RIP与OSPF协议在中小型网络中的性能研究

摘要： 论文从网络的拓扑结构与网络设备的性能指标入手，从rip协议与OSPF协议在中小型网络中的运行机理与算法入手，通过分析协议在网络中的稳定性、传输性能等综合性能标，研究了rip协议与OSPF协议的具体算法，最后综合网络设备的性能指标与网络的拓扑结构得出两种协议的最佳匹配网络匹配环境。

Abstract： Based on the topology of the network and performance index of network equipment， from the operation mechanism and protocol of rip protocol and OSPF protocol in small and medium-sized network， through the analysis of the comprehensive performance index of agreement in the network， like stability and transmission performance， this paper studied the specific algorithm of rip protocol and OSPF protocol， and finally got the best matching network and matching environment of two kinds of protocol through combining with the performance index of network equipment and the topology of the network.

关键词： OSPF；RIP；拓扑；Dijkstra 算法；D-V算法

Key words： OSPF；Rip；topology；Dijkstra algorithm；D-V algorithm

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）05-0194-04

0 引言

近几年来，特别是在步入21世纪之后，Internet规模的发展非常的迅速，Internet逐渐的走到了千家万户，并成为了人们生活中的一部分。同时当前的Internet的节点并不是单纯指的是计算机，还包括了PDA、移动电话、各种各样的终端甚至包括冰箱、电视等家用电器，这些设备都能够被接入网络之中。我国从上世纪90年代开始就已经建起了面向全社会的网络基础设施，交换机路由器大量的在我国的网络互联设备中应用，并逐步的完善我国的网络建设，伴随着我国电信网，计算机网络以及有线电视网络的三网融合进程的推进，我国的网络建设越来越完善，并在更多的领域发挥着作用。这些服务的提供离不开交换机路由器配置各种路由协议，比如RIP、OSPF、BGP等，在各种类型的网络中，究竟使用何种协议，如何在不同的网络环境下达到网络设备与网络协议最佳匹配，成为三网融合时代企及解决的课题。

文中首先分析计算机网络的常见拓扑结构与网络设备性能的关系，其次对IP数据包在网络设备中的运行原理与IP数据包在路由器中转发过程进行了研究，接着对当前在互联网中广泛部署的两大动态路由协议OSPF与RIP的算法进行了详细分析，最后根据OSPF与RIP的算法特点与网路结构的类型得出OSPF与RIP协议的最佳匹配网络环境。

1 网络拓扑结构与网络设备性能分析

网络（network）是一个复杂的人或物的互连系统。计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机以及专门的外部设备利用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享信息资源。由于连接介质的不同，通信协议的不同，计算机网络的种类划分方法名目繁多。但一般来讲，计算机网络可以按照它覆盖的地理范围，划分成局域网和广域网，以及介于局域网和广域网之间的城域网（MAN，Metropolitan Area Network）。而网络的拓扑（topology）结构依据局域网和广域网的类型也可以分为不同类型[1]。但是在日益庞大的互联网中，网络设备的性能与网络的拓扑结构相辅相成。

拓扑（topology）结构定义了组织网络设备的方法。LAN有总线（bus）型、星型（star）等多种拓扑结构。在总线拓扑中，网络中的所有设备都连接到一个线性的网络介质上，这个线性的网络介质称为总线。当一个节点在总线拓扑网络上传送数据时，数据会向所有节点传送。每一个设备检查经过它的数据，如果数据不是发给它的，则该设备丢弃数据；如果数据是发向它的，则接收数据并将数据交给上层协议处理。典型的总线拓扑具有简单的线路布局，该布局使用较短的网络介质，相应地，所需要的线缆花费也较低。缺点是很难进行故障诊断和故障隔离，一旦总线出现故障，就会导致整个网络故障；而且，LAN任一个设备向所有设备发送数据，消耗了大量带宽，大大影响了网络性能。在这样的拓扑结构中对网络设备的要求比较平均，性能优良的路由器或交换机不能有效发挥其作用。

星型拓扑结构有一个中心控制点。当使用星型拓扑时，连接到局域网上的设备间的通信是通过与集线器或交换机的点到点的连线进行的。星型拓扑易于设计和安装，网络介质直接从中心的集线器或交换机处连接到工作站所在区域；星型拓扑易于维护，网络介质的布局使得网络易于修改，并且更容易对发生的问题进行诊断。在局域网构建中，大量采用了星型拓扑结构。当然，星型拓扑也有缺点，一旦中心控制点设备出现了问题，容易发生单点故障；每一段网络介质只能连接一个设备，导致网络介质数量增多，局域网安装成本相应提升。在这样的拓扑结构中，一般要求中心控制点的网络设备是整个网络中处理性能与稳定性最优的设备。

这些拓扑结构是逻辑结构，和实际的物理设备的构型没有必然的关系，如逻辑总线型和环型拓扑结构通常表现为星型的物理网络组织。WAN常见的网络拓扑结构有星型、树型、全网状（Full meshed）、半网状等等[2]。在对网络进行路由协议的部署时，要依据网络的拓扑结构与网络设备的处理性能进行最优配置。

2 RIP协议与OSPF协议在网络环境中的应用配置研究

路由器提供了将异地网互联的机制，路由就是指导IP 数据包发送的路径信息，在路由器上运行一定的路由协议就可实现将一个数据包从一个网络发送到另一个网络。

在互连网中进行路由选择要使用路由器，路由器只是根据所收到的数据报头的目的地址选择一个合适的路径（通过某一个网络），将数据包传送到下一个路由器，路径上最后的路由器负责将数据包送交目的主机。数据包在网络上的传输就好像是体育运动中的接力赛一样，每一个路由器只负责自己本站数据包通过最优的路径转发，通过多个路由器一站一站的接力将数据包通过最优最佳路径转发到目的地，当然有时候由于实施一些路由策略数据包通过的路径并不一定是最佳路由[3]。

路由器转发数据包的关键是路由表。每个路由器中都保存着一张路由表，表中每条路由项都指明数据包到某子网或某主机应通过路由器的哪个物理端口发送，然后就可到达该路径的下一个路由器，或者不再经过别的路由器而传送到直接相连的网络中的目的主机。当网络拓扑结构十分复杂时，手工配置静态路由工作量大而且容易出现错误，这时就可用动态路由协议，让其自动发现和修改路由，无需人工维护，但动态路由协议开销大，配置复杂。

有的动态路由协议在TCP/IP协议栈中都属于应用层的协议。但是不同的路由协议使用的底层协议不同。OSPF将协议报文直接封装在IP报文中，协议号89，由于IP协议本身是不可靠传输协议，所以OSPF传输的可靠性需要协议本身来保证。RIP使用UDP作为传输协议，端口号520。

按照工作区域，路由协议可以分为IGP和EGP。IGP（Interior gateway protocols ）内部网关协议在同一个自治系统内交换路由信息，RIP和IS-IS都属于IGP。IGP的主要目的是发现和计算自治域内的路由信息。EGP（Exterior gateway protocols）外部网关协议用于连接不同的自治系统，在不同的自治系统之间交换路由信息，主要使用路由策略和路由过滤等控制路由信息在自治域间的传播，应用的一个实例是BGP。按照路由的寻径算法和交换路由信息的方式，路由协议可以分为距离矢量协议（Distant-Vector）和链路状态协议。距离矢量协议包括RIP和BGP，链路状态协议包括OSPF、IS-IS。

距离矢量路由协议基于贝尔曼－福特算法，使用D-V 算法的路由器通常以一定的时间间隔向相邻的路由器发送他们完整的路由表。接收到路由表的邻居路由器将收到的路由表和自己的路由表进行比较，新的路由或到已知网络但开销（Metric）更小的路由都被加入到路由表中[4]。相邻路由器然后再继续向外广播它自己的路由表（包括更新后的路由）。距离矢量路由器关心的是到目的网段的距离（Metric）和矢量（方向，从哪个接口转发数据）。在发送数据前，路由协议计算到目的网段的Metric；在收到邻居路由器通告的路由时，将学到的网段信息和收到此网段信息的接口关联起来，以后有数据要转发到这个网段就使用这个关联的接口。

链路状态路由协议基于Dijkstra算法，有时被称为最短路径优先算法。L-S算法提供比RIP等D-V算法更大的扩展性和快速收敛性，但是它的算法耗费更多的路由器内存和处理能力。D-V算法关心网络中链路或接口的状态（up或down、IP地址、掩码），每个路由器将自己已知的链路状态向该区域的其他路由器通告，这些通告称为链路状态通告（LSA：Link State Advitisement）。通过这种方式区域内的每台路由器都建立了一个本区域的完整的链路状态数据库。然后路由器根据收集到的链路状态信息来创建它自己的网络拓朴图，形成一个到各个目的网段的带权有向图。链路状态算法使用增量更新的机制，只有当链路的状态发生了变化时才发送路由更新信息，这种方式节省了相邻路由器之间的链路带宽。部分更新只包含改变了的链路状态信息，而不是整个的路由表[5][11]。

3 路由协议在网络环境中的性能指标

为了综合比较两种路由协议在网络中性能指标，我们搭建汇聚与接入的两层网络环境，在这两种网络环境中分别部署OSPF与RIP协议，然后用网络分析仪对部署两种不同协议的网络性能指标如带宽与时延等进行对比分析，网络拓扑如图1所示。

带宽（bandwidth）和延迟（delay）是衡量网络性能的两个主要指标。LAN和WAN都使用带宽（bandwidth）来描述网络上数据在一定时刻从一个节点传送到任意节点的信息量。带宽分为两类：模拟带宽和数字带宽。本文所述的带宽指数字带宽。带宽的单位是位每秒（bps，bit per second），代表每秒钟一个网段发送的数据位数。网络的时延（delay），又称延迟，定义了网络把一位数据从一个网络节点传送到另一个网络节点所需要的时间。网络延迟主要由传导延迟（propagation delay）、交换延迟（switching delay）、介质访问延迟（access delay）和队列延迟（queuing delay）组成。总之，网络中产生延迟的因素很多，可能是网络设备的问题，也可能是传输介质、网络协议标准的问题；可能是硬件，也可能是软件的问题[6][11]。

路由的花费（metric）标识出了到达这条路由所指的目的地址的代价，通常路由的花费值会受到线路延迟、带宽、线路占有率、线路可信度、跳数、最大传输单元等因素的影响，不同的动态路由协议会选择其中的一种或几种因素来计算花费值（如RIP用跳数来计算花费值）。该花费值只在同一种路由协议内有比较意义，不同的路由协议之间的路由花费值没有可比性，也不存在换算关系。

在上述网络环境中OSPF与RIP协议，网络分析仪对部署两种不同协议的网络性能指标对比分析如图2～4。

通过上述实验，对ospf与rip的带宽、延迟、路由花费进行比较，可以看出两种协议的性能基本一致。

4 两种路由协议性能指标与协议算法分析

距离矢量路由协议的优点：配置简单，占用较少的内存和CPU 处理时间。缺点：扩展性较差，比如RIP最大跳数不能超过16跳。

链路状态路由协议基于Dijkstra算法，有时被称为最短路径优先算法。L-S算法提供比RIP等D-V算法更大的扩展性和快速收敛性，但是它的算法耗费更多的路由器内存和处理能力。D-V算法关心网络中链路或接口的状态（up或down、IP地址、掩码），每个路由器将自己已知的链路状态向该区域的其他路由器通告，这些通告称为链路状态通告（LSA：Link State Advitisement）。通过这种方式区域内的每台路由器都建立了一个本区域的完整的链路状态数据库[7]。然后路由器根据收集到的链路状态信息来创建它自己的网络拓朴图，形成一个到各个目的网段的带权有向图。链路状态算法使用增量更新的机制，只有当链路的状态发生了变化时才发送路由更新信息，这种方式节省了相邻路由器之间的链路带宽。部分更新只包含改变了的链路状态信息，而不是整个的路由表。

RIP：RIP协议是D-V算法路由协议的一个典型实现，非常古老的路由协议，RIP协议适用于中小型、比较稳定的网络，有RIPv1和RIPv2两个版本，RIP基于UDP，端口号为520，以跳数（hop）为路由度量，两个路由器之间缺省为1跳，16跳为不可达，RIP更新报文以广播地址周期性发送，缺省30秒，RIPv2可使用组播地址（224.0.0.9）发送，支持验证和VLSM。优点：实现简单，配置容易，维护简单，可以支持IP，IPX等多种网络层协议[8][12]。缺点：路由收敛速度慢，在极端的情况下，存在路由环路问题，以跳数（hop）标记的metric值不能真实反映路由开销，有16跳的限制，不适合大规模的网络，周期性广播，开销比较大。OSPF（Open Shortest Path First），目前IGP中应用最广、性能最优的一个协议（最新版本是version 2，RFC2328），具有如下特点：无路由自环，可适应大规模网络，路由变化收敛速度快，支持区域划分，支持等值路由，支持验证，支持路由分级管理，支持以组播方式发送协议报文[10][13]。

5 两种协议的最佳匹配网络环境

对于不同网络环境RIP与OSPF各有自己的优缺点，综合网络设备的性能之标与网络的拓扑结构，在小型网络中如果网络维护人员数量有限并且网络设备的成本较低与性能一般，我们有限考虑使用配置简单，占用较少的内存和CPU处理时间的RIP协议，RIP协议在这样的网络环境中能充分发挥其优势。并且RIP队列延与迟交换延迟比使用OSPF要小。同时路由变化收敛速度快也比OSPF协议要快。在中大型网络中我们考虑到RIP容易出现路由自环路，路由收敛速度慢，有16跳的限制，我们最好选用OSPF协议，在大型网路中骨干网络的网路设备性能比较优越，OSPF协议指定一台骨干路由器作为DR，完全可以满足处理大量路由信息的需求，对非骨干网络，网络设备的性能不需要特别要求即可实现路由变化的快速收敛。

RIP与OSPF两种路由协议在当今互联网中已经广泛应用，但随着电子芯片技术的不断发展，网络设备的处理性能得到突飞猛进的提高，并且其价格越来越低，因此RIP占用较少的内存和CPU处理时间的优势逐渐被打破，但是随着物联网与云计算技术的发展，网络上的节点不再单纯是计算机，还将包括各种各样的终端甚至包括冰箱、电视等家用电器，这些设备都需要接入到网络中，同时还有RFID标签与读写器，对于这样连接这些终端的小型网络环境，RIP仍能充分发挥其优势。

参考文献：

[1]刘化君.网络编程与计算机技术.北京；机械工业出版社，2009.

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