ROS的通信架構(gòu)是ROS的靈魂所在，它包括數(shù)據(jù)處理，進(jìn)程運(yùn)行，消息傳遞等 。這篇文章主要介紹ROS1的通信架構(gòu)的基礎(chǔ)通信方式和相關(guān)概念，因?yàn)镽OS1和ROS2的通信方式相差很大，文章后面會(huì)介紹ROS2 的通信框架和差異。

接下來介紹一下三組概念：master<-->node<-->launch、topic<-->msg、service<-->srv<-->parameter <-->action.

一、master<-->node<-->launch

node: ROS最小的進(jìn)程單元就是節(jié)點(diǎn)node。一個(gè)軟件包里面有多個(gè)可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件被運(yùn)行就是進(jìn)程（process）,這個(gè)進(jìn)程就是節(jié)點(diǎn)node。

rosnode list 列出當(dāng)前運(yùn)行的node信息

rosnode info node_name 顯示出node的詳細(xì)信息

rosnode kill node_name 結(jié)束某個(gè)node

rosnode ping 測試鏈接節(jié)點(diǎn)

rosnode machine 列出在特定機(jī)器或列表機(jī)器上運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)

rosnode cleanup 清除不可到達(dá)節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)信息

master: ROS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的管理中心，管理著各個(gè)node。node先在master進(jìn)行注冊(cè)，node之間通信需要經(jīng)過master編排才能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。所以ROS程序啟動(dòng)， 第一步先執(zhí)行roscore指令啟動(dòng)master,執(zhí)行指令后同時(shí)啟動(dòng)的還有rosout（負(fù)責(zé)日志輸出、記錄當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)）和parameter server（參數(shù)服務(wù)器，非node,負(fù)責(zé)存儲(chǔ)參數(shù)配置） ,再由節(jié)點(diǎn)管理器按照cmakelists.txt、package.xml配置執(zhí)行rosrun pkgname node_name 依次啟動(dòng)node 。

launch: 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)管理文件。執(zhí)行roslaunch pkg_name file_name.launch 指令后，首先系統(tǒng)先檢測roscore是否啟動(dòng)，如果沒有啟動(dòng)會(huì)默認(rèn)自動(dòng)拉起。然后按照launch配置啟動(dòng)規(guī)則，有序啟動(dòng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，減少終端輸入。

二、topic<-->msg

ROS1的通信方式有四種：topic主題，service服務(wù)，parameter service 參數(shù)服務(wù)器 ,actionlib動(dòng)作庫。

topic： ROS通信最常用的一種，對(duì)實(shí)時(shí)性、周期性消息，使用topic傳輸是最佳選擇。簡單的說，啟動(dòng)topic 首先需要publisher和subscriber 節(jié)點(diǎn)到master進(jìn)行注冊(cè)，然后publisher 會(huì)發(fā)布topic，subscriber在master指揮下會(huì)訂閱topic,從而建立sub-pub之間的通信。一個(gè)topic可以有多個(gè)publisher,一個(gè)publisher可以同時(shí)向多個(gè)subscriber發(fā)送消息，subscriber 接收消息會(huì)進(jìn)行處理（回調(diào)函數(shù) callback），publisher發(fā)送消息后就繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作，消息的狀態(tài)和處理結(jié)構(gòu)都不會(huì)影響publisher執(zhí)行，subscriber只管消息接受和處理，publisher掛死不會(huì)對(duì)subscriber節(jié)點(diǎn)狀態(tài)影響,所以topic通信實(shí)現(xiàn)了node之間的解耦，此通信方式屬于異步通信。

rostopic list 列出當(dāng)前所有topic

rostopic info topic_name 顯示某個(gè)topic的屬性信息

rostopic echo topic_name 顯示某個(gè)topic的內(nèi)容

rostopic pub topic_name 向某個(gè)topic發(fā)布內(nèi)容

rostopic bw topic_name 查看某個(gè)topic的帶寬

rostopic hz 查看某個(gè)topic的頻率

rostopic find topic_type 查看某個(gè)類型的topic

rostopic type topic_name 查看某個(gè)topic類型的msg

message: 直觀查看message就是一種數(shù)據(jù)格式。嚴(yán)格說按照規(guī)定的格式發(fā)送的數(shù)據(jù)就是message消息，所以消息既是內(nèi)容也是標(biāo)準(zhǔn)格式。基本的msg包括bool、int8、int16、int32、int64(以及uint)、float、float64、string、time、 duration、header、可變長數(shù)組array[]、固定長度數(shù)組array[C]。

rosmsg list 列出系統(tǒng)消息

rosmsg show msg_name 顯示某個(gè)msg的格式

---常見消息名稱--

Vector 矢量; 向量

twist 轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)

covariance 協(xié)方差；協(xié)變性；共離散;

Odometry 里程計(jì)

quaternion 四元組

• 話題的通信機(jī)制

此處假設(shè) Talker 首先啟動(dòng)，可分成圖中所示的七步來分析建立通信的詳細(xì)過程：

1. Talker 注冊(cè)Talker 啟動(dòng)，通過 1234 端口使用 RPC 向 ROS Master 注冊(cè)發(fā)布者的信息，包含所發(fā)布消息的話題名；ROS master 會(huì)將節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)信息加入注冊(cè)列表中。

2. Listener 注冊(cè)Listener 啟動(dòng)，同樣通過 RPC 向 ROS Master 注冊(cè)訂閱者的信息，包含需要訂閱的話題名。

3. ROS Master 進(jìn)行信息匹配Master 根據(jù) Listener 的訂閱信息從注冊(cè)列表中進(jìn)行查找，如果沒有找到匹配的發(fā)布者，則等待發(fā)布者的加入；如果找到匹配的發(fā)布者信息，則通過 RPC 向 Listener 發(fā)布 Talker 的 RPC 地址信息。

4. Listener 發(fā)送連接請(qǐng)求Listener 接收到 Master 發(fā)回的 Talker 地址信息，嘗試通過 RPC 向 Talker 發(fā)送連接請(qǐng)求，傳輸訂閱的話題名、消息類型以及通信協(xié)議（TCP/UDP）。

5. Talker 確認(rèn)連接請(qǐng)求Talker 接收到 listener 發(fā)送的連接請(qǐng)求后，繼續(xù)通過 RPC 向 Listener 確認(rèn)鏈接信息，其中包含自身的 TCP 地址信息。

6. Listener 嘗試與 Talker 建立網(wǎng)絡(luò)連接Listener 接收到確認(rèn)信息后，使用 TCP 嘗試與 Talker 建立網(wǎng)絡(luò)連接。

7. Talker 向 Listener 發(fā)布數(shù)據(jù)成功建立連接后，Talker 開始向 Listener 發(fā)送話題消息數(shù)據(jù)。

   從上面的分析中可以發(fā)現(xiàn)，前五個(gè)步驟使用的通信協(xié)議都是 RPC，最后發(fā)布數(shù)據(jù)的過程才使用到 TCP。ROS Master 在節(jié)點(diǎn)建立連接的過程中起到了重要作用，但是并不參與節(jié)點(diǎn)之間最終的數(shù)據(jù)傳輸。

三、service<-->srv<-->parameter <-->action

service: 請(qǐng)求--查詢雙向同步通信模型，service分層兩部分，客戶端（client）和服務(wù)端（server）。客戶端(client)發(fā)送請(qǐng)求(request)要等服務(wù)端(server)處理，反饋回復(fù)（reply）才會(huì)發(fā)送下一個(gè)請(qǐng)求到服務(wù)端（server）.

注意：遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）可以理解為一個(gè)進(jìn)程里面調(diào)用另外一個(gè)進(jìn)程的函數(shù)。

rosservice list 顯示服務(wù)列表

rosservice info 打印服務(wù)信息

rosservice type 打印服務(wù)類型

rosservice uri 打印服務(wù)ROSRPC uri(統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)，URI包含URL)

rosservice call 使用所提供的args調(diào)用服務(wù)

rosservice args 打印服務(wù)參數(shù)

rosservice find 查找服務(wù)

srv: service的數(shù)據(jù)類型，service通信的數(shù)據(jù)格式定義在*srv中，包含請(qǐng)求（request）和響應(yīng)（reply）兩部分。

rossrv show 顯示服務(wù)描述

rossrv list 列出所有服務(wù)

rossrv md5 顯示服務(wù)md5

rossrv package 列出包服務(wù)

rossrv packages 列出包含服務(wù)的包

• 服務(wù)通信機(jī)制

服務(wù)是一種帶有應(yīng)答的通信機(jī)制，通信原理如下圖所示，與話題的通信相比，其減少了 Listener 與 Talker 之間的 RPC 通信。

1. Talker 注冊(cè)Talker 啟動(dòng)，通過 1234 端口使用 RPC 向 ROS Master 注冊(cè)發(fā)布者的信息，包含所發(fā)布消息的話題名；ROS master 會(huì)將節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)信息加入注冊(cè)列表中。
2. Listener 注冊(cè)Listener 啟動(dòng)，同樣通過 RPC 向 ROS Master 注冊(cè)訂閱者的信息，包含需要訂閱的服務(wù)名。
3. ROS Master 進(jìn)行信息匹配Master 根據(jù) Listener 的訂閱信息從注冊(cè)列表中進(jìn)行查找，如果沒有找到匹配的服務(wù)提供者，則等待該服務(wù)提供者的加入；如果找到匹配的服務(wù)提供者信息，則通過 RPC 向 Listener 發(fā)布 Talker 的 TCP 地址信息。
4. Listener 嘗試與 Talker 建立網(wǎng)絡(luò)連接Listener 接收到確認(rèn)信息后，使用 TCP 嘗試與 Talker 建立網(wǎng)絡(luò)連接，并發(fā)送服務(wù)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)。
5. Talker 向 Listener 發(fā)布數(shù)據(jù)Talker 接收到服務(wù)請(qǐng)求和參數(shù)后，開始執(zhí)行服務(wù)功能，執(zhí)行完成后，向 Listener 發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)。

parameter server: 參數(shù)服務(wù)器維護(hù)的一般是靜態(tài)數(shù)據(jù)字典，它使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，在節(jié)點(diǎn)管理器master中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信。

rosparam set param_key param_value 設(shè)置參數(shù)****rosparam get param_key 顯示參數(shù) rosparam load file_name 從文件加載參數(shù) (yaml格式) rosparam dump file_name 保存參數(shù)到文件 (yaml格式)rosparam delete 刪除參數(shù)rosparam list 列出參數(shù)名稱

• 參數(shù)管理機(jī)制

  參數(shù)類似于 ROS 中的全局變量，由 ROS Master 進(jìn)行管理，其通信機(jī)制較為簡單，不涉及 TCP/UDP 的通信。

• 

1. Talker 設(shè)置變量Talker 使用 RPC 向 ROS Master 發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，包含參數(shù)名和參數(shù)值；ROS Master 會(huì)將參數(shù)名和參數(shù)值保存到參數(shù)列表中。
2. Listener 查詢參數(shù)值Listener 通過 RPC 向 ROS Master 發(fā)送參數(shù)查找請(qǐng)求，包含索要查找的參數(shù)名。
3. ROS Master 向 Listener 發(fā)送參數(shù)值Master 根據(jù) Listener 的查找請(qǐng)求從參數(shù)列表中進(jìn)行查找，查找到參數(shù)后，使用RPC 將參數(shù)數(shù)值發(fā)送給 Listener。

這里需要注意的是，如果 Talker 向 Master 更新參數(shù)值，Listener 在不重新查詢參數(shù)值的情況下是無法知曉參數(shù)值已經(jīng)被更新的。所以在很多場景中，需要一種動(dòng)態(tài)參數(shù)更新機(jī)制。

action: 動(dòng)作類似service,屬于請(qǐng)求--查詢雙向同步通信模型，但是通信過程連續(xù)反饋狀態(tài)信息和隨時(shí)終止請(qǐng)求。通信雙方在action protocol 下通過消息進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，client和server為用戶提供API來請(qǐng)求目標(biāo)或者通過函數(shù)調(diào)用和回調(diào)來執(zhí)行目標(biāo)。

action protocal: action協(xié)議包含三部分,目標(biāo)（設(shè)定終點(diǎn)），反饋（實(shí)時(shí)狀態(tài)信息），結(jié)果（時(shí)長、最終姿態(tài)）。

ROS1和ROS2通信架構(gòu)比對(duì)

這里主要給大家介紹ROS2和ROS1的通信架構(gòu)區(qū)別，ROS1和ROS2的架構(gòu)如下，可以分成3層：OS層、中間層和應(yīng)用層

• OS層：ROS1主要構(gòu)建在Linux上，但ROS2支持多個(gè)操作系統(tǒng)。
• 中間層：ROS1通信基于TCPROS/UDPROS，而ROS2通信基于DDS（data distribution service）數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。它是專門為RTOS設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分發(fā)/訂閱標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)關(guān)鍵是以數(shù)據(jù)為核心的發(fā)布/訂閱 模型 DCPS（data-centric publish-subscribe）,DCPS模型類似現(xiàn)在流行的容器命名空間技術(shù)，創(chuàng)建了一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，空間內(nèi)的進(jìn)程都可以直接訪問。另外ROS2的intra-process 和ROS1的nodelet 數(shù)據(jù)傳輸方式類似，只是更名了而已，哈哈哈。
• 應(yīng)用層：ROS1強(qiáng)依賴于master單點(diǎn)，只要單點(diǎn)就會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，所以ROS1只適用于實(shí)驗(yàn)室研究，無法商用。ROS2取消了master節(jié)點(diǎn)管理器，節(jié)點(diǎn)間使用discover發(fā)現(xiàn)機(jī)制幫助彼此建立鏈接。

ROS 2 的通信模型

ROS 1的通信模型主要包含話題、服務(wù)等通信機(jī)制，ROS 2的通信模型會(huì)稍顯復(fù)雜，加入了很多DDS的通信機(jī)制。如下圖所示：

基于DDS數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的ROS2模型包含以下幾個(gè)關(guān)鍵概念。

參與者（Participant） :在 DDS 中，每一個(gè)發(fā)布者或者訂閱者都成為參與者，對(duì)應(yīng)于一個(gè)使用 DDS 的用戶，可以使用某種定義好的數(shù)據(jù)類型來 讀/寫 全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。

發(fā)布者（Publisher） :數(shù)據(jù)發(fā)布的執(zhí)行者，支持多種數(shù)據(jù)類型的發(fā)布，可以與多個(gè)數(shù)據(jù)寫入器（DataWriter）相聯(lián)，發(fā)布一種或多種主題（Topic）的消息。

訂閱者（Subscriber） :數(shù)據(jù)訂閱的執(zhí)行者，支持多種數(shù)據(jù)類型的訂閱，可以與多個(gè)數(shù)據(jù)讀取器（DataReader）相聯(lián)，訂閱一種或多種主題（Topic）的消息。

數(shù)據(jù)寫入器（DataWriter） :上層應(yīng)用向發(fā)布者更新數(shù)據(jù)的對(duì)象，每個(gè)數(shù)據(jù)寫入器對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的Topic，類似于ROS 1中的一個(gè)消息發(fā)布者。

數(shù)據(jù)讀取器（DataReader） :上層應(yīng)用從訂閱者讀取數(shù)據(jù)的對(duì)象，每個(gè)數(shù)據(jù)讀取器對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的Topic，類似于ROS 1中的一個(gè)消息訂閱者。

話題（Topic） ：和 ROS 1 中的概念類似，話題需要定義一個(gè)名稱和一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但 ROS 2 中的每個(gè)話題都是一個(gè)實(shí)例，可以存儲(chǔ)該話題中的歷史消息數(shù)據(jù)。

質(zhì)量服務(wù)原則（Quality of Service） :簡稱 QoS Policy，這是 ROS 2 中新增的、也是非常重要的一個(gè)概念，控制各方面與底層的通信機(jī)制，主要從時(shí)間限制、可靠性、持續(xù)性、歷史記錄這幾個(gè)方面，滿足用戶針對(duì)不同場景的數(shù)據(jù)需求。

• 實(shí)時(shí)性增強(qiáng)：數(shù)據(jù)必須在 deadline 之前完成更新；
• 持續(xù)性增強(qiáng)：DDS 可以為 ROS 2 提供數(shù)據(jù)歷史服務(wù)，新加入的節(jié)點(diǎn)也可以獲取發(fā)布者發(fā)布的所有歷史數(shù)據(jù)；
• 可靠性增強(qiáng)：配置可靠性原則，用戶可以根據(jù)需求選擇性能模式（BEST_EFFORT）或者穩(wěn)定模式（RELIABLE）。