NS3中的路由模型-5 OLSR路由协议

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NS3中的路由模型-5 OLSR路由协议

1. OLSR工作原理

核心思想：通过选择多点中继（MPR, MultiPoint Relays） 来优化控制消息（尤其是拓扑信息）的传播范围，减少冗余广播。

1.1. 关键机制

• 邻居发现（Neighbor Detection）：

  • 每个节点定期广播 HELLO 消息（小范围广播，TTL=1）。
  • HELLO 消息包含：邻居列表、链路状态（对称/非对称）、MPR 选择器状态等。
  • 用于维护一跳邻居和两跳邻居信息。

• 多点中继（MPR）选择：

  • 每个节点独立选择自己的 MPR 集合。
  • 目标：选出一组最小的一跳邻居，使得通过这些邻居可以覆盖所有两跳邻居。
  • 作用：只有 MPR 节点有权转发 TC（Topology Control）消息，减少洪泛开销。

• 拓扑扩散（Topology Dissemination）：

  • MPR 节点定期广播 TC 消息（Topology Control）。
  • TC 消息包含：该 MPR 的邻居信息（即 MPR Selector 列表）。
  • 非 MPR 节点不转发 TC 消息，极大减少控制开销。

• 路由表计算：

  • 节点利用收集到的 TC 消息构建全网拓扑图。
  • 使用 Dijkstra 算法计算到所有节点的最短路径。
  • 路由表包含：目的地址、下一跳地址、跳数等。

1.2. 消息类型

消息类型	作用	发送范围
HELLO	邻居发现与维护	一跳 (TTL=1)
TC	扩散拓扑信息	全网 (由 MPR 转发)
MID	多接口声明（可选）	全网
HNA	主机与网络关联（连接外部网络）	全网

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1.3. 工作流程

NS3中OLSR的具体实现细节，包括路由建立（邻居发现、MPR选择、拓扑扩散和路由计算）以及数据包如何根据路由表进行转发。

1.3.1 路由建立过程

在NS3中，OLSR的路由建立过程遵循RFC 3626，并通过几个周期性的事件来驱动：

1. Hello消息的发送与邻居发现：
   • 每个节点会周期性地（默认2秒）广播Hello消息（通过SendHello()函数实现）。Hello消息只在一跳范围内传播（TTL=1）。
   • Hello消息包含以下信息：
     • 邻居接口地址列表（包括链路类型：对称链路、非对称链路或丢失链路）
     • 该节点选择的MPR集合（MPR Set）
     • MPR选择器集合（即哪些邻居选择本节点作为MPR）
   • 当节点收到邻居的Hello消息，它会更新邻居表（Neighbor Set）和两跳邻居表（Two-hop Neighbor Set）。这些表存储在OlsrState对象中。
2. MPR选择：
   • 在收到Hello消息后（或者当邻居信息发生变化时），节点会触发MPR计算（MprComputation()函数）。
   • MPR选择的目标是选择最小数量的一跳邻居，使得这些邻居可以覆盖所有的两跳邻居（即每个两跳邻居至少有一个一跳邻居是所选MPR）。
   • 在NS3中，MPR选择算法在RoutingProtocol::MprComputation()中实现，它使用贪心算法来求解。
3. TC消息的发送与拓扑扩散：
   • 被选为MPR的节点会周期性地（默认5秒）广播TC消息（通过SendTc()函数）。
   • TC消息包含该节点的MPR选择器集合（即哪些邻居选择本节点作为MPR）。这样，其他节点就可以通过这些信息构建全网拓扑。
   • TC消息会被MPR节点转发（但每个节点只转发一次），从而在整个网络内扩散。在NS3中，TC消息的转发通过RoutingProtocol::ForwardDefault()处理。
4. 路由表计算：
   • 节点在以下情况下会触发路由表计算（RoutingProtocol::RoutingTableComputation()）：
     • 收到TC消息（拓扑信息更新）
     • 邻居表发生变化（如链路断开）
     • 路由表过期（默认周期为5秒）
   • 路由计算使用Dijkstra算法，基于收集到的拓扑信息（存储在拓扑表中）计算到所有节点的最短路径。
   • 计算出的路由存储在节点的路由表中（m_table）。

1.3.2 数据包转发过程

一旦路由表建立，数据包的转发过程如下：

1. 数据包到达网络层：
   • 当节点需要发送数据包时，它会查询路由表（通过RouteOutput()函数）。
   • 对于转发的数据包（即目的地址不是本节点），节点会调用RouteInput()函数来决定如何处理。
2. 路由查询：
   • 在RouteInput()中，节点首先检查数据包的目的地址是否为本节点或广播地址。如果不是，则查询路由表（Lookup()函数）以确定下一跳。
   • 路由表查询返回一个Ipv4Route对象，其中包含下一跳地址和输出接口。
3. 数据包转发：
   • 如果找到有效路由，节点会将数据包发送到下一跳节点（通过SendPacket()函数）。
   • 如果没有找到路由，数据包会被丢弃，并可能触发ICMP目的不可达消息。
4. 路由维护：
   • OLSR会持续维护路由信息。当链路断开时（通过Hello消息检测到邻居丢失），节点会更新邻居表，重新计算MPR，并触发新的TC消息广播，从而更新全网路由。

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1.4. NS3中的关键函数和流程

• 周期性事件：
  • HelloTimerExpire()：触发Hello消息的发送。
  • TcTimerExpire()：触发TC消息的发送（如果是MPR）。
  • MidTimerExpire()：处理多接口声明（可选）。
  • HnaTimerExpire()：处理主机和网络关联（连接外部网络）。
  • RoutingTableCalculationTimerExpire()：周期性触发路由表计算。
• 消息处理函数：
  • RecvOlsr()：接收OLSR消息的总入口，根据消息类型分发给ProcessHello()、ProcessTc()等函数。
  • ProcessHello()：处理收到的Hello消息，更新邻居信息。
  • ProcessTc()：处理收到的TC消息，更新拓扑表。
• 路由计算：
  • RoutingTableComputation()：执行Dijkstra算法，计算最短路径。

1.5. 示例：数据包转发的代码路径

假设节点A要发送一个数据包给节点D：

1. 节点A的应用层产生数据包，传递给网络层。
2. 网络层调用Ipv4L3Protocol::Send()，进而调用路由协议的RouteOutput()。
3. OlsrRoutingProtocol::RouteOutput()查询路由表（m_table），找到到D的下一跳（比如节点B）。
4. 节点A将数据包封装成IP包，目的IP为D，下一跳MAC地址为节点B的MAC地址。
5. 节点B收到数据包后，同样调用RouteInput()，查询路由表，找到下一跳（比如节点C）。
6. 如此继续，直到数据包到达节点D。

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2. OLSR 在 NS-3 中的实现

NS-3 通过 olsr 模块实现了完整的 OLSR 协议（RFC 3626），位于 src/olsr 目录。

2.1. 核心类

类名	功能
ns3::OlsrHelper	集成 OLSR 到仿真环境的辅助类
ns3::OlsrRouting	OLSR 主逻辑实现（路由表计算、消息处理）
ns3::OlsrState	维护 OLSR 状态（邻居表、拓扑表等）
ns3::OlsrPacketHeader	OLSR 消息包头定义

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2.2. 路由建立过程

路由建立通过周期性消息交换完成，分为四个关键阶段：

1. 邻居发现（HELLO 消息处理）

源码函数: ProcessHello()
工作流程:

NS-3 实现细节:

• HELLO 消息包含邻居地址和链路状态 (LinkType)：

  // 消息结构 (olsr-packet-header.cc)
  struct HelloMessage {uint8_t linkCode;    // 链路类型: ASYMMETRIC/SYMMETRIC/MPR_LINKIpv4Address neighbor;
  };
  

• 邻居表更新逻辑：

  // olsr-routing-protocol.cc
  void RoutingProtocol::ProcessHello(...) {if (linkType == SYMMETRIC) { m_neighborSet.insert(neighborAddr); // 添加对称邻居} else if (linkType == LOST_LINK) {m_neighborSet.erase(neighborAddr);  // 删除失效邻居}
  }
  

2. MPR 选择（多点中继计算）

源码函数: MprComputation()
算法逻辑:

graph TDA[获取两跳邻居集合] --> B[筛选未覆盖的邻居]B --> C{是否有未覆盖邻居？}C -->|是| D[选择覆盖最多邻居的一跳节点]D --> E[标记为 MPR]E --> BC -->|否| F[结束]

NS-3 实现:

• 使用贪心算法选择最小 MPR 集合：

  void RoutingProtocol::MprComputation() {while (!twoHopNeighbors.empty()) {// 选择覆盖最多两跳邻居的一跳节点auto bestNeighbor = SelectMaxCoverageNode();m_mprSet.insert(bestNeighbor); RemoveCoveredNeighbors(bestNeighbor);}
  }
  

3. 拓扑扩散（TC 消息洪泛）

源码函数: SendTc(), ProcessTc()
关键流程:

NS-3 特性:

• TC 消息包含 MPR Selector 列表：

  struct TcMessage {uint16_t ansn;           // 序列号std::vector<Ipv4Address> mprSelectors; // 选择本节点的MPR列表
  };
  

• 转发规则 (olsr-routing-protocol.cc):

  bool RoutingProtocol::ForwardDefault(Ptr<Packet> p) {if (!IsMpr(originator)) return false; // 非MPR不转发if (m_dupSet.find(p->GetUid()) != m_dupSet.end()) return false; // 重复检测SendPacket(p); // 广播转发
  }
  

4. 路由表计算

源码函数: RoutingTableComputation()
算法:

• 基于 Dijkstra 最短路径算法
• 输入：拓扑表 (m_topologySet)
• 输出：路由表 (m_table)

NS-3 实现:

void RoutingProtocol::RoutingTableComputation() {// 1. 初始化距离向量std::map<Ipv4Address, uint32_t> dist;for (auto& node : allNodes) dist[node] = INFINITY;// 2. Dijkstra 核心while (!unvisited.empty()) {Ipv4Address u = ExtractMin(unvisited);for (auto& v : GetNeighbors(u)) {uint32_t alt = dist[u] + 1; // OLSR 跳数=1if (alt < dist[v]) {dist[v] = alt;m_table[v] = u; // 记录下一跳}}}
}

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2.3. 数据包转发过程

当路由表建立后，数据包转发流程如下：

1. 数据包进入网络层

源码入口: Ipv4L3Protocol::Receive() → RouteInput()

2. 路由查询

源码函数: RouteOutput()
逻辑:

// olsr-routing-protocol.cc
Ptr<Ipv4Route> RoutingProtocol::RouteOutput(...) {auto it = m_table.find(dest);if (it != m_table.end()) {// 找到路由：构建 Ipv4Route 对象rt->SetDestination(dest);rt->SetGateway(it->second); // 下一跳地址rt->SetOutputInterface(interface);return rt;}return nullptr; // 无路由则丢弃
}

3. 数据包转发

转发路径:

flowchart LRA[源节点] -->|查询路由表| B{路由存在？}B -->|是| C[发送到下一跳]B -->|否| D[丢弃并发送ICMP错误]C --> E[下一跳节点]E --> F[重复路由查询]F --> G[目标节点]

关键约束:

• TTL 递减: 每跳 TTL 减 1，为 0 时丢弃
• 链路层广播: 无线网络中使用 MAC 广播地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF
• MPR 无关性: 数据转发不依赖 MPR，仅使用路由表

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2.4. 动态维护机制

OLSR 在 NS-3 中持续维护路由状态：

1. 链路失效处理

• 检测机制: 3 次未收到 HELLO 则判定邻居失效
• 响应动作:

  void RoutingProtocol::NeighborLoss(Ipv4Address neighbor) {m_neighborSet.erase(neighbor);RecomputeMpr();        // 重新计算MPRRebuildRoutingTable(); // 重建路由表
  }
  

2. 定时器驱动事件

定时器类型	默认间隔	触发动作
HelloTimer	2s	广播 HELLO
TcTimer	5s	MPR 节点广播 TC
RoutingTimer	5s	重新计算路由表
NeighborTimer	6s	检查邻居超时

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2.5. 示例：NS-3 中查看 OLSR 路由表

在仿真脚本中添加以下代码打印路由表：

// 仿真结束后打印节点0的路由表
Ptr<OutputStreamWrapper> stream = Create<OutputStreamWrapper>("olsr_routes.txt", std::ios::out);
olsrProto->PrintRoutingTable(stream);

输出示例：

节点 0 路由表:
目的网络      下一跳        接口    跳数
10.1.1.3     10.1.1.3      1       1
10.1.1.12    10.1.1.4      1       2
10.1.1.25    10.1.1.7      1       3
...

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四、与其它协议的对比

特性	OLSR	AODV	DSDV
路由类型	主动式	按需式	主动式
控制开销	中等（周期TC）	低（按需）	高（全洪泛）
时延	低（路由已存）	较高（需发现）	低
适用场景	中型稳定网络	动态小型网络	小型静态网络

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