基于OPNET仿真的EIGRP和OSPF路由协议性能分析

     摘 要：路由协议是影响现代通信网络质量的关键。对于承载实时应用系统的IP通信网络，要求路由协议具备快速收敛、较小的端到端时延、高可靠性等能力。本文利用OPNET仿真工具，分析当前IP通信网络中应用为广泛的OSPF和EIGRP路由协议，分别设计了采用OSPF、EIGRP以及同时存在OSPF与EIGRP的三个仿真实验场景，并模拟设备出现故障的情形，比较OSPF和EIGRP路由协议在这些仿真场景下的收敛性、端到端时延、可靠性等方面的差别。仿真结果显示，EIGRP的收敛时间比OSPF快5倍以上，EIGRP和OSPF同时存在时的时延抖动优于EIGRP或OSPF。

　　0 引言

　　随着现代信息技术的发展，人们对于通信质量的要求越来越高，尤其是对于承载实时应用系统的IP通信网络，要求具备较高的故障处理速度、较小的端到端时延、高可靠性等(关于承载实时应用系统的IP通信网络的性能要求，国际电信联盟的在ITU-T Y.1541《IP网络服务性能要求》中给出了推荐值)。而路由协议作为影响IP通信网络质量的关键，在实际使用过程中，应根据具体的网络建设环境，选择所合适的路由协议。

　　路由协议用于判断、找出通信网络中各个设备进行通信的路径。在众多路由协议当中，EIGRP(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)和OSPF(Open Shortest Path First)这两种路由协议由于其快速收敛性、稳定性、不产生环路等优点，在当前得到为广泛的应用。其中，EIGRP路由协议是思科私有的基于距离矢量的路由协议， 该路由协议是在DUAL(DiffusingUpdate Algorithm)算法基础上形成的。而OSPF路由协议是一种基于链路状态的内部网关路由协议，这种路由协议是基于Dijkstra(Shortest Path First Algorithm)算法形成的。

　　这两种路由协议具有不同的结构、适用性、路由处理时延和收敛能力。

　　为对比分析EIGRP和OSPF两种路由协议在不同环境下的各种性能以及可靠性，本文采用OPNET仿真技术，设计了采用EIGRP路由协议、OSPF路由协议和两者同时存在的3个仿真场景，收集收敛时间、时延抖动、端到端时延、吞吐量等参数，分析这三种场景下OSPF和EIGRP路由协议的性能，并分析其对实时应用系统性能的影响。

　　本文第1节概要性地描述OSPF和EIGRP路由协议的背景、技术特点，第2节在介绍仿真所采用的工具OPNET的基础上，详细描述了如何应用OPNET仿真工具进行OSPF和EIGRP路由协议的性能仿真建模、分析。第3节对仿真得出的结果进行统计分析。阐述了通过应用OPNET仿真工具得出的结论以及对今后工作的展望。

　　1 EIGRP和OSPF路由协议技术特点介绍

　　1.1 EIGRP路由协议

　　EIGRP和早期的IGRP协议都是由思科发明的，是基于距离矢量算法的动态路由协议。EIGRP是增强版的IGRP协议，它的收敛特性和操作效率比IGRP有显着的提高。EIGRP的收敛时间可以达到ms级，并且由于采用了DUAL算法，使得路径在路由计算中不会形成环路[1]。另外，EIGRP路由协议的配置工作相对其他路由协议比较简单。EIGRPl路由协议的缺点是其属于思科私有协议，目前只有思科、华为、迈普等路由器产品支持该协议。

　　因此，其无论是在国内民用或军用通信网络中，在使用过程中都存在一定的局限性。

　　1.2 OSPF路由协议

　　OSPF路由协议是于1988年由IETF(Internet工作任务组织，Internet Engineer Task Force)开发的，并于1990年正式成为标准[2]。目前，世界众多路由器厂家都支持OSPF路由协议，并且已成为为重要的内部网关路由协议。OSPF路由协议的优点是：收敛时间较快、不会造成环路、当网络出现故障时OSPF路由更新速度快、路由表容量较小、路由协议本身开销小、适合各种规模的网络等。其缺点是配置工作量大，由于网络区域划分和网络属性的复杂性，需要网络分析员有较高的网络知识水平才能配置和管理OSPF网络，路由负载均衡能力较弱。

　　2 仿真模型描述

　　2.1 仿真工具介绍

　　OPNET是当前网络仿真功能强大的软件之一，它采用三层建模模式，并提供了相应的三种图形化编辑器，即进程编辑器、节点编辑器、网络编辑器。层为进程(Process)模型，以状态机来描述协议；其次为节点(node)模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；上层为网络模型(如图1所示)。三层模型和实际的协议、设备、网络相对应，全面反映了网络的相关特性。

　　OPNET提供参数化、模块化的建模方式，开发者根据自己的实际需求，自定义网络各种设备、协议参数等，构建虚拟网络模型。典型的网络模型可以通过信道/链路将各子网模块互连而成。子网模型本身则由客户/服务器、链路和路由器/网关组成。客户和服务器的通信可以采用TCP或UDP通信协议实现，链路可根据具体的环境设定链路参数(如工作方式、信道容量等)。OPNET提供了一些常用路由器和其他设备供应商的模型，也可以通过自定义相关参数来实现。

图1 OPNET仿真软件的三层建模模式。

　　2.2 仿真模型

　　(1)网络拓扑结构模型。某承载视频会议、语音业务等实时应用的IP网络，其结构如图2所示。该网络包括5个子网，分别为SNet1、SNet2、SNet3、SNet4、SNet5。每个子网内的设备包括路由器、交换机、用户终端、服务器，其结构如图3所示。各子网通过PPP_DS3类型链路(速率为44.736Mb/s)连接，用户终端与交换机之间的链路通过100M网线连接。

图2 网络模型。

图3 子网结构模型。

　　(2)网络业务模型。为分析OSPF和EIGRP路由协议对于实时应用系统的性能影响，在该IP网络中设置了对时延比较敏感的语音、视频业务以及普通业务HTTP、Email，各种业务模型见表1～表4。

表1 视频业务模型

表2 语音业务模型

表3 HTTP和Email业务模型

　　2.3 仿真场景设计

　　共设计3个仿真场景，个场景为OSPF场景，所有的路由器都采用OSPF路由协议，并分区域管理；第二个场景为EIGRP场景，所有的路由器都采用EIGRP路由协议；第三个场景为OSPF-EIGRP场景，SNet5和SNet4之间、SNet4和SNet3之间、SNet4和SNet1之间的路由采用EIGRP路由协议，其他路由器采用OSPF协议。并假设SNet1-SNet5链路在300s出现故障，500s的时候修复。所有仿真场景的仿真时间设置为20min(如表4所示)。

表4 仿真场景设计

　　3 仿真结果

　　在上述仿真场景中分别运行仿真，收集收敛时间、平均端到端时延、时延抖动、出现故障时各业务的响应时间等参数，对比分析三种场景下这些性能参数的差别。

　　(1)收敛性。图4是两种路由协议的收敛时间仿真结果。从图中可以看出，EIGRP初始化时间非常短，只需10s时间，而OSPF初始化需要大约56s时间。并且从图中可以看出，EIGRP的路由收敛流量峰值(360kb)远远小于OSPF(870kb)。这主要是由于EIGRP不采用广播发送路由信息，而采用组播发送。从图中可以看出，EIGRP路由协议无论是收敛时间还是耗费的带宽资源来说，都优于OSPF路由协议。

图4 EIGRP和OSPF收敛性对比。

　　(2)平均时延抖动。图5为OSPF路由协议、EIGRP路由协议以及两种协议同时存在情况下，视频业务的时延抖动仿真结果。时延抖动也称时延变化，是指沿同一路径传输的一个数据流中，不同分组的传输时延的变化。数据业务对时延抖动不敏感，而视频、语音等业务对时延抖动比较敏感。仿真过程中，为分析设备故障对于两种路由协议的性能影响，假设300s时，SNet1与SNet2之间的链路出现故障，500s的时候修复。从图可看出，在OSPF和EIGRP路由协议同时存在的场景中，平均时延抖动为0.0010ms，EIGRP路由协议的场景为0.0045ms，OSPF路由协议的场景为0.0061ms。因此，对于视频业务来说，EIGRP和OSPF同时存在的情况下，时延抖动较小，而全部采用OSFP路由协议的场景时延抖动。

图5 视频业务的平均时延抖动。

　　(3)平均端到端时延。图6为视频业务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。从图中可以看出，OSPF-EIGRP场景的平均端到端时延为5.8ms，OSPF场景的平均端到端时延为5.6ms，EIGRP场景的平均端到端时延为5.3ms。另外，从图中可看出，当设备出现故障时，OSPF场景的平均端到端时延变化较大。其原因是：由于OSPF路由协议只选择优先级较高的转发，不同优先级的路由，不能实现负载分担，只有相同优先级的，才能达到负载均衡的目的。而EIGRP路由协议，则可以根据优先级不同，自动匹配流量，达到负载均衡的目的。如下式，为EIGRP路由选择的依据：

　　一般情况下，K1=K3=1。K2=K4=K5=0为带宽，Load为负载，Delay为时延，R为可靠性。关于EIGRP路由协议的详细算法，可参见思科公司对于该算法的详细介绍。

图6 视频业务的平均端到端时延

　　(4)响应时间。图7和图8是HTTP和Email业务在EIGRP、OSPF、OSPF-EIGRP场景下的响应时间(平均值)仿真结果。从图中可以看出，EIGRP路由协议对业务的响应时间优于OSPF路由协议。并且在出现设备故障的时候，响应时间变化也相对比较大。

表5 HTTP和Email响应时间仿真结果统计表

图7 Email业务上传响应时间仿真结果。

图8 HTTP业务页面响应时间仿真结果。

　　(5)吞吐量。吞吐量是衡量网络性能的一个重要指标。

　　它表示每单位时间朝一个方向通过该连接段成功地传送用户数据的比特数。图9是出现故障的链路的吞吐量仿真结果。从图中可以看出，一方面，这个图可再次验证EIGRP的收敛性明显优于OSPF；另一方面，当设备修复时，EIGRP能够快速收敛，吞吐量快速达到稳定状态，EIGRP场景相比OSPF场景，吞吐量性能更高、丢包少。

表6 吞吐量仿真结果

图9 吞吐量仿真结果。

　　4 结论

　　OSPF和EIGRP两种内部网关路由协议，在现代通信网络中得到广泛的应用。本文通过应用仿真技术，对比分析了OSPF、EIGRP以及两者混合情形下承载实时应用业务的网络的性能。从仿真结果可知，对于收敛性，EIGRP路由协议比OSPF路由协议更好一些；而端到端时延抖动(影响实时数据传输性能的重要指标)，采用EIGRP-OSPF混合路由协议的场景优于纯OSPF或EIGRP路由协议的场景。而吞吐量和丢包率方面，EIGRP好于OSPF路由协议。

　　由于支持OSPF路由协议的路由器设备厂家比较多，OSPF已经得到不断的改进、发展，下一步将对OSPFv3以及IPV6环境下的性能以及安全性进行仿真对比分析。

  

参考文献:

[1]. 100M datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/100M_2509927.html.