AFSIM通信基础模型代码库分析¶

1、代码情况¶

代码组织结构¶

comm/
├── 核心通信类 (Core Communication)
├── 网络层实现 (Network Layer)
├── 协议栈实现 (Protocol Stack)
├── 路由器组件 (Router Components)
├── 传输介质 (Medium)
├── 消息处理 (Message Handling)
└── 工具类 (Utilities)

2、依赖关系¶

2.1 外部依赖¶

工具库依赖（Ut前缀）¶

UtCallback.hpp        - 回调机制
UtCallbackHolder.hpp  - 回调容器
UtCloneablePtr.hpp    - 智能指针扩展
UtGraph.hpp           - 图算法库
UtInput.hpp           - 输入处理
UtScriptAccessible.hpp - 脚本接口
UtTable.hpp           - 表结构

框架依赖（Wsf前缀）¶

WsfArticulatedPart.hpp - 部件基类
WsfAuxDataEnabled.hpp  - 辅助数据支持
WsfComponent.hpp       - 组件基类
WsfEvent.hpp          - 事件系统
WsfMessage.hpp        - 消息基类
WsfPlatform.hpp       - 平台支持
WsfRandomVariable.hpp - 随机变量
WsfScenario.hpp       - 场景管理
WsfSimulation.hpp     - 仿真引擎

2.2 内部模块依赖关系¶

graph TD
    A[WsfComm] --> B[WsfCommProtocolStack]
    A --> C[WsfCommRouter]
    A --> D[WsfCommAddress]
    B --> E[WsfCommLayer]
    E --> F[WsfCommNetworkLayer]
    E --> G[WsfCommDatalinkLayer]
    E --> H[WsfCommPhysicalLayer]
    C --> I[WsfCommProtocolInterface]
    I --> J[WsfCommProtocolOSPF]
    I --> K[WsfCommProtocolRIPv2]
    A --> L[WsfCommMedium]
    L --> M[WsfCommMediumGuided]
    L --> N[WsfCommMediumUnguided]

3、模型架构¶

3.1 OSI七层模型实现¶

该代码库实现了完整的OSI七层网络模型：

物理层 (Physical Layer)
- WsfCommPhysicalLayer.hpp/cpp
- 处理信号传输和硬件接口
数据链路层 (Data Link Layer)
- WsfCommDatalinkLayer.hpp/cpp
- 负责帧处理和错误检测
网络层 (Network Layer)
- WsfCommNetworkLayer.hpp/cpp
- 处理路由和寻址
传输层 (Transport Layer)
- WsfCommTransportLayer.hpp/cpp
- 提供端到端的可靠传输
会话层 (Session Layer)
- WsfCommSessionLayer.hpp/cpp
- 管理会话建立和维护
表示层 (Presentation Layer)
- WsfCommPresentationLayer.hpp/cpp
- 数据格式转换和加密
应用层 (Application Layer)
- WsfCommApplicationLayer.hpp/cpp
- 提供应用程序接口

3.2 核心组件¶

3.2.1 WsfComm类（主通信类）¶

class Comm : public WsfArticulatedPart
{
    // 通信类型定义
    enum CommType {
        cCT_XMT_ONLY,  // 仅发送
        cCT_RCV_ONLY,  // 仅接收
        cCT_XMT_RCV    // 收发双向
    };

    // 多播支持级别
    enum class MulticastConformanceLevel {
        cLEVEL_0,  // 不支持多播
        cLEVEL_1,  // 仅支持发送
        cLEVEL_2   // 完全支持
    };
};

主要功能： - 管理通信设备的基本属性（地址、网络归属） - 处理消息的发送和接收 - 支持组件化架构 - 集成路由器功能

3.2.2 协议栈管理（ProtocolStack）¶

class ProtocolStack {
    // 层级管理
    Layer* AddLayer(std::unique_ptr<Layer> aLayerPtr);
    bool RemoveLayer(size_t aLayerIndex);
    Layer* InsertLayer(size_t aLayerIndex, std::unique_ptr<Layer> aLayerPtr);

    // 消息处理
    virtual bool Receive(double aSimTime, Comm* aXmtrPtr, Message& aMessage);
    virtual bool Send(double aSimTime, Message& aMessage);
};

特点： - 动态层级管理 - 支持运行时协议栈修改 - 层间消息传递机制

4、网络拓扑支持¶

4.1 支持的网络拓扑类型¶

点对点网络 (Point-to-Point)
- WsfCommNetworkPointToPoint.hpp/cpp
- 两个节点直接连接
网状网络 (Mesh)
- WsfCommNetworkMesh.hpp/cpp
- 全连接或部分连接拓扑
星型网络 (Star)
- WsfCommNetworkStar.hpp/cpp
- 中心节点与多个外围节点
环形网络 (Ring)
- WsfCommNetworkRing.hpp/cpp
- 节点串联成环
Ad-Hoc网络
- WsfCommNetworkAdHoc.hpp/cpp
- 动态自组织网络
- 支持运行时拓扑变化
通用网络 (Generic)
- WsfCommNetworkGeneric.hpp/cpp
- 灵活的网络配置

4.2 网络管理器（NetworkManager）¶

class NetworkManager : public WsfSimulationExtension {
    // 网络拓扑类型
    enum class NetworkTopology {
        cPOINT_TO_POINT,
        cMESH,
        cSTAR,
        cRING,
        cDIRECTED_RING
    };

    // 核心功能
    - 管理所有通信设备地址映射
    - 维护网络拓扑图
    - 支持多播组管理
    - 提供路径查询功能
};

5、路由协议实现¶

5.1 支持的路由协议¶

OSPF (Open Shortest Path First)
- WsfCommProtocolOSPF.hpp/cpp
- 链路状态路由协议
- 支持区域划分
- DR/BDR选举机制
- 约2000行实现代码
RIPv2 (Routing Information Protocol v2)
- WsfCommProtocolRIPv2.hpp/cpp
- 距离向量路由协议
- 周期性路由更新
IGMP (Internet Group Management Protocol)
- WsfCommProtocolIGMP.hpp/cpp
- 多播组管理协议
- 支持组成员管理
Legacy协议
- WsfCommProtocolLegacy.hpp/cpp
- 传统路由实现
Ad-Hoc路由
- WsfCommProtocolAdHoc.hpp/cpp
- 自组织网络路由

5.2 路由器架构¶

class Router : public WsfPlatformPart {
    // 发送数据封装
    class SendData {
        Comm* GetXmtr();
        std::vector<Message>& GetMessages();
    };

    // 核心路由方法
    virtual bool Receive(...);
    virtual bool Send(...);

    // 协议管理
    ComponentList& GetComponents();
};

6、传输介质支持¶

6.1 介质类型¶

有线介质 (Guided Medium)
- WsfCommMediumGuided.hpp/cpp
- 支持点对点连接
- 确定性传输特性
无线介质 (Unguided Medium)
- WsfCommMediumUnguided.hpp/cpp
- 广播特性
- 支持电磁传播模型
无线电收发器
- WsfRadioXmtrRcvr.hpp/cpp
- 专门的无线电通信支持

6.2 介质管理¶

class MediumContainer {
    // 介质容器管理
    - 支持多种介质类型
    - 动态介质配置
    - 消息状态跟踪
};

7、消息处理机制¶

7.1 消息结构¶

class Message : public UtScriptAccessible, public WsfAuxDataEnabled {
    // 核心组成
    - 源消息指针 (mSrcMessagePtr)
    - 消息头栈 (mHeaders)
    - 消息尾栈 (mTrailers)
    - 路由追踪 (mTraceRoute)
    - TTL控制 (mTTL)
    - 传输特性 (mTransportFeature)

    // 消息标识符
    class Identifier {
        unsigned int GetSerialNumber();
        const Address& GetSource();
        const Address& GetDestination();
    };
};

7.2 层间消息传递¶

namespace layer {
    class Message {
        // 层间控制消息
        static constexpr Message cDOWN_ACK_SEND;
        static constexpr Message cDOWN_NACK_SEND;
        static constexpr Message cUP_ACK_RECEIVE;
        static constexpr Message cNETWORK_FORWARD;
        static constexpr Message cDATALINK_READY;
    };
}

8、地址管理¶

地址类（WsfCommAddress）¶

支持多种地址格式
层次化地址结构
子网掩码支持
地址转换功能

保留地址管理¶

class ReservedAddressing {
    // 管理特殊用途地址
    - 广播地址
    - 多播地址范围
    - 本地地址
};

9、设计模式¶

组件模式（Component Pattern）¶

// 所有组件的基类接口
class WsfComponent {
    virtual WsfComponent* CloneComponent() const = 0;
    virtual const int* GetComponentRoles() const = 0;
    virtual void* QueryInterface(int aRole) = 0;
    virtual int GetComponentInitializationOrder() const = 0;
};

应用实例：

WsfComm
WsfCommRouter
所有Protocol类

策略模式（Strategy Pattern）¶

// 路由策略接口
class ProtocolInterface {
    virtual bool Send(double aSimTime, Router::SendData& aData) = 0;
    virtual bool Receive(...) = 0;
    virtual std::vector<Address> Routing(...) = 0;
};

// 具体策略实现
class ProtocolOSPF : public ProtocolInterface { ... }
class ProtocolRIPv2 : public ProtocolInterface { ... }

装饰器模式（Decorator Pattern）¶

// 消息装饰
class Message {
    void PushHeader(MessageHeader* aHeader);
    void PushTrailer(MessageTrailer* aTrailer);
    MessageHeader* PopHeader();
    MessageTrailer* PopTrailer();
};

观察者模式（Observer Pattern）¶

// 事件通知机制
class Event : public WsfEvent {
    virtual void Execute(WsfSimulation& aSim) = 0;
};

// 回调注册
UtCallbackHolder mCallbacks;

10、关键算法¶

10.1 路由算法¶

Dijkstra最短路径算法¶

位置：WsfCommGraph.cpp

// 使用优先队列实现的Dijkstra算法
void Graph::ComputeShortestPaths(const Address& aSource) {
    // 初始化距离表
    // 优先队列处理
    // 更新邻接节点
}

OSPF链路状态算法¶

DR/BDR选举算法
LSA泛洪算法
SPF树计算

10.2 地址管理算法¶

子网掩码计算¶

class Address {
    bool IsInSubnet(const Address& aSubnet, const Address& aMask);
    Address GetNetworkAddress(const Address& aMask);
    Address GetBroadcastAddress(const Address& aMask);
};

10.3 队列管理算法¶

class Queue {
    // FIFO队列
    // 优先级队列
    // 带宽控制
    // 拥塞控制
};

11、性能优化¶

11.1 内存管理¶

智能指针使用

std::unique_ptr<Layer> mLayer;
std::shared_ptr<OSPF_Area> mArea;
ut::CloneablePtr<WsfMessage> mMessage;

对象池技术
- 消息对象复用
- 事件对象池
移动语义

Message(Message&&) = default;
Message& operator=(Message&&) = default;

11.2 算法优化¶

哈希表应用

std::unordered_map<Address, Comm*> mCommMap;
std::unordered_set<Address> mAddressSet;

缓存机制
- 路由表缓存
- 地址解析缓存
延迟计算
- 按需更新路由表
- 事件驱动的状态更新

12、线程安全性¶

12.1 潜在并发点¶

多平台仿真
- 不同平台的通信设备可能并行执行
- 需要同步的共享资源：
  - NetworkManager
  - 全局路由表
  - 多播组成员表
事件调度
- 并发事件处理
- 事件队列访问

12.2 同步机制¶

目前代码未见显式的互斥锁或同步原语，可能采用：

单线程事件循环
时间步进同步
仿真引擎层面的同步

13、扩展考虑¶

13.1 协议扩展点¶

// 新协议实现步骤
1. 继承 ProtocolInterface
2. 实现必需的虚函数
3. 注册到 ProtocolFactory
4. 配置输入解析

13.2 网络类型扩展¶

// 新网络拓扑实现
1. 继承 Network 基类
2. 实现拓扑管理逻辑
3. 注册到 NetworkManager
4. 实现特定的连接规则

13.3 介质类型扩展¶

// 新传输介质
1. 继承 Medium 基类
2. 实现传输特性
3. 注册到 MediumFactory
4. 定义传播模型

14、配置与脚本接口¶

14.1 脚本类注册¶

const char* GetScriptClassName() const override { 
    return "WsfCommProtocolOSPF"; 
}

14.2 输入处理¶

bool ProcessInput(UtInput& aInput) override {
    // 解析配置参数
    // 设置运行时属性
    // 验证输入合法性
}

15、测试与调试¶

15.1 调试功能¶

消息追踪

std::vector<Address>& GetTraceRoute() { return mTraceRoute; }

状态查询

bool IsOperational() const;
bool CanSend() const;
bool CanReceive() const;

统计信息
- 消息计数
- 路由跳数
- 延迟统计

15.2 测试点¶

事件注入
故障模拟
性能度量点