基于LabVIEW的OSPF路由協(xié)議的仿真與實(shí)現(xiàn)

摘 要：虛擬儀器LabVIEW是一種圖形化的編程環(huán)境，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及各類研究實(shí)驗(yàn)室。本文通過LabVIEW完成了對(duì)OSPF路由協(xié)議的仿真與實(shí)現(xiàn)，該協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中的IP層協(xié)議，是目前應(yīng)用最廣泛的路由協(xié)議。結(jié)果證明LabVIEW能夠很好地支持通信協(xié)議的仿真，且操作簡單，開發(fā)功能高效，調(diào)試能力強(qiáng)大。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；OSPF；虛擬儀器；通信協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP393.02

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），即傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，是由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）開發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議族，是Internet最基本的協(xié)議。之所以說TCP/IP是一個(gè)協(xié)議族，是因?yàn)門CP/IP包括了TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNETFTP、SMTP、ARP、TFTP等許多協(xié)議。OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路徑生成樹協(xié)議）是TCP/IP協(xié)議族中的IP層協(xié)議，是目前應(yīng)用最廣泛的路由協(xié)議，通過SPF（Shortest Path First，最短路徑生成樹算法）來計(jì)算到各節(jié)點(diǎn)的最短路徑。

虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測控技術(shù)相結(jié)合、相滲透的產(chǎn)物，虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的引入，幫助設(shè)計(jì)者能夠快速設(shè)計(jì)、調(diào)試和開發(fā)實(shí)際系統(tǒng)的測試版，使得工業(yè)環(huán)境下的測量、測試、計(jì)量、控制過程更靈活、更緊湊、更經(jīng)濟(jì)、更高效且功能更強(qiáng)。LabVIEW是一款劃時(shí)代的重要的圖形編程系統(tǒng)，常被應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)等方面。本文將通過LabVIEW工具實(shí)現(xiàn)對(duì)通信協(xié)議OSPF的仿真。

1 虛擬設(shè)備LabVIEW簡介

虛擬設(shè)備（Virtual Instrument，簡稱VI）是上世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層結(jié)合而產(chǎn)生的。它將許多以前由硬件完成的信號(hào)處理工作交由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理，這種硬件功能軟件化的思想，為測試儀器領(lǐng)域帶來了深刻的變革[1]。虛擬設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)代：第一代是模擬式儀器，第二代是分立元件式儀器，第三代是數(shù)字式儀器，第四代是智能儀器之后的新一代儀器。虛擬設(shè)備有三個(gè)主要特點(diǎn)：第一，不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式；第二，在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟硬件資源共享；第三，圖形化的軟件界面。其優(yōu)勢表現(xiàn)為性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、無縫集成。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）全稱是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是美國國家儀器公司（NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品。自NI公司1986年正式推出LabVIEW1.0至今，經(jīng)歷了多次改版與完善，目前包括控制與仿真、高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)過程控制、模糊控制、PDA和PID等眾多附加軟件包，可運(yùn)行于Windows、Linux、Macintosh和Unix等多種平臺(tái)，已成為目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)繼承環(huán)境之一。

2 OSPF路由協(xié)議的仿真與實(shí)現(xiàn)

OSPF路由協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)的協(xié)議，主要適用于同一個(gè)路由域。這個(gè)路由域內(nèi)的所有OSPF路由器都維護(hù)一個(gè)相同的數(shù)據(jù)庫，其中存放的是該路由域中相應(yīng)鏈路的狀態(tài)信息，而OSPF路由器就是根據(jù)該數(shù)據(jù)庫計(jì)算其路由表的[2]。OSPF路由協(xié)議的基礎(chǔ)是SPF算法（即Dijkstra算法），它將每一個(gè)路由器作為根，用于計(jì)算路由器到每一個(gè)目的路由器的距離，進(jìn)而會(huì)得到路由域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，即SPF算法中的最短路徑樹。最短路徑樹的樹干長度即OSPF路由器到每一個(gè)目的地路由器的距離，即OSPF協(xié)議中的Cost。

OSPF遵循鏈路狀態(tài)路由協(xié)議的統(tǒng)一算法。該算法可簡單概括為路由器在兩種狀態(tài)下的動(dòng)作：第一，當(dāng)路由器初始化或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，路由器會(huì)產(chǎn)生鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包，其中包含路由器上所有的相連鏈路，即所有端口的狀態(tài)信息。所有路由器通過刷新方法交換鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)。第二，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重新穩(wěn)定下來，即OSPF路由協(xié)議收斂下來時(shí)，所有的路由器會(huì)根據(jù)其各自的鏈路狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫計(jì)算出各自的路由表。其中包含路由器到每一個(gè)可到達(dá)目的地的Cost以及到達(dá)該目的地所要轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳路由[3]。

接下來，我們將通過虛擬儀器LabVIEW實(shí)現(xiàn)OSPF路由協(xié)議的仿真，該仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入部分共分為三大模塊：信息傳遞模塊（如圖1所示），路由器連接表二維數(shù)組生成模塊（如圖2所示），手動(dòng)輸入起點(diǎn)、終點(diǎn)及已知路由模塊。手動(dòng)輸入模塊只需在LabVIEW前面板中輸入?yún)?shù)即可，在本設(shè)計(jì)中，我們選擇四個(gè)路由器組成仿真系統(tǒng)，共設(shè)置5個(gè)參數(shù)：路由器id、路由器ip地址、路由器發(fā)送信息端口號(hào)、路由器互聯(lián)路徑權(quán)值及發(fā)送信息判定位。路由器id用于指定路由器的名稱，方便顯示；路由器ip地址用于顯示路由器的ip，確定路由器在網(wǎng)絡(luò)中的唯一位置；路由器發(fā)送端口號(hào)用于識(shí)別路由器接收與其它路由器的連接狀態(tài)的標(biāo)示；路由器互聯(lián)路徑權(quán)值用于進(jìn)行SPF算法的計(jì)算處理；發(fā)送信息判定位用于識(shí)別信息確實(shí)已接收。

至此，OSPF路由協(xié)議在LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)的仿真已完成，要通過此系統(tǒng)計(jì)算路由器的生成，需將SPF算法引入該系統(tǒng)，最短中繼計(jì)算模塊流程圖如圖3所示。通過對(duì)四個(gè)路由器鏈接方式的計(jì)算，最終得到的路由器連接表如圖4所示，起點(diǎn)路由器為路由器一，終點(diǎn)路由器為路由器二，需經(jīng)過一次跳轉(zhuǎn)才能到達(dá)。

3 結(jié)束語

目前，通信領(lǐng)域大多采用文本式編程平臺(tái)（如VC++，VB等）進(jìn)行開發(fā)和測試，本文基于圖形化編程平臺(tái)LabVIEW對(duì)OSPF路由協(xié)議進(jìn)行仿真，是對(duì)通信領(lǐng)域開發(fā)測試方法的全新嘗試與探索。結(jié)果證明LabVIEW能夠很好地支持通信協(xié)議的仿真，且操作更為簡單明了。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)也有很多需要完善的地方：第一，目前程序所設(shè)計(jì)的輸入數(shù)據(jù)比較多，并且路由器的每個(gè)參數(shù)都需要手動(dòng)輸入，操作較為繁雜，因此OSPF路由協(xié)議的仿真只選擇了四個(gè)路由的連接情況，如果在數(shù)據(jù)輸入上能夠有所改進(jìn)，就可以加入更多路由器參與算法。第二，目前的設(shè)計(jì)在連接表的生成形式上是固定的，不可更改，如果要改善此種情況要重新設(shè)置連接表的存儲(chǔ)方式。第三，由于本文篇幅所限，我們只選擇了少量代表圖，作者可根據(jù)步驟自行完成仿真操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳成東，孫秋野，盛科.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]Stevens W R.TCP/IP詳解卷1：協(xié)議[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]Stevens W R.TCP-IP詳解：TCP事務(wù)協(xié)議，HTTP，NNTP和UNIX域協(xié)議[M].北京：人民郵電出版社出版，2010.

作者單位：山東絲綢紡織職業(yè)學(xué)院，山東淄博 255300；濟(jì)南鐵路局青島電務(wù)段，山東淄博 255000