ROS2中间件

ROS2 是重新设计的 Robot Operating System，无论从用户API接口到底层实现都进行了改进。这里主要关注ROS2 的中间件。

1. 通信模式

ROS2 使用DDS协议进行数据传输，并通过抽象的rmw，支持多个厂家的DDS实现（FastDDS，Cyclone DDS 等）。

DDS 允许通过Qos 策略进行自定义通信行为。

ROS 支持的基本的Qos策略：

1. 历史记录(History)
   1. 保留近期记录：仅仅保存最大N个样本数据，通过配置队列深度选项来指定最大数据限制。
   2. 保留所有记录：存储所有的样本数据，但受限于底层中间件的配置资源限制。
2. 深度(Depth)
   1. 队列深度：仅仅当历史记录选择为"保留最近记录"时，配合指定最大数据限制。
3. 可靠性(Reliability)
   1. 尽力的(Best effort)：尝试传输样本，但如果网络不稳定可能会丢失数据。
   2. 可靠的(Reliable)：保证样本的可靠传输，可能会尝试多次重传。
4. 持续性(Durability)
   1. 局部瞬态(Transient local)：发布者负责对晚到连接(late-joining)的订阅者保留样本数据。
   2. 易变态(Volatile)：不尝试保留样本数据。

另外可以使用DDS厂商提供的方式（例如XML配置文件），进行更多的Qos配置。

DDS可以帮助ROS2 解决Robot Operating System 中的许多问题。

1）本地通信效率问题

进程间共享内存通信。相比于ROS1在本机内的进程间也使用TCP/UDP进行通信，理论上ROS2 具有更好的性能表现和更低的通信延迟。

需要注意的是，DDS在大于1M的数据传输方面性能表现不佳，需要一些额外的操作或技术进行优化。

PS: 进程内通信，有的DDS未实现，一般由ROS实现。ROS1 使用 Nodelet 实现，ROS2 通过 Composition 实现。

2）非理想网络的跨机通信问题

在可靠的网络环境下，标准解决方案是 TCP/IP，因为它在大多数操作系统中都进行了优化。但是TCP/IP 难以在无线通信中传递数据，因为网络中断会导致回退、重传和延迟等。ROS 1 建立在 TCP/IP 之上，并在这些情况下受到影响。

DDS是基于UDP的，没有这个问题。DDS 可以通过 QoS 来决定何时以及如何在不可靠的条件下重新传输，从而优化可用带宽和延迟。

3）rosmaster的单点问题

相比ROS1，ROS2 移除了中心节点rosmaster。使用 peer-to-peer discovery 的方式建立“连接”。

ROS2 的 底层中间件会自动进行 Discovery node。主要有以下几个流程：

1. 当node 启动时，它向相同ROS domain下的其他node 进行广播，说明它已经上线。其他node收到这个广播会回复自己的相关信息，从而建立“连接”，并进行通信。
2. node会定期的进行广播它的信息，这样即使它已经错过了最初的发现过程，它也可以和新上线的node进行"连接"。
3. node 下线时，会广播其他节点自己要下线了。

4）安全性

ROS 2 不仅依赖于 DDS 安全标准，还提供了一套额外的工具 SROS2，以简化安全基础设施的管理

5）ReadTime 支持

为了满足安全和/或性能目标，系统的某些部分必须在确定的时间内执行。ROS 2为实时系统的开发人员提供 API，以强制执行特定于应用程序的约束

2. 架构设计

1）ROS 2提供了一种模式，用于管理通过状态机转换的节点的生命周期，这些节点的状态包括未配置、未激活、活动和最终完成等。这些状态允许系统集成商控制某些节点何时处于活动状态。这是协调分布式异步系统的各个部分的重要工具。

2）ROS 2的Node 可以利用Composition 动态配置它到任何进程。

3. 生态环境

1）更多的长期支持

ROS2 项目支持周期：

Humble        2022.5 - 2027.5

Foxy             2020.5 - 2023.5

ROS1 项目支持周期:

Noetic          2020.5 - 2025.5

Melodic        2018.5 - 2023.5

（备注：关于环宇能否支持 Xavier Jetpack 升级）

2）更多的硬件厂商开源支持：

Nvidia Isaac: High-performance computing for robotics built on ROS2  

NVIDIA Isaac ROS · GitHub

Nvidia ros2 开源工程：

https://github.com/orgs/NVIDIA-AI-IOT/repositories?language=&q=ros2&sort=&type=all

3）便于友商对接