CN112532400B - 一种基于udp组播通信协议的单层平面自组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法，所述方法采用UDP网络数据传输协议与平面结构自组织网络相结合，在保证单元节点完全对等的同时，通过UDP组播将交互信息数据包发送至组播组内所有网络单元节点，组播组内节点根据自身需求获取或丢弃来自其他节点的数据包信息，以完成数据交互。该方法可极大地提高分布式集群通信的实效性，节约网络开销；对比于分层结构，该方法提高了分布式集群通信的抗毁性，并具有很好的通用性。本发明方法中采用压缩映射的方法，对常规通信协议进行优化，减少信息中的空位冗余，同时优化掉信息中的非关键信息，提升信息交互过程中的资源效率，降低数据传输率，节约网络资源消耗。

Description

一种基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法
技术领域
本发明属于自组网领域，具体涉及一种基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法。
背景技术
随着现代信息技术的飞速发展，不管是军用还是民用网络通信技术都在不断进步。区别于一般相对稳定不变的组网需求，无人机集群编队组网的主要需求主要包括三点：“高效”、“动态”、“实时”，从而满足集群中各节点两两之间信息交互、共享，战场态势整体感知从而达到最优化决策的需求。
针对上述需求，目前主流的解决思路是采用无线自组织网络方法来构建无线通信网络。采用自组织网络的优势主要有三点。第一，自组织网络拓扑结构是动态的，网络内各节点均可以随时入网和离网，拓扑结构根据在网的节点动态变化；第二，自组织网络没有严格的控制中心，所有在网的节点均是平等的(对于相同层网络而言)，节点的故障和离网不会影响整体网络的运行。第三，自组织网络采用多跳网络，每一个节点均能承担路由的功能，而不用采用特殊的路由设备来完成数据的转发。因此，无线自组织网络具有动态、无中心、抗毁性强的特点。
目前，工程上一般采用单层平面结构和多层分级结构两种作为无线自组网基本结构。图1为单层平面结构的无线自组网网络拓扑结构图，图2为双层分级结构网络拓扑结构图。两种网络结构一般均采用TCP/IP作为传输数据协议。上述两种技术主要存在以下缺点：1.采用TCP/IP传输协议，在数据发送时自身的确认机制、重传机制、拥塞控制机制等会消耗大量运行时间，且每一个节点设备需要维护所有传输连接，每个连接均会占用节点系统CPU、内存等资源；2.TCP/IP协议需要每一节点均拥有所有节点的地址列表，从而顺序建立单播连接，假设有N个节点，则需建立N×(N-1)/2个连接，发送N×(N-1)条信息，极大地降低了数据传输的实时性。3.多层分级结构存在簇头，不同层级之间节点信息交互需要通过簇头传输，限制了传输逻辑，不利于最优化传输路径。4.针对分布式集群网络，由于任务的规划在分布式集群中的每个不同个体上独立完成，不需要进行任务的统一规划和调度，每个单元均可以独立执行自身载荷满足需求的任务。通信网络的一般目标是在组网内部共享集群单元探测情况与个体的独立决策结果，以支撑个体的最优化独立决策。因此，数据非正常交互不会影响集群单元的决策过程，可能是将决策结果从全局最优下降为了局部最优，对于任务的执行没有严重的影响。可以认为，应用于分布式集群的网络拓扑结构侧重于选择网络结构简单、节点单元对等的网络结构。另外，一般的自组网技术未考虑数据压缩问题，从而存在数据包较大、传输时间长、丢包率增高的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)组播通信协议的单层平面自组网方法，本发明同时采用数据压缩映射的方法对传输数据包进行处理，针对分布式集群场景环境下数据传输实时性要求高、节点资源有限的特点，保证各个节点间互联互通，数据共享正常。
具体采用如下技术方案：
一种基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法，所述方法包括以下步骤：
(1)所述网络节点通过自组织的方式，组成单层平面对等网络结构；
(2)基于该平面对等网络结构，采用UDP组播通信协议作为网络传输基本协议；
(3)收集数据并整理成数据包，根据压缩映射表对数据包进行压缩映射；通过UDP网络传输协议将映射完成后的数据包派发至组播组地址；
(4)自组织网络内所有加入组播组的成员接收映射完成后的数据包；距数据发送节点物理位置一定距离(如30公里以上距离)的网络节点则通过其他相邻网络节点进行数据路由转发的方式获取该数据包；
(5)处理步骤(4)接收的来自网络的数据包，按压缩映射表，对压缩映射后的数据包进行逆映射，获得映射前的数据包，从而实现自组网通信。
进一步，所述步骤(1)具体过程如下：
(1.1)开启网络节点，并搜索附近其他节点；
(1.2)根据节点状态建立单层平面对等网络拓扑结构；
进一步，所述步骤(3)具体过程如下：
(3.1)根据实际场景和需求建立压缩映射表；
(3.2)经无人机挂载的各传感器及核心模块产生数据；
(3.3)处理数据，并整理产生多维数据包；
(3.4)计算多维数据包数据压缩比，当数据压缩比大于0％时，通过压缩映射表对数据包进行压缩映射。
(3.5)将映射完成后的低维短数据包通过UDP网络传输协议派发至组播地址。
进一步，其中，步骤(3.4)数据压缩比的计算步骤如下：
(3.4.1)计算数据的信息总量Sc，单位为比特(bit)：
Figure BDA0002801335230000031
其中，K表示某信息对象属性维度，k(小写k)表示信息序列，Dk表示每个维度的信息量，
Figure BDA0002801335230000032
表示向上取整。
(3.4.2)计算经过映射转化的数据序列信息总量Sp：
Figure BDA0002801335230000033
(3.4.3)计算数据压缩比η：
Figure BDA0002801335230000034
进一步，步骤(3.4)中通过压缩映射表对数据包进行压缩映射具体过程如下：首先，取某信息对象为一数据序列，将该数据序列拆分为以比特为单位的多比特数据；然后按压缩映射表，将其中非关键信息及空位比特截断，并重新组成数据序列。
本发明提供一种传输实时性高、节点资源占用率低的基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法，该方法可用于分布式集群的平面结构压缩映射自组网通信，其中分布式集群自组织网络节点均搭建在无人机上，包括多个网络节点。
附图说明
图1为现有技术单层平面结构的无线自组网网络拓扑结构图；
图2为现有技术双层分级结构网络拓扑结构图；
图3为本发明单层全对等UDP组播数据传输图；
图4为本发明压缩映射原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细阐述。
本发明基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法包括以下步骤：
(1)所述网络节点通过自组织的方式，组成单层平面对等网络结构；
(2)基于该平面对等网络结构，采用UDP组播通信协议作为网络传输基本协议；
(3)收集数据并整理成数据包，根据压缩映射表对数据包进行压缩映射；通过UDP网络传输协议将映射完成后的数据包派发至组播组地址；
(4)自组织网络内所有加入组播组的成员接收映射完成后的数据包；距数据发送节点物理位置一定距离的网络节点则通过其他相邻网络节点进行数据路由转发的方式获取该数据包；
(5)处理步骤(4)接收的来自网络的数据包，按压缩映射表，对压缩映射后的数据包进行逆映射，获得映射前的数据包，从而实现自组网通信。将本专利自组网方法获得的原始数据序列送入处理单元进行后续数据处理和行为决策。
进一步，所述步骤(1)具体过程如下：
(1.1)开启网络节点，并搜索附近其他节点；
(1.2)根据节点状态建立单层平面对等网络拓扑结构；
进一步，所述步骤(3)具体过程如下：
(3.1)根据实际场景和需求建立压缩映射表；
(3.2)经无人机挂载的各传感器及核心模块产生数据；
(3.3)处理数据，并整理产生多维数据包；
(3.4)计算多维数据包数据压缩比，当数据压缩比大于0％时，通过压缩映射表对数据包进行压缩映射。
(3.5)将映射完成后的低维短数据包通过UDP网络传输协议派发至组播地址。
进一步，其中，步骤(3.4)数据压缩比的计算步骤如下：
(3.4.1)计算数据的信息总量Sc，单位为比特(bit)：
Figure BDA0002801335230000041
其中，K表示某信息对象属性维度，Dk表示每个维度的信息量，
Figure BDA0002801335230000042
表示向上取整，k(小写k)表示信息序列。
(3.4.2)计算经过映射转化的数据序列信息总量Sp：
Figure BDA0002801335230000043
(3.4.3)计算数据压缩比η：
Figure BDA0002801335230000044
进一步，步骤3.4中通过压缩映射表对数据包进行压缩映射具体过程如下：首先，取某信息对象为一数据序列，将该数据序列拆分为以比特为单位的多比特数据；然后按压缩映射表，将其中非关键信息及空位比特截断，并重新组成数据序列。
从上面所述可以看出，本发明提供的基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法具有以下积极效果：
创新性地采用UDP网络数据传输协议与平面结构自组织网络相结合，改进了传统的集群中采用的基于TCP/IP通信协议的自组网通信网络，在保证单元节点完全对等的同时，通过UDP组播将交互信息数据包发送至组播组内所有网络单元节点，组播组内节点根据自身需求获取或丢弃来自其他节点的数据包信息，以完成数据交互。该方法可极大地提高分布式集群通信的实效性，节约网络开销；对比于分层结构，该方法提高了分布式集群通信的抗毁性，并具有很好的通用性。
创新性地采用压缩映射的方法，对常规通信协议进行优化，减少信息中的空位冗余，同时优化掉信息中的非关键信息，提升信息交互过程中的资源效率，降低数据传输率，节约网络资源消耗。
实施例1
实验条件：
1.网络节点数：6
2.传输数据：GPS时间(年、月、日、时、分、秒)、观测数据(目标位置、信号属性)
采用六节点组网进行实验，采用UDP通信协议作为自组网通信协议，需要传输的数据包括GPS时间数据及观测数据；其中，GPS时间数据为二维数据，观测数据为三维数据，其中，各自内容如下表所示：
GPS时间数据
Figure BDA0002801335230000051
观测数据
Figure BDA0002801335230000052
Figure BDA0002801335230000061
压缩映射表
Figure BDA0002801335230000062
Figure BDA0002801335230000071
实验结果：
实验网络拓扑结构如图4所示，由节点1产生上述数据包，并将通过本发明专利的方法对数据包进行处理后，发送给其他网络节点。
根据数据包数据信息总量计算公式可知，压缩映射前传输数据包数据信息总量Sc为：40bits，根据上述压缩映射表映射后，数据包信息总量Sp为：15bits，数据压缩比为：
Figure BDA0002801335230000072
可以看出，经过压缩映射对数据包进行压缩后，所需要传输的数据信息量大大减少，降低了数据传输所需的硬件资源及传输时间，提高了信息共享的实时性。

Claims (3)

1.一种基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）网络节点通过自组织的方式，组成单层平面对等网络结构；
（2）基于该平面对等网络结构，采用UDP组播通信协议作为网络传输基本协议；
（3）收集数据并整理成数据包，根据压缩映射表对数据包进行压缩映射；通过UDP网络传输协议将映射完成后的数据包派发至组播组地址；
（4）自组织网络内所有加入组播组的成员接收映射完成后的数据包；距数据发送节点物理位置一定距离的网络节点则通过其他相邻网络节点进行数据路由转发的方式获取该数据包；
（5）处理步骤（4）接收的来自网络的数据包，按压缩映射表，对压缩映射后的数据包进行逆映射，获得映射前的数据包，从而实现自组网通信；
所述步骤（1）具体过程如下：
（1.1）开启网络节点，并搜索附近其他节点；
（1.2）根据节点状态建立单层平面对等网络拓扑结构；
所述步骤（3）具体过程如下：
（3.1）根据实际场景和需求建立压缩映射表；
（3.2）经无人机挂载的各传感器及核心模块产生数据；
（3.3）处理数据，并整理产生多维数据包；
（3.4）计算多维数据包数据压缩比，当数据压缩比大于0%时，通过压缩映射表对数据包进行压缩映射；
（3.5）将映射完成后的低维短数据包通过UDP网络传输协议派发至组播地址。
2.如权利要求1所述的基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法，其特征在于，其中，步骤（3.4）数据压缩比的计算步骤如下：
（3.4.1）计算数据的信息总量S_c，单位为比特（bit）:
Figure 670376DEST_PATH_IMAGE001
其中，K表示某信息对象属性维度，D_k表示每个维度的信息量，⌈∙⌉表示向上取整；
（3.4.2）计算经过映射转化的数据序列信息总量S_p：
Figure 828956DEST_PATH_IMAGE002
（3.4.3）计算数据压缩比η：
Figure 385839DEST_PATH_IMAGE003
。
3.如权利要求1所述的基于UDP组播通信协议的单层平面自组网方法，其特征在于，步骤（3.4）中通过压缩映射表对数据包进行压缩映射具体过程如下：首先，取某信息对象为一数据序列，将该数据序列拆分为以比特为单位的多比特数据；然后按压缩映射表，将其中非关键信息及空位比特截断，并重新组成数据序列。
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