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ros2-humble跨域通信方式

ros2 humble发行版目前暂知两种跨域通信方式：domain_bridge、fastdds discovery server。

注：要进行跨设备的通信需要 export ROS_LOCALHOST_ONLY=0。

Domain Bridge

domain bridge是ros2提供的一个扩展库，默认不与ros2源码进行编译。

要使用domain_bridge来进行跨域通信，首先要下载其源码，进行编译。

Bash
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mkdir -p domain_bridge_ws/src && cd domain_bridge_ws
git clone -b humble https://github.com/ros2/domain_bridge.git src/
colcon build

domain_bridge的使用方式主要有两种，一个是利用cli程序加载yaml配置文件，另一个是使用domain_bridge提供的C++ API实现跨域通信。

CLI

通过ros2所提供的run与launch cli工具与yaml配置文件搭配使用，下面以run为例。

Bash
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ros2 run domain_bridge domain_bridge [--from 1 --to 2] etc/bridge_config.yaml

其中[-- from 1 --to 2]是可选的，可以将跨域所指定的信息都写在yaml文件中，如果在命令行参数中指定了from to 域id，则其会覆盖yaml文件中所配置的域id。命令的最后需要指定yaml文件的路径。

下面是一个topic 跨域通信的bridge配置文件（目前只有topic模式支持从配置文件进行跨域通信），必须要指定的是topic_name与其中的type（可以通过 ros2 topic list -t 查看）。

YAML
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# Name of the domain bridge, used for node naming and logging
name: topic_bridge
from_domain: 2
to_domain: 3
topics:
    # 建立topic: topic_pubsub 从域2到域3的bridge，指定qos为reliable
    topic_pubsub: # topic_name
    type: std_msgs/msg/String
    qos:
        reliability: reliable
    # 该配置可以让所在的topic_pubsub topic同时进行跨域的正反向通信
    # bidirectional: True
    # 建立topic: chatter 从域2到域3的bridge
    chatter:
    type: example_interfaces/msg/String
    to_domain: 4

C++ Library

domain_bridge提供了c++ 库与相应的api接口供rclcpp代码调用，这种方式支持 topic 和 service的跨域通信（action模式暂不支持）。

在使用domain_bridge的api进行编码前要先将其加入到工程配置中

  1. 在CMakeLists.txt加入

    Bash
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    find_package(domain_bridge REQUIRED)

# 在可执行文件中加入编译依赖
ament_target_dependencies(xxx domain_bridge)

  2. 在package.xml中加入

    XML
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    <depend>domain_bridge</depend>

  3. 修改工程代码

    • 在topic中启用domain_bridge主要有3步骤，在publisher方的代码中修改，以MinimalPublisher为例。

      C++
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      #include "domain_bridge/domain_bridge.hpp"
class MinimalPublisher {
    ...
};
/* int main(int argc, char *argv[])
    * {
    *     rclcpp::init(argc, argv);
    *     rclcpp::spin(std::make_shared<MinimalPublisher>());
    *     rclcpp::shutdown();
    *     return 0;
    * }
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
    rclcpp::init(argc, argv);
    auto node = std::make_shared<MinimalPublisher>();
    # 1. 创建domain_bridge的对象
    domain_bridge::DomainBridge bridge;
    # 2. 创建bridge_topic，指定topic_name, type_name, from_domain_id, to_domain_id
    bridge.bridge_topic("topic_pubsub", "std_msgs/msg/String", 1, 2);

    # 3. 将bridge加入与publisher_node绑定的executor中
    rclcpp::executors::SingleThreadedExecutor executor;
    bridge.add_to_executor(executor);
    executor.add_node(node);

    executor.spin();

    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

    • 在service中启用bridge与topic类似，只是将bridge_topic接口更换为bridge_service。

      C++
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      #include "domain_bridge/domain_bridge.hpp"

# 1. 创建bridge对象
domain_bridge::DomainBridge bridge;
# 2. 创建bridge_service，指定from_domain_id, to_domain_id
bridge.bridge_service<tutorial_interfaces::srv::SrvCliData>("srv_cli_data", 4, 5);
# 3. 将bridge加入与service_node绑定的executor中
rclcpp::executors::SingleThreadedExecutor executor;
bridge.add_to_executor(executor);
executor.add_node(node);
executor.spin();

FastDDS Discovery Server

这个发现服务是由fastdds提供的，通过创建中心服务器来实现跨域通信，可有效降低设备发现时的流量。

使用方式：通过fastdds discovery cli工具进行配置。

启动discovery server

Bash
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# 启动服务id为0(唯一)的fastdds discovery server，默认基于端口为11811的udp
fastdds discovery -i 0
# 启动服务id为1 ip为127.0.0.1 端口为14520的udp fastdds发现服务(该服务仅能被本机的域使用)
fastdds discovery -i 1 -l 127.0.0.1 -p 14520
# 启动服务id为2 ip为169.254.102.8 端口为15520的 udp fastdds发现服务(可被169.254.102.8所在局域网内的机器域使用)
fastdds discovery -i 2 -l 169.254.102.8 -p 14520
# 启动服务id为3 ip为127.0.0.1 端口为42100(默认tcp端口)的tcp fastdds发现服务
fastdds discovery -i 3 -t 127.0.0.1 -q 42100

ros2配置

在启动了fast discovery server之后，要让ros2的topic、service、action通信方式实现跨域通信，则还额外需要在所在ros2终端设置ROS_DISCOVERY_SERVER环境变量。

Bash
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# 设置下面的环境变量后，所有在该变量生效的环境内的ros2的通信都将通过该discovery server
export ROS_DISCOVERY_SERVER="127.0.0.1:11811"
# 可同时绑定多个ip:port，中间用 ; 分隔（这里11811的server-id为0，12811的server-id为1）
export ROS_DISCOVERY_SERVER="169.254.102.8:11811;168.254.102.8:12811"

# 注意，上述的 ROS_DISCOVERY_SERVER 中的ip:port-server具有顺序要求，如id为0的server必须在第一个位置，id为1的server必须在第二个位置。
# 如果指向绑定id为1的server，不想绑定id为0的server，则需要将id为0的server的位置空出，如 export ROS_DISCOVERY_SERVER=";168.254.102.8:12811"

跨域通信使用

在正确进行了上述的配置之后，可以通过ros2的publisher/subscriber demo进行验证。

Bash
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# 在进行下面的操作前要确保
# 1. discovery server已启动完毕，且server可被下面的终端访问到
# 2. 下面的终端上均设置了对应的 ROS_DISCOVERY_SERVER 变量

# 下面假定已启动ip为169.254.102.8 port为11811 server-id为0的fastdds discovery server
# 在终端1上，配置所需要的domain_id与discovery_server
export ROS_DISCOVERY_SERVER="169.254.102.8:11811"
export ROS_DOMAIN_ID=1
ros2 run demo_nodes_cpp talker

# 在终端2上，配置所需要的domain_id与discovery_server
export ROS_DISCOVERY_SERVER="169.254.102.8:11811"
export ROS_DOMAIN_ID=2
ros2 run demo_nodes_cpp listener

# 在终端3上，配置所需要的domain_id与discovery_server
export ROS_DISCOVERY_SERVER="169.254.102.8:11811"
export ROS_DOMAIN_ID=3
ros2 run demo_nodes_cpp listener

# 正确配置后，终端1的talker发送的消息可跨域被终端2和终端3的listener接收到

二者特点

  1. domain_bridge：

    1. domain_bridge是一个ros2提供的独立软件包，topic跨域通信通过利用订阅者和发布者的socket通信来实现，建立在ros2本身的通信机制之上。

    2. domain_bridge可以**细化要跨域通信的参数**，指定某个/某些topic通过bridge进行跨域通信。

    3. domain_bridge提供cli工具程序与c++ api接口，使用上相对灵活。

    4. domain_bridge由于是建立在ros2的通信机制之上，所以其通信方式可以直接被ros2 cli 工具观察到（在涉及的域环境内，通过ros2 node list可以看到建立的bridge节点；通过rqt_graph可以观察到域内节点排布域连接信息）

    5. 但domain_bridge是在系统中引入额外的通信域和节点，会增加系统管理的难度。

  2. fastdds discovery server:

    1. fastdds discovery server采用分布式的发现机制，可快速在节点间建立通信，可以利用分布式的特性进行冗余配置和负载均衡，增加系统的可靠性和容错性。

    2. fastdds discovery server支持ros2 topic、service、action三种通信方式的跨域通信，而domain_bridge yaml配置文件目前只支持topic、c++ api只支持topic、service的跨域通信。

    3. 但fastdds discovery server需要维护discovery server，相比domain_bridge系统资源会更高。

    4. 由于fastdds discovery server使用了中心服务器来管理跨域通信，所以通过原本的ros2 cli工具无法监测到相关节点信息，需要将ros2 daemon配置为superclient来监测，见 四、FastDDS Discovery Server补充）

    5. fastdds discovery server是通信域层面的跨域通信，不能进行像domain_bridge一样使限定某个topic才进行跨域通信的配置。

FastDDS Dicovery Server补充

要通过ros2 cli工具观察通过fastdds discovery server通信的节点信息，需要将ros2 daemon配置为super client，具体配置方式可通过一个xml配置文件和FASTRTPS_DEFAULT_PROFILES_FILE环境变量实现

XML
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<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
    <dds>
        <profiles xmlns="http://www.eprosima.com/XMLSchemas/fastRTPS_Profiles">
            <participant profile_name="super_client_profile" is_default_profile="true">
                <rtps>
                    <builtin>
                        <discovery_config>
                            <discoveryProtocol>SUPER_CLIENT</discoveryProtocol>
                            <discoveryServersList>
                                <RemoteServer prefix="44.53.00.5f.45.50.52.4f.53.49.4d.41">
                                    <metatrafficUnicastLocatorList>
                                        <locator>
                                            <udpv4>
                                                <address>127.0.0.1</address>
                                                <port>11811</port>
                                            </udpv4>
                                        </locator>
                                    </metatrafficUnicastLocatorList>
                                </RemoteServer>
                            </discoveryServersList>
                        </discovery_config>
                    </builtin>
                </rtps>
            </participant>
        </profiles>
    </dds>

在上述的xml文件中，需要配置的信息在通过fastdds discovery启动server的时候会在终端输出。

Bash
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$ fastdds discovery -i 0 -l 127.0.0.1 -p 11811
### Server is running ###
    Participant Type:   SERVER
    Security:           NO
    Server ID:          0
    Server GUID prefix: 44.53.00.5f.45.50.52.4f.53.49.4d.41
    Server Addresses:   UDPv4:[127.0.0.1]:11811

写好xml文件后，需要配置FASTRTPS_DEFAULT_PROFILES_FILE以及重启ros2 daemon进程

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export FASTRTPS_DEFAULT_PROFILES_FILE=super_client_configuration_file.xml
ros2 daemon stop
ros2 daemon start
# 接下来可以通过ros2 cli 工具查看通过discovery_server通信的节点信息
ros2 topic list
ros2 node list
rqt_graph