因特网路由：自治系统、OSPF与BGP基础

自治系统

4.8节和4.9节把整个网络看作一张图，所有路由器都运行同一个路由选择算法。在真实的因特网中，这种做法行不通：

1. 规模问题。因特网有数以亿计的目的网络，如果每台路由器都要保存全网拓扑并向全网泛洪链路状态，存储和通信开销都无法承受；距离向量算法在这么大的网络中也永远无法收敛。
2. 管理自治。因特网是由许多ISP组成的“网络的网络”，每个ISP都希望按自己的意愿运营网络，选择自己的路由算法，并对外隐藏内部结构。

解决办法是把路由器组织成自治系统（AS, Autonomous System）：一个AS由同一个管理机构控制的一组路由器组成，通常是一个ISP或一个大型机构的网络，用全球唯一的AS号（ASN）标识。同一个AS内的路由器运行相同的AS内部路由选择协议；不同AS之间则统一使用AS间路由选择协议BGP。负责把本AS与其他AS连接起来的路由器称为网关路由器。

开放最短路径优先OSPF

OSPF（Open Shortest Path First）是使用最广泛的AS内部路由选择协议之一，它是一种链路状态协议：

• 每台路由器向本AS内的所有路由器泛洪链路状态通告，每台路由器都得到完整的拓扑，再在本地运行Dijkstra算法，得到以自己为根的最短路径树。
• 链路开销由网络管理员设置。例如把所有开销设为1，就得到最少跳数路由；也可以让开销与链路带宽成反比，使流量尽量走高带宽链路。
• 链路状态变化时立即泛洪，即使没有变化也会周期性地（至少每30分钟一次）重新通告。OSPF报文直接封装在IP数据报中，协议号为89。
• 支持报文鉴别，防止恶意路由器注入错误信息；支持多条开销相同的路径（等价多路径），分担流量。
• 支持层次结构：一个AS可以分成多个区域（area），链路状态通告只在区域内泛洪；一个特殊的主干区域（area 0）连接所有区域，区域边界路由器负责在区域之间汇总路由。

边界网关协议BGP

BGP（Border Gateway Protocol）是因特网中唯一使用的AS间路由选择协议，被称为把数以万计的AS“粘合”在一起的协议。在BGP中，目的不是单台主机，而是CIDR形式的前缀，例如138.16.64.0/22。BGP为每台路由器提供两项功能：

1. 从相邻AS获得前缀的可达性信息。BGP让每个子网都能向因特网的其余部分宣告：“我在这里。”
2. 根据可达性信息和AS的策略，确定到达各个前缀的“最好”路由。

相邻AS的网关路由器之间通过TCP（端口179）建立外部BGP（eBGP）会话，同一AS内的路由器之间则通过内部BGP（iBGP）会话传播学到的路由。一条BGP路由由前缀和若干属性组成，其中两个重要属性是：

• AS-PATH：通告经过的AS列表。每当通告传入一个新的AS，该AS就把自己的AS号加到列表前面。如果路由器在AS-PATH中看到了自己的AS号，就拒绝这条通告，从而避免环路。
• NEXT-HOP：AS-PATH起点处那台路由器接口的IP地址，即离开本AS时要交给的那台路由器。

热土豆路由与BGP选路

一台路由器往往会学到多条去往同一前缀的路由。如果这些路由只是经由不同的网关离开本AS，最简单的选择方法是热土豆路由（hot potato routing）：选择在AS内部到达代价最小的那个网关（到NEXT-HOP的开销由AS内部路由协议算出），尽快把分组“扔”出本AS，而不关心它在AS外部还要走多远。

实际的BGP按以下顺序依次比较，直到只剩一条路由：

1. 本地偏好（local preference）最高。本地偏好由AS的管理员根据策略设置。
2. AS-PATH最短。
3. 到NEXT-HOP的开销最小，即热土豆路由。
4. 用BGP标识符（路由器标识）打破最后的平局。

BGP中策略往往比性能更重要。例如一个同时连接两家ISP的客户网络（多宿主网络）不愿意为两家ISP之间的流量提供转接，它就不应把从一家ISP学到的路由再通告给另一家；ISP通常也只愿意转接自己客户的流量，而不愿意免费为其他ISP承载流量。