ROS的四种通信架构（转载）
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ROS的通信方式是ROS最为核心的概念，ROS系统的精髓就在于它提供的通信架构。ROS的通信方式有以下四种：
- Topic 主题
- Service 服务
- Parameter Service 参数服务器
- Actionlib 动作库
一 Topic
ROS中的通信方式中，topic是常用的一种。对于实时性、周期性的消息，使用topic来传输是最佳的选择。topic是一种点对点的单向通信方式，这里的“点”指的是node，也就是说node之间可以通过topic方式来传递信息。topic要经历下面几步的初始化过程：首先，publisher节点和subscriber节点都要到节点管理器进行注册，然后publisher会发布topic，subscriber在master的指挥下会订阅该topic，从而建立起sub-pub之间的通信。注意整个过程是单向的。其结构示意图如下：
Subscriber接收消息会进行处理，一般这个过程叫做回调(Callback)。所谓回调就是提前定义好了一个处理函数（写在代码中），当有消息来就会触发这个处理函数，函数会对消息进行处理。
上图就是ROS的topic通信方式的流程示意图。topic通信属于一种异步的通信方式。下面我们通过一个示例来了解下如何使用topic通信。
3.3.3 通信示例
参考下图，我们以摄像头画面的发布、处理、显示为例讲讲topic通信的流程。在机器人上的摄像头拍摄程序是一个node（圆圈表示,我们记作node1），当node1运行启动之后，它作为一个Publisher就开始发布topic。比如它发布了一个topic（方框表示），叫做/camera_rgb，是rgb颜色信息，即采集到的彩色图像。同时，node2假如是图像处理程序,它订阅了/camera_rgb这个topic，经过节点管理器的介绍，它就能建立和摄像头节点（node1）的连接。
那么怎么样来理解“异步”这个概念呢？在node1每发布一次消息之后，就会继续执行下一个动作，至于消息是什么状态、被怎样处理，它不需要了解；而对于node2图像处理程序，它只管接收和处理/camera_rgb上的消息，至于是谁发来的，它不会关心。所以node1、node2两者都是各司其责，不存在协同工作，我们称这样的通信方式是异步的。
ROS是一种分布式的架构，一个topic可以被多个节点同时发布，也可以同时被多个节点接收。比如在这个场景中用户可以再加入一个图像显示的节点，我们在想看看摄像头节点的画面，则可以用自己的笔记本连接到机器人上的节点管理器，然后在自己的电脑上启动图像显示节点。
这就体现了分布式系统通信的好处：扩展性好、软件复用率高。
总结三点：
- topic通信方式是异步的，发送时调用publish()方法，发送完成立即返回，不用等待反馈。
- subscriber通过回调函数的方式来处理消息。
- topic可以同时有多个subscribers，也可以同时有多个publishers。ROS中这样的例子有：/rosout、/tf等等。
在实际应用中，我们应该熟悉topic的几种使用命令，下表详细的列出了各自的命令及其作用。
| 命令 | 作用 |
|---|---|
rostopic list |
列出当前所有的topic |
rostopic info topic_name |
显示某个topic的属性信息 |
rostopic echo topic_name |
显示某个topic的内容 |
rostopic pub topic_name ... |
向某个topic发布内容 |
rostopic bw topic_name |
查看某个topic的带宽 |
rostopic hz topic_name |
查看某个topic的频率 |
rostopic find topic_type |
查找某个类型的topic |
rostopic type topic_name |
查看某个topic的类型(msg) |
如果你一时忘记了命令的写法，可以通过rostopic help或rostopic command -h查看具体用法。
二 Service
上一章我们介绍了ROS的通信方式中的topic(主题)通信，我们知道topic是ROS中的一种单向的异步通信方式。然而有些时候单向的通信满足不了通信要求，比如当一些节点只是临时而非周期性的需要某些数据，如果用topic通信方式时就会消耗大量不必要的系统资源，造成系统的低效率高功耗。
这种情况下，就需要有另外一种请求-查询式的通信模型。这节我们来介绍ROS通信中的另一种通信方式——service(服务)。
工作原理
简介
为了解决以上问题，service方式在通信模型上与topic做了区别。Service通信是双向的，它不仅可以发送消息，同时还会有反馈。所以service包括两部分，一部分是请求方（Clinet），另一部分是应答方/服务提供方（Server）。这时请求方（Client）就会发送一个request，要等待server处理，反馈回一个reply，这样通过类似“请求-应答”的机制完成整个服务通信。
这种通信方式的示意图如下：
Node B是server（应答方），提供了一个服务的接口，叫做/Service，我们一般都会用string类型来指定service的名称，类似于topic。Node A向Node B发起了请求，经过处理后得到了反馈。
过程
Service是同步通信方式，所谓同步就是说，此时Node A发布请求后会在原地等待reply，直到Node B处理完了请求并且完成了reply，Node A才会继续执行。Node A等待过程中，是处于阻塞状态的成通信。这样的通信模型没有频繁的消息传递，没有冲突与高系统资源的占用，只有接受请求才执行服务，简单而且高效。
topic VS service
我们对比一下这两种最常用的通信方式，加深我们对两者的理解和认识，具体见下表：
| 名称 | Topic | Service |
|---|---|---|
| 通信方式 | 异步通信 | 同步通信 |
| 实现原理 | TCP/IP | TCP/IP |
| 通信模型 | Publish-Subscribe | Request-Reply |
| 映射关系 | Publish-Subscribe(多对多) | Request-Reply（多对一） |
| 特点 | 接受者收到数据会回调（Callback） | 远程过程调用（RPC）服务器端的服务 |
| 应用场景 | 连续、高频的数据发布 | 偶尔使用的功能/具体的任务 |
| 举例 | 激光雷达、里程计发布数据 | 开关传感器、拍照、逆解计算 |
注意：远程过程调用(Remote Procedure Call，RPC),可以简单通俗的理解为在一个进程里调用另一个进程的函数。
操作命令
在实际应用中，service通信方式的命令时rosservice，具体的命令参数如下表：
| rosservice 命令 | 作用 |
|---|---|
rosservice list |
显示服务列表 |
rosservice info |
打印服务信息 |
rosservice type |
打印服务类型 |
rosservice uri |
打印服务ROSRPC uri |
rosservice find |
按服务类型查找服务 |
rosservice call |
使用所提供的args调用服务 |
rosservice args |
打印服务参数 |
三 Parameter server
简介
前文介绍了ROS中常见的两种通信方式——主题和服务，这节介绍另外一种通信方式——参数服务器（parameter server）。与前两种通信方式不同，参数服务器也可以说是特殊的“通信方式”。特殊点在于参数服务器是节点存储参数的地方、用于配置参数，全局共享参数。参数服务器使用互联网传输，在节点管理器中运行，实现整个通信过程。
参数服务器，作为ROS中另外一种数据传输方式，有别于topic和service，它更加的静态。参数服务器维护着一个数据字典，字典里存储着各种参数和配置。
字典简介
何为字典，其实就是一个个的键值对，我们小时候学习语文的时候，常常都会有一本字典，当遇到不认识的字了我们可以查部首查到这个字，获取这个字的读音、意义等等，而这里的字典可以对比理解记忆。键值kay可以理解为语文里的“部首”这个概念，每一个key都是唯一的，参照下图：
每一个key不重复，且每一个key对应着一个value。也可以说字典就是一种映射关系，在实际的项目应用中，因为字典的这种静态的映射特点，我们往往将一些不常用到的参数和配置放入参数服务器里的字典里，这样对这些数据进行读写都将方便高效。
维护方式
参数服务器的维护方式非常的简单灵活，总的来讲有三种方式：
- 命令行维护
- launch文件内读写
- node源码
下面我们来一一介绍这三种维护方式。
命令行维护
使用命令行来维护参数服务器，主要使用rosparam语句来进行操作的各种命令，如下表：
| rosparam 命令 | 作用 |
|---|---|
rosparam set param_key param_value |
设置参数 |
rosparam get param_key |
显示参数 |
rosparam load file_name |
从文件加载参数 |
rosparam dump file_name |
保存参数到文件 |
rosparam delete |
删除参数 |
rosparam list |
列出参数名称 |
load&&dump文件
load和dump文件需要遵守YAML格式，YAML格式具体示例如下：
name:'Zhangsan'
age:20
gender:'M'
score{Chinese:80,Math:90}
score_history:[85,82,88,90]
简明解释。就是“名称+：+值”这样一种常用的解释方式。一般格式如下：
key : value
遵循格式进行定义参数。其实就可以把YAML文件的内容理解为字典，因为它也是键值对的形式。
launch文件内读写
launch文件中有很多标签，而与参数服务器相关的标签只有两个，一个是，另一个是一般只设置一个参数，请看下例：
（1） （2） （3）
观察上例比如序号3的param就定义了一个key和一个value，交给了参数服务器维护。而序号1的param只给出了key，没有直接给出value，这里的value是由后没的脚本运行结果作为value进行定义的。序号(2)就是rosparam的典型用法，先指定一个YAML文件，然后施加command,其效果等于rosparam load file_name。
node源码
除了上述最常用的两种读写参数服务器的方法，还有一种就是修改ROS的源码，也就是利用API来对参数服务器进行操作。具体内容我们学习完后面章节再进行介绍。
四 Action
4.4.1简介
Actionlib是ROS中一个很重要的库，类似service通信机制，actionlib也是一种请求响应机制的通信方式，actionlib主要弥补了service通信的一个不足，就是当机器人执行一个长时间的任务时，假如利用service通信方式，那么publisher会很长时间接受不到反馈的reply，致使通信受阻。当service通信不能很好的完成任务时候，actionlib则可以比较适合实现长时间的通信过程，actionlib通信过程可以随时被查看过程进度，也可以终止请求，这样的一个特性，使得它在一些特别的机制中拥有很高的效率。
4.4.2 通信原理
Action的工作原理是client-server模式，也是一个双向的通信模式。通信双方在ROS Action Protocol下通过消息进行数据的交流通信。client和server为用户提供一个简单的API来请求目标（在客户端）或通过函数调用和回调来执行目标（在服务器端）。
工作模式的结构示意图如下：
通信双方在ROS Action Protocal下进行交流通信是通过接口来实现,如下图:
我们可以看到,客户端会向服务器发送目标指令和取消动作指令,而服务器则可以给客户端发送实时的状态信息,结果信息,反馈信息等等,从而完成了service没法做到的部分.
4.4.3 Action 规范
利用动作库进行请求响应，动作的内容格式应包含三个部分，目标、反馈、结果。
- 目标
机器人执行一个动作，应该有明确的移动目标信息，包括一些参数的设定，方向、角度、速度等等。从而使机器人完成动作任务。
- 反馈
在动作进行的过程中，应该有实时的状态信息反馈给服务器的实施者，告诉实施者动作完成的状态，可以使实施者作出准确的判断去修正命令。
- 结果
当运动完成时，动作服务器把本次运动的结果数据发送给客户端，使客户端得到本次动作的全部信息，例如可能包含机器人的运动时长，最终姿势等等。
4.4.4 Action规范文件格式
Action规范文件的后缀名是.action，它的内容格式如下：
# Define the goal
uint32 dishwasher_id # Specify which dishwasher we want to use
---
# Define the result
uint32 total_dishes_cleaned
---
# Define a feedback message
float32 percent_complete
4.4.5 Action实例详解
Actionlib是一个用来实现action的一个功能包集。我们在demo中设置一个场景，执行一个搬运的action，搬运过程中客户端会不断的发回反馈信息，最终完成整个搬运过程．
本小节的演示源码在课程的演示代码包里,此处为链接.
首先写handling.action文件,类比如上的格式.包括三个部分,目标,结果,反馈.如下:
# Define the goal
uint32 handling_id
---
# Define the result
uint32 Handling_completed
---
# Define a feedback message
float32 percent_complete写完之后修改文件夹里CmakeLists.txt如下内容:
find_package(catkin REQUIRED genmsg actionlib_msgs actionlib)
add_action_files(DIRECTORY action FILES DoDishes.action) generate_messages(DEPENDENCIES actionlib_msgs)
add_action_files(DIRECTORY action FILES Handling.action)
generate_messages( DEPENDENCIES actionlib_msgs)修改package.xml,添加所需要的依赖如下:
actionlib
actionlib_msgs
actionlib
actionlib_msgs 然后回到工作空间 catkin_ws进行编译.
本例中设置的的action,定义了一个搬运的例子,首先写客户端,实现功能发送action请求,包括进行目标活动,或者目标活动.之后写服务器,实验返回客户端活动当前状态信息,结果信息,和反馈信息.从而实现action.本例测试结果截图如下:
小结
至此，ROS通信架构的四种通信方式就介绍结束，我们可以对比学习这四种通信方式，去思考每一种通信的优缺点和适用条件，在正确的地方用正确的通信方式，这样整个ROS的通信会更加高效，机器人也将更加的灵活和智能。机器人学会了通信，也就相当于有了“灵魂”。