ROS2软件架构全面解析-学习如何设计通信中间件框架

前言

ROS（Robot Operating System） 2 是一个用于开发机器人应用的软件平台，也称为机器人软件开发工具包 (SDK)。
ROS2是ROS1的迭代升级版本 ，最主要的升级点是引入DDS（Data Distribution Service）为基础的底层通信系统。
为解决ROS1存在主要几个缺陷：

• 为解决一个主节点通信故障(ROSMaster)，需要对所有现有的Client库进行单独的补丁处理，并且每个补丁都是定制的解决方案。因为ROS1中Client和Master是高度耦合，一旦Master节点需要修复bug，那所有的Client节点功能都需要修改。
• 对于ROS系统安全问题通过SROS 项目增强，但它难以维护，并且需要进一步开发以满足不断变化的安全趋势。

ROS2软件架构

我先用一句话来总结ROS2：为机器人设计以DDS为底座的通信中间件
让我们来看一下总体通信架构图

• 最上层是User Application，就是机器人系统自己写代码开发的功能，基于一种特定场景解决功能问题。
• 第二层是API接口层，对Application提供功能接口，比如：create_publisher、create_subscription、ActionClient、ActionServer，因为ROS2支持Python、C++、Java所以API接口层在图片上有三种类别，推荐使用Python接口代码最美观。
• 第三层（rcl）是API实现层，对API层提供通用功能的底层逻辑实现。
• 第四层（rmw）是通信API定义层，这是对适配各种DDS组件功能的API规范化，可以使用各种vendor
  厂商的DDS。类似于Android AIDL，规定好API让Vendor厂商按照rmw标准适配API，实现更好的模块解耦。
• 最下面一层就是DDS通信层，可以选择各种DDS实现代码框架：Cyclone DDS、Fast DDS。

为什么ROS2选择DDS

DDS（Data Distribution Service） 规范描述了一种用于分布式应用程序通信和集成的数据中心发布-订阅（DCPS）模型。该规范定义了应用程序接口（API）和通信语义（行为和服务质量），从而实现信息从信息生产者到匹配消费者的高效传递。
上面是DDS的定义，但是这并不能解释标题问题，继续来看官方文档。

• DDS 提供一个发布-订阅传输，它与 ROS 的发布-订阅传输非常相似。
• DDS提供的默认发现系统，需要使用DDS的发布-订阅传输，是一个分布式发现系统。这允许任何两个 DDS 程序进行通信，而无需像 ROS Master这样的工具。
  -DDS让ROS 2 旨在获得一流的安全性、嵌入式和实时支持、多机器人通信以及在非理想网络环境中的操作能力。
  回答解决部分疑惑，但是我认为还有以下原因：
• 机器人操作系统很重要的一点就是实时性和低延迟，无人飞行机器人对环境的反应是否低延时，能够实时的调整飞行姿态，对障碍做出避让行为。在这种场景下通信过程中重要就是数据流程，设计这种系统的通信中间件最看重数据采样、发送、接收、处理，一切以数据为核心进行整个系统的状态流转。
• ROS2就是为机器人各种场景设计的通信中间件，通信的实时性和低延迟就是最核心的要求，所以就要以数据为核心流转，而DDS这样的以数据为中心的分布式通信规范刚好满足其需求。

我之前一直很疑惑ROS2为什么不选择以为someip核心的通信中间件，并且也都是有Client、server模式那和someip有什么区别，而且也有文章表现车载中间件中的DDS和someip之争（参考文献二）。
本人认为还是应用场景的区别，现在的整车操作系统各个ECU的功能都会以服务的形式把能力提供出来，让其他模块来使用，以服务为通信核心，注重服务订阅、发布、通知，所以从整车通信架构范围来说肯定是someip通信协议使用范围广。但是在聚焦某一部分实时、低延迟性、大数据量业务，就可以考虑使用DDS。对于主机厂肯定会考虑到两种协议的兼容性问题，所以现在主流做法的是写一套像ROS2一样的SOA（Service Oriented Architecture）服务，其中整合someip和DDS区分场景来自动化选用。
这篇博客关注ROS2软件架构的目的就是想要借鉴、分析ROS2这套通信中间件是怎么设计的，来启发、讨论如何设计一套好的通信中间件。

为了分析ROS2软件层次更加清晰，也让这篇博客主旨更加清晰，所以接下来三个章节代表着ROS2中三个层级，单独设置博客来详细介绍，这边博客中直接附上链接地址。

rclpy软件框架

• ROS2软件架构全面解析-rclpy软件框架

rcl软件框架

• ROS2软件架构全面解析-rcl软件框架-暂无

rmw软件框架

• ROS2软件架构全面解析-rmw软件框架-暂无

如何设计一个好的通信中间件？

Acknowledgement and Sentiment

• 我最开始接触到ROS2是因为DDS，现在自动驾驶的需求和机器人高度重合，所以自动驾驶域大量使用DDS最为域内通信中间件。
• ROS2作为学习DDS的一个入口我觉得是非常不错的，因为ROS2生态丰富并且ROS2这套SOA框架设计得very great！在学习DDS的同时可以让我们思考怎么设计剥离通信协议底层的SOA中间件。因为我认为未来汽车网络架构一定是以SOA为基础，学习SOA整个框架包括底层通信协议是很有价值的！
• 但是网上却没有同仁去深入解析其中的软件架构，这个让我大为疑惑，既然没有人来写，那就我来写吧。
• 有什么问题欢迎大家与我交流分享！：[email protected]
  未完待续！持续更新！欢迎大家关注！！！

参考文献

• Robot Operating System 2: Design, Architecture, and Uses In The Wild
• 自动驾驶中间件之二：通信中间件，DDS与SOME/IP 谁主沉浮？
• ROS on DDS