ROS2高效学习第一章 -- ros2系统介绍及DDS引入

1 前言和资料

从本文起，我们开始系统学习ros2。之前本人用两个系列博客，系统学习了ros1 noetic，即：ROS高效入门系列 和 ROS高效进阶系列 。
由于机器人行业的发展，以及 ros 本身的迭代需求，用在ubuntu20.04的 noetic 将是 ros1 最后一个长期支持版，并截至到 2025年停更，具体可以看 ros1的发版历史：ros1 Distributions 。因此，我们需要学习 ros2，这是下一个十年机器人领域主流的行业标准。本文参考资料如下：
（1）ROS高效入门第一章 – ROS历史与现状
（2）ROS2对比ROS1
（3）DDS与FastRTPS
（4）古月 DDS 介绍
（5）fishros DDS 介绍
（6）DDS Specification
（7）DDSI-RTPS
（8）Fast-RTPS github 链接为：Fast-RTPS github
（9）Fast-RTPS 官方文档链接：Fast-RTPS Doc

2 正文

2.1 ros2由来以及版本选择

（1）ros1引入：说ros2之前，我们先解释 ros 或者说 ros1 的由来。ros1最早是柳树车库设计的PR2（Personal Robot，个人机器人2代）的软件部分。PR2有高算力的计算平台，不用担心性能问题；PR2是标准的单机系统，不用担心网络通信问题，因此可以说 ros1 有很强的实验室属性，这为 ros2 诞生埋下了伏笔。

更多信息，建议阅读本人之前的博客：ROS高效入门第一章 – ROS历史与现状
（2）ros1痛点：ros1一经推出，很快引燃了机器人领域，各类机器人大爆发，大家都用开源ros1搭建原型，甚至做量产产品，包括自动驾驶汽车这种大型机器人系统。尽管ros1一直在迭代升级，但依然无法回避几个痛点：
第一，量产机器人一般使用嵌入式计算平台，性能受限，ros1的使用体验不好，尤其是中间件通信负载很高。
第二，量产机器人要求在各种条件下，都具备很高的通信稳定性。ros1基于TCP/IP自己实现的中心化的中间件通信方式，难以满足复杂场景的通信需求。
鉴于ros1的现状，很多公司自己动手做优化，尤其是中间件优化，比如百度Apollo Cyber RT 。

（3）ros2版本选择：看着业内各方动手对ros1进行完善升级，ROS官方自然也不会闲着。早在2015年，ROS官方就已经启动了ros2的设计开发，并一直与ros1并行前进，见下图。直到2022年5月，ROS 官方推出了 ros2 的第一个五年长期支持版 Humble Hawksbill（谦逊的玳瑁龟），标志着 ros2 的成熟，更详细的发版历史可以参考：ros2 releases。自此，ros 彻底切到了 ros2，本系列博客文章也将使用 ros2 Humble 版本进行研究。

2.2 ros2与ros1的区别

（1）系统架构：下图是网上广为流传的ros1和ros2架构比对图，我们逐块分析。

第一，ros1采用中心化的通信拓扑，所有通信节点由 master 管理。明眼人一看就知道，这种通信方式很脆弱，master挂了，整个系统就跪了。加之 ros1 基于TCP/IP自己实现的这套中间件，在通信服务质量QOS，通信加密等方面的羸弱表现，最终导致 ROS 官方彻底放弃了自研中间件 ，转为使用更成熟稳定的 DDS（下节深入讨论）。
第二，client library是对通信接口的统一封装，方便开发者直接使用
第三，由于 DDS 是一套标准规范，有很多厂商提供各种类型的 DDS 通信库，因此 ros2 设计了 DDS 抽象层，封装底层变化。
第四，intra-process api 类似 ros1 的 nodelet api，使用共享内存用于大量数据传输的情况。
第五，ros1 主要用在 linux 上，ros2 大大扩大了自己的使用范围，甚至可以放在 RTOS 上。
（2）编译和编码方式：ros1 先后使用了 rosbuild 和 catkin 两版编译方式，你看他一直在变，就说明不完美。因此 ros2 引入了colcon包构建工具，生成 ament 格式的软件包。除此之外，ros2 将更加依赖面向对象的编程方式，编码难度也会增加一些。以后我们将通过众多的样例学习，体验 ros2 的编译编码方式。
（3）命令行：ros2 也对 ros1 的命令行风格进行了重构，功能差不多，但是命令更集中了，所有的命令都以ros2打头，如：ros2 bag info <==> rosbag info。

2.3 DDS引入和总体介绍

（1）通信模型：在讲解 DDS 之前，我们需要先梳理不同时期的通信模型，为 DDS 找一个位置。

第一，点对点的 C/S 模型，web 服务基本都是这个。一个服务器角色被许多的客户端使用，每次通信时，client 必须知道 server 的信息，然后通信双方再建立一条连接。最大的问题是节点越多，连接越多，server 一坏，所有 client 都跪了。
第二，经纪人 Pub/Sub 模型，这就是 ros1 的通信模型，所有节点通过中间人 master 管理，大家通信只要向 master 注册就行，使用起来比较方便。最大的问题是 master 跪了，整个系统都跪了。
第三，广播 Pub/Sub 模型，这个模型取消了 master 中心节点，也不用注册，所有节点都可以直接广播消息，也可以接收所有消息，但需要识别出自己关心的消息，比如 can 总线就是这个模型。最大的问题是总线上消息那么多，每个节点都要对所有消息进行筛选，冗余操作太多。
第四，数据分发模型：这种模型与广播模型有些类似，所有人都可以在 DataBus 上发布和读取消息。但它更进一步的是，通信中包含了很多并行的通路，每个人可以只关心自己感兴趣的消息，自动忽略自己不需要的消息。DDS 就是这个模型，第四代通信模型。
（2）DDS 简介：Data Distribution Service，数据分发服务，2004年由对象管理组织 Object Management Group（简称OMG）发布和维护，是一套专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准。DDS强调以数据为中心，可以提供丰富的 QOS 服务质量策略，以保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。DDS 最早来源于美国海军，现已在各行各业落地生根，包括 ROS2。

（3）DDS 组成：DDS 一般分为两大部分
一是 DDS Specification，描述了以数据为中心的发布-订阅模型。该规范定义了API和通信语义（行为和服务质量），使消息从消息生产者有效地传递到匹配的消费者。DDS规范的目的可以概括为：“能够在正确的时间将正确的信息高效，可靠地传递到正确的位置”。标准文档链接：DDS Specification
二是 DDSI-RTPS：描述了RTPS（Real Time Publish Subscribe Protocol）协议。该协议通过UDP等不可靠的传输，实现最大努力（Best-Effort）和可靠的发布-订阅通信。RTPS是DDS实现的标准协议，它的目的和范围是确保基于不同DDS供应商的应用程序可以实现互操作。标准文档链接：DDSI-RTPS。
（4）DDSI-RTPS 在 TCP/IP 协议栈的位置：其位于TCP/IP 协议栈的应用层，并且通常是基于 UDP（User Datagram Protocol）来实现的，而不是基于 TCP（Transmission Control Protocol）。选择 UDP 的原因在于：
第一，实时特性：UDP 提供了更低的传输延迟相对于 TCP，这对于需要快速反应的实时应用来说是关键。
第二，多播和广播通信：UDP 支持多播和广播，使得数据可以同时发送给多个订阅者，这与 DDS 的发布-订阅模型非常契合。
第三，控制性：RTPS 协议在应用层处理数据包的可靠性和排序，这允许更多的灵活性和针对特定应用需求的定制。
虽然 UDP 本身不保证数据的可靠性、顺序和完整性，但是 RTPS 在应用层实现了必要的机制，例如消息确认、重传请求和顺序保证，以确保可靠的通信。使用 UDP 的代价是，开发者或者 RTPS 实现需要在应用层处理那些通常由 TCP 自动管理的功能，如流量控制和拥塞避免。但这样使得 RTPS 协议能够为实时和高可靠性的应用提供定制化的网络服务。

（5）DDS 在汽车和自动驾驶行业的应用：首先 AUTOSAR Adaptive Platform 18.03 已经包含了 DDS 协议。ROS2 架构也以 DDS 为基础。DDS的实时特性可能特别适合自动驾驶系统。在这类系统中，通常会存在感知，预测，决策和定位模块，这些需要非常高速和频繁的交换数据。借助DDS，可以很好的满足它们的通信需求。

（6）DDS 提供商：由于 DDS 只是一套规范，具体实现有很多厂商做，提供不同版本，包括IBM，Apple Computer，Sun Microsystems等。这里我们只讲 ros2 默认的 DDS 版本，即Fast-RTPS，早先也叫 Fast-DDS，其是 eprosima （欧洲的一家中间件公司）对于 RTPS的C++实现，这是一个免费开源软件，遵循Apache License 2.0。
Fast-RTPS github 链接为：Fast-RTPS github
Fast-RTPS 官方文档链接：Fast-RTPS Doc
（7）ROS2 选择 DDS 的优劣：
第一，DDS已经应用在军事、潜艇各个领域，稳定性实时性经过实际检验。
第二，使用DDS需要维护的代码要少得多，可以让ROS2开发人员腾出手专注机器人开发，让专业人做专业事。
第三，劣处是 DDS API复杂，灵活性是以复杂性为代价的，系统开销也增加了，后面的学习我们会有体会。

3 总结

本文系统梳理了 ros1 和 ros2 的区别，并为大家引入了 DDS ，这部分内容将作为后面学习的理论基础。