OSPF協議在無線網絡上的應用仿真與性能評估?

胡 垚 徐 皓 武樹斌

（中國船舶重工集團第七二二研究所 武漢 430000）

1 引言

根據協議的實現方式不同，路由協議分為鏈路狀態路由協議如OSPF、距離向量路由協議如RIP、混合路由協議如IGRP和EIGRP（Cisco私有協議，2013年開放）、先驗式路由協議如DSDV、按需路由協議如AODV和DSR等路由協議。其中無線路由協議一直是近年來研究的熱點，尤其是如何將OS?PF應用到無線網絡中是國際上的研究重點，為此，IETF專門成立了工作組，提出了幾種針對自組網網絡的OSPF擴展協議，包括MPR、OR/SP、MDR。三種擴展協議旨在從減少洪范、減少鄰接關系、降低拓撲復雜度方面使OSPF協議能適用于無線自組織網絡。在國內，清華大學徐明偉教授在空間網絡引入IP協議族，提出了一種基于傳統域內路由協議OSPF的天地一體化網絡域內路由協議OSPF+，在空間網絡自治系統中實現了低開銷、高穩定性的自適應動態路由。本文使用OPNET Modeler仿真分析軟件對OSPF協議在無線網絡上的應用進行建模分析，并通過與DSR協議的端到端時延、網絡負載和吞吐量比對，評估了OSPF協議的性能。

2 OSPF協議特性分析

OSPF（開放式最短路徑優先）協議是一個家庭的IP路由協議，是一種內部網關協議（IGP）網絡，用于在一個自治系統（AS）的IP網絡中發送IP路由信息。OSPF協議作為一個鏈路狀態路由協議，路由器和最近的路由器交換拓撲信息。拓撲信息在整個AS中進行泛洪，以便AS內的每個路由器都可以完整顯示AS的拓撲結構。然后使用Dijkstra算法計算通過AS的端到端的路徑。因此在鏈路狀態協議中，數據轉發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協議和大多數這樣的鏈路狀態協議類似，完整的路由信息允許路由器計算和尋找滿足特定標準的路由，是其最大的優點。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，滿足特定服務質量的要求。但鏈路狀態路由協議，隨著更多路由器添加到路由域中，會不斷增大拓撲更新的頻率和大小，并增加計算端到端路由所用的時間，其擴展性較差。缺乏可擴展性意味著鏈路狀態協議不適合在整個Internet上進行，這也是IGP僅在單個AS內適用的原因。

每個OSPF路由器的適用鏈路狀態通告（LSA）消息會向其它路由器發送路由器本地狀態（可用接口和可達鄰居，以及適用每個接口的成本）信息。每個路由器使用收到的消息構建一個描述AS拓撲的相同數據庫。

在這個數據庫中，每個路由器使用最短路徑優先（SPF）或者Dijkstra算法計算自己的路由表。路由表包含路由協議指導的所有目標，以及下一跳IP地址和出站接口關聯。

當網絡拓撲發生變化時，協議使用Dijkstra算法重新計算路由，并將其生成的路由協議流量降至最低。

3 仿真過程

3.1 仿真工具介紹

本文采用OPNET Modeler對OSPF協議在無線網絡中的實現進行了仿真。OPNET Modeler是一款優秀的網絡仿真軟件，它將通信網絡的各個階段合并在一起，具有先進的建模機制、完備的模型庫、完善的外部接口等優點，包括模型的設計、仿真、數據的收集和分析等階段，采用基于離散事件驅動的仿真機制、基于包的通信機制、三層建模機制，具有很好的繼承性和可重用性，被廣泛應用于網絡仿真中。

OPNET Modeler的工作流程（用來構建網絡模型和運行模擬的步驟）包括：使用項目編輯器，創建網絡模型，選擇從每個網絡對象或整個網絡中需要收集的數據，運行模型，查看結果。在建模中如需對特定網絡對象的底層進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）網絡拓撲結構模型。本次仿真在OPNET中由路由器和服務器搭建模型，共設置256個路由器模型，如圖1所示，每個路由器都分別配置OSPF協議和DSR協議，共10個場景。路由器之間由無線鏈路傳輸數據，傳輸帶寬為11Mbps，如圖2所示，用以測試相同傳輸速率下，節點數量增多對時延、負載和吞吐量的影響。

圖2 設置傳輸速率

2）網絡業務模型。為分析OSPF在無線信道對于實時應用的性能影響，在該IP網絡設置了對時延比較敏感的語音業務，如表1所示。

表1 網絡業務模型

3.3 仿真場景設計

共設計10個仿真場景，前5個為OSPF場景，所有路由器都采用OSPF路由協議，分別配置16、32、64、128、256個路由節點；后5個為DSR場景，所有節點配置DSR協議，同樣分別配置16、32、64、128、256個路由節點。

4 仿真及性能評估

在上述仿真場景中分別運行仿真，收集平均端到端時延、網絡負載和吞吐量等參數，對比分析不同場景內這些性能參數的差別。

設置收集仿真模型的延遲、負載和吞吐量等統計量，得到結果如表2。

表2 不同節點數量下的協議時延

1）平均端到端時延。表2為不同節點數量下的平均端到端時延仿真結果。端到端時延是指數據包從源端到接收端的時間間隔。從表中可以看出隨著節點數增加，DSR時延基本保持不變，而OS?PF模型時延逐漸增加，并于64個節點后呈非線性增長且增長迅速。其原因是，OSPF協議中，每一個路由器都維護一個相同的、完整的全網鏈路狀態路由表，這個數據庫很龐大，尋徑時，該路由器以自己為根，構造最短路徑樹，然后根據最短路徑構造路由表，因此節點數量越多，OSPF協議就會占用越多的無線鏈路帶寬，而DSR是動態源路由協議，不會隨著節點數的增加而增加過多的協議開銷，因此端到端時延基本維持不變。

2）網絡負載。網絡負載是產生時延的直接原因。表3為不同數量節點下的兩種模型的網絡負載。從中得到以下結論，隨著節點數量的增多，使用OSPF協議模型的網絡負載成線性增長，而DSR協議模型的負載呈非線性增長。且OSPF模型負載高于DSR模型的負載。產生這樣結果的原因是，節點數量增加到DSR協議容納的最大數量后，網絡負載將不再隨著節點數量增加呈線性增長，也可以得出結論，即OSPF模型中可容納的最大節點數量遠高于DSR模型。

表3 不同節點數量下的網絡負載

3）吞吐量。吞吐量是衡量網絡性能的重要指標之一。它代表每單位時間朝一個方向通過該連接段成功傳送的用戶數據的比特數。表4是不同節點數量下的協議吞吐量，從表4可以看出同等情況下，OSPF協議吞吐量遠高于DSR，且吞吐量與節點數量呈線性關系，而DSR的吞吐量則隨著節點數量增多，先增加較快后增加較慢最后逐漸趨于平穩。產生這個現象的原因是隨著節點數量的增多，DSR網絡趨于飽和，因此吞吐量趨于平穩。

表4 不同節點數量下的協議吞吐量

綜上所述，在16、32、64、128和256這五種節點模型下，通過與DSR協議的平均端到端時延、網絡負載、吞吐量的對比，可以看出，OSPF協議的缺點是比DSR協議占用更多的帶寬，優點是OSPF協議可容納更多的節點和用戶，且在寬帶條件下，OSPF網絡的時延小于DSR網絡。因此在特定的環境下，如無線鏈路帶寬很大時，使用OSPF協議既可以使無線網絡傳輸大量數據，又可以保證時延很低，也可以容納較多的用戶，比DSR協議更適合于大型網絡的通信。

5 結語

無線鏈路的協議中，OSPF和DSR各有優缺點，DSR雖然具有自組織、時延低，協議開銷小等優點，但是可容納的用戶數量較少，而且數據傳輸速率較低，導致DSR網絡只適合傳輸簡單的消息。而OS?PF的低延時、高吞吐量的協議特性，使其在無線網絡中有良好的應用前景，雖然相比于DSR協議，該協議仍有開銷大、收斂慢的缺點，但在特定的環境中仍有一定的應用前景。并且，在日后的研究中，可以從減少泛洪、減少鄰接關系、降低拓撲復雜度三個方面來改進協議，節約協議開銷，提高其收斂速率，使其能適用于高移動性和拓撲經常變化的環境。