2.5　ROS的通信机制

上面介绍了ROS中的重要概念，接下来将着重研究ROS的核心——分布式通信机制。

ROS是一个分布式框架，为用户提供多节点（进程）之间的通信服务，所有软件功能和工具都建立在这种分布式通信机制上，所以ROS的通信机制是最底层也是最核心的技术。在大多数应用场景下，尽管我们不需要关注底层通信的实现机制，但是了解其相关原理一定会帮助我们在开发过程中更好地使用ROS。以下就ROS最核心的三种通信机制进行介绍。

2.5.1　话题通信机制

话题在ROS中使用最为频繁，其通信模型也较为复杂。如图2-10所示，在ROS中有两个节点：一个是发布者Talker，另一个是订阅者Listener。两个节点分别发布、订阅同一个话题，启动顺序没有强制要求，此处假设Talker首先启动，可分成图中所示的七步来分析建立通信的详细过程。

图2-10　基于发布/订阅模型的话题通信机制

1.Talker注册

Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所发布消息的话题名；ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。

2.Listener注册

Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要订阅的话题名。

3.ROS Master进行信息匹配

Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的发布者，则等待发布者的加入；如果找到匹配的发布者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的RPC地址信息。

4.Listener发送连接请求

Listener接收到Master发回的Talker地址信息，尝试通过RPC向Talker发送连接请求，传输订阅的话题名、消息类型以及通信协议（TCP/UDP）。

5.Talker确认连接请求

Talker接收到Listener发送的连接请求后，继续通过RPC向Listener确认连接信息，其中包含自身的TCP地址信息。

6.Listener尝试与Talker建立网络连接

Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接。

7.Talker向Listener发布数据

成功建立连接后，Talker开始向Listener发送话题消息数据。

从上面的分析中可以发现，前五个步骤使用的通信协议都是RPC，最后发布数据的过程才使用到TCP。ROS Master在节点建立连接的过程中起到了重要作用，但是并不参与节点之间最终的数据传输。

节点建立连接后，可以关掉ROS Master，节点之间的数据传输并不会受到影响，但是其他节点也无法加入这两个节点之间的网络。

2.5.2　服务通信机制

服务是一种带有应答的通信机制，通信原理如图2-11所示，与话题的通信相比，其减少了Listener与Talker之间的RPC通信。

图2-11　基于服务器/客户端的服务通信机制

1.Talker注册

Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所提供的服务名；ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。

2.Listener注册

Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要查找的服务名。

3.ROS Master进行信息匹配

Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的服务提供者，则等待该服务的提供者加入；如果找到匹配的服务提供者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的TCP地址信息。

4.Listener与Talker建立网络连接

Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接，并且发送服务的请求数据。

5.Talker向Listener发布服务应答数据

Talker接收到服务请求和参数后，开始执行服务功能，执行完成后，向Listener发送应答数据。

2.5.3　参数管理机制

参数类似于ROS中的全局变量，由ROS Master进行管理，其通信机制较为简单，不涉及TCP/UDP的通信，如图2-12所示。

图2-12　基于RPC的参数管理机制

1.Talker设置变量

Talker使用RPC向ROS Master发送参数设置数据，包含参数名和参数值；ROS Master会将参数名和参数值保存到参数列表中。

2.Listener查询参数值

Listener通过RPC向ROS Master发送参数查找请求，包含所要查找的参数名。

3.ROS Master向Listener发送参数值

Master根据Listener的查找请求从参数列表中进行查找，查找到参数后，使用RPC将参数值发送给Listener。

这里需要注意的是，如果Talker向Master更新参数值，Listener在不重新查询参数值的情况下是无法知晓参数值已经被更新的。所以在很多应用场景中，需要一种动态参数更新的机制，第12章会具体讲解ROS中动态参数配置功能的实现。