對OLSRv2草案及其相關規范的研究

段 薇，李大雙，姜永廣，景中源

(1.中國電子系統設備工程公司研究所，北京 100141;2.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

眾所周知，鏈路狀態路由一般都采取主動式或先應式的路由信息分布機制，其開銷遠大于諸如AODV(按需距離矢量)、DSDV(帶目的地序號的距離矢量)這樣的距離矢量路由機制，因而鏈路狀態路由機制并不適合于鏈路速率僅幾kb/s的低速移動Ad Hoc戰術電臺網絡。但是，與距離矢量路由機制相比，鏈路狀態路由機制建立的全局拓撲信息具有實現無循環路由、能提供網絡拓撲態勢信息的優勢，而且鏈路狀態路由天生具有更好地支持服務質量(QoS)控制的優勢。隨著鏈路速率達到幾百kb/s甚至幾Mb/s的寬頻段戰術電臺、高波段定向波束戰術電臺(如美軍的高波段電臺HNR)的出現與部署應用［1］，現代高速電臺幾乎都采用了基于鏈路狀態和多點中繼路由機制的OLSRv1路由協議［2］。

OLSRv1規范(RFC3626)出現于2003年，其后，如何對OLSRv1進行進一步改進與優化，一直都是IETF移動Ad Hoc網絡(MANET)路由工作組和各國研究者們的研究熱點。考慮到OLSRv1的實現機制過于復雜，并且沒有設計減小開銷的路由消息格式壓縮機制，因而IETF MANET論壇對OLSR的工作機制進行了功能分割與剝離，分別拆解為RFC5444［3］即移動 Ad Hoc 網絡(MANET)分組與消息的通用格式、RFC5497即移動Ad Hoc網絡(MANET)多值時間表示以及RFC6130即移動Ad Hoc網絡(MANET)鄰居發現協議(NHDP)3個基礎性RFC 規范與 OLSRv2 草案［3－5］。目前 OLSRv2 草案已進展到第19個版本，預計很快成為正式的RFC規范。

文中首先介紹了IETF MANET論壇針對OLSR制定的3個基礎性的RFC規范以及OLSRv2草案的基本概況，然后敘述了3種進一步減少鏈路狀態路由泛洪開銷的機制。

1 OLSRv2的3個基礎性RFC規范

OLSRv2草案是以MANET論壇新制定的RFC5444、RFC5497及RFC6130這3個規范為基礎，并且這3個基礎性規范互相引用而成為了MANET路由協議的一個支持架構。

(1)RFC5444

RFC5444為2009年2月正式公布的一個互聯網標準跟蹤協議，該規范敘述了為MANET路由協議使用而設計的一個通用化的分組與消息格式。該規范的設計受到OLSRv1(優化鏈路狀態路由)協議(RFC3626)的啟發，并針對OLSR使用的格式進行了擴展。

RFC5444規范敘述了一種具有高效率壓縮能力的分組與消息表示格式。其壓縮效率由減小分組長度和允許一個分組裝載多個不相關的消息來支持?？s短分組長度主要由地址聚合、可選分組頭與消息頭域以及地址塊與TLV中的可選域支持。

RFC5444規范同時提供外在的與內在的可擴展性。外在可擴展性通過增加分組TLV并定義新的消息類型的能力來支持。內在的可擴展性通過在現有消息上增加消息TLV與地址塊TLV的能力來支持。各應用協議可以定義新的TLV類型與它們的值域內容和新消息類型。

RFC5444規范提供了豐富的表達能力與靈活性，能夠適應不同類別的MANET路由協議(例如先應式的、反應式的以及混合型的路由協議)及其擴展。采用一種共同的分組與消息格式和共同的表達IP地址及其關聯屬性的方式，允許開發通用性的解析編碼，而無需考慮該路由協議使用哪一種算法。

RFC5444規范定義的各種消息用于承載MANET路由器之間的路由協議信令［4］。所包括的若干要素能夠支持范圍受限的泛洪，并能支持多跳網絡內MANET路由協議信令的點對點遞送。分組可以為單播的或多播的，并且可以使用任何適合的傳輸協議或不使用任何傳輸協議。

RFC5444的分組與消息格式壓縮能力主要由地址塊壓縮機制體現。分組除了包含分組頭以外，還可以包含一個或多個消息。一個消息包含有一個消息頭、一個消息TLV塊(包含有與整個消息關聯的零個或更多個的TLV)、零個或更多個的地址塊(每個地址塊含有一個或多個地址對象)以及一個地址塊TLV塊(每個地址塊后面跟隨有零個或更多個TLV，可以將這些地址與這些附加屬性關聯起來)。

一個地址塊能夠指示一個或多個地址，其指示的所有地址的字節長度都為address－length，這個值由包含該地址塊的消息的＜msg－header＞域內的＜msg－addr－length＞值指定。一個地址塊也可以指示該地址塊內所有地址的多個前綴長度，允許一個地址塊指示多個地址或多個地址前綴。一個協議可以指明一個具有最大前綴長度的地址(其長度等于8*address－length個bit)可以是一個地址而不是一個地址前綴，從而允許一個地址塊采取包含多個地址與多個地址前綴的一種混合形式。

一個地址由長度為address－length個字節、以Head:Mid:Tail形式表示的一個序列指示。Head、Mid或Tail不與任何語義相關聯。這種獨特的表示法使地址能夠聚合，它通常具有共同的部分(例如，共同的前綴或同一個接口上的多個IP地址)。一個地址塊包含了多個地址按順序排列的一個集合，這些地址共享相同的Head(地址的頭部)和相同的Tail(地址的尾部)，但各自具有單獨的Mid(地址的中間部分)。Head和Tail各自都可以獨自為空，使其能夠表示不具有共同的Head或共同的Tail的多個地址對象。

(2)RFC5497

RFC5497為2009年3月正式公布的一個互聯網標準跟蹤協議，該規范規定了一種通用的時間TLV結構，任何一個MANET路由協議都可使用它來表達單時間值或一組時間值［5］。

RFC5497基于RFC5444規定的TLV格式機制，允許將一個“值”與一個分組、一個消息或多個地址關聯起來。在這三種情形中實現其關聯的數據結構都是一樣的?？墒牵揟LV在一個接收分組內的位置，能夠確定那個TLV是否為一個“分組TLV”(出現在任何一個消息之前的分組頭中)、一個“消息TLV”(出現在緊跟在一個消息頭之后的 TLV塊中)、或一個“地址塊TLV”(出現在緊跟在一個地址塊之后的TLV塊中)。

一個時間值不是一個“絕對的時間點”，而是一個間隔或一個時間段。因而一個時間TLV例程能夠將一個間隔或一個時間段表示為“10秒”。

RFC5497規定了兩個消息TLV類型，采用建議的TLV結構。這些消息TLV類型為INTERVAL_TIME和VALIDITY_TIME，分別規定了在之前應該接收到另一個來自同一個始發節點的同一類型消息的最大時間，以及該消息內的信息在接收到之后一直保持有效的時間寬度。需要注意，如果這兩者都存在，則后者通常將大于前者，以允許可能出現的消息丟失。

RFC5497還規定了兩個地址塊TLV類型，采用所建議的TLV結構。這些地址塊TLV類型為INTERVAL_TIME和VALIDITY_TIME，其定義與兩個同名的消息TLV相同。

RFC5497規定的時間TLV結構，將作為一個MANET路由協議的一個組成成分來使用，即在所傳輸的消息內包含一個時間TLV來指定一個特定消息類型在連續兩次傳輸之間的預期間隔。

某些MANET路由協議可能對某些消息使用非常短的間隔，而對其它的消息采用非常長的間隔，或者可能根據觀察到的行為來改變消息的傳輸率。例如，如果一個網絡在某個時間點被觀察到很高的拓撲動態變化特性，則一個非常短(亞秒級)的消息間隔可能比較適宜，而當該網絡被觀察到一直很穩定時，則數小時的消息間隔可能比較適宜。不同的MANET路由協議和它們的不同部署，可能具有不同的粒度要求和連續兩次傳輸之間的最短與最長間隔門限要求。

此外，MANET路由協議部署通常采用帶寬受限的無線網絡接口，因而寧愿以計算復雜度來換取傳輸比特數的節約。在這種情形中采用的這些時間TLV所規定的消息間隔與信息有效時間不需要高精度的時間值。

RFC5497規定的TLV多值時間表示為RFC5444和OLSRv2所需要的時間值表示提供了基礎性的支持。

(3)RFC6130

RFC6130敘述了用于 MANET的1－跳和對稱2－跳的鄰域發現協議(NHDP)，也稱為鄰居發現協議［6］。RFC6130 將原 OLSRv1(RFC3626)中的HELLO消息格式與消息產生、鏈路探測、鄰居探測、局部信息庫、接口信息庫部分內容剝離出來，另外還增加了對鏈路質量表示的敘述。

RFC6130支持在一個MANET中每個路由器使用一個以上的通信信道。特別是在同一對路由器之間，可以存在一個以上的不同通信信道，每個通信信道可以具有不同的性能參數。例如，各個MANET路由器都安裝有多個不同的無線接口，每個無線接口工作在不同的頻率上，就屬于這種情況。因此，RFC6130支持一個MANET路由器同時接入基于不同信道傳輸的多個無線子網，這個特點特別適合于具有多個重疊無線子網的戰術組網應用。

為了方便MANET路由協議的使用，RFC6130支持建立一個MANET路由器的多個鄰居的信息，并且支持一個路由器確定與每個鄰居之間的每個鏈路是單向或雙向的。

RFC6130規定的鄰域發現協議，提供對鄰域變化、鏈路雙向性以及遠達兩跳的局部拓撲信息的持續跟蹤。這些能力的組合允許一個MANET路由協議訪問敘述鏈路建立/消失的信息，并且為選擇減小的多點中繼(MPR)集合和其它目的提供必需的拓撲信息。

RFC6130的主要功能，包括識別本路由器的1－跳鄰居和對稱的1－跳鄰居、發現該路由器的對稱2－跳鄰居的接口網絡地址、在信息庫中記錄鄰居信息、MANET路由器根據信息庫產生HELLO消息以及允許其它協議對信息庫中的信息進行擴充。

RFC6130也采用了基于HELLO消息格式的局部信令，用于通告一個路由器和它具有的若干接口網絡地址的存在，發現來自鄰接路由器的那些鏈路的存在，對所發現的鏈路進行雙向性檢查，向它的1－跳鄰居們通告所發現的那些鏈路及其是否對稱的屬性，進而發現那些對稱的2－跳鄰居。

2 OLSRv2對OLSRv1的改進

OLSRv1在2003年成為了RFC的試驗規范，它存在幾個缺點。首先是其設計沒有考慮任何形式的消息格式長度壓縮機制，致使其信道開銷較大，這對于帶寬資源寶貴的無線網絡應用十分不利;其次，OLSRv1的設計受到了傳統有線IP路由思想的影響，包含的消息達四種，其中的MID消息(多接口申明)和HNA消息(主機和網絡關聯)純屬多余，增加了無意義的開銷;第三，OLSRv1將所有的功能混雜在一起，使協議十分復雜;第四，OLSRv1沒有定義鏈路代價的表示方法，致使其對QoS的支持能力太弱。

OLSRv2對OLSRv1的改進主要體現在以下幾個方面:

1)將其分組與消息格式描述與處理功能部分剝離單出來獨形成了RFC5444，將其HELLO消息的產生、轉發及處理、鏈路探測、鄰居探測、鏈路信息庫等與鏈路管理密切相關的功能部分剝離出來單獨形成了RFC6130。這樣設計使協議功能劃分清楚，使得軟件的設計與實現更加容易，并且易于擴展。

2)OLSRv2去除了OLSRv1中的關于主地址與多接口的描述、去掉了OLSRv1中的主機和網絡關聯(HNA)消息，降低了開銷。OLSRv2僅保留了HELLO和拓撲控制(TC)兩種消息，并且這兩種消息都完全采取基于RFC5444規范的消息格式。

3)TC消息具有傳遞節點附屬子網信息的能力，使得OLSRv2已經不是純粹的主機路由協議，而能支持許多IP子網的廣域無線互聯。

4)RFC5444提供的地址塊壓縮機制為OLSRv2提供了極大的壓縮HELLO和TC消息開銷的可能性。壓縮后的TC消息由于分組長度較短，其在無線信道上成功洪泛的概率得到進一步地提高，增加了OLSRv2路由協議的適用范圍。

5)OLSRv2將重點放在對鄰居信息庫、拓撲信息庫、拓撲改變時修改信息庫的處理以及基于MPR算法對TC消息的產生、轉發與處理上。此外，OLSRv2支持采用更好的MPR算法。

6)在RFC6130增設了鏈路質量表示與使用的機制，增加了對鏈路代價的表示方法，使其能夠較好地為網絡的QoS提供支撐。

3 進一步減小OLSRv2泛洪開銷的方法

首先，OLSRv2與OLSRv1所采取的多點中繼算法都為十多年前提出的基本算法，其泛洪優化效率并非是最佳的，最近幾年研究者們提出了多種更好的MPR算法，包括擴展型多點中繼(EMPR)、增強型擴展多點中繼(EEMPR)等更優化的算法。這些新提出的改進型 MPR算法［7］，能夠進一步減少MANET中參與多點中繼的MANET路由節點數量。其次，將朦朧視野鏈路狀態(HSLS)路由算法與MPR機制融合，可以進一步減少TC消息的泛洪范圍。最后，在存在多個無線子網重疊組網的應用中，可以采取無編號IP機制，不規劃和分配無線接口的IP地址，僅為各個MANET路由器節點分配具有相同的IP網段/掩碼的節點ID，充分利用RFC5497提供的地址塊壓縮機制來提高地址塊壓縮的效率［8］。此外，采取時間序號的機制能夠避免重復泛洪［9］。

4 仿真實驗

我們通過仿真實驗，驗證OSLRv2對OSLRv1協議開銷性能的改進。本實驗采用Windows XP操作系統的通用PC作為仿真實驗平臺，選擇OPNET14.5仿真軟件。

網絡仿真環境模型參數如下。網絡覆蓋面積是1 500 m"1 500 m;節點個數為40個(均勻放置);物理層為802.11 b;節點移動模型為最大速度是50 m/s，最小速度是5 m/s。

路徑損失為雙徑模式，信道損失為理想無衰落信道。MAC層采用IEEE 802.11 WLAN協議。

假設網絡各節點采用前三字節相同的ID編碼，便于OLSRv2的消息格式壓縮機制發揮最大的作用。此外，還采用節點ID－子網映射機制。

在網絡仿真過程中，采用不同的TC消息發送間隔，即5 s、10 s、20 s以及30 s。對每個協議分別在相同的連通場景中進行2小時的仿真運算。

圖1顯示了40個節點的仿真場景，在產生仿真場景時，丟棄了不連通的場景。為了對比有意義，沒有統計OLSRv1中使用的MID和HNA這兩種消息的開銷總量。

圖1 OLSRv1＆v2對比的仿真場景Fig.1 Simulation scenario of OLSRv1 Vs.OLSRv2

圖2顯示了兩個協議的泛洪總信息量開銷的對比情況，OLSRv2的TC消息總開銷比OLSRv1的泛洪消息總開銷降低了大約60%以上。當OLSRv2結合了HSLS路由機制時，其開銷更低，又降低了大約41%以上。可見，由于HSLS在時間和空間兩個維度上分別抑制了大量的TC消息數量，能夠進一步地降低泛洪開銷。在對節點ID進行了合理規劃后，能夠使地址塊壓縮機制發揮最大的縮減信息能量的作用，有效地降低了拓撲泛洪的開銷。

圖2 OLSRv1與OLSRv2泛洪開銷對比Fig.2 Flooding overhead of OLSRv1 Vs.OLSRv2

從整體情況來看，OLSRv2路由協議表現出更優越的性能。

5 結語

文中針對OSLRv2草案的進展及其3個基礎性RFC規范進行了敘述。首先介紹了IETF最新發布的從OLSR剝離出來并單獨制定的3種基礎性RFC規范;然后敘述了OLSRv2草案對OLSRv1在路由機制的設計和消息格式上的改進與提升。此外，還敘述了進一步減少路由消息泛洪開銷的3種方法。最后，針對泛洪消息總量進行了仿真驗證與對比，仿真結果表明，OLSRv2發送的信息總量要低于OLSRv1發送的信息總量。需要特別指出的是，OLSRv2并未敘述解決移動Ad Hoc網絡路由安全的具體方法，在設計基于OLSRv2的戰術路由協議時，對其安全性也應該做進一步的一體化考慮［10］。

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［2］CLAUSEN T，JACQUET P，ADJIH C，et al.Optimized Link State Routing Protocol［EB/OL］.(2003－10－05)［2013－12－10］.http://www.ietf.org/rfc/rfc3626.txt.

［3］CLAUSEN T，DEARLOVE C，JACQUET P.The Optimized Link State Routing Protocol version 2［EB/OL］.(2013－03－27)［2013－12－22］.http://www.ietf.org/rfc/draft－ietf－manet－olsrv2－19.txt.

［4］CLAUSEN T ，DEARLOVE C.Representing Multi－Value Time in Mobile Ad Hoc Networks(MANETs)［EB/OL］.(2009－03－19)［2013－12－17］.http://www.ietf.org/rfc/rfc5497.txt.

［5］CLAUSEN T，DEARLOVE C，DEAN J，et al.Generalized Mobile Ad Hoc Network(MANET)Packet/Message Format［EB/OL］.(2009－02－16)［2014－01－20］.http://www.ietf.org/rfc/rfc5444.txt.

［6］CLAUSEN T，DEARLOVE C，DEAN J.Mobile Ad Hoc Network Neighborhood Discovery Protocol(NHDP)［EB/OL］.(2011－03－27)［2014－01－05］.http://www.ietf.org/rfc/rfc6130.txt.

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