OSPF协议在无线网络上的应用仿真与性能评估∗

胡 垚 徐 皓 武树斌

（中国船舶重工集团第七二二研究所 武汉 430000）

1 引言

根据协议的实现方式不同，路由协议分为链路状态路由协议如OSPF、距离向量路由协议如RIP、混合路由协议如IGRP和EIGRP（Cisco私有协议，2013年开放）、先验式路由协议如DSDV、按需路由协议如AODV和DSR等路由协议。其中无线路由协议一直是近年来研究的热点，尤其是如何将OS⁃PF应用到无线网络中是国际上的研究重点，为此，IETF专门成立了工作组，提出了几种针对自组网网络的OSPF扩展协议，包括MPR、OR/SP、MDR。三种扩展协议旨在从减少洪范、减少邻接关系、降低拓扑复杂度方面使OSPF协议能适用于无线自组织网络。在国内，清华大学徐明伟教授在空间网络引入IP协议族，提出了一种基于传统域内路由协议OSPF的天地一体化网络域内路由协议OSPF+，在空间网络自治系统中实现了低开销、高稳定性的自适应动态路由。本文使用OPNET Modeler仿真分析软件对OSPF协议在无线网络上的应用进行建模分析，并通过与DSR协议的端到端时延、网络负载和吞吐量比对，评估了OSPF协议的性能。

2 OSPF协议特性分析

OSPF（开放式最短路径优先）协议是一个家庭的IP路由协议，是一种内部网关协议（IGP）网络，用于在一个自治系统（AS）的IP网络中发送IP路由信息。OSPF协议作为一个链路状态路由协议，路由器和最近的路由器交换拓扑信息。拓扑信息在整个AS中进行泛洪，以便AS内的每个路由器都可以完整显示AS的拓扑结构。然后使用Dijkstra算法计算通过AS的端到端的路径。因此在链路状态协议中，数据转发到下一跳的地址是通过选择到最终目的地的最佳端到端路径来确定的。

OSPF协议和大多数这样的链路状态协议类似，完整的路由信息允许路由器计算和寻找满足特定标准的路由，是其最大的优点。这对于流量工程而言可能很有用，能解决在路由受限情况下，满足特定服务质量的要求。但链路状态路由协议，随着更多路由器添加到路由域中，会不断增大拓扑更新的频率和大小，并增加计算端到端路由所用的时间，其扩展性较差。缺乏可扩展性意味着链路状态协议不适合在整个Internet上进行，这也是IGP仅在单个AS内适用的原因。

每个OSPF路由器的适用链路状态通告（LSA）消息会向其它路由器发送路由器本地状态（可用接口和可达邻居，以及适用每个接口的成本）信息。每个路由器使用收到的消息构建一个描述AS拓扑的相同数据库。

在这个数据库中，每个路由器使用最短路径优先（SPF）或者Dijkstra算法计算自己的路由表。路由表包含路由协议指导的所有目标，以及下一跳IP地址和出站接口关联。

当网络拓扑发生变化时，协议使用Dijkstra算法重新计算路由，并将其生成的路由协议流量降至最低。

3 仿真过程

3.1 仿真工具介绍

本文采用OPNET Modeler对OSPF协议在无线网络中的实现进行了仿真。OPNET Modeler是一款优秀的网络仿真软件，它将通信网络的各个阶段合并在一起，具有先进的建模机制、完备的模型库、完善的外部接口等优点，包括模型的设计、仿真、数据的收集和分析等阶段，采用基于离散事件驱动的仿真机制、基于包的通信机制、三层建模机制，具有很好的继承性和可重用性，被广泛应用于网络仿真中。

OPNET Modeler的工作流程（用来构建网络模型和运行模拟的步骤）包括：使用项目编辑器，创建网络模型，选择从每个网络对象或整个网络中需要收集的数据，运行模型，查看结果。在建模中如需对特定网络对象的底层进程或定义新的包格式，则需要使用额外的编辑器。

3.2 仿真模型描述

1）网络拓扑结构模型。本次仿真在OPNET中由路由器和服务器搭建模型，共设置256个路由器模型，如图1所示，每个路由器都分别配置OSPF协议和DSR协议，共10个场景。路由器之间由无线链路传输数据，传输带宽为11Mbps，如图2所示，用以测试相同传输速率下，节点数量增多对时延、负载和吞吐量的影响。

图2 设置传输速率

2）网络业务模型。为分析OSPF在无线信道对于实时应用的性能影响，在该IP网络设置了对时延比较敏感的语音业务，如表1所示。

表1 网络业务模型

3.3 仿真场景设计

共设计10个仿真场景，前5个为OSPF场景，所有路由器都采用OSPF路由协议，分别配置16、32、64、128、256个路由节点；后5个为DSR场景，所有节点配置DSR协议，同样分别配置16、32、64、128、256个路由节点。

4 仿真及性能评估

在上述仿真场景中分别运行仿真，收集平均端到端时延、网络负载和吞吐量等参数，对比分析不同场景内这些性能参数的差别。

设置收集仿真模型的延迟、负载和吞吐量等统计量，得到结果如表2。

表2 不同节点数量下的协议时延

1）平均端到端时延。表2为不同节点数量下的平均端到端时延仿真结果。端到端时延是指数据包从源端到接收端的时间间隔。从表中可以看出随着节点数增加，DSR时延基本保持不变，而OS⁃PF模型时延逐渐增加，并于64个节点后呈非线性增长且增长迅速。其原因是，OSPF协议中，每一个路由器都维护一个相同的、完整的全网链路状态路由表，这个数据库很庞大，寻径时，该路由器以自己为根，构造最短路径树，然后根据最短路径构造路由表，因此节点数量越多，OSPF协议就会占用越多的无线链路带宽，而DSR是动态源路由协议，不会随着节点数的增加而增加过多的协议开销，因此端到端时延基本维持不变。

2）网络负载。网络负载是产生时延的直接原因。表3为不同数量节点下的两种模型的网络负载。从中得到以下结论，随着节点数量的增多，使用OSPF协议模型的网络负载成线性增长，而DSR协议模型的负载呈非线性增长。且OSPF模型负载高于DSR模型的负载。产生这样结果的原因是，节点数量增加到DSR协议容纳的最大数量后，网络负载将不再随着节点数量增加呈线性增长，也可以得出结论，即OSPF模型中可容纳的最大节点数量远高于DSR模型。

表3 不同节点数量下的网络负载

3）吞吐量。吞吐量是衡量网络性能的重要指标之一。它代表每单位时间朝一个方向通过该连接段成功传送的用户数据的比特数。表4是不同节点数量下的协议吞吐量，从表4可以看出同等情况下，OSPF协议吞吐量远高于DSR，且吞吐量与节点数量呈线性关系，而DSR的吞吐量则随着节点数量增多，先增加较快后增加较慢最后逐渐趋于平稳。产生这个现象的原因是随着节点数量的增多，DSR网络趋于饱和，因此吞吐量趋于平稳。

表4 不同节点数量下的协议吞吐量

综上所述，在16、32、64、128和256这五种节点模型下，通过与DSR协议的平均端到端时延、网络负载、吞吐量的对比，可以看出，OSPF协议的缺点是比DSR协议占用更多的带宽，优点是OSPF协议可容纳更多的节点和用户，且在宽带条件下，OSPF网络的时延小于DSR网络。因此在特定的环境下，如无线链路带宽很大时，使用OSPF协议既可以使无线网络传输大量数据，又可以保证时延很低，也可以容纳较多的用户，比DSR协议更适合于大型网络的通信。

5 结语

无线链路的协议中，OSPF和DSR各有优缺点，DSR虽然具有自组织、时延低，协议开销小等优点，但是可容纳的用户数量较少，而且数据传输速率较低，导致DSR网络只适合传输简单的消息。而OS⁃PF的低延时、高吞吐量的协议特性，使其在无线网络中有良好的应用前景，虽然相比于DSR协议，该协议仍有开销大、收敛慢的缺点，但在特定的环境中仍有一定的应用前景。并且，在日后的研究中，可以从减少泛洪、减少邻接关系、降低拓扑复杂度三个方面来改进协议，节约协议开销，提高其收敛速率，使其能适用于高移动性和拓扑经常变化的环境。