無人機集群作戰(zhàn)通信Amesh自組網的關鍵技術探討

在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中，集群無人機Amesh網絡以其高度的自適應性、抗毀性和網絡拓撲結構動態(tài)可變性等的巨大優(yōu)勢成為未來無人機集群作戰(zhàn)的研究熱點。文章闡述了無人機Amesh網絡的基本概念，分析了無人機Amesh網絡的研究目的、面臨的問題，探討了集群無人機amesh網絡的關鍵技術。

關鍵詞：集群無人機；Amesh網絡；關鍵技術

隨著無人機技術、通信與網絡技術等的迅速發(fā)展，無人機在軍用領域的應用越來越廣泛，特別是在復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境下，無人機執(zhí)行情報偵察、戰(zhàn)場監(jiān)控、目標打擊、電子對抗、中繼通信等任務的優(yōu)勢越來越明顯[1]。但同時單架無人機執(zhí)行上述任務面臨著監(jiān)視范圍窄、監(jiān)視角度小、殺傷半徑小、工作效率低、毀傷能力弱等諸多方面的限制，制約了整體無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的提高。因此，無人機集群作戰(zhàn)將是未來戰(zhàn)場的主流趨勢。

1 無人機自組網簡介

1.1 無人機自組網基本概念

無人機自組織網絡（無人機Amesh網絡）是在無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)中，無人機間的通信不完全依賴于地面控制站或衛(wèi)星等固定基礎通信設施，而是將無人機作為移動網絡節(jié)點，各節(jié)點間依靠無線通信設備模塊實現(xiàn)無線通信的自主管理的動態(tài)網絡[2]。其具備無線多跳路由、節(jié)點高速移動性、網絡拓撲結構高動態(tài)變化性、節(jié)點網絡結構的異構性、非集中和自組織性、抗毀傷及抗干擾、智能性強等特點[3-5]。

1.2 無人機自組網研究的主要目的

（1）提高無人機集群的作戰(zhàn)效能。由于單個無人機攜帶模塊的限制，只能完成特定作戰(zhàn)任務，要想其完成其他作戰(zhàn)任務得由其他無人機完成，或者通過更換模塊然后重新升空完成任務，這樣使得無人機整體的作戰(zhàn)效能低[6]。但當無人機集群形成自組網絡時，此時的無人機集群就是一個完整的有機系統(tǒng)，可以同時完成多種作戰(zhàn)任務，這樣便可大幅度提高無人機集群的作戰(zhàn)效能。

（2）實現(xiàn)系統(tǒng)的可控性。無人機自組網是由所有無人機節(jié)點聯(lián)網后所形成的，因此，地面站控制中心或衛(wèi)星等設備既可以對每個終端直接控制，還通過自組網實現(xiàn)對終端的控制。

（3）提高無人機系統(tǒng)抗干擾的能力。通過自組網絡使得無人機集群間不再是簡單的鏈式結構，即使在鏈中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，無人機整個無人機系統(tǒng)也不會癱瘓，這就意味著無人機系統(tǒng)的抗干擾能力得到了大幅提高[7]。

2 無人機自組網面臨的問題

這幾年來無人機自組網的設計研究一直都是實現(xiàn)無人機集群作戰(zhàn)的核心方向之一，而且美國的研究報告《無人機路線圖》和《無人系統(tǒng)一體化路線圖》都重點指明無人機自組網設計是未來無人機集群作戰(zhàn)網絡的研究方向，但是目前依然面臨著許多問題。

2.1 路由協(xié)議與MAC層協(xié)議問題

集群無人機執(zhí)行作戰(zhàn)任務時，無人機節(jié)點間的相對移動較快，且網絡拓撲結構復雜，勢必導致分組數(shù)據(jù)的丟失和路由的重新選擇，這將會增加集群無人機自組網的開銷，造成數(shù)據(jù)網絡傳輸?shù)亩氯蓙y，降低了信道的利用率[7]，這就需要依靠路由協(xié)議與MAC層協(xié)議去解決。

2.2 網絡服務質量（QoS）問題

集群無人機自組網的重要功能之一便是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可靠高速傳輸，服務質量控制算是無人機集群作戰(zhàn)自組網的關鍵技術之一。由于無人機自組網具備路由多跳性、網絡拓撲結構多變性、帶寬有限性等，使得網絡服務質量難以得到保證。

2.3 安全性及信息處理能力問題

自身無線鏈路因固有的開放特性而存在無線信道傳送的數(shù)據(jù)信息容易被竊聽、篡改及干擾等安全漏洞[8]；由于無人機自組網傳輸?shù)男诺缼捰邢蓿绻@些數(shù)據(jù)信息不進行過濾、融合、壓縮等預處理，會直接影響無線信道傳輸?shù)男剩菀自斐尚诺赖淖枞?/p>

3 無人機自組網的關鍵技術

3.1 路由協(xié)議

由于無人機集群作戰(zhàn)的自組網中的無線通信是通過無人機節(jié)點進行的，網內的每個無人機節(jié)點都可以作為路由器，向其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，因此，開發(fā)一種良好的路由協(xié)議是建立可靠、高效、擴展性好的無人機Amesh網絡的關鍵[9]。一種理想的路由協(xié)議通常要能實現(xiàn)以下功能：（1）能動態(tài)感知自組網拓撲結構的變化；（2）能自主維護自組網拓撲的連接；（3）高度自適應的路由；（4）提供安全機制等。目前的無人機自組網路由協(xié)議通常分為反應式路由、先應式路由、混合式路由、靜態(tài)路由、基于地理位置路由等，如表1所示[2]。所以，開發(fā)一種適合無人機集群作戰(zhàn)自組網的路由協(xié)議是解決實現(xiàn)無人機自組網可靠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵。

3.2 MAC協(xié)議

MAC層協(xié)議直接管理著無線信道上分組的收發(fā)，它直接決定非常有限的無線通信資源的效率高低，對無人機Ad hoc網絡的性能起著關鍵性的作用。高效的MAC協(xié)議應該具備更高的信道重用能力、避免信道數(shù)據(jù)沖突能力、有效解決數(shù)據(jù)沖突的能力等。針對信道接入策略的不同，目前的無人機Amesh網絡的MAC協(xié)議通常可分為3類：（1）基于競爭機制的MAC協(xié)議；（2）基于調度機制的MAC協(xié)議；（3）混合類MAC協(xié)議。

3.3 服務質量

由于無人機Amesh網絡具有無線多跳路由、網絡拓撲結構復雜多變、帶寬有限等特性，使得傳統(tǒng)的服務質量控制協(xié)議不能滿足無人機集群Amesh網絡間數(shù)據(jù)信息的可靠高速傳輸要求，所以，急需研究設計一款高效的網絡服務質量控制協(xié)議，使得無人機Ad hoc網絡中各節(jié)點能協(xié)同工作，共同高效完成作戰(zhàn)任務。目前無人機Amesh網絡的服務質量控制協(xié)議主要有：QoS信令協(xié)議、系統(tǒng)QoS模式、QoS-MAC訪問控制及QoS路由算法等。

3.4 網絡安全策略與認證技術

由于無人機Amesh網絡通過在無人機節(jié)點間進行無線信道通信，易受到被動竊聽、敵方入侵、信息攔截、篡改偽造等攻擊。當無人機節(jié)點在復雜戰(zhàn)場上高速移動時，由于移動終端與無線網絡之間缺乏固定的物理連接，網絡易被其他用戶占用，也使得受到攻擊的風險增加。當前可用的網絡安全策略主要有[9]：（1）基于密碼的認證協(xié)議，是指所有網絡節(jié)點都參與對話密鑰的生成，因此，攻擊者無法阻止密鑰的生成。（2）“復活節(jié)鴨”安全模型，“復活節(jié)鴨”安全模型基于鴨子在孵化時將第一個移動物體視為其母親的原則。（3）異步分布式密鑰管理，該方法使用加密機制來保護路由信息和數(shù)據(jù)交換。

4 結語

在未來復雜的戰(zhàn)場環(huán)境中，集群無人機依托Amesh網絡協(xié)同通信作戰(zhàn)是未來無人機集群作戰(zhàn)的主流趨勢，因此，無人機Ad hoc網絡技術的研究具有廣泛的前景，其中，通信網絡中路由協(xié)議、MAC協(xié)議、QoS協(xié)議及網絡安全技術是未來無人機集群Amesh網絡的重點研究方向。

并行計算與集群技術（2）

云計算基礎架構——集群技術 集群的基本概念

集群是一組獨立的計算機（結點）的集合體，結點間通過高性能網絡相連接，各結點除了作為一個單一的計算資源供用戶使用外，還可以協(xié)同工作，并表示為一個單一的、集中的計算資源，供并行計算任務使用。集群是一種造價低廉、易于構建并且具有較好可擴展性的體

系結構。集群具有以下重要特征：

集群中的各個結點都是一個完整的計算機系統(tǒng)，結點可以是工作站，也可以是PC或對稱多處理器SMP.網絡連接上通常使用如以太網、FDDI、光纖等商用網絡設備，部分商用集群也采用專

用網絡互聯(lián)。網絡接口與結點的I/O總線松耦合相連。各結點具有本地磁盤。各結點有自己的獨立的操作系統(tǒng)。

集群系統(tǒng)的設計中要考慮5個關鍵問題。可用性：集群系統(tǒng)有一個提供可用性的中間層，它使集群系統(tǒng)可以提供檢查點、故障

接管、錯誤恢復以及所有結點上的容錯支持等服務。從而可以充分利用集群系統(tǒng)中的冗余資

源，使系統(tǒng)在盡可能長的時間內為用戶服務。單一系統(tǒng)映像 SSI (Single System Image) : 集群系統(tǒng)與一組互聯(lián)工作站的區(qū)別在于，集群系統(tǒng)可以表示為一個單一系統(tǒng)。集群系統(tǒng)中也有一個單一系統(tǒng)映像的中間層，它通過組合各結點上的操作系統(tǒng)提供對系統(tǒng)資源的統(tǒng)一訪問。作業(yè)管理（Job ) : 因為集群系統(tǒng)需要獲得較高的系統(tǒng)使用率，集群系統(tǒng)上的作業(yè)管理軟件需要提供批處理、負載平衡、并行處理等功能。并行文件系統(tǒng)PFS: 由于集群系統(tǒng)上的許多并行應用要處理大量數(shù)據(jù)，需進行大量的 I/0操作，而這些應用要獲得高性能，就必須要有一個高性能的并行文件系統(tǒng)。高效通信（ ) : 集群系統(tǒng)比MPP 機器需要一個更高效的通信子系統(tǒng)，因為集群系統(tǒng)的結點復雜度高，結點間的連接線路比較長，帶來了較高的通信延遲，同時也帶來了可靠性、時鐘扭斜（Clock Shew) 和串道（Cross-Talking) 等問題。 集群系統(tǒng)的分類

（1) 高可用性集群系統(tǒng)

高可用性集群系統(tǒng)通常通過備份結點的使用來實現(xiàn)整個集群系統(tǒng)的高可用性，活動結點

失效后備份結點自動接替失效結點的工作。高可用性集群系統(tǒng)就是通過結點冗余來實現(xiàn)的，一般這類集群系統(tǒng)主要用于支撐關鍵性業(yè)務，保證關鍵性業(yè)務的不間斷服務。

（2) 負載均衡集群系統(tǒng)

負載均衡集群系統(tǒng)中所有結點都參與工作，系統(tǒng)通過管理結點（利用輪詢算法、最小負

載優(yōu)先算法等調度算法）或利用類似一致性哈希等負載均衡算法實現(xiàn)整個集群系統(tǒng)內負載的均衡分配。

（3) 高性能集群系統(tǒng)

高性能集群系統(tǒng)主要是追求整個集群系統(tǒng)強大的計算能力，其目的是完成復雜的計算服務，在科學計算中常用的集群系統(tǒng)就是高性能集群系統(tǒng)，目前物理、生物、化學等領域有大

的高性能集群系統(tǒng)提供服務。

（4) 虛擬化集群系統(tǒng)

（4) 虛擬化集群系統(tǒng)

在虛擬化技術得到廣泛使用后，人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)服務器資源的充分利用和切分，將一臺融

務器利用虛擬化技術分割為多臺獨立的虛擬機使用，并通過管理軟件實現(xiàn)虛擬資源的分配和管理。這類集群系統(tǒng)稱為虛擬集群系統(tǒng)，其計算資源和存儲資源通常是在一臺物理機上。利用虛擬化集群系統(tǒng)可以實現(xiàn)虛擬桌面技術等云計算的典型應用。

目前基于集群系統(tǒng)結構的云計算系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)往往是幾類集群系統(tǒng)的綜合，它既需

要滿足高可用性的要求又盡可能地在結點間實現(xiàn)負載均衡，同時也需要滿足大量數(shù)據(jù)的處理任務。Hadoop、HPCC (High Cluster, 高性能計算集群）這類大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，前三類集群系統(tǒng)的機制都存在，而在基于虛擬化技術的云計算系統(tǒng)中采用的往往是虛擬化集群系統(tǒng)。

**集群文件系統(tǒng)：**集群文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)時并不是將數(shù)據(jù)放置于某一個結點存儲設備上，而是將數(shù)據(jù)按一定的策略分布式地放置于不同物理結點的存儲設備上。集群文件系統(tǒng)將系統(tǒng)中每個結點上的存儲空間進行虛擬的整合，形成一個虛擬的全局邏輯目錄，在進行文件存取時依據(jù)邏輯目錄按文件系統(tǒng)內在的存儲策略與物理存儲位置對應，從而實現(xiàn)文件的定位。集群文件系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)要復雜，它需要解決在不同結點上的數(shù)據(jù)一致性問題及分布式鎖機制等問題，所以集群文件系統(tǒng)一直是云計算技術研究的核心內容之一。

集群文件系統(tǒng)分為多種類型，按照對存儲空間的訪問方式，可分為共享存儲型集群文件

系統(tǒng)和分布式集群文件系統(tǒng)，前者是多臺計算機共享同一存儲空間，并相互協(xié)調共同管理其上的文件，又被稱為共享文件系統(tǒng)；后者則是每臺計算機各自提供自己的存儲空間，并各自協(xié)調管理所有計算機結點中的文件。Veritas的 CFS, 昆騰 , 中科藍鯨 BWFS, EMC 的

MPFS, 屬于共享存儲型集群文件系統(tǒng)；而HDFS、GFS、Gluster、Ceph、Swift 等互聯(lián)網常用的大規(guī)模集群文件系統(tǒng)都屬于分布式集群文件系統(tǒng)。分布式集群文件系統(tǒng)可擴展性更強，目前已知最大可擴展至10K個結點的規(guī)模。

并行計算的分類：

（1）按Flynn分類

斯坦福大學教授 Michael J. Flynn 于1972 年提出了經典的計算機結構分類方法，從最抽

象的指令和數(shù)據(jù)處理方式進行分類，通常稱為 Flynn 分類方法。Flynn 分類方法關注的是指令流（ Stream) 、數(shù)據(jù)流（Data Stream) 利名倍性（) , 按照， Fiynn 分類法，空間上的并行計算可分為兩類，單指今名粉掘流和多指今多數(shù)據(jù)流。

（1）單指令多數(shù)據(jù)流（Single stream Data stream, SIMD) .是一種采用一個控制器來控制多個處理器，同時對一組數(shù)據(jù)（又稱“數(shù)據(jù)矢量”） 中的每一個數(shù)據(jù)分別執(zhí)行相間的操作，從而實現(xiàn)空間上的并行技術。SIMD實現(xiàn)了數(shù)據(jù)級并行技術，其典型代表是向量處理器（Vector ) 和陣列處理器（Array ) .SIMD 技術的關鍵是在1條單獨的指令中同時執(zhí)行多個運算操作，以增加處理器的吞吐量。為此，SIMD結構的CPU有多個執(zhí)行部件，但都在同一個指令部件的控制之下，中央控制器向各個處理單元發(fā)送指令，整個系統(tǒng)只要求有一個中央控制器，只要求存儲一份程序，所有的計算都是同步的。現(xiàn)在用的單核計算機基本上都屬于SIMD機。

）單指令多數(shù)據(jù)流（Single stream Data stream, SIMD) .是一種采用

一個控制器來控制多個處理器，同時對一組數(shù)據(jù)（又稱“數(shù)據(jù)矢量”） 中的每一個數(shù)據(jù)分別執(zhí)

行相間的操作，從而實現(xiàn)空間上的并行技術。SIMD實現(xiàn)了數(shù)據(jù)級并行技術，其典型代表是向

量處理器（Vector ) 和陣列處理器（Array ) .

SIMD 技術的關鍵是在1條單獨的指令中同時執(zhí)行多個運算操作，以增加處理器的吞吐

量。為此，SIMD結構的CPU有多個執(zhí)行部件，但都在同一個指令部件的控制之下，中央控

制器向各個處理單元發(fā)送指令，整個系統(tǒng)只要求有一個中央控制器，只要求存儲一份程序，所有的計算都是同步的。現(xiàn)在用的單核計算機基本上都屬于SIMD機。

2) 多指令多數(shù)據(jù)流（ stream Data stream, MIMD) .在任何周期內，不同的處理器可以在不同的數(shù)據(jù)片段上執(zhí)行不同的指令，即同時執(zhí)行多個指今流。而這些指令流分別對不同數(shù)據(jù)流進行操作。MIMD是使用多個控制器來異步地控制多個處理器，能實現(xiàn)作業(yè)、任務、指令、數(shù)組各級全面并行的多機系統(tǒng)。最新的多核計算平臺都屬于 MIMD 的范疇，如 Intel 和AMD的雙核處理器等都屬于MIMD.

按應用的計算特征分類

按照應用的計算特征，可將并行計算分為以下兩類。

數(shù)據(jù)密集型并行計算（Data- ) , 它使用數(shù)據(jù)并行方法處理大數(shù)據(jù)（通常為TB或PB級）。數(shù)據(jù)密集型并行計算用于描述 I/O綁定的應用程序或需要處理

大量數(shù)據(jù)的應用程序，這些應用程序將其大部分處理時間用于I/O以及數(shù)據(jù)的移動和處理。對

數(shù)據(jù)密集型應用程序的并行處理通常涉及將數(shù)據(jù)劃分或細分為多個部分，這些部分可以使用相同的可執(zhí)行應用程序在適當?shù)挠嬎闫脚_上并行地獨立處理，然后重新組合結以產生完整的輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總量越大，并行處理數(shù)據(jù)的好處越多。數(shù)據(jù)密集型處理需求通常根據(jù)數(shù)據(jù)總量的大小線性地進行縮放，并且非常適合直接并行化處理。計算密集型并行計算（- ) , 計算密集型是用來描述計算綁定的應用程序。這些應用程序將大部分執(zhí)行時間用于計算需求，而不是I/O, 通常需要少量的數(shù)據(jù)。計算密集型應用程序的并行處理通常涉及在應用程序進程中并行化各個算法，并將整個應用程序進程分解為單獨的任務，然后可以在適當?shù)挠嬎闫脚_上并行執(zhí)行，以實現(xiàn)比串行處理更高的整體性能。在計算密集型應用程序中，多個操作是同時執(zhí)行的，每個操作都會解決問題的特定部分，這通常也稱為任務并。較為傳統(tǒng)的高性能計算領域中大部分都是這一類型，如天氣預報、高分辨率的核武器數(shù)值模擬、圖像處理等科學計算。

按結構模型分類

并行向量處理機 PVP

并行向量處理機（ Vector , PVP) 是并行結構模型的一種，包含為數(shù)

不多、功能強大的定制向量處理器。定制高帶寬縱橫交叉開關及高速的數(shù)據(jù)訪問模型、通

常不使用高速緩存，而是使用大量的向量寄存器及指令緩存，使得該模型對程序編測的要

求非常高。

對稱式多處理器SMP：

對稱式多處理器共享存儲，即任意處理器可直接訪問任意內存地址，且訪問延遲、帶寬、幾率都是等價的，系統(tǒng)走對稱時。微處理器一般少于64個，處理器有限的原因是總線和交叉開關一旦做成就難于擴展。典型代表有 IBM R50. SCr Power 、SUN 和曙光一號等。

分布式共享存儲器 DSM

分布式共享存儲器（ Shared Memory, DSM) 也是共享存儲，即邏輯上（田

戶）是共享存儲的，但內存模塊物理上分布于各個處理器內部，這種結構也稱為基于Cache

錄的非一致內存訪問（CC-NUMA) 結構。這種結構使得局部內存與遠程內存訪問的延遲和帶

寬不一致。DSM的微處理器可以有16~128個，典型代表有SGI Origin 2000, Cray T3D等。

DSM以結點為單位，每個結點有一個或多個CPU; 采用專用的高性能互聯(lián)網絡連接；采

用分布式存儲，即內存模塊分布在每個結點中，采用單一內存地址空間，即所有內存模塊都由硬件進行統(tǒng)一編址，各個結點既可以直接訪問局部內存單元，又可以直接訪問其他結點的局部內存單元；單一的操作系統(tǒng)；DSM可擴展到上百個結點。DSM與 SMP的主要區(qū)別是 DSM 在物理上有分布在各個結點的局部內存，但邏輯上形成一個共享的存儲器。

大規(guī)模井行處理機 MPP

大規(guī)模并行處理機（ , MPP) 在物理和邏輯上都是采用分布內存，因此能擴展其結構至成百上千個處理器（微處理器或向量處理器）。但其采用的是高通信帶寬和低延遲的互聯(lián)網絡，需要專門設計和定制。典型代表有 CRAY T3E (2048) 、ASCI Red（3072) 、IBM SP2、曙光1000等。

MPP每個結點相對獨立，有一個或多個微處理器；每個結點均有自己的操作系統(tǒng)和自己獨立的內存，避免了內存訪問瓶頸，但各個結點只能訪問自己的內存模塊，因此擴展性較好。 MPP是一種異步結構的MIMD, 即程序系統(tǒng)由多個進程組成，每個進程都有其私有地址

空間，進程間采用傳遞消息相互作用。

工作站集群COW

工作站集群（Cluster Of , COW) 也稱為NOW (Network of ) ,

COw 的每個結點都是一個完整的工作站（計算機）， 有獨立的硬盤與操作系統(tǒng)（如 UNIX) :

各個結點間通過高性能網絡或低成本的網絡（如千兆以太網）相互連接，網絡接口和I/O總線松耦合連接，每個結點安裝消息傳遞軟件，實現(xiàn)通信和負載平衡等。COW的典型代表

是Beowulf cluster 微機集群。目前COW (NOW) 與MPP之間的界線越來越模糊。COW典型代表有曙光3000和4000、ASCI Blue 等。