ROS2学习日志：QoS学习日志

QoS学习日志

参考：ROS2API 及 https://index.ros.org/doc/ros2/Concepts/About-Quality-of-Service-Settings

1.概述

ROS2提供了一套非常丰富的服务质量(Quality of Service, QoS)策略用于调整节点之间的通信。众所周知，在TCP与UDP之间存在着无数的折中设置，QoS既可以设置成像TCP一样可靠(reliable)，也可以设置成像UDP一样高效(best effort)。不同于ROS1，它主要支持TCP通信，ROS2底层采用的是DDS(Data Distribution Service)传输，当DDS工作在损无线网络(lossy wireless network)中时更有利于best-effect策略，当DDS工作在实时计算系统中时通过设置适合的QoS策略来满足实时性。

一套QoS策略形成了一个QoS Profile。考虑到为特定的场景选择正确QoS策略较为复杂，ROS2提供了一套预定义的QoS Profiles，用于常见场景(如传感器数据)。同时，也提供了特定的Profiles给使用者设置QoS策略。

发布器、订阅器、服务端和客户端可以指定Profile，且它们的每个实例都可以单独指定Profile，但不兼容的Profiles可能导致无法通信。

2.QoS策略

当前，QoS Profile提供了对以下QoS策略的设置：

(1)历史记录(History)

保留近期记录(Keep last)：缓存最多N条记录，可通过队列长度选项来配置。

保留所有记录(Keep all)：缓存所有记录，但受限于底层中间件可配置的最大资源。

(2)深度(Depth)

队列深度(Size of the queue)：只能与Keep last配合使用。

(3)可靠性(Reliability)

尽力的(Best effort)：尝试传输数据但不保证成功传输(当网络不稳定时可能丢失数据)。

可靠的(Reliable)：反复重传以保证数据成功传输。

(4)持续性(Durability)

局部瞬态(Transient local)：发布器为晚连接(late-joining)的订阅器保留数据。

易变态(Volatile)：不保留任何数据。

以上每个策略都有系统默认值。这个默认值就是底层中间件的默认值，由DDS供应商工具(如XML配置文件)定义。DDS本身提供了许多可配置的策略。这些策略与ROS1的特征相似，所以在ROS1中是可见的。之后可能会有更多的策略在ROS2中可见。

3.与ROS1的比较

ROS2的History和Depth结合起来类似于ROS1的队列大小功能。

ROS2的Reliability取Best-effort类似于ROS1的UDPROS(仅roscpp包含此功能)，取Reliable类似于ROS1的TCPROS。

ROS2的Durability和队列深度为1的Depth结合起来类似于ROS1中的latching订阅器。

4.QoS配置文件

Profile使开发者专注于他们的应用，而无需担心QoS的各种设置。一个QoS Profile包含一套策略，可以高效地配合特定的用例工作。当前定义了一些默认的Profiles，以下对它们进行介绍。

(1)默认(qos_profiles.h：rmw_qos_profile_system_default)

所有的策略设置为RMW的默认值。不同的RMW默认值可能存在差异。

(2)主题(qos_profiles.h：rmw_qos_profile_default)

为了保证ROS1和ROS2之间的过渡，有必要设计一套相似的网络行为。于是，设置发布器和订阅器的默认Profile为(Keep last, 10, Reliable, Volatile)。

(3)服务(qos_profiles.h：rmw_qos_profile_services_default)

与发布器和订阅者器一样，服务首先得reliable。其次，Volatile对服务也是必须的，否则会收到过时的请求。尽管客户端已被设计避免接收多次响应，但服务端没有设计如何处理过时的请求产生的副作用。服务Profile的详细取值为(Keep last, 10, Reliable, Volatile)。

(4)参数(qos_profiles.h：rmw_qos_profile_parameters)

参数是基于服务的，所以有相似的Profile。不同之处参数具有更大的队列深度，以避免丢失请求(例如当在参数客户端不能访问参数服务端时)。参数Profile的详细取值为(Keep last, 1000, Reliable, Volatile)。

(5)参数事件(qos_profiles.h：rmw_qos_profile_parameter_events)

与参数Profile相同。

(6)传感器数据(qos_profiles.h：rmw_qos_profile_sensor_data)

在大多数用例中，需要实时读取传感器的数据而无需读取所有数据。也就是说，开发者希望尽快地获取最新数据，为此可以丢失一些数据。因此，传感器需要Best effort和更小的队列深度，其Profile详细取值为(Keep last, 5, Best effort, Volatile)。

以上Profiles更多信息可参见~\ros2\include\rmw\qos_profiles.h。这些Profiles的取值会根据社区的反馈意见进一步的调整

虽然ROS2提供了一些常用的QoS Profiles，但DDS中定义的策略允许ROS用户基于现有的DDS文档提供的大量的信息来为其特定的用例设置QoS Profile。

5.QoS兼容性

注意：以下内容以发布器和订阅器举例阐述，但同样适合于服务端和客户端。

发布器和订阅器可以分别指定自己的OoS Profiles。只有当它们的Profiles兼容时，两者才能建立连接。Profile的兼容性基于"请求与提供"(Request vs Offerer)模型，只有当订阅器的策略没有发布器的严格时，连接才能建立，且建立的连接使用严格度低的策略。

ROS2中存在兼容性问题的OoS策略是Durability和Reliability。下面的展示了不同策略配置的兼容性结果：

Durability的兼容性配置：

Publisher	Subscriber	Connection	Result
Volatile	Volatile	Yes	Volatile
Volatile	Transient local	No
Transient local	Volatile	Yes	Volatile
Transient local	Transient local	Yes	Transient local

Reliability的兼容性配置：

Publisher	Subscriber	Connection	Result
Best effort	Best effort	Yes	Best effort
Best effort	Reliable	No
Reliable	Best effort	Yes	Best effort
Reliable	Reliable	Yes	Reliable

为建立连接，所有影响兼容性的策略都必须设置成可以兼容的。换句话说，假设如发布器和订阅器的Reliability是兼容的，但Durability不兼容，那么也不能建立连接，反之亦然。