ms-model-aodv

MANET 自组网 AODV 路由协议模型（妙算仿真）

本仓库实现了基于 AODV（Ad hoc On‑Demand Distance Vector）的按需路由协议进程模型，可在妙算仿真环境中为移动自组网（MANET）提供按需 IPv4 路由能力。模型通过 UDP 端口 654 发送/接收 AODV 控制报文，并与基础 IP 模型进行联动。

目录结构

• model.json：妙算模型元数据，声明进程模型、数据包格式等；
• models/aodv.pr.m：AODV 进程模型定义（状态机、属性等，仅描述层）；
• models/aodv.pkt.m：AODV 报文格式定义，包含：
  • header：指向 AODV 头部对象（AodvHeader 等）；
  • data：指向具体的 AODV 消息对象（RREQ/RREP/RERR/Hello）；
• pycodes/aodv/：Python 实现代码与打包配置；
  • pycodes/aodv/src/aodv/__init__.py：AODV 协议进程的完整实现；
  • pycodes/aodv/pyproject.toml：Python 包配置（依赖 miaosuan）。

依赖关系

本模型依赖以下组件（由妙算平台或基础模型提供）：

• miaosuan 仿真引擎；
• 基础 IP 模型：miaosuan_models_basic.ip；
• 基础 UDP 模型：miaosuan_models_basic.udp（AODV 控制报文通过 UDP 传输）。

在节点内部，推荐的连接方式为：

应用业务 ↔ IP ↔ UDP ↔ AODV

AODV 模块与 UDP 模块通过一对输入/输出流直接相连，AODV 不参与业务数据转发，仅负责路由控制与 IP 路由表维护。

AODV 进程模型概览

状态机

models/aodv.pr.m 对应的 Python 实现在 AodvProcess 中，状态机主要包括：

• Register：注册阶段
  • 记录自身模块与所在节点；
  • 将进程注册到节点进程表中（协议名为 "aodv"）；
  • 通过一个非常短的自中断等待 UDP 完成初始化。
• Init：初始化阶段
  • 读取模块属性 Subnet，解析为 IPv4 网段；
  • 在节点上查找 IP 模块及其内部数据（接口表等）；
  • 在该子网内确定本节点 IPv4 地址，并收集启用 AODV 的接口；
  • 初始化路由表、邻居表、RREQ 缓存等内部状态；
  • 建立与 UDP 模块的通信关系，并在 UDP 端口 654 上注册为应用。
• Idle：工作阶段
  • 响应自中断（定时器）、流中断（来自 UDP 的 AODV 报文）、远程中断（来自 IP 的按需路由请求）；
• Disabled：禁用状态
  • 若在指定子网内未找到启用 AODV 的接口，则进入该状态，保持空转。

模块属性：Subnet

在 models/aodv.pr.m 中，AODV 模块定义了一个可配置属性：

• Subnet（字符串，默认 "192.168.1.0/24"）
  指定 AODV 管理的 IPv4 子网。

在运行时，AODV 会：

• 在本节点的 IP 接口表中查找位于该子网内的接口，并将其中一个接口地址作为本节点 AODV 地址；
• 在所有接口上检查是否启用了 AODV（interface.routing_protocols 中包含 "AODV"），将这些接口加入 enabled_intfs，用于后续广播 Hello、RREQ、RERR 等控制报文。

若在 Subnet 指定的范围内找不到本节点地址，将直接抛出错误；若没有任何接口启用 AODV，则初始化完成后进入 Disabled 状态。

与 IP/UDP 模型的交互

与 IP 模型

AODV 通过基础 IP 模型提供的接口进行路由协同：

• 启动时调用 on_demand_routing_protocol_register，将自己注册为某子网的“按需路由协议”；
• 通过 add_route_entry / remove_route_entry 在 IP 的 RIB 中增删路由，路由来源标识为 "aodv"；
• 当 IP 无现成路由且需要按需路由时，通过远程中断通知 AODV：
  • AODV 收到 ON_DEMAND_NOTIFY_TYPE_NEED 类型的通知后，发起路由发现（RREQ）；
  • 路径建立成功后，通过 ip_on_demand_routing_notify（类型 ON_DEMAND_NOTIFY_TYPE_FOUND）回告 IP 层，IP 随后即可使用新路由。

路由表条目结构大致为：

• 目标前缀：/32 单主机路由；
• 跳数（hop count）作为度量值（metric）；
• 下一跳地址及出接口；
• 行政距离使用 ADMIN_DIST_AODV。

与 UDP 模型

AODV 所有控制报文均通过 UDP 端口 654 发送，数据平面业务流量仍由 IP/UDP 及上层应用处理。

初始化流程如下：

1. 通过 ms.get_out_streams() / ms.get_in_streams() 获取与 UDP 相连的流；
2. 使用 pr_discover 校验相连模块的进程属性，确保确实为 UDP 模块；
3. 使用远程中断向 UDP 发送 udp_command ICI：
   • command = "listen"；
   • app module id = AODV 模块 ID；
   • local port = 654；
4. 之后 UDP 会将目的端口为 654 的报文提交给 AODV，ICI 类型为 udp_ind，其中至少包含：
   • remote address：对端地址（整数形式）；
   • remote port：对端端口；
   • in intf idx：入接口索引。

收到来自 UDP 的报文后，AODV 会：

• 校验源端口是否为 654，否则丢弃；
• 将 remote address 转换为 IPv4 地址；
• 解析 aodv 报文格式中的 header 与 data 字段，并根据消息类型分发到对应处理函数。

发送报文时，AODV 会创建 udp_ind ICI，设置远端地址、端口和本地端口（654），再通过与 UDP 相连的输出流发送。

协议行为与内部数据结构

主要数据结构

在 pycodes/aodv/src/aodv/__init__.py 中定义了若干核心数据结构：

• RouteEntry：路由表条目，包含目的地址、目的序列号、跳数、下一跳、出接口、生命周期、路由状态等；
• NeighborEntry：邻居表条目，保存邻居地址、最近一次收到 Hello 的时间、Hello 序列号、链路状态等；
• RreqMessage / RrepMessage / RerrMessage / HelloMessage：对应 AODV 标准中的四类控制消息；
• RreqCacheEntry：RREQ 缓存，避免重复处理同一（源，RREQ ID）组合。

数据包格式 models/aodv.pkt.m 中的 header / data 字段分别指向这些 Python 对象。

路由发现（RREQ/RREP）

在 IP 请求按需路由或已有路由失效时，AODV 会调用 initiate_route_discovery：

• 若路由表中已经存在有效路由且未超时，直接通知 IP “已找到”；
• 否则：
  • 增加本端序列号；
  • 构造 RreqMessage，包含目标地址、本端地址及序列号等；
  • 若已有目标的有效序列号，则填入；否则设置 AODV_FLAG_UNKNOWN_SEQ_NUM 标志；
  • 为 RREQ 分配新的 rreq_id，并通过 broadcast_rreq 在所有启用 AODV 的接口上广播。

其他节点收到 RREQ 后会：

• 使用 RreqCacheEntry 过滤重复 RREQ；
• 更新到原始发起者（originator）的反向路由；
• 若自己即为目标，或已有更“新”的到目标的有效路由，则生成 RREP：
  • 若为目标节点，则根据当前序列号构造新的 RREP；
  • 若使用已有路由回复，则沿用路由中的跳数、序列号和剩余生命周期；
• 将 RREP 通过 UDP 单播返回至上一跳。

收到 RREP 的中间节点会更新到目标的正向路由，并按 AODV 规则继续转发，直至到达原始发起者。

邻居维护与 Hello 消息

AODV 周期性发送 Hello 报文用于邻居探测和链路维护：

• 定时器周期由 hello_interval 控制（默认 1s，内部常量）；
• 发送 Hello 时，增加本端序列号，并在 HelloMessage 中携带生命周期 life_time（默认与活动路由超时相关）。

收到 Hello 后：

• 若邻居已存在于邻居表，更新其最近收到时间与序列号；
• 若为新邻居，创建对应 NeighborEntry，并为其建立一条跳数为 1 的路由。

清理定时器（cleanup_interval，默认 30s）负责：

• 移除已过期的路由（生存时间超时），并从 IP 路由表中删除；
• 若邻居超过 allowed_hello_loss * hello_interval 时间无 Hello，则判定为失效，删除邻居并触发相关路由失效；
• 清除过期的 RREQ 缓存项。

路由错误（RERR）

当检测到经由某邻居的路由失效（例如邻居超时）时，AODV 会：

• 将相关路由状态标记为无效，并从 IP 路由表中移除；
• 根据失效目的集合构造 RerrMessage，在启用 AODV 的接口上广播；
• 其他节点收到 RERR 后会沿着前向路径传播失效信息，联动清理自身的相关路由。

默认参数与限制

当前实现中，若干 AODV 参数以常量形式内建（暂未暴露为可配置属性），包括但不限于：

• DEFAULT_ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT = 3.0 秒；
• DEFAULT_HELLO_INTERVAL = 1.0 秒；
• DEFAULT_ALLOWED_HELLO_LOSS = 2；
• DEFAULT_RREQ_RETRIES = 2；
• DEFAULT_NET_DIAMETER = 35 等。

其他注意事项：

• 仅支持 IPv4 地址（使用 ipaddress.IPv4Address）；
• AODV 控制报文统一使用 UDP 端口 654；请避免在同一节点上将该端口分配给其他应用；
• AODV 模块假定其与 UDP 模块之间存在唯一的一对流连接，并作为唯一的 AODV 进程注册到节点上。

在仿真中的使用建议

• 在需要 AODV 的节点上：

  1. 放置 IP 模块、UDP 模块以及 AODV 模块，并按 IP ↔ UDP ↔ AODV 方式连线；
  2. 在 IP 接口配置中，为需要运行 AODV 的接口启用 AODV（routing_protocols 包含 "AODV"）；
  3. 在 AODV 模块属性中，将 Subnet 设置为覆盖该节点 IP 地址的网段；
  4. 使用妙算提供的业务流模型（如 UDP/TCP 应用）产生数据流，依赖 IP 的按需路由机制触发 AODV 路由发现。

• 若需要二次开发或调试：

  • 可以直接阅读 pycodes/aodv/src/aodv/__init__.py，其中对每个步骤都附有日志输出（使用 logging 标准库），便于在仿真中追踪路由发现、邻居更新和路由错误传播过程。