ROS2概念之DDS

我们在《ROS2概述和基于RK3588的环境搭建》中对ROS和ROS2做了对比，其中最多的变化就是DDS。我们在前面文章中介绍的话题、服务、动作，他们底层通信的具体实现过程，都是靠DDS来完成的，它相当于是ROS机器人系统中的神经网络。

一、通信模型

DDS的核心是通信，能够实现通信的模型和软件框架非常多，这里我们列出常用的四种模型。

1.1 点对点模型

许多客户端连接到一个服务端，每次通信时，通信双方必须建立一条连接，当通信节点增多时，连接数也会增多。

而且每个客户端都需要知道服务器的具体地址和所提供的服务，一旦服务器地址发生变化，所有客户端都会受到影响。

1.2 Broker模型

针对点对点模型进行了优化，由Broker集中处理所有人的请求，并进一步找到真正能响应该服务的角色，这样客户端就不用关心服务器的具体地址了。

不过问题也很明显，Broker作为核心，它的处理速度会影响所有节点的效率，当系统规模增长到一定程度，Broker就会成为整个系统的性能瓶颈。更麻烦是，如果Broker发生异常，可能导致整个系统都无法正常运转，之前的ROS1系统，使用的就是类似这样的架构。

1.3 广播模型

所有节点都可以在通道上广播消息，并且节点都可以收到消息。这个模型解决了服务器地址的问题，而且通信双方也不用单独建立连接，但是广播通道上的消息太多了，所有节点都必须关心每条消息，其实很多是和自己没有关系的。

1.4 以数据为中心的DDS模型

这种模型与广播模型有些类似，所有节点都可以在DataBus上发布和订阅消息。但它的先进之处在于，通信中包含了很多并行的通路，每个节点可以只关心自己感兴趣的消息，忽略不感兴趣的消息，有点像是一个旋转火锅，各种好吃的都在这个DataBus传送，我们只需要拿自己想吃的就行，其他的和我们没有关系。

以数据为中心更本质的体现是数据域（Domain）概念。一个DDS Domain定义了一个独立的虚拟网络空间，只有拥有相同Domain ID的参与者（对应ROS2节点）才能相互发现和通信。这就像一栋办公楼，不同的Domain ID是不同的楼层，同楼层的公司（节点）可以自由交流，不同楼层则完全隔离，互不干扰。

二、DDS

DDS并不是一个新的通信方式，在ROS2之前，DDS已经广泛应用在很多领域，比如航空，国防，交通，医疗，能源等。

比如在自动驾驶领域，通常会存在感知，预测，决策和定位等模块，这些模块都需要非常高速和频繁地交换数据。借助DDS，可以很好地满足它们的通信需求。

2.1 DDS定义

DDS的全称是Data Distribution Service，也就是数据分发服务，2004年由对象管理组织OMG发布和维护，是一套专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准，最早应用于美国海军， 解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题，现在已经成为强制标准。

DDS强调以数据为中心，可以提供丰富的服务质量策略，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。

这里也提一下对象管理组织OMG，成立于1989年，它的使命是开发技术标准，为数以千计的垂直行业提供真实的价值，比如我们可能听说过的统一建模语言SYSML和UML，还有中间件标准CORBA等，当然还有DDS。

2.2 在ROS2中的应用

DDS在ROS2系统中的位置至关重要，所有上层建设都建立在DDS之上。在这个ROS2的架构图中，蓝色和红色部分就是DDS。

DDS其实是物联网中广泛应用的一种通信协议，类似于我们常听说的5G通信一样，DDS是一个国际标准，能够实现该标准的软件系统并不是唯一的，所以我们可以选择多个厂家提供的DDS系统，比如这里的OpenSplice、FastRTPS，还有更多厂家提供的，每一家的性能不同，适用的场景也不同。

不过这就带来一个问题，每个DDS厂家的软件接口肯定是不一样的，如果我们按照某一家的接口写完了程序，想要切换其他厂家的DDS，不是要重新写代码么？这当然不符合ROS提高软件复用率的目标。

为了解决这个问题，ROS2设计了一个ROS Middleware，简称RMW，也就是指定一个标准的接口，比如如何发数据，如何收数据，数据的各种属性如何配置，都定义好了，如果厂家想要接入ROS社区，就得按照这个标准写一个适配的接口，把自家的DDS给移植过来，这样就把问题交给了最熟悉自家DDS的厂商。对于我们这些用户来讲，某一个DDS用的不爽，只要安装另一个，然后做一个简单的配置，程序一行的都不用改，轻松更换底层的通信系统。

举一个例子，比如我们在产品开发时，可以先用开源版本的DDS满足基本需求，部署交付的产品时，再更换为商业版本更稳定的DDS，这样可以减少开发成本。

总之，DDS的加入，让ROS2系统更加稳定，也更加灵活，当然复杂度也会高一些。这样，我们不用再纠结ROS的通信系统是否稳定、该如何优化等问题，更多精力都可以放在其他三个部分，专注优化我们的机器人应用功能。

2.3 服务质量QoS

DDS为ROS的通信系统提供提供了哪些特性呢？我们通过这个通信模型图来看下；

DDS中的基本结构是Domain，Domain将各个应用程序绑定在一起进行通信，回忆下之前我们配置NanoPC-T6开发板和ubuntu虚拟机通信的时候，配置的那个Domain ID，就是对全局数据空间的分组定义，只有处于同一个Domain小组中的节点才能互相通信，这样可以避免无用数据占用的资源。

DDS中另外一个重要特性就是质量服务策略QoS，QoS是一种网络传输策略，应用程序指定所需要的网络传输质量行为，QoS服务实现这种行为要求，尽可能地满足客户对通信质量的需求，可以理解为数据提供者和接收者之间的合约。

具体会有哪些策略？比如：

• DEADLINE：表示通信数据必须要在每次截止时间内完成一次通信；
• HISTORY：表示针对历史数据的一个缓存大小；
• RELIABILITY：表示数据通信的模式；
  • 配置成BEST_EFFORT，就是尽力传输模式，网络情况不好的时候，也要保证数据流畅，此时可能会导致数据丢失；
  • 配置成RELIABLE，就是可信赖模式，可以在通信中尽量保证图像的完整性，我们可以根据应用功能场景选择合适的通信模式；
• DURABILITY：可以配置针对晚加入的节点，也保证有一定的历史数据发送过去，可以让新节点快速适应系统。

2.3.1 机器人案例

举一个机器人的例子便于大家理解；

2.3.1 无人机案例

比如我们遥控一个无人机航拍，如果网络情况不好的话，遥控器向无人机发送运动指令的过程，可以用reliable通信模式，保证每一个命令都可以顺利发送给无人机，但是可能会有一些延时，无人机传输图像的过程可以用best effort模式，保证视频的流畅性，但是可能会有掉帧。

如果此时出现一个黑客黑入我们的网络，也没有关系，我们可以给ROS2的通信数据进行加密，黑客也没有办法直接控制无人机。

DDS的加入，让ROS2的通信系统焕然一新，多众多样的通信配置，可以更好的满足不同场景下的机器人应用。

三、DDS案例

3.1 在命令行中配置DDS

我们先来试一试在命令行中配置DDS的参数。

3.1.1 发布者

启动第一个终端，我们使用best_effort创建一个发布者节点，循环发布任意数据；

pi@NanoPC-T6:~$ ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/Int32 "data: 42" --qos-reliability best_effort
publisher: beginning loop
publishing #1: std_msgs.msg.Int32(data=42)

publishing #2: std_msgs.msg.Int32(data=42)

publishing #3: std_msgs.msg.Int32(data=42)

publishing #4: std_msgs.msg.Int32(data=42)

3.1.2 订阅者

在另外一个终端中，如果我们使用reliable模型订阅同一话题，则无法实现数据通信；

pi@NanoPC-T6:~$ ros2 topic echo /chatter --qos-reliability reliable
[WARN] [1765976222.618569414] [_ros2cli_2137]: New publisher discovered on topic '/chatter', offering incompatible QoS. No messages will be received from it. Last incompatible policy: RELIABILITY

修改为同样的best_effort，才能实现数据传输；

Cpi@NanoPC-T6:~ros2 topic echo /chatter --qos-reliability best_effortrt
data: 42
---
data: 42
---
data: 42
---
data: 42
---
data: 42
---
data: 42
---
data: 42
---

3.1.3 查看QoS策略

如何去查看ROS2系统中每一个发布者或者订阅者的QoS策略呢，在topic命令后边跟一个--verbose参数就行了；

pi@NanoPC-T6:~$ ros2 topic info /chatter --verbose
Type: std_msgs/msg/Int32

Publisher count: 1

Node name: _ros2cli_2064
Node namespace: /
Topic type: std_msgs/msg/Int32
Endpoint type: PUBLISHER
GID: 01.0f.50.2b.10.08.90.1b.00.00.00.00.00.00.05.03.00.00.00.00.00.00.00.00
QoS profile:
  Reliability: BEST_EFFORT
  History (Depth): UNKNOWN
  Durability: TRANSIENT_LOCAL
  Lifespan: Infinite
  Deadline: Infinite
  Liveliness: AUTOMATIC
  Liveliness lease duration: Infinite

Subscription count: 1

Node name: _ros2cli_2200
Node namespace: /
Topic type: std_msgs/msg/Int32
Endpoint type: SUBSCRIPTION
GID: 01.0f.50.2b.98.08.ab.93.00.00.00.00.00.00.05.04.00.00.00.00.00.00.00.00
QoS profile:
  Reliability: BEST_EFFORT
  History (Depth): UNKNOWN
  Durability: VOLATILE
  Lifespan: Infinite
  Deadline: Infinite
  Liveliness: AUTOMATIC
  Liveliness lease duration: Infinite

3.2 DDS编程示例

接下来，我们尝试在代码中配置DDS，以之前Hello World话题通信为例。

我们首先创建my_learning_qos 的Python版本的功能包；

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ cd src
pi@NanoPC-T6:~/dev_ws/src$ ros2 pkg create --build-type ament_python my_learning_qos

3.2.1 发布者

在my_learning_qos文件夹下创建qos_helloworld_pub.py；

"""
ROS2 QoS示例-发布"Hello World"话题

@author: zy
@since : 2025/12/17
"""

import rclpy                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node      # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String  # 字符串消息类型
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy # ROS2 QoS类

"""
创建一个发布者节点
"""
class PublisherNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)        # ROS2节点父类初始化

        qos_profile = QoSProfile(     # 创建一个QoS原则
            # reliability=QoSReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,
            history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,
            depth=1
        )
        self.pub = self.create_publisher(String, "chatter", qos_profile) # 创建发布者对象（消息类型、话题名、QoS原则）
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)         # 创建一个定时器（单位为秒的周期，定时执行的回调函数）

    def timer_callback(self):                                # 创建定时器周期执行的回调函数
        msg = String()                                       # 创建一个String类型的消息对象
        msg.data = 'Hello World'                             # 填充消息对象中的消息数据
        self.pub.publish(msg)                                # 发布话题消息
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)# 输出日志信息，提示已经完成话题发布

def main(args=None):                           # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                      # ROS2 Python接口初始化
    node = PublisherNode("qos_helloworld_pub") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                           # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                        # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                           # 关闭ROS2 Python接口

完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：

    entry_points={
        'console_scripts': [
            'qos_helloworld_pub  = my_learning_qos.qos_helloworld_pub:main',
        ],
    },

3.2.2 订阅者

在my_learning_qos文件夹下创建qos_helloworld_sub.py；

"""
ROS2 QoS示例-订阅"Hello World"话题消息

@author: zy
@since : 2025/12/17
"""

import rclpy                                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node   import Node                    # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String                  # ROS2标准定义的String消息
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy  # ROS2 QoS类

"""
创建一个订阅者节点
"""
class SubscriberNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)         # ROS2节点父类初始化

        qos_profile = QoSProfile(      # 创建一个QoS原则
            # reliability=QoSReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,
            history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,
            depth=1
        )

        self.sub = self.create_subscription(
            String, "chatter", self.listener_callback, qos_profile) # 创建订阅者对象（消息类型、话题名、订阅者回调函数、QoS原则）

    def listener_callback(self, msg):                      # 创建回调函数，执行收到话题消息后对数据的处理
        self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data) # 输出日志信息，提示订阅收到的话题消息

def main(args=None):                               # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                          # ROS2 Python接口初始化
    node = SubscriberNode("qos_helloworld_sub")    # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                               # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                            # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                               # 关闭ROS2 Python接口

完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：

    entry_points={
        'console_scripts': [
            'qos_helloworld_pub  = my_learning_qos.qos_helloworld_pub:main',
            'qos_helloworld_sub  = my_learning_qos.qos_helloworld_sub:main',
        ],
    },

DDS本身是一个非常复杂的系统，ROS2使用的也只是冰山一角，这一节我们主要认识了DDS，更多使用方法和相关内容，可以参考文章最后的链接进行学习。

3.2.3 编译运行

编译程序：

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ colcon build --paths src/my_learning_qos

启动第一个终端，运行发布者节点；

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ ros2 run my_learning_qos qos_helloworld_pub
[INFO] [1765977701.017109522] [qos_helloworld_pub]: Publishing: "Hello World"
[INFO] [1765977701.481142094] [qos_helloworld_pub]: Publishing: "Hello World"
[INFO] [1765977701.981325128] [qos_helloworld_pub]: Publishing: "Hello World"
[INFO] [1765977702.481208424] [qos_helloworld_pub]: Publishing: "Hello World"
[INFO] [1765977702.980783816] [qos_helloworld_pub]: Publishing: "Hello World"
[INFO] [1765977703.481164427] [qos_helloworld_pub]: Publishing: "Hello World"

启动第二个终端，运行订阅者节点；

pi@NanoPC-T6:~/dev_ws$ ros2 run my_learning_qos qos_helloworld_sub
[INFO] [1765977718.509490470] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977718.981377865] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977719.483689245] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977719.982267400] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977720.483497158] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977720.983902698] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977721.484018419] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977721.981400832] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"
[INFO] [1765977722.483140196] [qos_helloworld_sub]: I heard: "Hello World"

看效果确实差不多，不过底层通信机理上可是有所不同的。

[1] 古月居ROS2入门教程学习笔记

[2] ROS on DDS

[3] https://docs.ros.org/en/humble/Concepts/About-Different-Middleware-Vendors.html

[4] https://docs.ros.org/en/humble/How-To-Guides/Working-with-multiple-RMW-implementations.html

[5] https://www.bilibili.com/video/BV12z4y167w2

[6] DDS通信中间件------QoS策略