本文主要介绍ROS2.0中的DDS 数据分发服务机制，对ROS1.0进行介绍回顾，并与ROS2.0进行比较，最后分享了ROS2.0的应用现状。

1、ROS1.0存在的问题

• 多机器人系统——没有构建多机器人系统的标准方法

• 跨平台——无法适用于windows、RTOS等系统

• 实时性——缺少实时性方面的设计

• 网络连接——需要良好的网络环境保证数据的完整性

• 产品化——从科学研究到消费产品的过渡欠佳

• 项目管理——无法胜任完整生命周期下项目管理

2、基于DDS的ROS2.0的发布

虽然不少开发者和研究机构针对以上部分问题进行了改良，但这些局部功能的改善往往很难带来整体性能的提升，机器人开发者对新一代ROS的呼声越来越大，ROS 2.0的消息也不绝于耳。

终于，在ROSCon 2014上，新一代基于DDS的ROS的设计架构（Next-generation ROS: Building on DDS）正式公布。

DDS，全称Data Distribution Service (数据分发服务)，由对象管理组(OMG®)发布和维护，是一个中间件协议和API标准，采用发布/订阅体系架构，强调以数据为中心，提供丰富的QoS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。

2015年8月第一个ROS 2.0的alpha版本落地；2016年12月19日，ROS 2.0的beta版本正式发布；2017年12月8日，万众瞩目的ROS 2.0终于发布了第一个正式版——Ardent Apalone。

2018年7月2日，第二个正式版——Bouncy Bolson发布，保持半年更新一个版本的节奏。

2018年12月，第三个正式版——Crystal Clemmys发布。

众多新技术和新概念应用到了新一代的ROS之中，不仅带来了整体架构的颠覆，更是增强了ROS 2.0的综合性能。

3、ROS2.0相比于ROS1.0的进步

相比ROS 1，ROS 2的设计目标更加丰富：

（1）支持多机器人系统

ROS 2增加了对多机器人系统的支持，提高了多机器人之间通信的网络性能，更多多机器人系统及应用将出现在ROS社区中。

（2）铲除原型与产品之间的鸿沟

ROS 2不仅针对科研领域，还关注机器人从研究到应用之间的过渡，可以让更多机器人直接搭载ROS 2系统走向市场。

（3）支持微控制器

ROS 2不仅可以运行在现有的X86和ARM系统上，还将支持MCU等嵌入式微控制器，比如常用的ARM-M4、M7内核。

（4）支持实时控制

ROS 2还加入了实时控制的支持，可以提高控制的时效性和整体机器人的性能。

（5）跨系统平台支持

ROS 2不止能运行在Linux系统之上，还增加了对Windows、MacOS、RTOS等系统的支持，让开发者的选择更加自由。

诞生于2007年的ROS经过十余年的高速发展，已经成为机器人领域的事实标准。2014年在ROSCon 2014上，Open Source Robotics Foundation正式发布了新一代ROS的设计架构（Next-generation ROS: Buildingon DDS），DDS正式成为ROS2的重要的组成部分。ROS对于使用哪家厂商的DDS的不做硬性规定，用户根据自身需要选择适合的DDS（详见http://design.ros2.org中“ROS Built on DDS”小节）。

4、ROS1与ROS2的对比

对于嵌入式设备结构如下：

对于ROS1、ROS2二者整体架构进行分析可知：

（1）ROS1主要构建于Linux系统之上，而ROS2支持构建的系统包括Linux、windows、Mac、RTOS，甚至没有操作系统的裸机。

（2）ROS1的通讯系统基于TCPROS/UDPROS，强依赖于master节点的处理，一旦master异常，将导致全系统通信故障。ROS2的通讯系统是基于DDS（一种分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案），同时在ROS2内部提供了DDS的抽象层实现，用户不需要关注底层DDS的提供厂家。

（3）ROS中最重要的一个概念就是“节点”，基于发布/订阅模型的节点使用，可以让开发者并行开发低耦合的功能模块，并且便于进行二次复用。得益于DDS的加入，ROS2的发布/订阅模型也会发生改变。

（4）ROS1的架构中Nodelet和TCPROS/UDPROS是并列的层次，都是负责通讯的，实际上Nodelet是为同一个进程中的多个节点提供一种更优化的数据传输方式。ROS2中也保留了这种数据传输方式，叫“Intra-process”，同样也是独立于DDS。

相比ROS1，ROS2带来了几个好处。一个好处是托管启动，你可以指定节点启动顺序。另一个好处是数据分发服务（DDS）通信协议，它可以以零拷贝的方式传递消息，节省了CPU和内存资源。在开发方面，他们花了更多的精力来增加测试覆盖率，提供更多更好理解的文档，以及更多持续集成，以便实现软件的认证。 说了那么多ROS2的优点，但是在版本稳定性，和社区支持程度（尤其是相关程序包，如MoveIt及相关教程）来讲还是不如ROS，对于独立开发者或者科研人员来讲，个人觉得还是先从ROS基础进行原型开发，开发成熟之后再考虑代码移植（ROS->ROS2）或者平台移植（Linux->Windows）问题。

ROS1与ROS2之间的桥梁

ROS2虽然重新设计了架构实现，但是也考虑到了与ROS1的兼容，专门开发了一个功能包——ros1_bridge，来完成ROS2与ROS1之间的通讯。但是目前ros1_bridge这个包的功能有限，还不提供python实现，而且仅支持ros2/common_interfaces repository中列出的通讯类型，如果要支持自己定义的接口，还需要自己编译ros1_bridge包。

5、引入DDS后，使得ROS2在通信方面有如下提升：

（1）实时性：DDS通过优化的内核机制，实现微秒级的数据传输；纯分布式的系统结构，保证系统内不存在影响实时性的瓶颈节点。

（2）可靠性：DDS提供点到点的信息交互服务，在系统中不存在集中式的代理或服务进程，从而保证整个系统服务不存在单点故障的风险；同时提供可靠传输策略（Reliability QoS），通过重发机制确保数据可靠地传输。

（3）持续性：ROS1尽管存在数据队列的概念，但是还有很大的局限，订阅者无法接收到加入网络之前的数据；DDS可以通过相应的QoS为ROS提供数据历史的服务，新加入的节点也可以获取发布的所有历史数据。

（4）灵活性：应用系统可以根据应用场景需求，灵活选择多种DDS提供的应用级QoS策略（例如可靠性传输、数据过滤、优先级排序等等），以满足系统的灵活性需求。

（5）扩展性：DDS使用“订阅/发布”机制进行数据交互，建立全局的虚拟数据空间，在通信层面将应用逻辑与节点的物理信息解耦合，使系统能够方便的实现节点增减或系统本身的分割/合并，满足系统的扩展性需求；运行时由DDS自动发现并连接设备和应用程序，即插即用，无需系统管理或目录服务。

（6）异构网络支持：DDS通过适配底层多种异构架构网络，对上层提供无差别的通信服务，使通信软硬件层对应用层完全透明。

（7）DDS解决了ROS通信层面的问题，这使操作系统的开发者、应用的开发者得以集中精力专注于业务的研究。

ROS中DDS的性能现状

2016年论文《Exploring the Performance of ROS2》中，作者针对ROS1和ROS2在延时、吞吐量、线程数、内存消耗等几个方面的性能进行了量化对比，数据量从256byte到4M，实验条件覆盖了ROS分布式的多种使用场景，具有一定的参考价值，也是目前对ROS2性能方面量化分析的唯一论文，不过需要注意的是论文使用的ROS2是Alpha版本，根据作者的对比数据，可得到如下结论（原文参见http://www.guyuehome.com/805）：

（1）ROS2的性能在不同数据量的场景下，表现呈指数级变化，应该是大数据在底层传输的一些处理时间导致的。

（2）不同厂商的DDS产品性能表现，相差巨大，应该根据不同的应用场景选用最佳的DDS产品。

（3）QoS提供了多种配置选项，需要根据不同的应用场景，选择最适合自己的配置。

（4）ROS1会丢失初始数据，而ROS2有显著改进。

（5）ROS2目前的整体性能（论文中使用的Alpha版本）并不如ROS1，毕竟还处于开发阶段，而且对DDS的特性支持有限，但是具有巨大潜力。