國家級虛擬仿真實驗教學一流本科課程《無人機集群技術》第二章

無人機集群網絡體系結構與協同控制架構目錄2.1網絡體系結構的分層設計2.2網絡體系結構的常用術語2.3網絡體系結構的各層主要功能2.4無人機集群網絡體系結構2.5無人機集群協同控制架構2.6基于圖論的無人機集群協同控制方法2.7本章小結網絡體系結構的分層設計2.1網絡分層的形成網絡體系結構提出的背景網絡的復雜性和異質性不同的通信介質：有線、無線……不同的設備類型：終端、路由器、交換機……不同的操作系統：Linux、Unix、Windows……不同的軟、硬件接口和通信協議對于如此復雜的網絡結構，用什么方法能合理地組織？分而治之——分層！！！2.14采用分層設計方法的原因1為什么網絡協議棧的設計要采用分層的方法？分層可以將龐大而復雜的問題，轉化為若干簡單問題來解決對等層是有共識的用戶快遞公司運輸部門運輸通道網絡分層的形成2.15獨立性強易實現和維護【每層不需要知道它的上、下層是如何進行功能實現的】【各層可采用最適合的技術】靈活度高【當任意層發生變化時，只要接口不變，上下層均不受影響】促進標準化【各開發商的設計標準得到統一，進而可以協同開發】分層的網絡體系結構帶來哪些優勢呢？分層的優勢與設計2.16分層優勢與設計分層設計的原則層間通過接口進行通信，跨越接口的信息量盡可能少34把應用程序和通信管理程序分開。還要將通信管理程序分為若干個模塊，通信接口標準化。12根據功能需要分層每層獨立，功能明確層數適中，不能太多：避免體系結構過于龐大。層數不能過少：避免多種功能混于同一層，造成協議太復雜2.17網絡分層的研究方法研究方法：

1.按功能抽象分層2.定義層間的接口和提供的服務

3.定義同層間通信的規則——協議網絡體系結構的三要素：

1.層

2.服務：垂直的，由下層向上層通過層間接口提供。

3.協議：水平的，控制對等實體間的通信的規則。2.18網絡的各層及其協議的集合稱為網絡的體系結構網絡分層的形成2.19網絡分層的形成OSI協議集發展歷史ISO（國際標準化組織）和CCITT（國際電報電話咨詢委員會）對網絡管理的標準化工作始于1979年，并于1981年正式推薦了聯合制定的OSI(OpenSystemInterconnect，開放式系統互連)國際標準。TCP/IP協議集發展歷史TCP/IP（Transmissioncontrolprotocol/Internetprotocol）協議產生于20世紀70年代后期，當時ARPA為實現異構網之間的互聯和互通，大力資助互聯技術的研究和開發，從而導致了TCP/IP的發展。

1980年，ARPANET上所有的機器采用TCP/IP協議，以ARPANET為主干建立了Internet。到80年代末90年代初，TCP/IP協議集成為了Internet事實上的標準。2.110網絡分層的形成

對TCP/IP協議集的評價

TCP/IP是Internet的支撐協議，是目前使用最廣泛的協議。TCP/IP網絡體系結構的主要優點：1、簡單、靈活、易于實現。2、充分考慮不同用戶的需求。AndrewS.Tanenbaum在書中指出TCP/IP：1、沒有明顯地區分出協議、接口和服務的概念。2、不通用，只能描述它本身。3、主機-網絡層只是個接口。4、不區分物理層和數據鏈路層。

——有缺陷的協議，但很難被替換。

2.111網絡分層的形成

對OSI協議集的評價

OSI是20世紀80年代計算機網絡技術國際標準，網絡體系結構的主流。OSI網絡體系結構的核心貢獻：

1、分層模型

2、服務、接口和協議

AndrewS.Tanenbaum在書中評價OSI：

1、糟糕的提出時機（太晚，上世紀80年代提出，90年代修訂）2、糟糕的技術（模型和協議都有缺陷）3、糟糕的實現（龐大，笨拙，緩慢）4、糟糕的策略（政府和組織的官僚）

2.112網絡的主要功能網絡的主要功能

1、數據通信：實現網絡中不同節點之間的各種數據傳輸。它是網絡最基本的功能，也是其他功能實現的基礎；2、資源共享：實現數據、硬件和軟件三類資源的共享。它是構建網絡的主要目的；3、負荷均衡：將網絡中的負荷均勻地分配給網絡中的系統，如當網絡上某個系統的負載過重時，通過網絡程序的控制和管理，將負荷交給網絡上的其他系統去處理。4、分布處理：將任務分配給多個計算機去處理，以提高系統的處理能力。2.113網絡體系結構的常用術語2.2實體與協議實體entity

實體是指層中的活動元素。它可以是軟件，也可以是硬件。不同節點中位于同一層次的實體稱為對等實體（peerentity）。實體若要做到有條不紊地交換數據，就必須遵守一些事先約定好的規則。這種控制兩個對等實體（或多個實體）進行通信的規則的集合，就稱為網絡協議，簡稱協議。協議protocol

2.215協議的組成協議的組成：3語序1語義2語法指需要發出何種控制信息，完成何種動作及做出何種應答。（要做什么）描述數據傳輸的格式，包括數據及控制信息的格式、編碼及信號電平等。（該怎么做）事件實現順序的詳細說明，定義了何時進行通信及以多快的速率發送等。（做的順序）2.216服務與服務訪問點定義：(n)實體向(n+1)實體提供的相互通信的能力，是(n+1)實體能看見的(n)實體提供的功能集合。

服務與功能的區別：每一層提供的功能很多，但只有被上層調用的才叫做服務。

服務訪問點（ServiceAccessPoint,SAP）：

是指在同一系統中相鄰兩層的實體進行信息交換的地方。SAP是一個抽象的概念，本質是一個邏輯接口。服務service

2.217服務用戶與服務提供者第n層的兩個“實體（n）”之間通過“協議（n）”進行通信。第n層向上面的第n+1層所提供的服務實際上已包括了在它以下各層所提供的服務。協議(n+1)SAPSAP交換原語交換原語實體(n+1)服務提供者第n層第n+1層實體(n+1)服務用戶實體(n)實體(n)協議(n)2.218協議其實現保證了能夠向上一層提供服務對上層的服務用戶是透明

是“水平的”服務上層使用服務原語獲得下層所提供的服務上層的服務用戶只能看見服務，無法看見下層協議是“垂直的”協議服務的關系2

1、服務是各層向上層提供的一組原語（操作），只定義接口不涉及具體實現。只告訴上層能干什么，以及怎么調用，上層并不知道究竟是怎么實現的。

2、協議定義同層對等實體的具體規則，協議是服務的實現。

3、實體利用協議實現服務定義的接口；只要服務不變，可以任意改變協議。服務與協議2.219數據單元網絡中信息傳送的單位為數據單元對等實體在協議的控制下交換信息對等層之間：協議數據單元相鄰層實體按服務交換信息層與層之間：服務數據單元網絡各層的協議數據單元2.220網絡層次中間設備定義作用物理層中繼器Repeater一種最簡單的網絡互聯設備將信號放大，使信號能傳的更遠集線器Hub一種能夠提供多端口服務的中繼器，也稱為“多端口中繼器”可實現多臺計算機之間的互聯，把每個輸入端口的信號放大再發到別的端口去數據鏈路層網橋Bridge一個局域網與另一個局域網之間建立連接的橋梁根據MAC地址來轉發幀交換機Switch交換機使用硬件來完成以往網橋使用軟件來完成過濾、學習和轉發過程的任務能分辨幀中的源MAC地址和目的MAC地址，因此可以在任意兩個端口間建立聯系網絡層路由器Router路由器利用IP地址來區別不同的網絡，實現網絡的互連為IP數據包尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的站點網絡層以上網關Gateway僅用于兩個高層協議不同的網絡互連不同的通信協議、數據格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統之間，網關是一個翻譯器中間設備2.221IP地址與硬件地址IP地址

InternetProtocolAddressIP地址的含義是互聯網協議地址，給網絡上的每一臺主機（或路由器）的每一個接口分配一個在聯通范圍內是唯一的標識符。兩級的IP地址可以記為：硬件地址網絡中每臺設備都有一個唯一的網絡標識，這個地址叫MAC地址（MediaAccessControlAddress）或硬件地址，由網絡設備制造商生產時寫在硬件內部。2.222IP地址與硬件地址

兩類地址的區別使用IP地址的IP數據報一旦交給了數據鏈路層，就被封裝成MAC幀。MAC幀在傳送時使用的源地址和目的地址都是硬件地址，這兩個硬件地址都寫在MAC幀的首部中。2.223網絡體系結構各層的主要功能2.3五層協議的體系結構數據鏈路層5應用層4運輸層3網絡層2數據鏈路層1物理層應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網絡層(networklayer)數據鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)2.325應用層每個應用層協議都是為了解決某一類應用問題而設計的，應用層的具體內容就是規定應用進程在通信時所遵循的協議。許多應用層的協議都是基于客戶服務器方式。客戶服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務關系。客戶是服務請求方，服務器是服務提供方。2.326傳輸層從通信和信息處理的角度看，傳輸層向它上面的應用層提供通信服務，它屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層。當網絡的邊緣部分中的兩個節點使用網絡的核心部分的功能進行端到端的通信時，只有位于網絡邊緣部分的主機的協議棧才有傳輸層，而網絡核心部分中的路由器在轉發分組時都只用到下三層的功能。2.327傳輸層從傳輸層的角度看，通信的真正端點并不是節點，而是節點中的進程。即端到端的通信是應用進程之間的通信。應用進程應用進程端口端口5432154321傳輸層提供應用進程間的邏輯通信321321網絡層AP1AP4AP2AP3網絡層和傳輸層的作用不同節點A節點B路由器1路由器2LAN2WANLAN1AP1AP2AP3AP4網絡層協議IP的作用范圍傳輸層協議TCP和UDP的作用范圍2.328網絡層網絡層（NetworkLayer）網絡層是通信子網的最高層，因而網絡層是直接為資源子網服務的。網絡層根據不同的設計原則，為上層用戶提供的服務質量差異非常大。網絡層功能是為通信節點間建立、保持和終止網絡連接，提供網絡層數據服務、路由選擇、網間互連、QoS支持及相應的路由安全保證。2.329網絡層

網絡層的路由表設計：

1.路由編址：

路由選擇能不能使用硬件地址？即路由表中是否可以使用硬件地址？2.路由表選項：路由表應盡可能完整涵蓋所有目的節點。一般不以目的節點作為表項。路由表中出現的下一跳地址一般都是目的網絡。查找路由時通常會有多個命中的選項，路由器將按照指定的規則進行選擇下一跳轉發的地址。2.330路由算法：Dijkstra算法原理每個節點用從源節點沿已知最佳路徑到本節點的距離來標注；初始時，將源節點標注為0，并令其為工作節點；檢查與工作節點相鄰的臨時性節點，若該節點到工作節點的距離與工作節點的標注之和小于該節點的標注，則用新計算得到的和重新標注該節點；在整個圖中查找具有最小值的臨時性標注節點，將其變為永久性節點，并成為下一輪檢查的工作節點；重復第3、4步，直到目的節點成為工作節點。2.331數據鏈路層數據鏈路層在物理線路之上，建立相鄰節點之間的數據鏈路。通過差錯控制，提供可靠的數據傳輸。封裝成幀：將二進制數據進行封裝（幀定界/幀同步）透明傳輸：可以傳輸任意組合的數據流差錯控制：處理傳輸差錯，保證按序可靠接收數據幀基本功能2.332數據鏈路層封裝成幀封裝成幀是在一段數據的前后分別添加首部和尾部。控制字符SOH（StartOfHeader）放在一幀的最前面，表示幀的首部開始。控制字符EOT（EndOfTransmission）表示幀的結束。2.333數據鏈路層透明傳輸“透明”可以理解為：無論發送什么樣比特組合的數據，這些數據都能夠按照原樣沒有差錯地通過這個數據鏈路層。如何使數據中可能出現的控制字符“SOH”和“EOT”在接收端不被解釋為作為幀起止的控制字符？2.334數據鏈路層透明傳輸SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數據EOTEOT經過字節填充后發送的數據字節填充字節填充字節填充字節填充發送在前幀開始符幀結束符SOH發送端的數據鏈路層在數據中出現控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字符“ESC”這種方法稱為字節填充或字符填充。2.335數據鏈路層差錯控制循環冗余碼（CyclicRedundancyCheck，CRC，多項式編碼）生成多項式G(x)：例如位串110001，表示成多項式x5+x4+1，需滿足以下三點要求：

1.發方、收方事前約定。

2.生成多項式的最高位和最低位必須為1。3.生成多項式必須比傳輸信息對應的多項式短。2.336數據鏈路層差錯控制k

位n

位除數Pn+1位原始數據00…0CRC余數Rn

位原始數據CRCk

位n

位除數Pn+1位原始數據CRC余數若余數=0，接收若余數≠0，丟棄發送方接收方CRC校驗基本思想：CRC碼（即校驗和）加在尾部，使帶CRC碼的幀的多項式能被G(x)除盡；收方接收時，用G(x)去除它，若有余數，則傳輸出錯2.337數據鏈路層差錯控制CRC碼計算方法第一步：設G(x)為r階，在幀的末尾加r個0，使幀成為m+r位，相應多項式為xrM(x)。第二步：按模2除法用對應于G(x)的位串除對應于xrM(x)的位串。第三步：按模2減法從對應于xrM(x)的位串中減去余數（等于或小于r位），得到要傳送的帶校驗和的多項式T(x)。2.338數據鏈路層差錯控制2.339剛才的例子中是否存在問題？存在不存在在特定情況下存在ABC提交40單選題10分數據鏈路層差錯控制三種典型的應答方式：正向應答:只對正確的信息應答。負向應答:只對錯誤的信息應答。雙向應答:既對正確的信息應答，也對錯誤的信息應答。2.341物理層物理層位于網絡體系結構中的最底層。實現在物理媒體上透明地傳送原始比特流。實際的比特傳輸必須依賴于傳輸設備和物理媒體，但物理層設計時考慮的是如何在傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的物理設備和傳輸介質。注意：2.342無人機集群網絡體系結構2.4無人機集群網絡無人機集群是一種多架無人機能自主運動和完成任務，且有網絡保證和上層算法控制的一種系統。多架無人機之間的通信不完全依賴于地面控制站等通信基礎設施每個無人機節點同時具有收發信息和路由器的功能，能夠通過多跳的方式傳輸各無人機節點之間能夠相互發送指令信息，交換對周圍環境的感知態勢等數據無人機之間通過自組織的方式建立連接無人機集群無人機集群網絡的設計思想2.444無人機集群網絡中小型無人機自身能量限制通信能力，因此，需要多跳通信，即借助其它節點轉發。當無人機節點N1傳輸數據給節點N8，可以選擇不同的多跳路徑。如果節點N4離開使廣播鏈路斷開，可以切換到N1-N5-N6-N8，保證正常通信，增強網絡的穩定性。2.445無人機集群網絡體系結構無人機集群網絡對無人機間信息交互的穩定性和可靠性提出了更高的要求。無人機集群網絡采用四層協議體系結構，沒有傳輸層。無人機節點高速移動和動態拓撲變化會引起鏈路質量不穩定，傳輸層出現丟包率和誤碼率增加的問題。2.446網絡體系結構對比各種網絡體系結構層次對比2.447無人機集群網絡—物理層物理層物理層的設計目標是以較低的能量消耗，克服無線媒介的傳輸損耗，獲得較大鏈路容量。關鍵技術包括調制解調、信道編碼、多天線、自適應功率控制等。還要考慮無人機節點距離、節點密度以及實際通信鏈路變化問題。2.448無人機集群網絡—數據鏈路層數據鏈路層主要負責相鄰節點之間鏈路建立和數據傳輸，用來協調多節點間如何共享無線資源，即控制通信節點對無線信道的接入，實現對共享無線信道的訪問控制。數據鏈路層該層包括邏輯鏈路層和介質訪問控制層（MAC層）兩個子層。2.449無人機集群網絡—網絡層網絡層網絡層功能是為通信節點間建立、保持和終止網絡連接，提供網絡層數據服務、路由、網間互聯等網絡層的數據交換技術主要是指網絡中間節點所提供的數據交換功能。2.450無人機集群網絡—應用層應用層應用層直接面向無人機通信系統的應用，它會結合不同的作戰任務和功能需求，為無人機終端提供具有實際意義業務數據。每個應用層協議都是為了解決某一類應用問題的通信規約。2.451知識點回顧數據鏈路層在物理線路之上，建立相鄰節點之間的數據鏈路。通過差錯控制，提供可靠的數據傳輸。封裝成幀：將二進制數據進行封裝（幀定界/幀同步）透明傳輸：可以傳輸任意組合的數據流差錯控制：處理傳輸差錯，保證按序可靠接收數據幀基本功能52知識點回顧差錯控制k

位n

位除數Pn+1位原始數據00…0CRC余數Rn

位原始數據CRCk

位n

位除數Pn+1位原始數據CRC余數若余數=0，接收若余數≠0，丟棄發送方接收方CRC校驗基本思想：CRC碼（即校驗和）加在尾部，使帶CRC碼的幀的多項式能被G(x)除盡；收方接收時，用G(x)去除它，若有余數，則傳輸出錯53無人機集群協同控制架構2.5無人機集群的協同控制架構（1）集中式控制架構系統中存在一個中心節點，由中心節點完成整個系統的任務指派、調度和協調，無人機僅充當任務執行者的角色。2.555集中式架構集中式最顯著的特點是存在控制中心。控制中心可以是地面控制中心、海基平臺或空中的預警機平臺，也可以是集群中功能更加完善的領航無人機。集群中的無人機個體接受單個或多個中心控制。無人機之間互相不通信，而直接和控制中心進行聯系。2.556集中式架構是當前最直接、最成熟的集群架構模式控制。控制中心的存在使得該架構全局性強，協調效率比較高，適合系統架構簡單和集群整體行為要求較高的無人機集群。優勢劣勢正是由于控制中心的存在，導致魯棒性差、靈活性差和適應性差。如果無人機與控制中心失去聯系，它將無法繼續執行任務。隨著無人機數量的增加，控制中心的通信負荷、計算負荷增高，易出現通信擁塞和中心反應遲滯的問題。2.557無人機集群的協同控制架構（2）分布式控制架構系統中不存在控制中心，系統成員之間平等，它們采用自治協商的方式共同完成全局任務2.558分布式架構分布式架構分類單層+單組適合數量少、同構無人機分散式分層式單層+多組適合數量多、同構無人機多層+多組適合異構無人機多層+單組適合異構無人機2.559分布式架構每個無人機個體可以自主決策和控制。對于大規模無人機集群系統而言，分布式控制將是唯一選擇。分布式有較好的魯棒性、可靠性、通信和決策實時性等優點。優勢全局性考慮不足，難以得到全局最優解。分布式方式任務完成效率較低，難以充分發揮集群優勢。該架構是一種朝著“完全自主”方向發展的構型，對無人機間協同能力要求很高。劣勢2.560集散式架構集群中有如空中預警機、地面控制中心、艦載指控中心等控制中心，組成協同決策核心；子群個體之間的協作和控制模式類似于分布式控制。2.561集散式架構優勢劣勢集散式任務規劃和執行架構結合了集中式與分布式兩者的特點及突出優勢。既有全局優勢，也有對計算負荷、通信負荷、集群魯棒性和生存力方面的考量。由于多控制中心和多無人機子群的存在，集散式架構需要合適的協調機制。否則，集群任務規劃與執行無從談起，甚至會相互沖突。2.562基于圖論的無人機集群協同控制方法2.6圖論的概念一個圖G可用(V,E,φ)三元組來表示V:頂點集（Vertex-set）E

:

邊集（Edge-set）φ

:關聯函數，刻畫了頂點和邊之間的關聯關系圖有向圖當一個圖G的邊集是由不同節點組成的有序對構成時，該圖就稱為有向圖。有向圖2.564圖論的概念將無人機集群的拓撲結構抽象為圖鏈路節點頂點邊2.565圖論的概念若任意兩個頂點都能通過