ROS2多机通讯原理简介及配置方法

Posted 2023-02-04 可峰科技

        在ROS1中由主节点(master)负责其它从节点的通信，在同一局域网内通过设置主节点地址也可以实现多机通讯，但是这种多机通讯网络存在一个严重的问题，那就是所有从节点强依赖于主节点，一旦运行主节点的设备离线，整个网络就完全瘫痪了，在ROS2中取消了主节点，通讯系统是基于DDS（Data Distribution Service）实现的，具有实时性、嵌入式、分布式、支持多操作系统等特性，下文我们将简单介绍ROS2多机通讯的配置方式。

        ROS2本身就是一个分布式通信框架，局域网内多台机器上的节点默认即可实现互相通信，而实际控制节点是否可以互相通信是通过域ID（ROS_DOMAIN_ID）来控制的，同一域内的ROS2节点之间可以自由发现和发送消息，而不同域内的ROS2节点之间则不能。所有ROS2节点默认使用域 ID 0，所以默认即可互相通信，关于域ID的设置，我们需要了解以下概念：

1）ROS2底层通讯机制基于DDS实现，而DDS是基于UDP/IP或者TCP/IP网络通信协议实现的；

2）无论是TCP还是UDP网络协议，在通讯时都需要指定一个网络端口；

3）网络端口是一个16位的无符号整数，也就是说网络端口最大就是65535；

4）ROS2节点发现机制是基于局域网组播实现的，一收一发需要两个端口，ROS2节点间通信是基于局域网单播实现的，一收一发又需要两个端口，组播端口域内节点共享，单播端口节点私有；

5）DDS协议约定以7400为起始端口，每个域默认占用250个端口，所以局域网内域的数量最多为（65535-7400）/250=232个，所以域ID取值范围为0-231；

6）DDS协议约定每个域端口段内，第1、2个端口是域内组播端口，第11、12个端口是域内第一个节点的单播端口，第12、13个端口是域内第二个节点的单播端口，以此类推，第239、240个端口是域内第120个节点的单播端口；

由以上叙述可以推断出以下结论：

1）ROS_DOMAIN_ID为0的域有以下设定：

• 组播端口为7400，7401
• 第1个节点单播端口是7410，7411
• 第2个节点单播端口是7412，7413
• ......
• 第120个节点的单播端口是7648，7649

2）ROS_DOMAIN_ID为1的域有以下设定：

• 组播端口为7650，7651
• 第1个节点单播端口是7660，7661
• 第2个节点单播端口是7662，7663
• ......
• 第120个节点的单播端口是7898，7899

        由以上结论，我们可以发现，如果ID为0的域内有第121个节点，该节点单播端口将会与域1的组播端口冲突，所以我们在使用的过程中，要注意节点数量超过120的情况，如果节点数量超了，向上相邻的域就不可用了。

        除了相邻域的冲突问题，还有与系统设定冲突问题也需要注意，不同的操作系统默认会预留一些端口段做为临时端口使用（详细内容请参考官方文档），为了防止端口冲突，这些预留端口在ROS2中也需要避开，避开的结果就是在linux系统中可用域ID为0-101和215-232，在windows和macOS中可用域ID是0-166，为了多平台兼容通讯，我们一般域ID使用0-101，而101域后半段的端口被系统预留，所以101域节点数上限为54个。

        在多机通讯需求中，如果只有一个组，我们可以默认使用域ID为0即可，如果要修改默认域ID，在linux终端执行以下命令（设定ROS_DOMAIN_ID为5）：

$ export ROS_DOMAIN_ID=5
   

执行后，该终端内启动的节点被分配到ID为5的域内，如果该机器内所有节点都需要分配到同一个域内，则可以通过以下命令统一设定域ID：

$ echo "export ROS_DOMAIN_ID=5" >> ~/.bashrc
   

重启终端，所有终端内启动的节点都默认分配到ID为5的域内。

windows和macOS系统设定请参考官网说明。

我们还利用官方demo来测试一下，开启3个终端，其中两个终端分别设定ROS_DOMAIN_ID为5和6，都启动listener节点，另1个终端设定ROS_DOMAIN_ID为5，启动talker节点：

图中可见，域ID相同的节点间可以互相通讯，ID不同的节点之间消息是不通的。