ROS的通信机制

时间：2024-05-31 12:02:09

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ROS 的通信机制

ROS 最常用的通信方式有三种：话题通信、服务通信 和 共享参数，当然还有其他的通信方式，例如，节点之间的 Nodelet 通信（这种通信方式主要是为了保证数据实时性）；


话题通信机制

在话题（Topic）通信机制里，主要要三个角色：发布者，订阅者，Master；根据 Master 的参与主要分为两个阶段：连接前的准备，连接和通信。下图为单个发布者 与 订阅者 的通讯示意图；

ROS的通信机制

第一阶段：建立前的准备

在建立连接阶段，主要是解决发布者 与 订阅者 进行匹配进而连接的问题；在这个阶段主要分为五步：

  1. 发布者（Talker）启动，通过RPC向 ROS Master 注册发布者的信息，包括：发布者节点信息，话题名，话题缓存大小等；Master 会将这些信息加入注册列表中；
  2. 订阅者（Listener）启动，通过 RPC 向 ROC Master 注册订阅者信息，包括：订阅者节点信息，话题名等；Master 会将这些信息加入注册列表；
  3. Master 进行节点匹配：Master 会根据订阅者提供的信息，在注册列表中查找匹配的发布者；如果没有发布者（Talker），则等待发布者（Talker）的加入；如果找到匹配的发布者（Talker），则会主动把发布者（Talker）（有可能是很多个 Talker）的地址通过 RPC 传送给订阅者（Listener）节点；
  4. Listener 接收到 Master 的发出的 Talker 的地址信息，尝试通过 RPC 向 Talker 发出连接请求（信息包括：话题名，消息类型以及通讯协议（TCP/UDP））；
  5. Talker 收到 Listener 发出的连接请求后，通过 RPC 向 Listener 确认连接请求（包含的信息为自身 TCP 地址信息）；

至此，Talker 和 Listener 做好了连接前的准备工作。在这个过程中，Master 起到了 牵线搭桥 的作用；


第二阶段：连接和通信

在发布消息阶段，主要解决的是发布者(Talker) 如何 发布消息进入传递给 订阅者(Listener) 的过程。在这个过程中，完全是 Talker 和 Listener 两者之间的信息单向流动，Master 并未参与其中；主要分为两步：

  1. Listener 接收到 Talker 的确认消息后，使用 TCP 尝试与 Talker 建立网络连接；
  2. 成功连接之后，Talker 开始向 Listener 发布话题消息数据；

至此，完成了 Talker 向 Listener 发布消息的过程；Master 在这个阶段并不参与两者之间的数据传递；
需要注意的是，有可能多个 Talker 连接一个 Listener，也有可能是一个 Talker 连接上多个 Listener；


服务通信机制

服务是基于 C/S 模式的双向数据传输模式（有应答的通信机制），话题是无应答的通信机制。根据 Master 是否参数也分为两部分：连接前的准备，连接和通信；通信流程如下：

ROS的通信机制


连接前的准备

  1. 发布者（Talker）启动，通过RPC向 ROS Master 注册发布者的信息，包括：发布者节点信息，话题名，话题缓存大小等；Master 会将这些信息加入注册列表中；
  2. 订阅者（Listener）启动，通过 RPC 向 ROC Master 注册订阅者信息，包括：订阅者节点信息，话题名等；Master 会将这些信息加入注册列表；
  3. Master 进行节点匹配：Master 会根据订阅者提供的信息，在注册列表中查找匹配的发布者；如果没有发布者（Talker），则等待发布者（Talker）的加入；如果找到匹配的发布者（Talker），则会主动把发布者（Talker）（有可能是很多个 Talker）的地址通过 RPC 传送给订阅者（Listener）节点；

至此，连接前的准备工作就做完了，可以发现服务通信的 连接前的准备 工作比话题通信的 连接前的准备 工作少两步；


连接和通信

这一部分和话题通信的 连接和通信 步骤都是一样的。唯一不同的是服务通信是有应答的。

  1. Listener 接收到 Talker 的确认消息后，使用 TCP 尝试与 Talker 建立网络连接；
  2. 成功连接之后，Talker 开始向 Listener 发布话题消息数据；

至此，服务通信完成连接和通信过程，可以进行有应答的信息交流了。
需要注意的是，有可能是一个 Talker 连接上多个 Listener；


共享参数机制

参数共享机制类似于程序中的全局变量，Talker 去更新全局变量（共享的参数），Listener 去获取更新后的全局变量（共享的参数）；这个通信过程不涉及 TCP/UDP 的通信；示意图如下：

ROS的通信机制

  1. Talker 更新全局变量；Talker 通过 RPC 更新 ROS Master 中的共享参数（包含参数名和参数值）；
  2. Listener 通过 RPC 向 ROS Master 发送参数查询请求（包含要查询的参数名）；
  3. ROS Master 通过 RPC 回复 Listener 的请求（包括参数值）；

从上述流程可知，如果 Listener 向实时知道共享参数的变化，需要自己不停的去询问 ROS Master；


话题与服务的区别

话题和服务是 ROS 中使用最多的通信方法，它们之间有很多不同之处：

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

话题是 ROS 中基于发布者/订阅者模型的异步通信，发布者与订阅者双方解耦，常用于不断更新，含有较少逻辑处理的数据通信；
服务是 ROS 中基于客户端。服务器模型的同步通信，适用于逻辑性强的数据交换；

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