ROS2使用 Fast DDS Discovery Server 作为发现协议

原创

buzzfrog

发布于 2024-02-02 10:52:39

4075

发布于 2024-02-02 10:52:39

背景

在当今的机器人技术和自动化系统中，快速、可靠的消息传递机制是实现高效通讯的关键。作为优秀的机器人操作系统，ROS2引入了先进的通讯机制和架构设计，其中，通过配置可以使用Fast DDS (原Fast RTPS) Discovery Server作为发现协议，为ROS2系统中的节点发现和消息传递提供了一种更加高效和可靠的方法。

Fast DDS Discovery Server是由eProsima公司开发的一种基于DDS (Data Distribution Service)协议的通讯架构。在传统的Pub/Sub模型中，节点发现通常采用广播或多播的方式来进行，当系统规模增大时，这种方式将导致网络上的广播风暴，从而影响通信效率和稳定性。而Discovery Server则改变了这一模式，通过一个或多个中心服务器来管理节点的发现过程，从而大幅减少网络上的发现消息，提高整个系统的可扩展性和效率。

本文旨在解析Fast DDS Discovery Server的原理、特点以及如何在ROS2中使用它来优化节点发现和数据通信。

Fast DDS Discovery Server工作原理

在Fast DDS Discovery Server架构中，Discovery Server负责收集系统中所有节点的信息，并维护这些信息。当一个新节点加入时，它只需要与Discovery Server交换其元数据，而不是与每个现有节点单独交换，这降低了网络带宽的使用率和系统的总体负载。此外，当节点需要相互通信时，它们可以通过查询Discovery Server来获取对方的信息，然后直接建立通信连接。

基于以上架构，Fast DDS具有以下特点：

提高可扩展性：通过集中化的节点发现机制，能有效管理成百上千的节点，极大提高了系统的可扩展性。
减少资源消耗：减少了网络上的广播和多播消息，显著降低了带宽和处理资源的消耗。
支持复杂网络拓扑：能够支持多种网络结构，并在复杂的网络环境中稳定运行，如跨子网工作。
高度灵活和配置性：提供了丰富的配置选项，用户可以根据自己的需求进行详细的设置，以适应不同的应用场景。

实操案例

环境

ubuntu 20.04服务器，安装了ROS2 galactic版本。（如果使用sudo apt install ros-galactic-desktop安装ROS2，可以直接执行以下教程，如果使用sudo apt install ros-galactic-ros-base安装ROS2，则需要额外安装sudo apt install ros-galactic-rmw-fastrtps-cpp）

在~/.bashrc中添加一行：source /opt/ros/galactic/setup.bash

ifconfig
docker0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
        inet6 fe80::42:56ff:fef2:94b9  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 02:42:56:f2:94:b9  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 19113  bytes 11375364 (11.3 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 2179  bytes 352756 (352.7 KB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 549822  bytes 172821223 (172.8 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 549822  bytes 172821223 (172.8 MB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

vethe0caf8a: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet6 fe80::78fe:72ff:fe94:db60  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 7a:fe:72:94:db:60  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 19123  bytes 11643286 (11.6 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 2256  bytes 361105 (361.1 KB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

wlp0s20f3: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.16.15.37  netmask 255.255.252.0  broadcast 172.16.15.255
        inet6 fe80::3fc3:8152:fab9:bccb  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 4c:03:4f:65:86:cd  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 4739660  bytes 4342172075 (4.3 GB)
        RX errors 0  dropped 12908  overruns 0  frame 0
        TX packets 1188329  bytes 311106346 (311.1 MB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

fastdds discovery --server-id 0

注意：fastdds discovery --help可以获得它的使用说明。

eProsima 服务器-客户端发现辅助生成器工具版本 1.0.0

使用方法: fastdds discovery -i {0-255} [可选参数]
通用选项:
  -h  --help       显示帮助信息。

  -i  --server-id  强制的唯一服务器标识符。指定 ROS_DISCOVERY_SERVER 环境变量中基于零的服务器位置。

  -l  --ip-address 服务器选择的监听客户端的接口。默认为任意（0.0.0.0）

  -p  --port       选择的监听客户端的 UDP 端口。默认为 11811

  -b  --backup     与备份文件相关联的服务器创建。

示例:
      1. 使用 id 为 0 的默认服务器启动（ROS_DISCOVERY_SERVER 上的第一个）
         在所有可用接口上监听 UDP 端口 11811。每台机器上只能有一个
         服务器使用默认值。

      $ fastdds discovery -i 0

      2. 使用 id 为 1 的默认服务器启动（ROS_DISCOVERY_SERVER 上的第二个）
         在 localhost 上监听，并使用 UDP 端口 14520。只有 localhost 客户端
         能够使用 ROS_DISCOVERY_SERVER=;127.0.0.1:14520 达到服务器

      $ fastdds discovery -i 1 -l 127.0.0.1 -p 14520

      3. 使用 id 为 3 的默认服务器启动（ROS_DISCOVERY_SERVER 上的第三个）
         分别在 Wi-Fi（192.168.36.34）和 Ethernet（172.20.96.1）本地
         接口上监听，UDP 端口分别为 8783 和 51083
         （地址和端口是为了示例而编造的）。

      $ fastdds discovery -i 1 -l 192.168.36.34 -p 14520 -l 172.20.96.1 -p
      51083

      4. 使用 id 为 4 的默认服务器启动（ROS_DISCOVERY_SERVER 上的第四个）
         在 172.30.144.1 上监听，UDP 端口为 12345，并提供了一个
         份文件。如果服务器崩溃，当重新激活时，它将自动恢复其
         之前的状态。

      $ fastdds discovery -i 1 -l 172.30.144.1 -p 12345 -b

在另外三个Terminal窗口中，分别执行：

# 第一个窗口
export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_fastrtps_cpp
export ROS_DOMAIN_ID=0 # 可以不写
export ROS_DISCOVERY_SERVER=172.16.15.37:11811

ros2 run demo_nodes_cpp listener --ros-args --remap __node:=listener_discovery_server

# 第二个窗口
export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_fastrtps_cpp
export ROS_DOMAIN_ID=0 # 可以不写
export ROS_DISCOVERY_SERVER=172.16.15.37:11811

ros2 run demo_nodes_cpp talker --ros-args --remap __node:=talker_discovery_server

# 第三个窗口

ros2 run demo_nodes_cpp listener --ros-args --remap __node:=simple_listener

# 第四个窗口

ros2 run demo_nodes_cpp talker --ros-args --remap __node:=simple_talker

其中，窗口一会接收窗口二的消息，窗口三会接收窗口四的消息。

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