第五章 第4节

这一节学一下BGP + SDN 控制平面。

一、为什么要层次化路由？

前面 LS、DV 都是在一个比较理想的小网络里讲的。 但是互联网太大，不能让所有路由器都在同一个平面里交换路由信息。

如果整个互联网都用一个统一路由算法，会有两个大问题。

1. 规模问题

互联网里有大量路由器和目标网络。

如果所有路由器都知道全网所有细节：

路由表会非常大；

路由信息交换量巨大；

链路变化会影响全网；

算法计算量太大。

所以要把互联网分层。

2. 管理问题

互联网不是一个人管理的。

不同网络属于不同组织：

学校；

公司；

ISP；

数据中心；

运营商。

每个组织都希望自己决定内部怎么路由，不想把所有细节暴露给别人。

所以互联网采用：

自治系统 AS + 层次化路由。

二、AS：自治系统

AS 全称：

中文叫：自治系统。

一个 AS 通常是一个 ISP 或一个组织管理的一组路由器和网络。

每个 AS 有自己的编号：

比如 AS1、AS2、AS3。

AS 内部和 AS 之间

路由分成两类：

类型 ｜ 英文 ｜ 解决问题 ｜ 典型协议 AS 内部路由 ｜ intra-AS routing ｜ 一个 AS 内部怎么走 ｜ RIP、OSPF AS 之间路由 ｜ inter-AS routing ｜ 不同 AS 之间怎么到达 ｜ BGP

可以这样记：

OSPF/RIP 管家里怎么走，BGP 管不同家庭之间怎么走。

三、层次路由的优点

1. 解决规模问题

AS 内部：

只需要处理本 AS 内部有限数量的路由器和网络。

AS 之间：

一个 AS 对外可以被看成一个整体，不需要暴露所有内部细节。

比如一个 AS 内部有很多子网，对外可以聚合成一个前缀。

这样外部路由器不需要知道 AS 里面每一台路由器怎么连。

2. 解决管理自治问题

每个 AS 可以自己选择内部路由协议。

比如：

AS1 内部用 OSPF；

AS2 内部用 RIP；

AS3 内部用 IS-IS。

外部看不到内部细节，只需要知道：

这个 AS 能到哪些网络前缀。

四、BGP 是什么？

BGP 全称：

中文叫：边界网关协议。

它是互联网中事实上的：AS 间路由标准协议。

BGP 的作用是：

让一个 AS 告诉其他 AS：我能到达哪些网络前缀，以及通过我可以到达哪些目的网络。

BGP 不是普通的最短路算法

RIP、OSPF 更偏向于算“代价最小”的路径。

但是 BGP 不只是看最短路，它更重视：

策略。

比如：

商业关系；

谁是客户；

谁是提供商；

是否愿意帮别人转发流量；

哪条路径更赚钱；

哪条路径不想让别人用。

所以 BGP 是：路径向量协议 path-vector protocol。

它有点像 DV，但不是普通 DV。

五、eBGP 和 iBGP

BGP 分成两种连接。

1. eBGP

eBGP 是 external BGP。

作用：

在不同 AS 的边界路由器之间交换可达性信息。

比如 AS2 和 AS3 之间的网关路由器会运行 eBGP。

eBGP 负责告诉对方：我这个 AS 或者通过我能到达哪些网络前缀。

2. iBGP

iBGP 是 internal BGP。

作用：在同一个 AS 内部传播从外部学到的 BGP 路由信息。

比如 AS2 的边界路由器 2c 从 AS3 学到了“可以到达 X”，那 2c 要把这个信息告诉 AS2 内部其他路由器，比如 2a、2b、2d。

这个内部传播就靠 iBGP。

eBGP 管 AS 之间说话，iBGP 管 AS 内部传播外部路由消息。

六、BGP 会话

两个 BGP 路由器之间会建立：半永久 TCP 连接。

它们通过这个 TCP 连接交换 BGP 报文。

所以 BGP 报文不是直接裸跑在 IP 上，而是基于 TCP。

这和 OSPF、RIP 对比一下：

协议 ｜ 运行方式 RIP ｜ 使用 UDP OSPF ｜ 直接封装在 IP 中 BGP ｜ 使用 TCP

七、BGP 通告的内容

BGP 通告的路由信息可以概括成：

也就是：网络前缀 + 路径属性。

1. prefix

prefix 是目的网络前缀。

比如：

意思是：我知道怎么到达这个目标网络。

2. attributes

属性描述这条路径的特征。

AS-PATH

AS-PATH 表示：到达该前缀要经过的 AS 序列。

比如：

表示要到达 X，需要经过 AS2，再到 AS3。

AS-PATH 的作用：

用于路由选择；

防止环路。

如果一个 AS 看到 AS-PATH 里已经有自己，就知道这条路会形成环路，于是不接受。

NEXT-HOP

NEXT-HOP 表示：

到达这个前缀时，下一跳应该交给哪个具体路由器接口。

注意，AS-PATH 是 AS 层面的路径，而 NEXT-HOP 是具体路由器层面的下一跳。

八、BGP 路径通告过程

假设 X 在 AS3 里面。

第一步：AS3 宣告 X

AS3 的网关路由器 3a 对 AS2 的 2c 说：

意思是：通过我 AS3 可以到达 X。

这是 eBGP 通告。

第二步：AS2 内部传播

AS2 的 2c 收到后，通过 iBGP 告诉 AS2 内部其他路由器：

我知道一条到 X 的路径，路径是 AS3, X。

第三步：AS2 再通告给 AS1

AS2 的 2a 再通过 eBGP 告诉 AS1 的 1c：

注意这里 AS2 把自己加到了 AS-PATH 前面。

所以路径变成：

九、BGP 路径再通告

一个 AS 收到路径后，不一定会再通告给别人。

它会根据自己的策略决定：

是否接受这条路径，是否把这条路径再通告给其他邻居 AS。

所以 BGP 不是单纯地“学到了就传”。

而是：

学到路径 → 按策略过滤 → 选择路径 → 按策略再通告。

十、一个 AS 可能学到多条路径

比如 AS1 到 X 可能学到两条路径：

从 AS2 学到：

直接从 AS3 学到：

这时候 AS1 要选择一条最合适的路径。

BGP 路由选择就发生在这里。

十一、BGP 怎么把路由放进转发表？

假设 AS1 的路由器 1a、1b、1d 通过 iBGP 学到：

通过 1c 可以到达 X。

但是 1a 自己还要知道：

我到 1c 怎么走？

这个不是 BGP 自己解决，而是靠 AS 内部路由协议，比如 OSPF。

例子

1a 学到：到 X 要先去 1c。

然后 OSPF 告诉 1a：到 1c 应该走接口 2。

于是 1a 的转发表里可以写：

目的 ｜ ｜ ｜ 接口 X ｜ ｜ ｜ 2

所以：BGP 决定去哪个出口，OSPF 决定怎么到这个出口。

十二、热土豆路由 Hot Potato Routing

热土豆路由是 BGP 里的一个经典策略。

它的思想是：尽快把分组扔出自己的 AS。

也就是：

如果有多个出口都能到达同一个外部目的地，选择离自己最近的出口。

举例

AS2 内部路由器 2d 学到：

可以通过 2a 到达 X；

也可以通过 2c 到达 X。

如果根据 AS-PATH，两条可能一样或者 2a 那条更长。

但是热土豆策略不关心 AS 外面的总代价，它只关心：

在本 AS 内部到哪个出口最近。

如果 2d 到 2a 的 OSPF 代价更小，就选择 2a。

即使从全局看，通过 2a 可能不是最短路径。

热土豆路由：尽快把流量送出本 AS，只优化本 AS 内部代价。

十三、BGP 报文类型

BGP 报文在 BGP 对等体之间交换，使用 TCP 连接。

主要有四类。

1. OPEN

用于打开到远程 BGP 对等体的 TCP 连接，并进行身份认证。

2. UPDATE

用于：

通告新的路径；

撤销旧的路径。

这是 BGP 最核心的报文。

3. KEEPALIVE

用于保持连接。

如果没有 UPDATE，也要周期性发送 KEEPALIVE，表示：

我还活着，连接还有效。

4. NOTIFICATION

用于报告错误，也可以用于关闭连接。

十四、BGP 通过通告实现策略

这部分是 BGP 和 OSPF/RIP 最大的区别。

BGP 不只是算最短路，而是根据策略决定：

哪些路由要告诉谁，哪些路由不能告诉谁。

典型商业关系

有三类网络：

provider network：提供商网络；

customer network：客户网络；

dual-homed network：双宿网络，连接了两个提供商。

比如：

A、B、C 是 provider；

x、w、y 是 customer；

x 同时连接 B 和 C，所以 x 是 dual-homed。

策略的例子

ISP 通常愿意转发：自己客户的流量。

但不愿意免费帮其他 ISP 转发过境流量。

比如 x 同时连接 B 和 C。

x 可能不希望 B 通过自己去到 C。

所以 x 不会向 B 通告：我可以到达 C。

因为一旦通告，B 可能把去 C 的流量发给 x，x 就变成免费中转站。

(也就是说BGP策略其实是优先选择为我付钱的客户提供我能给的路径，比如说两个客户之间可以通路，或者和那些我向更高级ISP付款所买来的通路网络，也就是提供商建立的合作关系之间提供的通路，也就是购买者—中间客户商—更高级客户商之间的通路关系，但是拒绝其他未建立合作的客户商搭乘自己的通路，这样自己变成免费中转站)

BGP 的通告不是“我知道就告诉你”，而是“我愿意让你走，我才告诉你”。

十五、BGP 路由选择顺序

BGP 路由选择的一般因素。

当路由器学到多条到目标 AS 的路径时，会按以下因素选择：

本地偏好值 Local Preference；

最短 AS-PATH；

最近的 NEXT-HOP，也就是热土豆路由；

其他附加规则。

1. 本地偏好值

这是策略优先级最高的一类因素。

管理员可以设置：

更喜欢某个出口、某个提供商、某类客户路径。

2. 最短 AS-PATH

如果本地偏好相同，可能选择经过 AS 数量最少的路径。

比如：

比：

短。

3. 热土豆路由

如果前面还分不出来，就看哪个 NEXT-HOP 最近。

也就是选内部代价最低的出口。

十六、为什么 AS 内和 AS 间路由不同？

1. 策略不同

AS 内部：同一个管理者，更关注性能。

AS 之间：

不同组织之间，有商业和策略关系。

所以 AS 间路由不能只看最短路径。

2. 可扩展性不同

AS 内部规模相对有限，可以运行 OSPF 这种详细算法。

AS 之间规模巨大，只能用更抽象的 AS-PATH 和前缀通告。

3. 性能关注不同

AS 内：尽量优化性能，比如低延迟、高带宽。

AS 间：策略通常比性能更重要。

十七、BGP的总结

BGP 是互联网 AS 间路由协议。 它通过 eBGP 在 AS 之间传播网络前缀的可达性，通过 iBGP 在 AS 内部传播外部路由信息。

BGP 通告的核心内容是 prefix 加 attributes，其中重要属性有 AS-PATH 和 NEXT-HOP。

AS-PATH 可以描述经过哪些 AS，并防止环路；

NEXT-HOP 指出下一跳边界路由器。BGP 路由选择不只是最短路，而是基于策略、本地偏好、AS-PATH 长度、热土豆路由等因素。

十八、SDN 为什么出现？

传统互联网控制平面是：每台路由器自己运行路由协议，自己算路由表。

也就是每路由器控制平面。

这种方式的问题是：

配置复杂；

出错难排查；

不容易做统一流量工程；

不容易实现复杂策略；

网络设备往往是封闭专有系统。

所以后来出现 SDN：

软件定义网络。

十九、SDN 的核心思想

SDN 的核心是：控制平面和数据平面分离。

传统网络

每台路由器里都有：

数据平面：转发分组；

控制平面：运行路由协议、算路由表。

也就是每台设备都有自己的“大脑”。

SDN 网络

数据平面设备只负责：按流表转发。

控制逻辑集中到远程控制器：

控制器统一计算规则，然后下发给交换机。

所以 SDN 的结构是：

二十、为什么需要逻辑集中控制？

1. 更简单的网络管理

控制器有全局视图，可以统一管理网络。

避免每台设备分别配置导致错误。

2. 更容易实现流量工程

比如你想让：

的流量走：

而不是：

传统路由很难，因为传统路由主要靠链路权重间接控制。

SDN 可以直接下发流表：

这类流量从这些端口走。

3. 网络可编程

SDN 允许通过软件编写网络控制逻辑。

比如：

路由；

访问控制；

防火墙；

负载均衡；

流量监控；

安全检测。

二十一、SDN 和 PC 革命的类比

SDN 可以类比为主机架构/PC 革命。

传统网络设备像早期封闭系统：

专有硬件；

专有操作系统；

专有应用。

SDN 希望变成类似 PC：

通用硬件；

开放操作系统；

开放接口；

第三方应用可开发。

也就是说：

把网络设备从封闭专用盒子，变成开放可编程平台。

二十二、SDN 的四个关键特征

1. 基于流的通用转发

数据平面使用流表进行转发。

流表规则可以匹配多个层次的字段：

MAC；

IP；

TCP/UDP 端口；

输入端口等。

也就是前面讲的：

2. 控制平面和数据平面分离

交换机只负责高速转发。

控制器负责计算和安装规则。

3. 控制功能在数据平面交换机之外

控制器不在每台交换机内部，而是远程运行。

它可以是服务器集群。

4. 可编程控制应用

控制器上面可以跑各种网络应用：

routing；

access control；

load balance；

firewall；

traffic engineering。

二十三、SDN 架构三层

SDN 可以分成三层：

1. 数据平面交换机

也就是底层 SDN-controlled switches。

特点：

快速；

简单；

硬件实现转发；

按控制器安装的流表处理分组。

它们不自己算复杂路由。

2. SDN 控制器

控制器像网络操作系统。

它负责：

维护网络状态信息；

收集拓扑；

收集链路状态；

管理主机信息；

管理交换机信息；

计算流表；

和底层交换机通信；

给上层应用提供 API。

3. 网络控制应用

比如：

routing；

firewall；

load balancing；

access control；

traffic engineering。

这些应用通过控制器提供的接口来控制网络。

二十四、北向接口和南向接口

1. 北向接口 Northbound API

控制器向上给网络控制应用提供的接口。

比如：

应用想要查看拓扑、设置路径、做负载均衡，就通过北向 API 调用控制器。

常见形式有 REST API。

2. 南向接口 Southbound API

控制器向下和交换机通信的接口。

比如：

控制器通过 OpenFlow 给交换机下发流表。

所以：

二十五、OpenFlow 在 SDN 里的位置

OpenFlow 是一种典型的：南向协议。

它用于控制器和交换机之间通信。

控制器通过 OpenFlow：

查询交换机状态；

修改流表；

下发转发规则；

接收交换机事件；

管理端口状态。

二十六、OpenFlow 报文类型

PPT 里把 OpenFlow 报文分成几类。

1. 控制器到交换机报文

Controller-to-switch messages。

常见功能：

查询交换机特性；

设置交换机配置；

修改状态；

添加、删除、修改流表项；

让交换机从某个端口输出分组。

2. 异步消息

Asynchronous messages。

由交换机主动发给控制器。

比如：

有分组进来但没有匹配流表项；

某条流被删除；

某个端口状态变化。

3. 对称消息

Symmetric messages。

控制器和交换机双方都可以发送。

比如：

keepalive；

echo；

错误通知。

二十七、OpenFlow 控制器-交换机报文重点

1. 特性

控制器查询交换机支持什么能力。

交换机回复：

端口信息；

支持的表；

支持的动作等。

2. 配置

控制器查询或设置交换机配置参数。

3. 修改状态

控制器增加、删除、修改 OpenFlow 流表项。

这是最核心的操作。

4. 分组输出

控制器可以指示交换机：

把某个分组从某个端口发出去。

5. 分组进入 Packet-in

当交换机收到一个分组，但不知道怎么处理时，可以把它发给控制器。

控制器再决定怎么处理。

6. 流移除

当某个流表项超时或被删除时，交换机通知控制器。

7. 端口状态

当端口 up/down 变化时，交换机通知控制器。

二十八、SDN 控制/数据平面交互例子

假设交换机 S1 发现链路坏了。

第一步：S1 检测到链路失效

S1 通过 OpenFlow 端口状态报文通知控制器。

第二步：控制器更新网络状态

控制器收到报文后，更新自己的链路状态数据库。

第三步：路由应用收到变化

运行在控制器上的 Dijkstra 路由应用被通知：

网络拓扑变了。

第四步：路由应用重新计算路径

应用读取控制器维护的网络图和链路状态，重新算最短路径。

第五步：生成新的流表

路由应用与控制器中的流表计算模块交互，得到新的流表项。

第六步：控制器下发新流表

控制器通过 OpenFlow 把新规则安装到对应交换机上。

这一过程对应一句话

交换机报告事件，控制器更新状态，应用重新计算，控制器下发规则。

二十九、ODL 和 ONOS

两个 SDN 控制器。

1. OpenDaylight，ODL

ODL 是一个开源 SDN 控制器平台。

特点：

提供 REST、RESTCONF、NETCONF 等北向接口；

有服务抽象层 SAL；

支持 OpenFlow、NETCONF、SNMP、OVSDB 等南向协议；

可以集成拓扑处理、交换机管理、统计管理、转发规则管理等功能。

2. ONOS

ONOS 也是开源 SDN 控制器。

特点：

控制应用和控制器分离；

支持 intent 意图框架；

关注分布式、高可靠、可扩展；

适合运营商级网络。

Intent 意图框架

Intent 的意思是：

应用描述“想要什么”，而不是描述“具体怎么做”。

比如应用说：

我要让主机 A 和主机 B 连通，并且带宽满足要求。

控制器负责把这个高层意图翻译成具体流表规则。

三十、BGP 和 SDN 的整体关系

传统互联网控制平面

代表：

RIP；

OSPF；

BGP。

特点：每台路由器运行协议，分布式计算路由。

SDN 控制平面

代表：

OpenFlow；

ODL；

ONOS。

特点：

逻辑集中控制，控制器计算规则，交换机按流表执行。

三十一、复习

1. BGP 是什么？

BGP 是互联网 AS 间路由协议，是路径向量协议，负责在 AS 之间通告网络前缀可达性。

2. eBGP 和 iBGP 区别

类型 ｜ 作用 eBGP ｜ 不同 AS 之间交换路由信息 iBGP ｜ 同一 AS 内部传播外部学到的 BGP 路由

3. BGP 通告内容

重要属性：

AS-PATH；

NEXT-HOP。

4. AS-PATH 的作用

表示经过的 AS 序列；

用于路由选择；

防止环路。

5. NEXT-HOP 的作用

指出到达该前缀应交给哪个下一跳路由器。

6. BGP 报文类型

OPEN；

UPDATE；

KEEPALIVE；

NOTIFICATION。

7. 热土豆路由

在多个出口都能到达目标时，选择本 AS 内部代价最低、最近的出口，尽快把流量送出本 AS。

8. BGP 路由选择顺序

一般考虑：

本地偏好值；

最短 AS-PATH；

最近 NEXT-HOP；

其他规则。

9. SDN 的核心

控制平面和数据平面分离，控制器逻辑集中计算，交换机按流表转发。

10. SDN 三层架构

网络控制应用；

SDN 控制器；

数据平面交换机。

11. 北向接口和南向接口

接口 ｜ 方向 ｜ 作用 北向 API ｜ 控制器 ↔ 应用 ｜ 给应用提供网络抽象和控制能力 南向 API ｜ 控制器 ↔ 交换机 ｜ 下发流表、收集状态

12. OpenFlow 是什么？

OpenFlow 是控制器和交换机之间的南向协议，用来安装流表、查询状态和处理事件。

BGP 是互联网 AS 间路由协议。

它通过 eBGP 在 AS 之间交换路由，通过 iBGP 在 AS 内部传播外部路由。BGP 通告的是 prefix + attributes，其中 AS-PATH 表示经过的 AS 序列，NEXT-HOP 表示下一跳。

BGP 的路由选择受策略影响，不只是最短路径，常见因素包括本地偏好、AS-PATH 长度、热土豆路由等。

SDN 是一种新的控制平面思想。

它把控制平面和数据平面分离，数据平面交换机只按流表转发，远程控制器维护全局网络状态并计算规则。

OpenFlow 是典型南向协议，用于控制器和交换机之间下发流表、查询状态和处理事件。ODL、ONOS 是典型 SDN 控制器。