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【ROS2学习笔记】DDS（数据分发服务）

news 2025/10/5 13:41:35

前言

本系列博文是本人的学习笔记，自用为主，不是教程，学习请移步其他大佬的相关教程。前几篇学习资源来自鱼香ROS大佬的详细教程，适合深入学习，但对本人这样的初学者不算友好，后续笔记将以@古月居的ROS2入门21讲为主，侵权即删。

一、学习目标

  1. 理解 4 种通信模型的区别，明白为什么 ROS2 选择 DDS 作为底层通信
  2. 搞懂 DDS 的核心概念（数据为中心、标准性），知道它在 ROS2 中的作用
  3. 掌握 QoS（质量服务策略）的常用配置，能结合机器人场景选择合适策略
  4. 学会用 “命令行” 和 “代码” 配置 QoS，验证不同策略的通信效果
  5. 记住 ROS2 中 DDS 的架构逻辑，不用深究底层也能灵活使用

二、先搞懂：为什么需要 DDS？（从通信模型对比入手）

ROS2 选择 DDS，是因为它解决了其他通信模型的痛点。先通过 “生活类比” 理解 4 种常用通信模型的区别：

通信模型工作方式（小白理解）优点缺点类比场景
点对点模型每个客户端直接连服务器（比如你直接给快递员打电话寄件）通信直接，延迟低1. 客户端要知道服务器地址（地址变了就用不了）；2. 节点多了连接混乱打电话、一对一视频通话
Broker 模型所有节点通过 “中间中转站” 通信（比如所有快递先到驿站，再取件）客户端不用记服务器地址1. 中转站（Broker）是瓶颈（忙不过来会卡顿）；2. 中转站坏了整个系统瘫痪ROS1 的 Master、快递驿站
广播模型一个节点发消息，所有节点都能收到（比如小区广播通知）不用建连接，地址灵活所有节点都收到无关消息（浪费资源），比如你收到邻居的快递通知小区喇叭广播、微信群 @所有人
DDS 模型基于 “数据总线”，节点只收自己关心的消息（比如旋转火锅，只拿自己想吃的）1. 只收有用消息（省资源）；2. 无中心瓶颈；3. 支持高实时性配置比前三种复杂（但 ROS2 简化了）旋转火锅、定制化新闻推送

核心结论：DDS 是 4 种模型中最适合机器人的 —— 机器人有大量节点（相机、电机、视觉），需要 “实时、不浪费资源、无中心故障点” 的通信，DDS 刚好满足。

三、什么是 DDS？

3.1 一句话定义：成熟的 “数据分发标准”

DDS 的全称是 Data Distribution Service（数据分发服务），不是 ROS2 发明的，而是：

  • 2004 年由OMG 组织（对象管理组织，搞标准的权威机构）发布的通信标准；
  • 最早用在美国海军，解决舰船复杂网络的软件兼容问题；
  • 现在广泛用于航空、国防、自动驾驶、医疗（比如无人机、手术机器人）。

可以理解为：DDS 是通信的 “通用语言标准”，就像 4G/5G 是手机通信的标准，不同厂商（比如华为、高通）都能按这个标准做产品，互相兼容。

3.2 DDS 的核心特点（为什么适合机器人）

  1. 以数据为中心：节点只关心 “数据内容”（比如 “相机图像”“电机速度”），不关心 “谁发的”“发给谁”，收到自己需要的数据就处理；
  2. 高实时性：支持微秒级延迟，适合机器人的电机控制、传感器数据（比如无人机不能等 1 秒才收到指令）；
  3. 高可靠性：可以配置 “数据不丢失”（比如重要的控制指令），也可以配置 “优先流畅性”（比如图像掉帧没关系）；
  4. 无中心架构：没有像 ROS1 Master 那样的 “总开关”，某个节点坏了不影响其他节点（比如相机坏了，电机还能正常运行）。

3.3 补充：OMG 组织是什么？（不用记，了解就行）

OMG（Object Management Group）是 1989 年成立的国际标准组织，专门制定软件标准，除了 DDS，还有你可能听过的：

  • UML（统一建模语言，画流程图的标准）；
  • SysML（系统建模语言，用于复杂设备设计）；
  • 简单说：OMG 是 “通信规则的制定者”，DDS 是它制定的 “机器人通信规则”。

四、DDS 在 ROS2 中的作用（架构简化版）

ROS2 把 DDS 作为 “底层通信骨架”，所有上层功能（话题、服务、动作）都基于 DDS 实现。不用看懂复杂架构图，记住 3 个核心点就行：

4.1 ROS2 的 DDS 架构：兼容多个 DDS 实现

DDS 是 “标准”，不是 “具体产品”，有很多厂商按 DDS 标准做了具体的通信工具（比如 FastDDS、CycloneDDS、RTI DDS），ROS2 的做法是：

  • 不绑定某一个 DDS：让用户自己选（比如个人开发用免费的 FastDDS，工业场景用付费的 RTI DDS）；
  • 通过 Middleware（中间件）兼容：ROS2 做了一个 “统一接口层”，不管你用哪个 DDS，上层代码（比如create_publisher）都一样，不用改代码。

类比：Middleware 就像 “电源适配器”，不管你用华为还是苹果充电器（不同 DDS），只要适配器兼容，都能给电脑（ROS2 节点）供电。

4.2 ROS2 中 DDS 的关键概念：Domain（域）

之前学分布式时配置的ROS_DOMAIN_ID，就来自 DDS 的 “Domain（域）” 概念：

  • Domain 是数据分组：只有ROS_DOMAIN_ID相同的节点才能通信；
  • 作用：避免不同机器人的消息互相干扰（比如你的机器人和邻居的机器人都用 DDS，域不同就不会收到对方的消息）。

比如：你的树莓派和笔记本都设ROS_DOMAIN_ID=10，就能通信；邻居设=20，就和你没关系。

五、DDS 的核心：QoS（质量服务策略）

QoS 是 DDS 的 “灵魂”，全称 Quality of Service（质量服务策略），可以理解为：数据发送方和接收方的 “通信合约”—— 双方约定好 “怎么传数据”（比如要不要保证不丢、要不要保留历史数据），DDS 按约定执行。

ROS2 简化了 QoS 的配置，常用的策略只有 4 种，结合机器人场景讲清楚：

5.1 常用 QoS 策略（作用 + 场景 + 例子）

QoS 策略作用（小白理解）常用配置选项机器人场景例子
RELIABILITY（可靠性）决定数据是否允许丢失1. RELIABLE（可靠）：保证数据不丢失（重发直到收到）；2. BEST_EFFORT（尽力）：优先流畅，允许丢失- 电机指令、机器人状态：用RELIABLE（不能丢，丢了会失控）；- 相机图像、激光点云：用BEST_EFFORT（掉帧没关系，流畅更重要）
HISTORY（历史记录）决定保留多少历史数据1. KEEP_LAST（保留最新 N 条）；2. KEEP_ALL（保留所有，慎用）- 保留最新 10 条机器人位置：KEEP_LAST+depth=10；- 不需要历史数据：KEEP_LAST+depth=1
DURABILITY（持久性）决定晚启动的节点是否能收到历史数据1. VOLATILE（不持久）：晚启动的节点收不到之前的消息；2. TRANSIENT_LOCAL（本地持久）：晚启动的节点能收到历史数据- 机器人参数节点：用TRANSIENT_LOCAL（新启动的监控节点能看到之前的参数）；- 实时图像：用VOLATILE（晚启动的节点不用看之前的图像）
DEADLINE（截止时间）决定数据必须在多久内送达（超时会报警）设置时间（比如 0.1 秒）无人机避障指令：设DEADLINE=0.1秒（超时没收到指令，无人机自动悬停）

关键规则：发布者和订阅者的 QoS 策略必须 “兼容” 才能通信，比如：

  • 发布者用BEST_EFFORT，订阅者必须也用BEST_EFFORT（用RELIABLE收不到）；
  • 发布者用KEEP_LAST+depth=5，订阅者用KEEP_LAST+depth=3（兼容，取较小的 3）。

六、实战案例：QoS 的配置与验证

从 “命令行” 到 “代码”，逐步掌握 QoS 配置，所有步骤都有详细说明。

案例 1：命令行配置 QoS（快速验证）

用ros2 topic命令直接配置 QoS，验证 “可靠性策略” 的兼容性：

步骤 1：启动发布者（用 BEST_EFFORT 策略）

打开终端 1，发布/chatter话题，数据类型是Int32（整数），QoS 设为best_effort：

# 命令格式：ros2 topic pub <话题名> <数据类型> <数据> --qos-reliability <策略>
ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/Int32 "data: 42" --qos-reliability best_effort
# 预期输出：循环发布 "data: 42"，每0.5秒一次
步骤 2：订阅者用 RELIABLE 策略（收不到数据）

打开终端 2，订阅/chatter，QoS 设为reliable：

# 命令格式：ros2 topic echo <话题名> --qos-reliability <策略>
ros2 topic echo /chatter --qos-reliability reliable
# 预期结果：终端2没有任何输出（策略不兼容，收不到数据）
步骤 3：订阅者改用 BEST_EFFORT 策略（能收到数据）

终端 2 按Ctrl+C停止，重新执行命令，策略改为best_effort：

ros2 topic echo /chatter --qos-reliability best_effort
# 预期结果：终端2不断输出 "data: 42"（策略兼容，通信成功）
步骤 4：查看话题的 QoS 信息（验证配置）

打开终端 3，用--verbose查看/chatter的 QoS 配置：

ros2 topic info /chatter --verbose
# 预期输出：显示发布者和订阅者的QoS策略，比如 "Reliability: BEST_EFFORT"

案例 2：代码配置 QoS（Hello World 话题）

在之前的 “Hello World” 话题代码中加入 QoS 配置，理解代码层面如何控制策略。

步骤 1：创建功能包

先创建存放 QoS 代码的功能包learning_qos：

cd dev_ws/src
ros2 pkg create learning_qos --build-type ament_python --dependencies rclpy std_msgs
步骤 2：发布者代码（带 QoS 配置，逐行注释）

文件名：learning_qos/qos_helloworld_pub.py

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
ROS2 QoS发布者示例：
- 发布"Hello World"话题
- 配置QoS策略：RELIABLE（可靠传输）、KEEP_LAST（保留最新1条）
"""# 1. 导入需要的库
import rclpy                     # ROS2 Python核心库
from rclpy.node import Node      # ROS2节点类
from std_msgs.msg import String  # 字符串消息类型（发布"Hello World"用）
# 导入QoS相关类：QoSProfile（QoS配置容器）、策略枚举
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy# 2. 定义发布者节点类
class PublisherNode(Node):def __init__(self, name):super().__init__(name)        # 初始化节点，节点名=qos_helloworld_pub# 3. 配置QoS策略（核心部分）self.qos_profile = QoSProfile(# 可靠性策略：RELIABLE（保证数据不丢失），适合重要消息reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,# 历史记录策略：KEEP_LAST（保留最新N条），避免占内存history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,# 保留最新1条数据（depth=1），如果需要保留更多，改数字（比如10）depth=1)# 4. 创建发布者：指定QoS策略self.pub = self.create_publisher(String,                # 消息类型（字符串）"chatter",             # 话题名（和订阅者一致）self.qos_profile       # 传入QoS配置（关键！之前没QoS是用默认配置）)# 5. 创建定时器：每0.5秒发布一次消息self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)def timer_callback(self):"""定时器回调函数：生成并发布消息"""msg = String()               # 创建字符串消息对象msg.data = "Hello World"     # 消息内容self.pub.publish(msg)        # 发布消息# 打印日志：提示发布成功，包含QoS策略（方便验证）self.get_logger().info(f"Publishing: {msg.data} | QoS: RELIABLE, KEEP_LAST(1)")# 3. 主入口函数
def main(args=None):rclpy.init(args=args)                      # 初始化ROS2node = PublisherNode("qos_helloworld_pub") # 创建发布者节点rclpy.spin(node)                           # 启动节点循环node.destroy_node()                        # 销毁节点rclpy.shutdown()                           # 关闭ROS2
步骤 3：订阅者代码（匹配 QoS 配置）

文件名：learning_qos/qos_helloworld_sub.py

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
ROS2 QoS订阅者示例：
- 订阅"Hello World"话题
- 配置和发布者一致的QoS策略（RELIABLE、KEEP_LAST(1)）
"""# 1. 导入库（和发布者一致）
import rclpy                                     # ROS2核心库
from rclpy.node import Node                      # 节点类
from std_msgs.msg import String                  # 字符串消息类型
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy# 2. 定义订阅者节点类
class SubscriberNode(Node):def __init__(self, name):super().__init__(name)         # 初始化节点，节点名=qos_helloworld_sub# 3. 配置QoS策略：必须和发布者兼容（这里完全一致）self.qos_profile = QoSProfile(reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,  # 和发布者一样：可靠传输history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,          # 和发布者一样：保留最新depth=1                                     # 和发布者一样：保留1条)# 4. 创建订阅者：指定QoS策略self.sub = self.create_subscription(String,                # 消息类型（和发布者一致）"chatter",             # 话题名（和发布者一致）self.listener_callback, # 收到消息的回调函数self.qos_profile       # 传入QoS配置（关键！）)def listener_callback(self, msg):"""回调函数：处理收到的消息"""# 打印日志：包含收到的消息和QoS策略self.get_logger().info(f"Heard: {msg.data} | QoS: RELIABLE, KEEP_LAST(1)")# 3. 主入口函数
def main(args=None):rclpy.init(args=args)                          # 初始化ROS2node = SubscriberNode("qos_helloworld_sub")    # 创建订阅者节点rclpy.spin(node)                               # 启动节点循环node.destroy_node()                            # 销毁节点rclpy.shutdown()                               # 关闭ROS2
步骤 4：配置节点入口（让 ROS 找到程序）

打开learning_qos/setup.py，在entry_points的console_scripts中添加入口：

entry_points={'console_scripts': [# 发布者命令：ros2 run learning_qos qos_helloworld_pub'qos_helloworld_pub = learning_qos.qos_helloworld_pub:main',# 订阅者命令：ros2 run learning_qos qos_helloworld_sub'qos_helloworld_sub = learning_qos.qos_helloworld_sub:main',],
},
步骤 5：编译与运行（验证效果）

  1. 编译功能包：

    cd dev_ws
colcon build --packages-select learning_qos
source install/setup.bash  # 加载环境变量

  2. 启动发布者（终端 1）：

    ros2 run learning_qos qos_helloworld_pub
# 预期输出：每0.5秒打印 "Publishing: Hello World | QoS: RELIABLE, KEEP_LAST(1)"

  3. 启动订阅者（终端 2）：

    ros2 run learning_qos qos_helloworld_sub
# 预期输出：每0.5秒打印 "Heard: Hello World | QoS: RELIABLE, KEEP_LAST(1)"（通信成功）

  4. 修改策略验证不兼容（可选）：

    • 把发布者的reliability改成QoSReliabilityPolicy.BEST_EFFORT，重新编译；
    • 订阅者还是RELIABLE，再运行会发现订阅者收不到消息（策略不兼容）。

七、复习要点总结（小白必背）

  1. DDS 的核心优势：以数据为中心、无中心瓶颈、支持高实时性，解决了 ROS1 Master 的痛点；
  2. ROS2 中 DDS 的关键概念：
    • Domain（域）：ROS_DOMAIN_ID相同才能通信，避免干扰；
    • QoS（质量服务）：通信的 “合约”，决定数据怎么传；
  3. 常用 QoS 策略场景：
    • 重要指令（电机、参数）：RELIABLE + KEEP_LAST；
    • 实时流数据（图像、激光）：BEST_EFFORT + KEEP_LAST；
  4. QoS 通信规则：发布者和订阅者的 QoS 必须兼容（比如可靠性策略一致），否则收不到数据；
  5. 配置方式：命令行用--qos-xxx参数，代码用QoSProfile类。

DDS 底层很复杂，但 ROS2 已经帮我们简化了 90%，初学者不用深究底层实现，重点掌握 “QoS 策略怎么选”“怎么配置”，就能满足 90% 的机器人开发需求

http://www.dtcms.com/a/443553.html

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