ROS2通信DDS 最核心的特性之一 QoS（Quality of Service，服务质量）

DDS 中的 QoS（Quality of Service，服务质量） 是其最核心的特性之一，它允许开发者精确控制数据通信的行为，满足不同场景对可靠性、实时性、资源使用的差异化需求。

一、QoS 核心概念

什么是 QoS？

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QoS = 一组可配置的策略参数，用于控制：
├── 数据可靠性（Reliability）
├── 传输实时性（Latency）
├── 资源使用（Resource limits）
├── 数据持久性（Durability）
└── 网络行为（Liveliness, Deadline 等）

QoS 设计哲学

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传统通信：One size fits all（一刀切）
DDS QoS：为每个 Topic 量身定制通信契约

比喻：
- TCP = 可靠但慢（如快递，必达但慢）
- UDP = 快但不可靠（如短信，可能丢）
- DDS QoS = 灵活选择（急件用专机，普通件用快递）

二、QoS 策略分类（23+ 种）

按功能分类

类别	策略	作用
可靠性	RELIABILITY	可靠传输 vs 尽力传输
持久性	DURABILITY	数据是否保存给后加入者
实时性	DEADLINE, LATENCY_BUDGET	时效性保证
生命周期	LIFESPAN, LIVELINESS	数据/节点存活检测
资源控制	HISTORY, RESOURCE_LIMITS	缓存大小、队列深度
传输配置	TRANSPORT_PRIORITY, OWNERSHIP	优先级、所有权

三、核心 QoS 策略详解

1. RELIABILITY（可靠性）

控制数据是否保证送达。

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// DDS 配置示例（伪代码）
ReliabilityQosPolicy reliability;

// 选项 1：可靠传输（RELIABLE）
reliability.kind = RELIABLE;
// 行为：类似 TCP，丢包会重传，保证送达
// 适用：关键指令、控制信号

// 选项 2：尽力传输（BEST_EFFORT）
reliability.kind = BEST_EFFORT;
// 行为：类似 UDP，不保证送达，低延迟
// 适用：传感器数据、视频流、高频数据

ROS 2 示例：

python 复制代码

# Python 中设置 QoS
from rclpy.qos import QoSProfile, ReliabilityPolicy

qos = QoSProfile(
    reliability=ReliabilityPolicy.RELIABLE,  # 或 BEST_EFFORT
    depth=10
)

publisher = node.create_publisher(String, '/cmd_vel', qos)

2. DURABILITY（持久性）

控制数据是否保存给"后加入"的订阅者。

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场景：订阅者启动比发布者晚，能否收到之前的数据？

┌─────────────────────────────────────────┐
│  Durability: VOLATILE（易失）            │
│  └── 不保存历史数据                      │
│  └── 后加入者只能收到新数据               │
│  └── 默认设置，低资源占用                 │
│                                         │
│  Durability: TRANSIENT_LOCAL（本地持久） │
│  └── 发布者保存历史数据                  │
│  └── 后加入者能收到缓存的历史数据         │
│  └── 适用：配置参数、状态信息             │
│                                         │
│  Durability: TRANSIENT/PERSISTENT        │
│  └── 数据持久化到存储（需外部服务）       │
└─────────────────────────────────────────┘

3. HISTORY（历史记录）

控制缓存多少历史样本。

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HistoryQosPolicy history;

// KEEP_LAST: 只保留最近 N 个样本（环形缓冲区）
history.kind = KEEP_LAST;
history.depth = 10;  // 保留最近 10 条消息

// KEEP_ALL: 保留所有样本（直到资源限制）
history.kind = KEEP_ALL;
// 配合 RESOURCE_LIMITS 使用

实际效果：

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订阅者处理速度慢于发布者时：

KEEP_LAST(depth=10):
发布：[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12]
订阅：处理 [1]... 处理完时，收到 [3][4]...[12]
      丢失 [2]（缓冲区满了，最老的被覆盖）

KEEP_ALL:
发布：[1][2][3]...
订阅：处理 [1] 时，[2][3]... 排队等待
      直到内存耗尽或 RESOURCE_LIMITS 触发

4. DEADLINE（截止期限）

检测数据是否按时到达。

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DeadlineQosPolicy deadline;
deadline.period.sec = 1;  // 期望每 1 秒收到一次数据

// 如果超过 1 秒没收到新数据，触发回调通知

应用场景：

心跳检测：机器人 1 秒必须发一次状态，否则认为失联
传感器监控：激光雷达 100ms 必须输出一帧

5. LIFESPAN（数据有效期）

控制数据的有效时间，过期自动丢弃。

cpp 复制代码

LifespanQosPolicy lifespan;
lifespan.duration.sec = 5;  // 数据 5 秒后过期

// 发布者发送数据后，如果订阅者 5 秒内没收到，数据失效
// 适用：实时性要求高的数据，旧数据无意义

6. LIVELINESS（活跃度）

检测节点是否存活。

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┌─────────────────────────────────────────┐
│  AUTOMATIC（自动）                       │
│  └── DDS 自动管理，只要进程在就视为存活    │
│                                         │
│  MANUAL_BY_TOPIC（手动按话题）            │
│  └── 应用层必须定期声明"我还活着"         │
│  └── 适用：需要应用级心跳检测              │
│                                         │
│  MANUAL_BY_PARTICIPANT（手动按节点）      │
│  └── 应用层为整个节点声明存活             │
└─────────────────────────────────────────┘

lease_duration: 声明间隔，超时则认为节点死亡

7. OWNERSHIP（所有权）

多发布者竞争同一 Topic 时的行为。

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┌─────────────────────────────────────────┐
│  SHARED（共享）                          │
│  └── 多个发布者同时有效                  │
│  └── 订阅者收到所有发布者的数据           │
│  └── 默认设置                            │
│                                         │
│  EXCLUSIVE（独占）                       │
│  └── 只有"所有权强度"最高的发布者有效     │
│  └── 其他发布者被静默                    │
│  └── 适用：主备切换、冗余设计             │
└─────────────────────────────────────────┘

四、ROS 2 常用 QoS 预设配置

ROS 2 提供了常用场景的 QoS 预设：

预设名称	特点	适用场景
`qos_profile_sensor_data`	尽力传输、小队列、低延迟	传感器数据（激光、图像）
`qos_profile_parameters`	可靠、持久、大队列	参数配置
`qos_profile_default`	可靠、易失、中等队列	一般通信
`qos_profile_services_default`	可靠、易失	服务调用
`qos_profile_parameter_events`	可靠、持久	参数变更事件
`qos_profile_system_default`	使用 DDS 默认设置	底层系统

python 复制代码

# 使用预设
from rclpy.qos import qos_profile_sensor_data

publisher = node.create_publisher(
    LaserScan, 
    '/scan', 
    qos_profile_sensor_data  # 传感器优化配置
)

五、QoS 兼容性规则

关键原则：发布者和订阅者的 QoS 必须兼容才能建立连接。

兼容性矩阵

发布者 QoS	订阅者 QoS	是否兼容	实际行为
RELIABLE	RELIABLE	✅	可靠传输
RELIABLE	BEST_EFFORT	✅	降级为尽力传输
BEST_EFFORT	RELIABLE	❌	不兼容，无法连接
VOLATILE	VOLATILE	✅	无历史数据
VOLATILE	TRANSIENT_LOCAL	❌	不兼容
TRANSIENT_LOCAL	VOLATILE	✅	订阅者不要历史，不给
TRANSIENT_LOCAL	TRANSIENT_LOCAL	✅	提供历史数据

兼容性口诀

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"订阅者不能要求比发布者更高的可靠性"
"订阅者不能要求发布者没有的能力"

六、实际应用示例

场景 1：机器人遥控指令

python 复制代码

# 要求：绝对不能丢，但实时性次要
qos_cmd = QoSProfile(
    reliability=ReliabilityPolicy.RELIABLE,
    durability=DurabilityPolicy.VOLATILE,
    depth=1,  # 只保留最新指令
    deadline=Deadline(deadline_period=Duration(seconds=0.5))  # 500ms 超时检测
)

场景 2：激光雷达数据

python 复制代码

# 要求：高频、低延迟，丢几帧无所谓
qos_lidar = QoSProfile(
    reliability=ReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
    durability=DurabilityPolicy.VOLATILE,
    history=HistoryPolicy.KEEP_LAST,
    depth=5  # 保留最近 5 帧
)

场景 3：地图数据（大文件，后加入者需要）

python 复制代码

# 要求：可靠、持久，新节点启动能收到地图
qos_map = QoSProfile(
    reliability=ReliabilityPolicy.RELIABLE,
    durability=DurabilityPolicy.TRANSIENT_LOCAL,
    history=HistoryPolicy.KEEP_ALL,
    lifespan=Lifespan(lifespan_duration=Duration(seconds=0))  # 永不过期
)

七、总结

核心概念	要点
QoS 是什么	可配置的通信策略集合，精确控制数据行为
为什么重要	同一系统内不同数据有不同需求（控制指令 vs 传感器 vs 配置）
关键策略	RELIABILITY、DURABILITY、HISTORY、DEADLINE、LIVELINESS
兼容性	发布者和订阅者 QoS 必须匹配，否则无法通信
ROS 2 简化	提供预设配置，覆盖 90% 场景

QoS 是 DDS 区别于其他中间件的核心竞争力，它让 ROS 2 能同时满足实时控制 和大数据传输的矛盾需求，在同一系统中灵活配置。