩臺路由器之間，無論是否直接相連，只要它們具備IP連通性且可建立TCP連接，則都可以建立對等體關(guān)系。BGP的這個特點使得路由的傳遞更加靈活，然而，如果在配置BGP路由協(xié)議過程中，稍有不慎，就會產(chǎn)生路由黑洞[2]。

圖1為運動BGP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，R1、R2、R4、R5是BGP路由器，建立BGP對等體關(guān)系。

圖1 運行BGP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在圖1中，AS 30內(nèi)已經(jīng)部署了OSPF，使得AS內(nèi)部的路由器能夠獲得到AS內(nèi)各個網(wǎng)段的路由信息。R3、R6、R7屬于內(nèi)部路由器，不運行BGP協(xié)議，只運行OSPF協(xié)議，在整個AS 30內(nèi)部，R4和R5實現(xiàn)了IP的連通性(R4和R5之間沒有直連的物理鏈路)，并且能夠建立起IBGP對等體關(guān)系。

路由器R1將AS 10內(nèi)的10.0.0.0/8路由發(fā)布到BGP，然后將這條路由通告給R4，而R4則將這條BGP路由通過IBGP連接直接通告給R5，R7再將路由信息通告給R2，最終R2能夠通過BGP學(xué)習(xí)到10.0.0.0/8這條來自AS 10 的路由并將其加載到自己的路由表中。

路由器R2收到一個去往10.0.0.0/8的數(shù)據(jù)包，它查詢路由表后確定到達(dá)目的地的下一跳為R5，于是將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給R5。R5收到這個數(shù)據(jù)包后進(jìn)行路由表查詢，到達(dá)目的地的下一跳為R4，然而R4并不是它的直連路由器，它認(rèn)為到下一跳路由器處于一個遠(yuǎn)端網(wǎng)段，因此將繼續(xù)在自己的路由表中查詢到達(dá)R4的路由(既遞歸查詢)。由于AS 30內(nèi)已經(jīng)運行了OSPF，R5發(fā)現(xiàn)可以通過OSPF路由到達(dá)R4，而且下一跳是R3。如此一來，R5意識到要將數(shù)據(jù)包送達(dá)10.0.0.0/8，需先將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給R3。

當(dāng)路由器R3收到發(fā)往10.0.0.0/8的數(shù)據(jù)包時，它將在自己的路由表中查詢達(dá)到該目的地網(wǎng)段的路由，由于該路由是在BGP中被通告的，而R3又沒有運行BGP，R3將丟棄發(fā)往10.0.0.0/8這個網(wǎng)段的數(shù)據(jù)包。此種現(xiàn)象被稱為路由黑洞，同樣的黑洞問題也可能發(fā)生在路由器R7上[3]。

2 BGP網(wǎng)絡(luò)路由黑洞解決方法

2.1 BGP同步規(guī)則

BGP同步規(guī)則是指當(dāng)一臺路由器接收到一條IBGP對等體發(fā)送來的路由后，必須檢查自己的IGP路由表，只有在自己的IGP路由表中也存在關(guān)于這條路由的信息時，才會將該BGP路由發(fā)布給EBGP對等體，讓沒有運行BGP協(xié)議的路由器也能獲得BGP路由，從而實現(xiàn)IBGP和IGP路由同步，避免路由黑洞的產(chǎn)生。

2.2 路由引入

路由引入就是將BGP路由引入到OSPF中，讓OSPF也能獲得相關(guān)路由。例如，在圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，R4將BGP路由引入到AS 30中的OSPF，使OSPF獲知到達(dá)10.0.0.0/8的路由，從而路由黑洞的問題就迎刃而解了。

2.3 MPLS技術(shù)

MPLS技術(shù)，即多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)，就是在一個報文的IP頭部之前、數(shù)據(jù)幀頭部之后插入一個標(biāo)簽頭部，使IP頭部隱藏在標(biāo)簽頭部之后，在數(shù)據(jù)從源被轉(zhuǎn)發(fā)到目的地的整個過程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只需根據(jù)標(biāo)簽頭部中的標(biāo)簽進(jìn)行選路，這樣設(shè)備的路由表中沒有到達(dá)目的地的網(wǎng)段，也不會影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而避免了路由黑洞的產(chǎn)生。

2.4 IBGP全互連

IBGP全互連，即在AS內(nèi)IBGP的對等體鄰接關(guān)系的全互連，邏輯上形成Full Mesh，使網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備獲得全部網(wǎng)絡(luò)的路由信息，進(jìn)而解決路由黑洞問題。

除了以上幾種方式之外，還有在AS內(nèi)使用物理線路的全互連、在AS內(nèi)部的邊緣路由器之間建立Tunnel通道、配置路由反射器RR、聯(lián)盟配置等解決路由黑洞問題的方法。

3 BGP網(wǎng)絡(luò)路由黑洞模擬仿真

綜合以上論述，解決路由黑洞有很多方案，本文以IBGP全互連方式進(jìn)行路由黑洞產(chǎn)生過程及解決方案模擬仿真。

3.1 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)說明

假設(shè)在一個大型公司的網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)備IP地址分配如表1所示，自治系統(tǒng)AS 20為運營商網(wǎng)絡(luò)，自治系統(tǒng)AS 10和AS 30分別為企業(yè)的上海分公司和北京分公司，路由器R1的GE0/0/1和R5的GE0/0/0分別連接著上海分公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和北京分公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。路由器R1、R2、R4、R5運行BGP協(xié)議，自治系統(tǒng)AS 20內(nèi)部使用OSPF協(xié)議作為IGP。整個網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)上海分公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與北京分公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間的正常通信。

圖2 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表1 設(shè)備編址

3.2 BGP路由黑洞仿真過程研究

3.2.1 基本配置

根據(jù)圖2和表1進(jìn)行基本配置，并測試直連網(wǎng)段連通性，如R1與R2之間的連通性測試結(jié)果如下文所示，其他設(shè)備測試方法相同。

PING 10.0.12.2: 56 data bytes, press CTRL_C to break

Reply from 10.0.12.2: bytes=56 Sequence=1 ttl=255 time=30 ms

3.2.2 配置OSPF和BGP路由協(xié)議

在AS 20中配置OSPF協(xié)議作為IGP協(xié)議。如路由器R2的OSPF協(xié)議配置如下：

[R2]ospf router-id 10.0.2.2

[R2-ospf-1]area 0

[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.2.2 0.0.0.0

[R2-ospf-1-area-0.0.0.0]network 10.0.23.0 0.0.0.255

路由器R3、R4的配置與R2類似，配置完后，在R3上使用display ospf peer查看OSPF鄰居信息，可以看到R3與R2、R3與R4的鄰居狀態(tài)均為Full，這表示OSPF鄰接關(guān)系已經(jīng)成功建立[4]。

在路由器R1、R2、R4、R5上配置BGP協(xié)議，如R1配置如下：

[R1]bgp 10

[R1-bgp]router-id 10.0.1.1

[R1-bgp]peer 10.0.12.2 as-number 20

[R1-bgp]network 10.0.10.0 24

其他三個路由器配置類似，配置完成后，在R2上查看BGP鄰居信息如下：

Total number of peers:2 Peers in established state:2

Peer V AS MsgRcvd MsgSent OutQ Up/Down State PrefRcv

10.0.4.4 4 20 93 95 0 01∶30∶06 Established 1

10.0.12.1 4 10 95 95 0 01∶32∶06 Established 1

從上面結(jié)果看出，R2與R1、R2與R4的BGP鄰居關(guān)系已經(jīng)建立，同樣的查看方式能夠看到R4與R5的BGP鄰居關(guān)系也已經(jīng)建立。

在R1上查看BGP路由表，可以看到R1的BGP路由表中擁有關(guān)于10.0.10.0/24和10.0.50.0/24的路由信息如下：

Network NextHop MED LocPrf PrefVal Path/Ogn

*> 10.0.10.0/24 0.0.0.0 0 0 i

*> 10.0.50.0/24 10.0.12.2 0 20 30i

同理，在R5的BGP路由表中含有10.0.10.0/24和10.0.50.0/24的路由信息如下：

Network NextHop MED LocPrf PrefVal Path/Ogn

*> 10.0.10.0/24 10.0.45.4 0 20 10i

*> 10.0.50.0/24 0.0.0.0 0 0 i

3.2.3 BGP路由黑洞產(chǎn)生的原因

通過以上分析，R1和R5的BGP路由表中均存在去往對方的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的路由，則上海分公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和北京分公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該可以正常通信[5]，在PC1上測試與PC2的連通性如下所示：

Ping 10.0.50.2∶32 data bytes, Press Ctrl_C to break

Request timeout!

Request timeout!

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PC1無法與PC2進(jìn)行通信。

在PC1上使用tracert命令驗證去往PC2的報文經(jīng)過的路徑，結(jié)果如下：

Traceroute to 10.0.50.2,8 hops max

(ICMP), press Ctrl+C to stop

1 10.0.10.1 31 ms 16 ms <1 ms

2 10.0.12.2 47 ms 16 ms 31 ms

3 ***

4 ***

5 ***

6 ***

7 ***

8 ***

通過跟蹤發(fā)現(xiàn)，報文只能到達(dá)R2，不能到達(dá)R3。

在路由器R3上查看IP路由表，結(jié)果如下：

Destination/Mask Proto Pre Cost Flags NextHop Interface

10.0.2.2/32 OSPF 10 1 D 10.0.23.2 G0/0/1

10.0.3.3/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 LoopBack0

10.0.4.4/32 OSPF 10 1 D 10.0.34.4 G0/0/0

10.0.23.0/24 Direct 0 0 D 10.0.23.3 G0/0/1

10.0.23.3/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 G0/0/1

10.0.23.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 G0/0/1

10.0.34.0/24 Direct 0 0 D 10.0.34.3 G0/0/0

10.0.34.3/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 G0/0/0

10.0.34.255/32 Direct 0 0 D 127.0.0.1 G0/0/0

127.0.0.0/8 Direct 0 0 D 127.0.0.1 InLoopBack0

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，路由器R3的IP路由表中沒有上海分公司和北京分公司內(nèi)部網(wǎng)段的10.0.10.0和10.0.50.0的路由信息。這使得R3接收到從R2轉(zhuǎn)發(fā)過來的源地址網(wǎng)段為10.0.10.0、目的地址網(wǎng)段為10.0.50.0的報文時，R3由于在自己的路由表中無法查到目的地址網(wǎng)段10.0.50.0的路由信息，R3會直接將報文丟棄，然后向源地址段10.0.10.0發(fā)送ICMP Destionation Unreachable消息。但是此時R3的IP路由表中也沒有10.0.10.0網(wǎng)段的路由信息，導(dǎo)致ICMP Destionation Unreachable消息也無法被發(fā)送。這樣一來，從10.0.10.0去往10.0.50.0的報文就在R3上無聲無息地消失了，這就是所謂的BGP路由黑洞[6]。

3.2.4 采用IBGP全互連方式解決BGP路由黑洞問題

產(chǎn)生路由黑洞的原因主要是R3的IP路由表中沒有去往10.0.10.0/24和10.0.50.0/24的路由信息，為了解決此問題，可以讓R3也運行BGP協(xié)議，并讓R2、R3、R4建立全互連的IBGP鄰居關(guān)系，配置如下：

[R3]bgp 20

[R3-bgp]router-id 10.0.3.3

[R3-bgp]peer 10.0.2.2 as-number 20

[R3-bgp]peer 10.0.2.2 connect-interface LoopBack 0

[R3-bgp]peer 10.0.4.4 as-number 20

[R3-bgp]peer 10.0.4.4 connect-interface LoopBack 0

[R2]bgp 20

[R2-bgp]peer 10.0.3.3 as-number 20

[R2-bgp]peer 10.0.3.3 connect-interface LoopBack 0

[R2-bgp]peer 10.0.3.3 next-hop-local

[R4]bgp 20

[R4-bgp]peer 10.0.3.3 as-number 20

[R4-bgp]peer 10.0.3.3 connect-interface LoopBack 0

[R4-bgp]peer 10.0.3.3 next-hop-local

配置完成后，在R3上查看BGP鄰居信息，結(jié)果如下：

Peer V AS MsgRcvd MsgSent OutQ Up/Down State PrefRcv

10.0.2.2 4 20 8 8 0 00∶05∶33 Established 1

10.0.4.4 4 20 8 8 0 00∶05∶43 Established 1

可以看到，路由器R3與R2、R4都已經(jīng)建立IBGP鄰居關(guān)系[7]。

在路由器R3上查看BGP路由表，結(jié)果如下:

Network NextHop MED LocPrf PrefVal Path/Ogn

*>i 10.0.10.0/24 10.0.2.2 0 100 0 10i

*>i 10.0.50.0/24 10.0.4.4 0 100 0 30i

可以看到，路由器R3現(xiàn)在已經(jīng)學(xué)習(xí)到了上海分公司和北京分公司的內(nèi)部網(wǎng)段10.0.10.0/24和10.0.50.0/24的路由信息。

使用上海分公司內(nèi)部計算機(jī)PC1測試與北京分公司內(nèi)部計算機(jī)PC2的連通性，結(jié)果如下：

From 10.0.50.2: bytes=32 seq=4 ttl=123 time=31 ms

From 10.0.50.2: bytes=32 seq=5 ttl=123 time=63 ms

通過測試結(jié)果可知，PC1和PC2能夠正常通信，BGP路由黑洞問題得到了解決。

4 結(jié)語

在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中路由器是必不可少的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，路由協(xié)議設(shè)置正確與否直接影響整個網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性、穩(wěn)定性以及收斂速度。在設(shè)置路由協(xié)議過程中，不僅要考慮路由黑洞問題，同時還要考慮路由環(huán)路、路由更新、路由過濾和路由策略等問題，才能使條目眾多的網(wǎng)絡(luò)很好地連接起來[8]。