【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于集群管理领域，更为具体地讲，涉及一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法。
技术介绍
1、随着科学技术的不断发展，小型无人装置得到了突飞猛进的发展，在有效载荷小型化、电池技术、续航时间、实时通信、低成本化等方面获得快速进步。集群技术与协同技术等智能化技术显著提升了小型无人装置的任务执行能力，使得小型无人装置可以在日常生活中发挥关键作用，因而在智能化领域受到广泛关注。
2、集群协同是提升无人装置任务执行效能最为有效的手段之一。近年来，国内外针对分布式无人装置集群协同开展了许多研究。去中心化的蜂群协同合作理念已被证实具有诸多优势，能够充分发挥无人集群的群智效能，实现自主决策、自主组织、自主合作。同时，它实现了去中心化，集群没有主导节点，无人装置通过相互协作来执行任务，任何个体丧失任务执行能力都不会影响整个集群的任务完成效率。
3、然而现有的无人装置集群尚未实现真正意义上的蜂群协同，实现蜂群协同的痛点难点在于集群去中心化和集群抗毁。一些研究仍选择有中心的分布式架构，这种方案实现简单，但是若中心因自身原因或外部原因发生状态变化会导致整个集群丧失任务执行能力，不具备集群抗毁能力；一些研究实现了简单的去中心化，具备抗毁能力，但是整个集群过于扁平化，协同意图无法高效转化，集群协同执行任务效能大打折扣。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，解决了无人集群难以去中心化和难以抗毁两
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：
3、一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，包括：
4、搭建边缘分布式集群系统的大边-小边-端的三层组织分布式架构；
5、设计边缘分布式集群系统的生命周期管理机制，实现集群生命周期管理；
6、设计边缘分布式集群系统的集群成员资格判定服务机制，对现有集群节点状态以及其服务状态进行判断；
7、设计边缘分布式集群系统的数据同步机制，实现集群节点间的数据同步；
8、设计边缘分布式集群系统的集群抗毁机制，所述集群抗毁机制包括故障检测机制和节点故障后的集群结构自主调整机制，所述故障检测机制用于集群中各节点状态检测并对活跃节点列表进行更新，集群结构自主调整机制根据集群节点状态变化进行调整；
9、设计边缘分布式集群系统的分布式数据存储机制，整个集群的结构信息以多份副本的形式存储在所有的集群无人设备中。
10、进一步地，所述三层组织分布式架构采用树形结构，其中，大边是整个集群的领导者，负责接收集群所有任务，并将任务分配给集群中的小边；小边起到承上启下的作用，向上接收大边的指令来获取分配的任务信息，向下需要管理各自群组中的端节点，将从大边获取的任务进一步进行分解，然后将其分配给端节点；除去大边和小边，树形结构中剩余的节点都为端，端负责执行大边和小边分发处理后的任务。
11、进一步地，所述生命周期管理机制通过集群大边接口、群组接口和节点接口进行集群生命周期管理，所述集群大边接口通过大边节点名和节点id进行整个集群结构的创建、删除与查询；所述群组接口用于群组结构的调整，其中包括某个群组结构的创建、查询和删除；所述节点接口用于集群中每个存活节点进行节点列表查询、节点状态查询、节点删除和节点退出当前群组等操作，同时也可对原有不在集群结构中节点的节点创建、节点加入指定群组。
12、进一步地，所述集群成员资格判定服务机制在集群启动和集群运行过程中通过请求/相应和发布/订阅两种服务方式运行。
13、进一步地，所述数据同步机制采用轮询机制通信和gossip协议通信，在集群节点数量低于设定值或网络信号高于设定值时，采用轮询机制完成节点之间的数据同步；否则采用gossip协议进行信息同步，gossip协议利用随机方式将信息传播到整个网络中。
14、进一步地，所述gossip协议采用直接邮寄、反熵传播和谣言传播实现数据同步更新，对于节点数量低于设定值的场景，采用直接邮递方式进行数据同步；对于集群中新加入节点或者死亡节点重新加入集群等需要全量数据同步的场景，采用反熵传播；对于节点间数据增量同步，采用谣言传播进行事件传播。
15、进一步地，所述gossip协议采用push&pull方式进行数据交互。
16、进一步地，所述故障检测机制采用点对点随机探测机制，将故障检测器和问题节点的成员资格更新传播组件分开，具体包括：
17、在整个探测周期t当中，节点a随机从集群节点列表中选择一个节点b，向其发送探测消息，然后等待节点b返回响应消息；如果在预设响应时间内收到节点b的响应消息，则代表节点b是存活状态，如果在预设的响应时间内并未收到响应消息，则节点a就开始间接探测过程；
18、在探测周期t时间内，如果节点a直接从节点b或者通过间接探测过程没有收到任何响应，则节点b在成员列表中的状态被标记为死亡，并且通过传播组件将节点b状态信息发送到其余节点。
19、进一步地，所述间接探测过程指节点a随机选择k个活跃成员节点，向其发送请求响应消息，该k个活跃节点接收到请求响应消息之后，则会向节点b发送探测消息；如果在响应时间内节点b发送响应消息给k个活跃节点，则将响应消息转发至节点a。
20、进一步地，所述集群结构自主调整机制根据毁故障节点角色的不同来区分，分别是端节点故障、小边节点故障和大边节点故障，端节点故障发生时，大边节点与小边节点结构不会发生变化，只出现故障节点状态的变化；小边节点故障发生时，大边节点结构不会发生变化，小边节点所在群组结构发生变化，该群组重新选择该小边节点下存活的其中一个端节点作为新的小边节点；当大边节点故障发生时，大边节点结构和小边节点结构都发生变化，首先选择该大边节点下存活的小边节点作为新的大边节点，然后在成为大边节点的小边节点原有群组中选择端节点成为新的小边节点。
21、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术从多智能体集群协同控制的角度出发，综合考虑集群难以去中心化和难以抗毁两大痛点问题，提出由大边-小边-端的边缘集群组织架构，通过集群生命管理机制和集群成员资格判定服务来对集群成员节点进行有效管理，利用集群数据同步机制来保证集群各节点服务的有效性，设计集群抗毁机制来确保集群的可靠性与可用性，提升集群面对故障时的生存能力，以此来确保最后分布式集群所执行任务完成的成功率。
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1.一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述三层组织分布式架构采用树形结构，其中，大边是整个集群的领导者，负责接收集群所有任务，并将任务分配给集群中的小边；小边起到承上启下的作用，向上接收大边的指令来获取分配的任务信息，向下需要管理各自群组中的端节点，将从大边获取的任务进一步进行分解，然后将其分配给端节点；除去大边和小边，树形结构中剩余的节点都为端，端负责执行大边和小边分发处理后的任务。
3.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述生命周期管理机制通过集群大边接口、群组接口和节点接口进行集群生命周期管理，所述集群大边接口通过大边节点名和节点id进行整个集群结构的创建、删除与查询；所述群组接口用于群组结构的调整，其中包括某个群组结构的创建、查询和删除；所述节点接口用于集群中每个存活节点进行节点列表查询、节点状态查询、节点删除和节点退出当前群组操作，同时对原有不在集群
4.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述集群成员资格判定服务机制在集群启动和集群运行过程中通过请求/相应和发布/订阅两种服务方式运行。
5.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述数据同步机制采用轮询机制通信和Gossip协议通信，在集群节点数量低于设定值或网络信号高于设定值时，采用轮询机制完成节点之间的数据同步；否则采用Gossip协议进行信息同步，Gossip协议利用随机方式将信息传播到整个网络中。
6.根据权利要求5所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述Gossip协议采用直接邮寄、反熵传播和谣言传播实现数据同步更新，对于节点数量低于设定值的场景，采用直接邮递方式进行数据同步；对于集群中新加入节点或者死亡节点重新加入集群需要全量数据同步的场景，采用反熵传播；对于节点间数据增量同步，采用谣言传播进行事件传播。
7.根据权利要求6所述的一种兼具抗毁能力与去中心化的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述Gossip协议采用Push&Pull方式进行数据交互。
8.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述故障检测机制采用点对点随机探测机制，将故障检测器和问题节点的成员资格更新传播组件分开，具体包括：
9.根据权利要求8所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述间接探测过程指节点A随机选择K个活跃成员节点，向其发送请求响应消息，该K个活跃节点接收到请求响应消息之后，则会向节点B发送探测消息；如果在响应时间内节点B发送响应消息给K个活跃节点，则将响应消息转发至节点A。
10.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述集群结构自主调整机制根据毁故障节点角色的不同来区分，分别是端节点故障、小边节点故障和大边节点故障，端节点故障发生时，大边节点与小边节点结构不会发生变化，只出现故障节点状态的变化；小边节点故障发生时，大边节点结构不会发生变化，小边节点所在群组结构发生变化，该群组重新选择该小边节点下存活的其中一个端节点作为新的小边节点；当大边节点故障发生时，大边节点结构和小边节点结构都发生变化，首先选择该大边节点下存活的小边节点作为新的大边节点，然后在成为大边节点的小边节点原有群组中选择端节点成为新的小边节点。
...【技术特征摘要】
1.一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述三层组织分布式架构采用树形结构，其中，大边是整个集群的领导者，负责接收集群所有任务，并将任务分配给集群中的小边；小边起到承上启下的作用，向上接收大边的指令来获取分配的任务信息，向下需要管理各自群组中的端节点，将从大边获取的任务进一步进行分解，然后将其分配给端节点；除去大边和小边，树形结构中剩余的节点都为端，端负责执行大边和小边分发处理后的任务。
3.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述生命周期管理机制通过集群大边接口、群组接口和节点接口进行集群生命周期管理，所述集群大边接口通过大边节点名和节点id进行整个集群结构的创建、删除与查询；所述群组接口用于群组结构的调整，其中包括某个群组结构的创建、查询和删除；所述节点接口用于集群中每个存活节点进行节点列表查询、节点状态查询、节点删除和节点退出当前群组操作，同时对原有不在集群结构中节点的节点创建、节点加入指定群组。
4.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述集群成员资格判定服务机制在集群启动和集群运行过程中通过请求/相应和发布/订阅两种服务方式运行。
5.根据权利要求1所述的一种兼具抗毁能力与去中心化特性的边缘分布式集群系统设计方法，其特征在于，所述数据同步机制采用轮询机制通信和gossip协议通信，在集群节点数量低于设定值或网络信号高于设定值时，采用轮询机制完成节点之间的数据同步；否则采用gossip协议进行信息同步，gossip协议利用随机方式将信息传播到整个网络中。
6.根据权利要求5所述的一种兼具抗毁能...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭宇豪，余益衡，尹宗宇，侯博文，尚鹏辉，王帅，
申请(专利权)人：杭州智元研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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