ROS2 DDS中间件（图文并茂+超详细）

ROS2 DDS中间件（图文并茂+超详细）

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weixin_39939185/article/details/145865272

ROS2（Robot Operating System 2）作为新一代机器人操作系统，其底层通信框架采用了DDS（Data Distribution Service）。本文将详细介绍DDS的原理、功能以及在ROS2中的具体应用，帮助读者深入理解这一重要的中间件技术。

DDS简介

DDS（Data Distribution Service）是由Object Management Group (OMG)最早于2004年发布的一种基于发布-订阅（publish-subscribe）模式的端到端网络通信中间件，它可用于实时系统中实现可靠、高性能、可扩展、可互操作的数据传输。

DDS本身只是一个标准以及一套API定义，各厂商可以根据该标准实现自己的DDS。比较有名的DDS实现包括：

• eProsima FastDDS
• Eclipse Cyclone DDS
• RTI Context
• ADLINK Opensplice

ROS2对它们的支持情况如下表所示：

可以根据需要配置ROS2使用不同的DDS实现。

DDS标准定义见About the Data Distribution Service Specification Version 1.4。DDS C++ API定义见About the ISO/IEC C++ 2003 Language DDS PSM Specification Version 1.0

DDS是完全分布式的，没有中心节点，任何两个节点之间都是直接通信的，示意图如下：

为了实现这样的系统，首先要解决的是各节点的互相发现问题。DDS本身并没有定义应该如何发现各节点，而是在RTPS（Real-time Publish-Subscribe Protocol）中定义该行为。RTPS用来支撑DDS的实现，是DDS底层使用的协议，用来保证各种DDS的实现之间可以互操作。在RTPS中定义了两个独立的发现协议，分别是PDP（Participant Discovery Protocol）和EDP（Endpoint Discovery Protocol），PDP用于发现各参与节点，EDP用于发现每个节点提供的所有端点（Endpoints）。PDP的实现可以通过单播列表或者组播实现。RTPS允许实现者实现不同的PDP和EDP协议，但是至少要实现SPDP（Simple PDP）和SEDP（Simple EDP）协议。关于协议的具体规定见RTPS规范。

在ROS2的实现中，默认采用的DDS实现为eProsima FastDDS。eProsima FastDDS是Apache2的开源协议，代码托管在github上eProsima/Fast-DDS。文档见DDS API — Fast DDS 2.0.0 documentation。eProsima提供的一张图可以很好地来表示DDS的实现原理：

可以看到，DDS基于Topic来实现发布-订阅模式，而且没有中心节点。是一种很好的端到端分布式通信中间件。ROS2使用它提供了面向机器人领域的开发框架。

DDS仅提供给予发布-订阅模式的通信，有些框架对它进行了包装，在发布-订阅的基础上提供了RPC的能力，比如同样来自OMG的DDS-RPC，以及来自eProsima的eProsima RPC over DDS。

将基于发布订阅模式的DDS包装成RPC的方法如下：

每个RPC调用都会是用2个Topic来实现，一个用于发送请求，一个用于接收回复。更详细的信息可以参考官方文档。

总结

DDS的目标场景在端上，致力于使端上的应用可以更容易地进行通信，由于它的完全分布式架构，可以方便地将端上的应用拆分为多进程架构，从而提高端的容错能力。从产品定位角度来讲，它和Chromium中的mojo都是端上的通信中间件，只不过mojo不强调分布式，内部集成了更多的特定于端上的机制，比如句柄的传输，消息的缓存等。但由于mojo生于Chromium，目前官方并没有把它独立出来，所以用起来比较不方便。而DDS或许可以在简单的场景下作为mojo的替代品。

一些代码实现

以下是使用ROS2标准方式（基于.msg文件+rclcpp）重构的代码示例，保留了核心功能但完全遵循ROS2抽象层的最佳实践：

1. 创建ROS2包和消息定义

1.1 创建工作空间

mkdir -p ros2_ws/src && cd ros2_ws/src
ros2 pkg create helloworld_demo --build-type ament_cmake

1.2 定义消息类型

在ros2_ws/src/helloworld_demo/msg/HelloWorld.msg中添加：

uint32 id
string message

1.3 修改package.xml

<!-- 在 package.xml 中添加以下依赖 -->
<build_depend>rosidl_default_generators</build_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>
<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>
<depend>rclcpp</depend>
<depend>std_msgs</depend>

1.4 修改CMakeLists.txt

# 在 CMakeLists.txt 中添加以下内容
find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/HelloWorld.msg"
)
# 发布者节点
add_executable(publisher src/publisher.cpp)
target_include_directories(publisher PRIVATE ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/rosidl_generator_cpp)
ament_target_dependencies(publisher
  rclcpp
  std_msgs
  rosidl_default_runtime
)
# 订阅者节点
add_executable(subscriber src/subscriber.cpp)
target_include_directories(subscriber PRIVATE ${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/rosidl_generator_cpp)
ament_target_dependencies(subscriber
  rclcpp
  std_msgs
  rosidl_default_runtime
)
# 安装和导出
install(TARGETS publisher subscriber
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)
rosidl_export_interfaces(export_${PROJECT_NAME} HAS_LIBRARY_TARGET)
ament_package()

2. 实现发布者节点

src/publisher.cpp

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "helloworld_demo/msg/hello_world.hpp"
#include <chrono>
using namespace std::chrono_literals;
class PublisherNode : public rclcpp::Node {
public:
  PublisherNode() : Node("hello_publisher"), count_(0) {
    publisher_ = this->create_publisher<helloworld_demo::msg::HelloWorld>(
      "hello_topic",  // 话题名称
      10  // QoS历史深度
    );
    timer_ = this->create_wall_timer(
      1000ms,  // 1秒周期
      [this]() {
        auto message = helloworld_demo::msg::HelloWorld();
        message.id = ++count_;
        message.message = "Hello from ROS2 publisher";
        
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: [%d] '%s'", 
          message.id, message.message.c_str());
        publisher_->publish(message);
      });
  }
private:
  rclcpp::Publisher<helloworld_demo::msg::HelloWorld>::SharedPtr publisher_;
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
  uint32_t count_;
};
int main(int argc, char* argv[]) {
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::spin(std::make_shared<PublisherNode>());
  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

3. 实现订阅者节点

src/subscriber.cpp

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "helloworld_demo/msg/hello_world.hpp"
class SubscriberNode : public rclcpp::Node {
public:
  SubscriberNode() : Node("hello_subscriber") {
    subscriber_ = this->create_subscription<helloworld_demo::msg::HelloWorld>(
      "hello_topic",  // 与发布者相同的话题名称
      10,  // QoS历史深度
      [this](const helloworld_demo::msg::HelloWorld::SharedPtr msg) {
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Received: [%d] '%s'", 
          msg->id, msg->message.c_str());
      });
  }
private:
  rclcpp::Subscription<helloworld_demo::msg::HelloWorld>::SharedPtr subscriber_;
};
int main(int argc, char* argv[]) {
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::spin(std::make_shared<SubscriberNode>());
  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

4. 编译与运行

4.1 编译

cd ros2_ws
colcon build --packages-select helloworld_demo
source install/setup.bash

4.2 运行（两个终端）

# 终端1：订阅者
ros2 run helloworld_demo subscriber
# 终端2：发布者
ros2 run helloworld_demo publisher