一、前言

????????ROS的核心——分布式通信機制
????????ROS是一個分布式框架，為用戶提供多節點（進程）之間的通信服務，所有軟件功能和工具都建立在這種分布式通信機制上，所以ROS的通信機制是最底層也是最核心的技術。在大多數應用場景下，盡管我們不需要關注底層通信的實現機制，但是了解其相關原理一定會幫助我們在開發過程中更好地使用ROS。ROS最核心的三種通信機制如下。

• ? ? ? ? Topic機制
• ? ? ? ? service機制
• ? ? ? ? 共享參數機制

二、Topic機制

2.1 Topic原理：

????????話題在ROS中使用最為頻繁，其通信模型也較為復雜。在ROS中有兩個節點：一個是發布者Talker，另一個是訂閱著Listener。兩個節點分別發布、訂閱同一個話題，啟動順序沒有強制要求，此處假設Talker首先啟動，可分為如下七步分析建立通信的詳細過程。

• 1、Talker注冊

????????Talker啟動，通過1234端口使用RPC向ROS Master注冊發布者的信息，包含所發布消息的話題名;ROS Master會將節點的注冊信息加入注冊列表中。

• 2、Listener注冊

????????Listener啟動，同樣通過RPC向ROS Master注冊訂閱者的信息，包含需要訂閱的話題名。

• 3、ROS Master進行信息匹配

????????Master根據Listener的訂閱信息從注冊列表中進行查找，如果沒有找到匹配的發布者，則等待發布者的加入：如果找到匹配的發布者信息，則通過RPC向Listener發送Talker的RPC地址信息。

• 4、Listener發送連接請求

????????Listener接收到Master發回的Talker地址信息，嘗試通過RPC向Talker發送連接請求，傳輸訂閱的話題名、消息類型以及通信協議（TCP/UDP）

• 5、Talker確認連接請求

????????Talker接收到Listener發送的連接請求后，繼續通過RPC向Listener確認連接信息，其中包含自身的TCP地址信息。

• 6、Listener嘗試與Talker建立網絡連接

????????Listener接收到確認信息后，使用TCP嘗試與Talker建立網絡連接。

• 7、Talker向Listener發布數據

????????成功建立連接后，Talker開始向Listener發送話題消息數據。
????????從上面的分析中可以發現，前五個步驟使用的通信協議都是RPC，最后發布數據的過程才使用到TCP。ROS Master在節點建立連接的過程中起到了重要作用，但是并不參與節點之間最終的數據傳輸。

2.2 一個相機機器人例子

????????此時我們有一臺搭載了相機的機器人，我們希望機器人能夠獲取并處理相機采集的圖像數據，同時可以在筆記本上看到這些圖像。因此，我們定義了三個節點：相機節點（Camera Node）、圖像處理節點（Image Processing Node）和圖像顯示節點（Image Display Node）。所有的節點都注冊在節點管理器（ROS Master）中，管理器可以視為一個查詢表，各個節點能查到消息要發送到其他的哪個節點。

?節點可以發布消息到話題，或通過訂閱某個話題來接受消息。完成注冊后，Camera Node聲明它發布（Publish）了一個叫做/image_data的話題（Topic）。Image Processing Node和Image Display Node聲明它們訂閱（Subscribe）了這個Topic。話題中數據為Message，具有一定類型和數據結構（ROS中提供了標準數據類型，用戶也可自己定義），當Camera Node接收到相機發動的數據后，就立即將數據發送到另外兩個節點上。

三、通信機制二——服務通信機制

3.1 服務是一種帶有應答的通信機制，

與話題的通信相比，其減少了Listener與Talker之間的RPC通信。

?1、Talker注冊
Talker啟動，通過1234端口使用RPC向ROS Master注冊發布者的信息，包含所提供的服務名;ROS Master會將節點的注冊信息加入注冊列表中。
2、Listener注冊
Listener啟動，同樣通過RPC向ROS Master注冊訂閱者的信息，包含需要訂閱的服務名。
3、ROS Master進行信息匹配
Master根據Listener的訂閱信息從注冊列表中進行查找，如果沒有找到匹配的服務提供者，則等待該服務的提供者加入：如果找到匹配的服務提供者信息，則通過RPC向Listener發送Talker的TCP地址信息。
4、Listener與Talker建立網絡連接
Listener接收到確認信息后，使用TCP嘗試與Talker建立網絡連接，并且發送服務的請求數據。
5、Talker向Listener發布服務應答數據
Talker接收到服務請求和參數后，開始執行服務功能，執行完成后，向Listener發送應答數據。

?3.2 案例服務通信

????????話題通信的數據傳輸是單向的，訂閱端（Image Processing Node）被動接收發布端（Camera Node）的數據？這時候有人就問了，如果Image Processing Node想主動接收數據怎么辦。ROS中提供了另一種通信方式：服務通信。服務通信由請求方（Client）和應答方（Server）組成。

在服務通信中，Camera Node可以在ROS Master上注冊一個特定的服務（Service）。請求方（Image Processing Node）發送一個request，等待應答方（Camera Node）處理后，反饋回一個reply。

四、通信機制三——參數管理機制

參數類似于ROS中的全局變量，由ROS Master進行管理，其通信機制較為簡單，不涉及TCP/UDP的通信。

1、Talker設置變量
????????Talker使用RPC向ROS Master發送參數設置數據，包含參數名和參數值;ROS Master會將參數名和參數值保存到參數列表中。
2、Listener查詢參數值
????????Listener通過RPC向ROS Master發送參數查找請求，包含所要查找的參數名。
3、ROS Master向Listener發送參數值
????????Master根據Listener的查找請求從參數列表中進行查找，查找到參數后，使用RPC將參數值發送給Listener。

五、話題與服務的區別

話題和服務是ROS中最基礎也是使用最多的通信方法。具體總結如表所示。
話題與服務的區別

Name? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 話題? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 服務
同步性? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 異步? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?同步
通信模型? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?發布/訂閱? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 客戶端/服務端
底層協議? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?ROSTCP/ROSUDP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ROSTCP/ROSUDP
反饋機制? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?無? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 有
緩沖區? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 有? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 無
實時性? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?弱? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 強
節點關系? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?多對多? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一對多（一個Server）
適用場景? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?數據傳輸? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?邏輯處理
????????

????????總之，話題是ROS中基于發布/訂閱模型的異步通信模式，這種方式將信息的產生和使用雙方解耦，常用于不斷更新的、含有較少邏輯處理的數據通信;而服務多用于處理ROS中的同步通信，采用客戶端/服務器模型，常用于數據量較少但有強邏輯處理的數據交換。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ROS知识【10】：ROS通信的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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