ROS架构（五）——ROS的通信机制

ROS架构（五）——ROS的通信机制

总述

ROS的核心——分布式通信机制
ROS是一个分布式框架，为用户提供多节点（进程）之间的通信服务，所有软件功能和工具都建立在这种分布式通信机制上，所以ROS的通信机制是最底层也是最核心的技术。在大多数应用场景下，尽管我们不需要关注底层通信的实现机制，但是了解其相关原理一定会帮助我们在开发过程中更好地使用ROS。ROS最核心的三种通信机制如下。

一、通信机制一——话题通信机制

话题在ROS中使用最为频繁，其通信模型也较为复杂。在ROS中有两个节点：一个是发布者Talker，另一个是订阅着Listener。两个节点分别发布、订阅同一个话题，启动顺序没有强制要求，此处假设Talker首先启动，可分为如下七步分析建立通信的详细过程。

1、Talker注册
Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所发布消息的话题名;ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。
2、Listener注册
Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要订阅的话题名。
3、ROS Master进行信息匹配
Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的发布者，则等待发布者的加入：如果找到匹配的发布者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的RPC地址信息。
4、Listener发送连接请求
Listener接收到Master发回的Talker地址信息，尝试通过RPC向Talker发送连接请求，传输订阅的话题名、消息类型以及通信协议（TCP/UDP）
5、Talker确认连接请求
Talker接收到Listener发送的连接请求后，继续通过RPC向Listener确认连接信息，其中包含自身的TCP地址信息。
6、Listener尝试与Talker建立网络连接
Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接。
7、Talker向Listener发布数据
成功建立连接后，Talker开始向Listener发送话题消息数据。
从上面的分析中可以发现，前五个步骤使用的通信协议都是RPC，最后发布数据的过程才使用到TCP。ROS Master在节点建立连接的过程中起到了重要作用，但是并不参与节点之间最终的数据传输。

二、通信机制二——服务通信机制

服务是一种带有应答的通信机制，与话题的通信相比，其减少了Listener与Talker之间的RPC通信。

1、Talker注册
Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所提供的服务名;ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。
2、Listener注册
Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要订阅的服务名。
3、ROS Master进行信息匹配
Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的服务提供者，则等待该服务的提供者加入：如果找到匹配的服务提供者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的TCP地址信息。
4、Listener与Talker建立网络连接
Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接，并且发送服务的请求数据。
5、Talker向Listener发布服务应答数据
Talker接收到服务请求和参数后，开始执行服务功能，执行完成后，向Listener发送应答数据。

三、通信机制三——参数管理机制

参数类似于ROS中的全局变量，由ROS Master进行管理，其通信机制较为简单，不涉及TCP/UDP的通信。

1、Talker设置变量
Talker使用RPC向ROS Master发送参数设置数据，包含参数名和参数值;ROS Master会将参数名和参数值保存到参数列表中。
2、Listener查询参数值
Listener通过RPC向ROS Master发送参数查找请求，包含所要查找的参数名。
3、ROS Master向Listener发送参数值
Master根据Listener的查找请求从参数列表中进行查找，查找到参数后，使用RPC将参数值发送给Listener。

四、话题与服务的区别

话题和服务是ROS中最基础也是使用最多的通信方法。具体总结如表所示。
话题与服务的区别

Name	话题	服务
同步性	异步	同步
通信模型	发布/订阅	客户端/服务端
底层协议	ROSTCP/ROSUDP	ROSTCP/ROSUDP
反馈机制	无	有
缓冲区	有	无
实时性	弱	强
节点关系	多对多	一对多（一个Server）
适用场景	数据传输	逻辑处理

总之，话题是ROS中基于发布/订阅模型的异步通信模式，这种方式将信息的产生和使用双方解耦，常用于不断更新的、含有较少逻辑处理的数据通信;而服务多用于处理ROS中的同步通信，采用客户端/服务器模型，常用于数据量较少但有强逻辑处理的数据交换。