OSPF協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用仿真與性能評估?

胡 垚 徐 皓 武樹斌

（中國船舶重工集團(tuán)第七二二研究所 武漢 430000）

1 引言

根據(jù)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式不同，路由協(xié)議分為鏈路狀態(tài)路由協(xié)議如OSPF、距離向量路由協(xié)議如RIP、混合路由協(xié)議如IGRP和EIGRP（Cisco私有協(xié)議，2013年開放）、先驗(yàn)式路由協(xié)議如DSDV、按需路由協(xié)議如AODV和DSR等路由協(xié)議。其中無線路由協(xié)議一直是近年來研究的熱點(diǎn)，尤其是如何將OS?PF應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)中是國際上的研究重點(diǎn)，為此，IETF專門成立了工作組，提出了幾種針對自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的OSPF擴(kuò)展協(xié)議，包括MPR、OR/SP、MDR。三種擴(kuò)展協(xié)議旨在從減少洪范、減少鄰接關(guān)系、降低拓?fù)鋸?fù)雜度方面使OSPF協(xié)議能適用于無線自組織網(wǎng)絡(luò)。在國內(nèi)，清華大學(xué)徐明偉教授在空間網(wǎng)絡(luò)引入IP協(xié)議族，提出了一種基于傳統(tǒng)域內(nèi)路由協(xié)議OSPF的天地一體化網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)路由協(xié)議OSPF+，在空間網(wǎng)絡(luò)自治系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了低開銷、高穩(wěn)定性的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)路由。本文使用OPNET Modeler仿真分析軟件對OSPF協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用進(jìn)行建模分析，并通過與DSR協(xié)議的端到端時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和吞吐量比對，評估了OSPF協(xié)議的性能。

2 OSPF協(xié)議特性分析

OSPF（開放式最短路徑優(yōu)先）協(xié)議是一個(gè)家庭的IP路由協(xié)議，是一種內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）網(wǎng)絡(luò)，用于在一個(gè)自治系統(tǒng)（AS）的IP網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送IP路由信息。OSPF協(xié)議作為一個(gè)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，路由器和最近的路由器交換拓?fù)湫畔ⅰＭ負(fù)湫畔⒃谡麄€(gè)AS中進(jìn)行泛洪，以便AS內(nèi)的每個(gè)路由器都可以完整顯示AS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后使用Dijkstra算法計(jì)算通過AS的端到端的路徑。因此在鏈路狀態(tài)協(xié)議中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳的地址是通過選擇到最終目的地的最佳端到端路徑來確定的。

OSPF協(xié)議和大多數(shù)這樣的鏈路狀態(tài)協(xié)議類似，完整的路由信息允許路由器計(jì)算和尋找滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的路由，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。這對于流量工程而言可能很有用，能解決在路由受限情況下，滿足特定服務(wù)質(zhì)量的要求。但鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，隨著更多路由器添加到路由域中，會(huì)不斷增大拓?fù)涓碌念l率和大小，并增加計(jì)算端到端路由所用的時(shí)間，其擴(kuò)展性較差。缺乏可擴(kuò)展性意味著鏈路狀態(tài)協(xié)議不適合在整個(gè)Internet上進(jìn)行，這也是IGP僅在單個(gè)AS內(nèi)適用的原因。

每個(gè)OSPF路由器的適用鏈路狀態(tài)通告（LSA）消息會(huì)向其它路由器發(fā)送路由器本地狀態(tài)（可用接口和可達(dá)鄰居，以及適用每個(gè)接口的成本）信息。每個(gè)路由器使用收到的消息構(gòu)建一個(gè)描述AS拓?fù)涞南嗤瑪?shù)據(jù)庫。

在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中，每個(gè)路由器使用最短路徑優(yōu)先（SPF）或者Dijkstra算法計(jì)算自己的路由表。路由表包含路由協(xié)議指導(dǎo)的所有目標(biāo)，以及下一跳IP地址和出站接口關(guān)聯(lián)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，協(xié)議使用Dijkstra算法重新計(jì)算路由，并將其生成的路由協(xié)議流量降至最低。

3 仿真過程

3.1 仿真工具介紹

本文采用OPNET Modeler對OSPF協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了仿真。OPNET Modeler是一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，它將通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)階段合并在一起，具有先進(jìn)的建模機(jī)制、完備的模型庫、完善的外部接口等優(yōu)點(diǎn)，包括模型的設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)的收集和分析等階段，采用基于離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真機(jī)制、基于包的通信機(jī)制、三層建模機(jī)制，具有很好的繼承性和可重用性，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)仿真中。

OPNET Modeler的工作流程（用來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型和運(yùn)行模擬的步驟）包括：使用項(xiàng)目編輯器，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)模型，選擇從每個(gè)網(wǎng)絡(luò)對象或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中需要收集的數(shù)據(jù)，運(yùn)行模型，查看結(jié)果。在建模中如需對特定網(wǎng)絡(luò)對象的底層進(jìn)程或定義新的包格式，則需要使用額外的編輯器。

3.2 仿真模型描述

1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。本次仿真在OPNET中由路由器和服務(wù)器搭建模型，共設(shè)置256個(gè)路由器模型，如圖1所示，每個(gè)路由器都分別配置OSPF協(xié)議和DSR協(xié)議，共10個(gè)場景。路由器之間由無線鏈路傳輸數(shù)據(jù)，傳輸帶寬為11Mbps，如圖2所示，用以測試相同傳輸速率下，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多對時(shí)延、負(fù)載和吞吐量的影響。

圖2 設(shè)置傳輸速率

2）網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型。為分析OSPF在無線信道對于實(shí)時(shí)應(yīng)用的性能影響，在該IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了對時(shí)延比較敏感的語音業(yè)務(wù)，如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型

3.3 仿真場景設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)10個(gè)仿真場景，前5個(gè)為OSPF場景，所有路由器都采用OSPF路由協(xié)議，分別配置16、32、64、128、256個(gè)路由節(jié)點(diǎn)；后5個(gè)為DSR場景，所有節(jié)點(diǎn)配置DSR協(xié)議，同樣分別配置16、32、64、128、256個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。

4 仿真及性能評估

在上述仿真場景中分別運(yùn)行仿真，收集平均端到端時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和吞吐量等參數(shù)，對比分析不同場景內(nèi)這些性能參數(shù)的差別。

設(shè)置收集仿真模型的延遲、負(fù)載和吞吐量等統(tǒng)計(jì)量，得到結(jié)果如表2。

表2 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的協(xié)議時(shí)延

1）平均端到端時(shí)延。表2為不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的平均端到端時(shí)延仿真結(jié)果。端到端時(shí)延是指數(shù)據(jù)包從源端到接收端的時(shí)間間隔。從表中可以看出隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，DSR時(shí)延基本保持不變，而OS?PF模型時(shí)延逐漸增加，并于64個(gè)節(jié)點(diǎn)后呈非線性增長且增長迅速。其原因是，OSPF協(xié)議中，每一個(gè)路由器都維護(hù)一個(gè)相同的、完整的全網(wǎng)鏈路狀態(tài)路由表，這個(gè)數(shù)據(jù)庫很龐大，尋徑時(shí)，該路由器以自己為根，構(gòu)造最短路徑樹，然后根據(jù)最短路徑構(gòu)造路由表，因此節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，OSPF協(xié)議就會(huì)占用越多的無線鏈路帶寬，而DSR是動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議，不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加過多的協(xié)議開銷，因此端到端時(shí)延基本維持不變。

2）網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是產(chǎn)生時(shí)延的直接原因。表3為不同數(shù)量節(jié)點(diǎn)下的兩種模型的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。從中得到以下結(jié)論，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，使用OSPF協(xié)議模型的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載成線性增長，而DSR協(xié)議模型的負(fù)載呈非線性增長。且OSPF模型負(fù)載高于DSR模型的負(fù)載。產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加到DSR協(xié)議容納的最大數(shù)量后，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載將不再隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加呈線性增長，也可以得出結(jié)論，即OSPF模型中可容納的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)高于DSR模型。

表3 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

3）吞吐量。吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)之一。它代表每單位時(shí)間朝一個(gè)方向通過該連接段成功傳送的用戶數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)。表4是不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的協(xié)議吞吐量，從表4可以看出同等情況下，OSPF協(xié)議吞吐量遠(yuǎn)高于DSR，且吞吐量與節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈線性關(guān)系，而DSR的吞吐量則隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，先增加較快后增加較慢最后逐漸趨于平穩(wěn)。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，DSR網(wǎng)絡(luò)趨于飽和，因此吞吐量趨于平穩(wěn)。

表4 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的協(xié)議吞吐量

綜上所述，在16、32、64、128和256這五種節(jié)點(diǎn)模型下，通過與DSR協(xié)議的平均端到端時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、吞吐量的對比，可以看出，OSPF協(xié)議的缺點(diǎn)是比DSR協(xié)議占用更多的帶寬，優(yōu)點(diǎn)是OSPF協(xié)議可容納更多的節(jié)點(diǎn)和用戶，且在寬帶條件下，OSPF網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延小于DSR網(wǎng)絡(luò)。因此在特定的環(huán)境下，如無線鏈路帶寬很大時(shí)，使用OSPF協(xié)議既可以使無線網(wǎng)絡(luò)傳輸大量數(shù)據(jù)，又可以保證時(shí)延很低，也可以容納較多的用戶，比DSR協(xié)議更適合于大型網(wǎng)絡(luò)的通信。

5 結(jié)語

無線鏈路的協(xié)議中，OSPF和DSR各有優(yōu)缺點(diǎn)，DSR雖然具有自組織、時(shí)延低，協(xié)議開銷小等優(yōu)點(diǎn)，但是可容納的用戶數(shù)量較少，而且數(shù)據(jù)傳輸速率較低，導(dǎo)致DSR網(wǎng)絡(luò)只適合傳輸簡單的消息。而OS?PF的低延時(shí)、高吞吐量的協(xié)議特性，使其在無線網(wǎng)絡(luò)中有良好的應(yīng)用前景，雖然相比于DSR協(xié)議，該協(xié)議仍有開銷大、收斂慢的缺點(diǎn)，但在特定的環(huán)境中仍有一定的應(yīng)用前景。并且，在日后的研究中，可以從減少泛洪、減少鄰接關(guān)系、降低拓?fù)鋸?fù)雜度三個(gè)方面來改進(jìn)協(xié)議，節(jié)約協(xié)議開銷，提高其收斂速率，使其能適用于高移動(dòng)性和拓?fù)浣?jīng)常變化的環(huán)境。