基于opnet的ospf与eigrp路由协议性能比较分析

学号：
毕业设计(论文)
题目: 基于OPNET的OSPF和EIGRP路由协议性能比较分
析
作者届别
院别信息与通信工程学院专业通信工程
指导教师职称
完成时间
摘要
路由协议的性能是影响现代通信网络质量的关键因素之一。

好的路由协议，要求具备快速收敛、较小的端到端时延、高可靠性等能力。

本文利用OPNET网络仿真工具，对OSPF和EIGRP路由协议进行了仿真分析。

分别设计了仅有OSPF 路由协议的场景和仅有EIGRP路由协议的仿真实验场景，对OSPF和EIGRP路由协议在这些仿真场景下的收敛性、网络终端时延、路由协议开销三个方面的性能进行了仿真。

仿真结果表明，在同等的较小网络规模的情况下，EIGRP性能优于OSPF。

关键字：网络仿真;OPSF协议;EIGRP协议
Abstract
Routing protocol performance is one of the key factors of the quality of modern communication network. Good routing protocols have fast convergence, smaller end-to-end delay and high reliability. In this paper, we use OPNET Network simulation tool, to OSPF and EIGRP routing protocol were simulation analysis. Only OSPF routing protocol of the scene and the only EIGRP routing protocol simulation scenarios were designed, on convergence of OSPF and EIGRP routing protocol in the simulation scenarios, network terminal delay, three aspects of the overhead of routing protocol performance simulation. Simulation results show that under the same network is smaller, EIGRP performs better than OSPF.
Key words : Network Simulation; OSPF; EIGRP
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 论文章节安排 (1)
1.3 网络仿真 (1)
1.4 OSPF协议和EIGRP协议 (2)
第2章网络仿真技术和仿真软件OPNET (3)
2.1 网络仿真技术及其特点 (3)
2.2 OPNET仿真软件 (4)
2.2.1 OPNET仿真软件的特点 (4)
2.2.2 OPNET的主要应用范围 (5)
2.2.3 OPNET用于网络规划设计的基本步骤 (5)
第3章OSPF协议和EIGRP路由协议机制分析 (7)
3.1 路由协议和路由载体路由器的概述 (7)
3.2 OSPF路由协议 (8)
3.2.1 OSPF协议的简介和工作原理 (8)
3.2.2 OSPF协议的特点 (8)
3.3 EIGRP路由协议 (10)
3.3.1 EIGRP协议的简介和工作原理 (10)
3.3.2 EIGRP协议的特点 (11)
3.4 OSPF协议和EIGRP协议的理论性差别 (12)
第4章OSPF协议和EIGRP性能仿真分析 (14)
4.1 仿真建模方案 (14)
4.1.1 仿真模型 (14)
4.1.2 仿真性能参数说明 (15)
4.2 OSPF路由协议的仿真设计和仿真结果分析 (16)
4.2.1 仿真实验步骤 (16)
4.2.2 OSPF仿真结果分析 (23)
4.3 EIGRP路由协议的仿真设计和仿真结果分析 (26)
4.3.1 仿真实验步骤 (27)
4.4 OSPF协议和EIGRP协议仿真结果比较 (30)
4.5 总结分析 (32)
参考文献 (33)
致谢 (34)
第1章绪论
1.1 研究背景
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，国际电信联盟在ITU-T Y.1541《IP网络服务性能要求》中提出了推荐值)。

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最优路径。

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，在当前得到最为广泛的应用。

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(Diffusing Update 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，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。

1.2 论文章节安排
本文第二章对对网络仿真、OSPF协议和EIGRP协议进行了大概的阐述。

第三章对网络技术进行了比较详细的叙述，并且主要介绍了OPNET仿真工具软件，介绍了其工作模式和工作特点。

第四章详细的对OSPF路由协议和EIGRP路由协议进行工作原理和协议的特点进行分析，并概总的对两者异同性进行了综合比较。

第五章对OSPF协议和EIGRP协议用OPNET Modeler仿真工具进行仿真建模，收集统计量分析三个方面的通信性能（网络收敛性、路由协议开销、网络延时），比较OSPF协议和EIGRP的工作性能并得出结论。

论文最后是鸣谢，感谢指导老师的悉心指导，还有参考文献的简述。

1.3 网络仿真
网络仿真技术是利用仿真软件工具在计算机上对现实以及理论需求的网络规划以及设计技术进行模拟分析，通过数学方法和动态蒙特卡罗方法模拟现实中
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的网络建模行为，从而使为网络的规划设计客观和可靠的定量依据，缩短网络的规划建设周期，提高网络建设中决策的科学性，减低网络建设期间的投资风险。

网络仿真包括网络建模（网络设备、通信链路等）和流量建模两个部分。

目的是获取网络特性参数，网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等，这样既可以获取某些业务层的统计数据，也可以得到协议内部的某些特殊参数的统计结果。

全新的模拟实验机制使得网络仿真在具有高度复杂下的网络环境下得到高科信度的结果，从而得到所需要的高质量的数据信息。

可以看出网络仿真的预测功能是其他方法无法比拟的。

对于现有网络的扩容或者优化在网络仿真上实行的话更加方便更加简单，不用在现实实际用设备去进行统计结果，这样可以节省资源，并且，在已经建好的网络模型下，使用者可以对网络模型延续使用，后期投资也会减小。

所以，网络仿真在目前的信息时代起着至关重要的位置。

1.4 OSPF协议和EIGRP协议
OSPF是一个内部网关协议(Interior Gateway Protocol,简称IGP)，用于在单一自治系统内决策路由，是一种链路状态路由协议。

链路是路由器接口的另一种说法，因此OSPF也称为接口状态路由协议。

OSPF通过路由器间通告网络接口的状态来建立链路状态数据库，生成最短路径树，每个OSPF路由器使用这些最短路径构造路由表。

开放最短路径协议(OSPF)协议不但能够计算两个网络结点之间的最短路径，还能计算通信费用。

可根据用户的通信要求来平衡费用和性能，选择相应的路由。

是目前最为重要的内部网关路由协议（Interior Gatrway Protocol,简称IGP）。

EIGRP 即增强内部网关路由线路协议。

也翻译为加强型内部网关路由协议。

EIGRP是Cisco公司的私有协议。

Cisco公司是该协议的发明者和唯一具备该协议解释和修改权的厂商。

EIGRP结合了链路状态和距离矢量型路由选择协议，采用弥散修正算法（DUAL）实现快速收敛，可以不发送定期的路由更新信息，用来减少带宽的占用，支持Apple talk、IP、Novell等多种网络层协议。

EIGRP 协议继承了IGRP协议的最大优点—矢量路由权。

EIGRP协议在路由计算中要对网络时延、网络带宽、信道占用率、信道可信度等因素作综合考虑，所以EIGRP 的路由计算更准确，更能确切反映网络的实际情况。

第2章网络仿真技术和仿真软件OPNET
本章首先阐述网络仿真技术及其技术特点，然后对OPNET仿真工具软件，尤其是仿真的一般操作步骤进行了介绍。

2.1 网络仿真技术及其特点
网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法来模拟网络实际运行的时候的行为，得到特定的网络参数特性的技术。

网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计数据，节点性能统计数据，网络链路流量和延迟参数等，这样既可以得到某些特定业务层的统计数据，也可以得到协议内部的某些特殊参数的统计结果。

作为当今广泛运用的网络仿真技术，他有两个显著的特点：
(1)、网络仿真可以给网络规划设计提供可靠的定量依据，网络仿真技术能够迅捷的建立起所需要的或者当前已经存在的网络模型，并能够方便的对网络模型进行修改并进行网络仿真，这使网络仿真非常适用于预测网络的应用性能，能在仿真过程中回答“what……if……”这样的问题，例如：
◆“假设网络需要扩大网络规模，骨干中继链路带宽需要扩容多少？”
◆“如果在现有网络增设新的业务，对网络性能上会有什么影响？网络上
的哪些链路或者网络设备需要升级和改造？”
◆“如果网络拟用新的技术升级，网络性能会发生多大幅度的提升？这种
改善与投入成本是不是值得？同时新技术的引进是否带来负面影响？”
(2)、网络仿真能够验证实际的网络设计方案或对多个设计方案进行比较。

在网络规划过程中经常会出现多个设计方案，这些方案往往是各有优缺点，仅凭主观判断是很难做出正确的选择，因此，如何进行科学比较和取舍往往是网络设计员们感到头疼的事，网络仿真技术的出现，使得设计员能够通过为不同的设计方案进行建模然后对其进行模拟仿真获取特定数据进行网络性能预测，为方案的验证和比较提供可靠的依据。

在这里所指的设计方案可以使网络拓扑结构、路由设计、业务配置、实际应用设备的模拟等等。

不过，网络仿真技术只是网络规划设计手段之一，不能完全代替传统的网络设计方法，而应该和传统的设计方法结合在一起适用才会得到更好的应用效果。

传统的设计方法是指物理设计方法。

2.2 OPNET仿真软件
OPNET是OPNET Technologies公司研发的一种应用在网络规划设计、网络仿真分析的高科技软件工具，该软件包含了关于如何运作网络设备、服务器、网络协议等专业知识。

OPNET公司最早是由麻省理工学院的信息决策实验室受美国军方委托而成立。

1987年OPNET公司发布了第1个商业化的网络仿真软件，提供了具有重要意义的网络性能优化工具，使得具有预测性的网络管理和仿真成为可能。

1987年以来，OPNET迅速而稳步地发展，作为高科技网络规划、仿真及分析工具，OPNET在通信、国防及计算机网络领域已经被广泛认可和采用。

成千上万的组织使用OPNET软件来模拟优化网络性能、最大限度地提高通信网络和应用的可用性。

OPNET的产品主要针对网络服务提供商、网络设备制造商还有一般企业这3类客户。

本文所用到的OPNET Modeler产品几乎是拥有OPNET其他所有产品中的功能，对于不同的应用领域，它表现出了功能的多样化：(1)对于一般企业网的模拟，Modeler 调用标准模型搭建网络。

如果出现某些业务达不到服务质量需求的情况，Modeler 捕捉关键性的流量进行分析，从业务、网络服务器三方面找出瓶颈；(2)对于比企业网更复杂的运营商（ISP）网的模拟，Modeler 的焦点放在整个业务层和流量的模拟，使运营商可以有效快速的查出业务配置中产生的错误，例如有哪个服务器配置不好，让黑客有机可趁，有哪些业务的参数配置不合适等情形；(3)针对技术研发的需求，Modeler 提供了一个开放的环境，可以让用户能够自主建立新的协议和配备，并且能够将细节定义并模拟。

2.2.1 OPNET仿真软件的特点
OPNET Modeler主要适用于的用户为专业的网络设计人士，能够满足大型复杂网络的仿真需求，它主要有如下特点:
(1) 自身携带三层建模机制，最底层称作进程（Process）模型，用状态机来描述路由协议;中间一层是节点（Node）模型，由相对应的协议模型组成，反映了主设备特性;最上层称作网络结构模型。

三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性;
(2) 提供了一个基本网络模型模型库，包括:路由器、交换机、服务器、客户终端、ATM设备、DSL设备、ISDN设备等等。

同时，OPNET Technology公司会对不同的企业用户提供附加的专用模型库，但需另外付费;
(3) 离散事件驱动的仿真模拟机制(discrete event driven)，用驱动模拟机理来与时间驱动相比，很大程度上加快了运算速率。

(4) 采用混合建模机制，把建立在包的基础分析方法和建立在统计的数学建模方法的基础上相结合，在得到非常细节的模拟结果的同时，又大大提高了仿真效率。

(5) OPNET具有丰富的数据分析功能。

它允许直接收集常用的各个网络层次的通信性能统计参数，能够非常方便地编制和输出仿真报告。

(6) 携带和网管系统、流量监测系统相结合的接口，能够方便的利用现有的网络拓扑拓扑和流量数据建立仿真模型和业务流量模型，同时还可对仿真结果进行理论上的验证。

2.2.2 OPNET的主要应用范围
（1）用于网络仿真，可以研究端到端（End-to-End）之间的性能，确定增加应用或者增加用户对网络的影响，对网络规划设计起到获取关键性性能参数和对参数进行伸缩性比较，对网络主设备完成基线预算成本的调整，使网络设计得到最优的性价比。

(2)用于网管，研究业务量的增长会对网络产生什么样的性能需求，识别网络设备、网络服务器的瓶颈，识别网络阻塞的原因使得网管人员更好的管理网络，有助于网管人员合理分配新的业务，新的服务，设计新的网络部署。

(3)用于海事卫星系统的研究，每个卫星轨道可以使用OPNET轨道编辑器定义，也可以从STK工具包得到，仿真之前可以用轨道浏览器分析卫星的覆盖。

从而可以很好地研究卫星的覆盖率以及信息传送和接受性能。

（4）用于ATM仿真，OPNET支持25M、155M、622M的连接速度，用户可以自定义或者自动分配虚拟路径，允许用户研究蜂窝损耗、延迟变化，用户和识别网络瓶颈。

（5）基于地形的仿真提供，在给定的地形条件下预测最佳频率，在给定的方案中，预测战术部署、调遣时的通信状态，并且能够对通信偶然性计划提出可行性建议。

2.2.3 OPNET用于网络规划设计的基本步骤
（1）定义问题，在建立网络拓扑图之前先分析自己要研究的问题，抽取问题的关键性问题进行分析，需要什么主设备，用什么链路连接，需要配置什么业务，需要用到什么网络协议以及标准等。

（2）建立网络结构模型，即建立网络拓扑结构，从OPNET自身携带的软件模型库中抽取自己所需要的各种所需设备用合适的链路连接起来。

（3）建立网络流量模型，网络模型搭建完成后，根据所需研究的实际情况
建立网络流量模型，配置好各业务流量和协议配置。

（4）收集统计量，根据仿真目的选择要收集的通信系统的性能研究参数。

（5）运行仿真，查看仿真后的性能参数结果，验证网络模型和仿真方法的正确性或者比较不同设计方案之间的优缺点。

第3章OSPF协议和EIGRP路由协议机制分析
当今的信息社会，网络成为了家家户户的主要组成部分，每个企业、学校、家庭都跟互联网形成了密不可分的关系纽带，因此网络的服务质量和网络上的性能上就引起了每个用户的关注，同时也对研究网络上性能传输的新技术提出了更高要求。

路由技术是计算机网络通信过程中至关重要的技术，在我们都在用的路由器之中存在的核心功能就是路由协议机制，在网络规划设计中，选择什么样的路由协议也预示了网络性能上的差别或者网络的规模。

本章将详细描述动态路由协议OSPF和EIGRP的工作原理和特点。

3.1 路由协议和路由载体路由器的概述
路由协议分为静态路由和动态路由，其相对应的路由表称作静态路由表和动态路由表。

静态路由表由网管人员在系统安装时就根据网络配置情况预先设定，一旦网络结构发生变化，只能由网管人员手工修改路由表。

动态路由随着网络运行情况的变化而变化。

根据路由算法，动态路由协议有两大类，距离向量路由协议（Distance Vector Routing Protocol）和链路状态路由协议（Link State Routing Protocol）。

距离向量路由协议基于Bellman-Ford算法，主要有RIP、EIGRP（EIGRP为Cisco公司的私有协议）动态路由协议；链路状态路由协议出生在著名的Dijkstra算法的基础下，即最短优先路径（Shortest Path First，SPF）算法，如OSPF。

路由器是承载路由协议的实际载体，是一种连接因特网中各局域网、广域网之间的设备，它会根据信道的实际情况自动选择和设定路由，按照最佳路径，根据前后顺序发送信号的设备。

路由器英文名Router，路由器是互联网络的枢纽、"交通警察"。

目前路由器已经广泛应用于社会各个层次上的用户，各种不同档次的路由器产品已经成为互联网互联互通业务的主力军。

路由选择协议主要运行在路由器设备之中，它是一些规则和过程的组合。

使得在互联网中的各个路由器能够彼此互通并且有能力通知这些变化，使得路由器能够共享它们知道的互联网的情况或者邻站的数据状态。

当前流行的路由选择协议有两大类：内部网关协议和外部网关协议，在一个AS（Autonomous System，自治系统，指一个互连网络，就是把整个Internet划分为许多较小的网络单位，这些小的网络有权自主地决定在本系统中应采用何种路由协议）内的路由协议称为内部网关协议（interior gateway protocol），AS之间的路由协议称为外部网关
协议（exterior gateway protocol）。

其中正在使用的内部网关路由协议有以下几种：RIP-1，RIP-2，IGRP，EIGRP，IS-IS和OSPF。

3.2 OSPF路由协议
3.2.1 OSPF协议的简介和工作原理
为了解决RIP协议的不足之处，1988年RFC成立了OSPF工作组，开始着开始对OSPF协议的研究和方案的制定，并于1998年4月在RFC 2328中OSPF 协议第二版（OSPFv2）以标准形式出现。

OSPF全称为开放式最短路径优先协议（Open Shortest-Path First），OSPF中的O意味着OSPF标准是对公共开放的，这就意味着它不是封闭的专有路由方案，能广泛应用。

工作原理：OSPF采用链路状态协议算法OPF算法，OPF算法也被称为Dijkstra算法。

每个路由器维护一个相同的链路状态数据库，保存整个AS的拓扑结构（AS不划分情况下）。

一旦每个路由器有了完整的链路状态数据库，该路由器就可以自己为根节点，构造最短路径树，然后再根据最短路径的行走路径来构造路由表。

在比较大的网络规模下，为了进一步减少路由协议通信流量，利于管理和计算，OSPF将整个AS划分为若干个区域，区域内的路由器维护一个相同的链路状态数据库，保存该区域的拓扑结构。

OSPF路由器相互间交换信息，但交换的信息不是路由，而是链路状态。

OSPF定义了5种分组：（1）Hello分组用于建立表和维护连接；（2）数据库描述分组，它是初始化路由器的网络拓扑数据库；（3）当发现数据库中的某些信息已经过时后，路由器发送链路状态请求分组，请求邻站提供更新后的数据信息；（4）路由器使用链路状态更新分组来主动扩散自己的链路状态数据库或对链路状态请求分组进行响应；（5）OSPF是直接运行在IP层协议中，协议本身需要提供确认机制，链路状态应答分组是对链路状态更新分组进行确认。

3.2.2 OSPF协议的特点
OSPF协议是一个极为复杂的IP路由协议，在配置的过程中极为复杂，当然这也在另一个方面凸显出了该路由协议的优势性，用一个词来形容OSPF协议那就是可伸缩性。

由于其复杂性，OSPF协议更适用于中大型网络或者大型网络的配置。

OSPF协议的主要优点如下：
（1）快速收敛：OSPF是真正的LOOP- FREE(无路由自环)路由协议｡究其原因就是其算法本身——链路状态和最短路径树算法,OSPF收敛速度快,能够在最短的时间内将路由变化传递到整个自治系统｡
（2）区域划分：提出区域(Area)划分的概念,将自治系统划分为不同区域后,通过区域之间的对路由信息的摘要,大大减少了需传递的路由信息数量,也使得路由信息不会因为网络规模的扩大而造成急剧膨胀的恶劣影响｡
（3）开销控制：将协议自身的开销控制到最小。

目的如下：
用于发现和维护邻居关系的是定期发送的不含路由信息的hello报文｡包含路由信息的报文是触发路由更新的机制,而且只有在路由变化时才会发送｡但为了增强协议的健壮性,每1800秒全部重发一次｡
（4）在广播网络中,使用组播地址(而非广播)发送报文,这样可以减少对其他不运行OSPF的网络设备的干扰｡
（5）在各类可以多址访问的网络中(广播型网络和非广播型多路访问),通过选举DR(指定路由器),使得相同网段的路由器之间的路由交换(同步)次数由O(N ×N)次减少为O(N)次｡
（6）OSPF协议提出STUB区域的概念,使得STUB区域内不再传播引入的ASE路由｡
（7）在ABR(区域边界路由器)上支持路由聚合,进一步减少区域间的路由信息传递｡
（8）在点到点接口网络类型中,通过配置按需播号的属性(OSPF over On Demand Circuits),OSPF不再定时发送hello报文及定期更新路由信息｡只是在网络拓扑真正变化时才发送更新信息｡
（9）路由可信度高：严格划分路由的级别(共分4级),提供更可信的路由选择｡
（10）高质量的安全性：OSPF支持基于接口的明文及MD5 验证｡
（11）适应性极为广泛：OSPF可以适应各种规模的网络,最多可达数千台｡
当然，世界万物都是具有双刃剑的特性，OSPF也有以下的主要缺点：
（1）配置相对复杂｡由于网络区域划分和网络属性的复杂性,要求网络分析员有较高的网络知识水平，这样才可能很好地配置和管理OSPF网络｡
（2）路由负载均衡能力较弱｡OSPF虽然能根据接口的速率､连接可靠性等信息,自动生成接口路由优先级,但在通往同一目的的不同优先级路由中,OSPF 只选择优先级较高的路由转发,不同优先级的路由中,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。

3.3 EIGRP路由协议
3.3.1 EIGRP协议的简介和工作原理
EIGRP和早期的IGRP协议都是由思科公司发明的，它的全称是（Enhanced Interior Gateway Routing Protocol），增强型内部网关路由选择协议，它是Cisco 公司的私有协议，所以在思科路由器设备与其它非合作性产商的路由器设备相连时不能使用EIGRP协议。

它是由距离矢量和链路状态两种协议相结合而成的一种路由协议。

所以，它即像距离矢量协议那样，EIGRP从它的相邻路由器那里得到更新信息；也像链路状态协议那样，保存着一个拓扑表，然后通过自己的DUAL 算法选择一个最优无环路径。

EIGRP有很快的收敛时间，而且不用发送定期的路由更新数据；但是又不完全像链路状态协议那样，运行过程中，EIGRP并不知道整个网络是什么样的，它只能依据邻居公布的信息来更改自身的路由信息。

EIGRP使用与IGRP相同的路由算法DUAL(扩散更新算法)，DUAL机制是EIGRP 的核心，通过它才能实现无环路径。

EIGRP的内部管理距离为90，外部EIGRP的管理距离为170，支持等价和非等价负载均衡。

IP数据包中，EIGRP的协议字段为88。

EIGRP协议的工作原理：
EIGRP包含有三种表，邻居表（Neighbor Table），拓扑表（Topology Table）,路由表（Routing Table）。

首次运行EIGRP的路由器都要经历发现邻居、了解网络及选择路由的过程，在这个过程中建立三张独立的表格：Neighbor Table、Topology Table、Routing Table。

其中Neighbor Table保存了和路由器建立了邻居关系的且直连的路由器；Topology Table包含路由器学习要到达目的地的所有路由条目；Routing Table则是生成后的最佳路径路由表。

EIGRP通过收发5种报文即数据包生成邻居表和拓扑表，并通过差分更新法DUAL算法得出路由表，步骤如下：
（1）Hello:形成邻居关系,以多播方式发送，用于发现邻居路由器，维持邻居关系。

（2）更新（Update）: 一旦路由器收到某个邻居路由器的第一个Hello报文时，它就会以单点传送方式回送一个它知道的路由信息的更新报文。

当路由信息发生变化时，以多播的方式发送一个只包含变化信息的更新报文。

这里需要注意的是，两个更新报文内容是不一样的。

（3）查询（query）: 一条链路失效之后，路由器就会重新进行路由计算。

但在拓扑表中没有可行的后继路由时，路由器就以多播的方式向它的邻居发送一个查询报文，询问它们是否有一条可以到目的地的可行后继路由。