ROS2学习记录（9）-DDS

DDS是ros2相对于ros1而言最大的变化，话题、服务、动作，他们底层通信的具体实现过程，都是靠DDS来完成的，它相当于是ROS机器人系统中的神经网络。

DDS本质上也是一种通信模型，常见的通信模型如下：

第一种，点对点模型，许多客户端连接到一个服务端，每次通信时，通信双方必须建立一条连接。当通信节点增多时，连接数也会增多。而且每个客户端都需要知道服务器的具体地址和所提供的服务，一旦服务器地址发生变化，所有客户端都会受到影响。
第二种，Broker模型，针对点对点模型进行了优化，由Broker集中处理所有人的请求，并进一步找到真正能响应该服务的角色。这样客户端就不用关心服务器的具体地址了。不过问题也很明显，Broker作为核心，它的处理速度会影响所有节点的效率，当系统规模增长到一定程度，Broker就会成为整个系统的性能瓶颈。更麻烦是，如果Broker发生异常，可能导致整个系统都无法正常运转。之前的ROS1系统，使用的就是类似这样的架构。
第三种，广播模型，所有节点都可以在通道上广播消息，并且节点都可以收到消息。这个模型解决了服务器地址的问题，而且通信双方也不用单独建立连接，但是广播通道上的消息太多了，所有节点都必须关心每条消息，其实很多是和自己没有关系的。
第四种，就是以数据为中心的DDS模型了，这种模型与广播模型有些类似，所有节点都可以在DataBus上发布和订阅消息。但它的先进之处在于，通信中包含了很多并行的通路，每个节点可以只关心自己感兴趣的消息，忽略不感兴趣的消息，有点像是一个旋转火锅，各种好吃的都在这个DataBus传送，我们只需要拿自己想吃的就行，其他的和我们没有关系。

DDS的全称是Data Distribution Service，也就是数据分发服务，2004年由对象管理组织OMG发布和维护，是一套专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准。DDS强调以数据为中心，可以提供丰富的服务质量策略，以保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。

DDS是一种通信的标准，就像4G、5G一样，既然是标准，那大家都可以按照这个标准来实现对应的功能，所以华为、高通都有很多5G的技术专利，DDS也是一样，能够按照DDS标准实现的通信系统很多，这里每一个红色模块，就是某一企业或组织实现的一种DDS系统。

可用的DDS标准有很多，具体而言，他们肯定都符合基本标准，但还是会有性能上的差别，ROS2的原则就是尽量兼容，让用户根据使用场景选择，比如个人开发，我们选择一个开源版本的DDS就行，如果是工业应用，那可能得选择一个商业授权的版本了。

为了实现对多个DDS的兼容，ROS设计了一个Middleware中间件，也就是一个统一的标准，不管我们用那个DDS，保证上层编程使用的函数接口都是一样的。此时兼容性的问题就转移给了DDS厂商，如果他们想让自己的DDS系统进入ROS生态，就得按照ROS的接口标准，开发一个驱动，也就是这个部分。

无论如何，ROS的宗旨不变，要提高软件代码的复用性，下边DDS任你边，上边的软件没影响。

DDS中的基本结构是Domain，Domain将各个应用程序绑定在一起进行通信，之前配置的那个DOMAIN ID，就是对全局数据空间的分组定义，只有处于同一个DOMAIN小组中的节点才能互相通信。这样可以避免无用数据占用的资源。

DDS中另外一个重要特性就是质量服务策略，QoS。

QoS是一种网络传输策略，应用程序指定所需要的网络传输质量行为，QoS服务实现这种行为要求，尽可能地满足客户对通信质量的需求，可以理解为数据提供者和接收者之间的合约。

具体策略：

DEADLINE策略，表示通信数据必须要在每次截止时间内完成一次通信；
HISTORY策略，表示针对历史数据的一个缓存大小；
RELIABILITY策略，表示数据通信的模式，配置成BEST_EFFORT，就是尽力传输模式，网络情况不好的时候，也要保证数据流畅，此时可能会导致数据丢失，配置成RELIABLE，就是可信赖模式，可以在通信中尽量保证图像的完整性，我们可以根据应用功能场景选择合适的通信模式；
DURABILITY策略，可以配置针对晚加入的节点，也保证有一定的历史数据发送过去，可以让新节点快速适应系统。

当两个窗口选择的通讯传输模式不一样时，同样不能相互传递数据。

如，若发布者指定qos为reliability且配置为BEST_EFFORT：

ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/Int32 "data: 42" --qos-reliability best_effort

订阅者却指定qos为reliability且配置为RELIABLE：

ros2 topic echo /chatter --qos-reliability reliable

在订阅者处和发布者处都会报一个警告且订阅者无法收到消息，但进程仍旧持续。

订阅者换成同样的qos配置后就可以接收到消息了：

ros2 topic echo /chatter --qos-reliability best_effort

在topic命令后边跟一个”–verbose”参数可以主动查看话题的QoS策略：

ros2 topic info /chatter --verbose

在代码中，可以通过rclpy.qos库函数配置qos配置。

在发布者中，创建话题发布者的类对象时，修改传递参数为qos对象即可：

import rclpy                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node      # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String  # 字符串消息类型
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy # ROS2 QoS类

"""
创建一个发布者节点
"""
class PublisherNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)        # ROS2节点父类初始化

        qos_profile = QoSProfile(     # 创建一个QoS原则
            # reliability=QoSReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,
            history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,
            depth=1              # 缓存大小
        )
        self.pub = self.create_publisher(String, "chatter", qos_profile) # 创建发布者对象（消息类型、话题名、QoS原则）,在以前的尝试中，这里第三个参数仅仅是缓存队列大小。
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)         # 创建一个定时器（单位为秒的周期，定时执行的回调函数）

    def timer_callback(self):                                # 创建定时器周期执行的回调函数
        msg = String()                                       # 创建一个String类型的消息对象
        msg.data = 'Hello World'                             # 填充消息对象中的消息数据
        self.pub.publish(msg)                                # 发布话题消息
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)# 输出日志信息，提示已经完成话题发布

def main(args=None):                           # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                      # ROS2 Python接口初始化
    node = PublisherNode("qos_helloworld_pub") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                           # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                        # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                           # 关闭ROS2 Python接口

相较于（3）话题学习笔记内代码，唯一的变动就是创造发布者类对象时，用qos对象取代了原本的缓存队列长度参数。

在订阅者中，也是同样的，在订阅者类对象处设置qos对象进行配置：

import rclpy                                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node   import Node                    # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String                  # ROS2标准定义的String消息
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy  # ROS2 QoS类

"""
创建一个订阅者节点
"""
class SubscriberNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)         # ROS2节点父类初始化

        qos_profile = QoSProfile(      # 创建一个QoS原则
            # reliability=QoSReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,
            history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,
            depth=1
        )

        self.sub = self.create_subscription(\
            String, "chatter", self.listener_callback, qos_profile) # 创建订阅者对象（消息类型、话题名、订阅者回调函数、QoS原则）

    def listener_callback(self, msg):                      # 创建回调函数，执行收到话题消息后对数据的处理
        self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data) # 输出日志信息，提示订阅收到的话题消息

def main(args=None):                               # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                          # ROS2 Python接口初始化
    node = SubscriberNode("qos_helloworld_sub")    # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                               # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                            # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                               # 关闭ROS2 Python接口

与发布者一样，创造订阅者类对象时，用qos对象取代了原本的缓存队列长度参数。

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