FA_IPC_协议网络(GRPC)数据交互三

FA ：Formulas and Algorithm, IPC ：Inter-Process Communication, gRPC ：google Remote Procedure Call

对 OSI 7层模型 对应gRPC，它属于第7层 的应用层。一般使用gRPC的七层协议状况如下：

层序号	层名称	协议名
7	应用层（Application Layer）	gRPC
6	表示层（Presentation Layer）	Protobuf + TLS(SSL)
5	会话层（Session Layer）	HTTP/2 会话层
4	传输层（Transport Layer）	TCP
3	网路层（Network Layer）	IP
2	链路层（Data Link Layer）	以太网/WiFi
1	物理层（Physical Layer）	光纤、无线电

一、各层协议的选配

第4层：传输层 → 默认 TCP，可 选配 UDP

• 默认：TCP
• 可选：UDP(基于QUIC，即gRPC over HTTP/3)
• 结论：可以选配

第5层：会话层→ HTTP/2（或 HTTP/3）

• 负责：建立会话、流控、多路复用
• 可选：无其他选择
• 结论：不可选配 （HTTP/2或HTTP/3自带）

第6层：表示层→ Protobuf（默认），可 选配 JSON

• 负责：数据序列化（大小端、数据实际意义）、加密（TLS）

• 默认：Protobuf

• 可选：JSON

• 结论：可以选配

  总的来说，gRPC位于OSI第7层应用层，依赖第6层Protobuf（可替换JSON）、第5层HTTP/2、第4层TCP（可替换为UDP+QUIC）。

二、gRPC实例（机器人控制gRPC）

一般gRPC的通讯都是需要先编辑proto的通讯工程文件。随后根据编辑好的文件根据指令生成对应的被引用文件。此处以机器人控制的关节控制为例，生成gRPC实例，其包含如下：

• 机器人整体状态；
• 多关节数据（当前角度、角速度、下限、上限）；
• 指令控制（获取状态、设置关节目标）；
• 一行命令自动生成 C、C++、Python 调用代码；

1、核心文件：robot.proto（标准gRPC接口定义）

syntax = "proto3";

// 包名，防止命名冲突
package robot;

// 【关节数据】：角度、角速度、上下限
message JointData {
  int32 joint_id = 1;          // 关节编号 1~6/1~7
  float current_angle = 2;     // 当前角度 (deg)
  float current_velocity = 3;  // 当前角速度 (deg/s)
  float angle_limit_min = 4;   // 角度下限
  float angle_limit_max = 5;   // 角度上限
}

// 【机器人整体状态】
message RobotState {
  bool is_connected = 1;       // 是否连接
  bool is_enabled = 2;         // 是否使能
  bool is_error = 3;           // 是否故障
  string error_msg = 4;        // 故障信息
  repeated JointData joints = 5; // 所有关节数据（数组）
}

// 【控制指令】：设置目标角度
message SetJointTargetRequest {
  int32 joint_id = 1;
  float target_angle = 2;
}

// 【通用响应】
message CommonResponse {
  bool success = 1;
  string msg = 2;
}

// 【空请求】：用于获取状态
message EmptyRequest {}

// ==================== gRPC 服务 ====================
service RobotControlService {
  // 获取机器人完整状态
  rpc GetRobotState(EmptyRequest) returns (RobotState);
  
  // 设置单个关节目标角度
  rpc SetJointTarget(SetJointTargetRequest) returns (CommonResponse);
}

2、一行命令生成 C / C++ / Python 代码

只需要安装好 protobuf + grpc 工具，执行下面命令就能生成所有语言文件。

生成Python代码

python -m grpc_tools.protoc \
--python_out=. \
--grpc_python_out=. \
robot.proto

生成文件介绍：

• robot_pb2.py（数据结构）
• robot_pb2_grpc.py（服务接口）

生成C++代码

protoc --cpp_out=. --grpc_out=. \
--plugin=protoc-gen-grpc=`which grpc_cpp_plugin` \
robot.proto

生成文件介绍：

• robot.pb.h / robot.pb.cc（数据结构）
• robot.grpc.pb.h / robot.grpc.pb.cc（服务接口）

生成C代码（gRPC原生C版本）

protoc --c_out=. --grpc-c_out=. \
robot.proto

  备注：生成的数据包含数据结构和服务接口两部分，这是gRPC通讯的通用实例。

3、接口包含的全部数据

字段	含义
joint_id	关节编号
current_angle	当前角度
current_velocity	当前角速度
angle_limit_min	角度下限
angle_limit_max	角度上限
is_connected/enabled/error	机器人状态
repeated JointData	多关节数组（6 轴 / 7 轴通用）

4、python调用实例

import grpc
import robot_pb2
import robot_pb2_grpc

def run():
    # 连接机器人 gRPC 服务
    channel = grpc.insecure_channel('localhost:50051')
    stub = robot_pb2_grpc.RobotControlServiceStub(channel)

    # 1. 获取机器人完整状态
    state = stub.GetRobotState(robot_pb2.EmptyRequest())
    print("机器人状态：", state.is_enabled)
    for joint in state.joints:
        print(f"关节{joint.joint_id} 角度:{joint.current_angle} 限幅[{joint.angle_limit_min},{joint.angle_limit_max}]")

    # 2. 控制关节1转到 90 度
    res = stub.SetJointTarget(robot_pb2.SetJointTargetRequest(joint_id=1, target_angle=90.0))
    print("控制结果：", res.success)

if __name__ == '__main__':
    run()

三、gRPC切换到UDP运输层协议

需要说明的是默认的HTTP/2+TCP，强制可靠，有序，RPC保证调用报文不丢不乱。但是切换至UDP的唯一官方合规的方式是：QUIC + UDP（裸原生UDP，无QUIC无法对接标准gRPC），更改之后L4传输层UDP，上层QUIC自研可重传、多路复用。改用QUIC=底层UDP传输，proto文件完全不用改，C/C++/Python生成代码不变，仅仅改动channel创建逻辑。

方案1、C++ gRPC启用QUIC/UDP

1、编译gRPC开启QUIC编译选项，编译源码时添加如下配置项(此方法需要安装依赖库boringssl、quiche)：

-DgRPC_BUILD_CSHARP=OFF -DgRPC_SSL_PROVIDER=package -DgRPC_ENABLE_QUIC=ON

2、C++服务端代码（UDP端口监听）

#include <grpcpp/grpcpp.h>
#include "robot.grpc.pb.h"
// QUIC TLS证书（必须，HTTP3强制TLS1.3）
auto creds = grpc::experimental::QuicServerCredentials(
    grpc::SslServerCredentialsOptions{/*加载证书、私钥*/});
grpc::ServerBuilder builder;
// 监听UDP:50051（原TCP端口变UDP）
builder.AddListeningPort("0.0.0.0:50051", creds);
// 注册之前的RobotControlService
builder.RegisterService(&svr_impl);
auto server = builder.BuildAndStart();

3、C++客户端（UDP连接）

auto cli_creds = grpc::experimental::QuicChannelCredentials(
    grpc::SslCredentialsOptions{/*客户端证书*/});
// 自动走UDP+QUIC，接口调用和TCP版完全一致
auto channel = grpc::CreateChannel("127.0.0.1:50051", cli_creds);
auto stub = RobotControlService::NewStub(channel);
// GetRobotState、SetJointTarget调用代码一字不改

方案2、 Python gRPC启用 QUIC/UDP配置

python库grpcio从1.52+支持experimental QUIC/UDP，具体为：

1、安装依赖

pip install grpcio[quic] grpcio-tools

2、客户端UDP支持代码

import grpc.experimental.quic as quic
import robot_pb2, robot_pb2_grpc

# QUIC TLS配置，insecure仅调试机器人内网
opts = quic.QuicChannelOptions()
opts.insecure = True
# 创建UDP通道（自动QUIC over UDP）
channel = quic.insecure_channel('127.0.0.1:50051', options=opts)
stub = robot_pb2_grpc.RobotControlServiceStub(channel)
# 原有读取关节角度、设置目标代码完全复用
state = stub.GetRobotState(robot_pb2.EmptyRequest())

3、服务端UDP代码

服务端 Python 同理：grpc.experimental.quic.server()绑定 UDP 端口

方案3、不改动gRPC代码，网关中转UDP

通过网关中专不用改动，原有的代码和配置，知识在依赖的底层通信中，更改网络拓扑结构，非常适合老机器，不允许长时间停机和测试的项目，这是采用间接实现的方法。

用Envoy反向代理：

• Envoy 监听UDP 50051(QUIC/HTTP3)，后端转发 TCP 50051 到原有 TCP-gRPC 服务；
• 客户端直接 QUIC (UDP) 连 Envoy，原有 C/C++/Python gRPC 服务零修改、不用重新编译。

使用场景和对比优势

QUIC/UDP的方式适用于无人移动机器人/WiFi漫游、室外AGV。能明显改善TCP队头阻塞、切网断链、关节告诉角速度实时传输更稳定。对于默认的TCP网络适合豫稳定的内网（比如有线工业机械臂）。

四、gRPC从表示层的Protobuf(默认)到JSON

gRPC切换至JSON的方式有两种实际路径：1、透明网关转换 ：gRPC 内部依然 Protobuf，网关做 JSON↔Protobuf 转码（表示层旁路转换）gRPC 服务底层不变、代码不动、C/C++/Python 生成代码照旧；外部 HTTP 客户端(新的端口)发 JSON，网关自动转 Protobuf 进 gRPC、返回 JSON，同一服务同时兼容二进制 gRPC 与 JSON-HTTP。这种方式本质上就是在原来的内容的基础上，配置一个JSON的交换接口 ，具体在方案1、2中推进的就是这种原理方法。2、底层彻底替换 Marshaller，gRPC 原生链路全用 JSON-表示层完全抛弃 Protobuf这种方法需要自定义gRPC消息序列化器，这个RPC报文直接JSON文本传输，不再走Protobuf二进制，生成代码废弃protobuf stub,适合纯JSON定制RPC。

方案 1：gRPC-Gateway（最常用、机器人上位机调试首选｜网关转 JSON）

1. proto 改造（复用你原有 robot.proto，加 http 注解）

syntax = "proto3";
package robot;
// 导入网关依赖
import "google/api/annotations.proto";

message JointData {
  int32 joint_id = 1;
  float current_angle = 2;
  float current_velocity = 3;
  float angle_limit_min = 4;
  float angle_limit_max = 5;
}
message RobotState {
  bool is_connected = 1;
  bool is_enabled = 2;
  bool is_error = 3;
  string error_msg = 4;
  repeated JointData joints = 5;
}
message SetJointTargetRequest {
  int32 joint_id = 1;
  float target_angle = 2;
}
message CommonResponse {bool success=1;string msg=2;}
message EmptyRequest{}

service RobotControlService {
  // 绑定REST JSON接口路径
  rpc GetRobotState(EmptyRequest) returns (RobotState){
    option(google.api.http)={
      get:"/robot/state" // GET JSON查询机器人全状态
    };
  }
  rpc SetJointTarget(SetJointTargetRequest) returns (CommonResponse){
    option(google.api.http)={
      post:"/robot/joint/set"
      body:"*" // POST JSON载荷映射请求体
    };
  }
}

2. 一键生成代码（同时生成 grpc、gateway 网关代码，支持 C++/Python 原生 gRPC + HTTP-JSON 网关）

# 生成grpc原生代码（C++/Python照旧）
# 生成gateway网关代码（Go实现网关，跨语言通用）
protoc --grpc-gateway_out=. --go_out=. --cpp_out=. --python_out=. robot.proto

3. 运行逻辑

• 50051 端口：原生 gRPC（Protobuf 二进制，C/C++/Python 客户端正常调用）
• 8080 端口：HTTP JSON 接口，curl/postman 直接发 JSON 访问机器人：

# 获取机器人关节数据（返回JSON：各关节角度、角速度、上下限）
curl http://127.0.0.1:8080/robot/state
# 设置关节目标角度（POST JSON）
curl -X POST -H "Content-Type:application/json" -d '{"joint_id":1,"target_angle":60.0}' http://127.0.0.1:8080/robot/joint/set

适用场景

• 机器人Web 上位机调试、前端控制面板、第三方设备对接（PLC / 上位机软件只支持 HTTP-JSON 不支持 gRPC）
• 一套后端同时给嵌入式 gRPC 客户端 + Web JSON 客户端，不改原有机器人控制逻辑

方案 2：Envoy 全局代理（无代码改 proto，整机统一 JSON 转码）

零修改 proto 与服务代码，配置 Envoy 开启 grpc_json_transcoder 过滤器，Envoy 监听 80 端口接收 HTTP-JSON，自动转 Protobuf 转发后端 50051 gRPC 服务。

# Envoy关键配置片段
http_filters:
- name: envoy.grpc_json_transcoder
  typed_config:
    proto_descriptor: robot.pb
    services: ["robot.RobotControlService"]

适用场景

• 多机器人集群网关、老项目快速接入 JSON 接口、统一 API 出入口，不用改任何业务代码

方案 3：gRPC-Web（前端 JS 浏览器 JSON 调用）

浏览器不能直接 TCP-gRPC，gRPC-Web 代理把前端 JSON→Protobuf，走 HTTP1.1，前端 JS 直接 JSON 请求 gRPC 服务

• 编译加protoc-gen-grpc-web生成前端 JS 代码
• Nginx/Envoy 反向代理，前端 fetch 发 JSON，后端 gRPC 仍 Protobuf

适用场景

• 机器人 Web 可视化面板、浏览器实时查看关节角速度 / 角度数据、网页下发运动指令

方案 4：自定义 Marshaller（gRPC 表示层彻底全量 JSON，完全弃用 Protobuf）

gRPC 核心MethodDescriptor.Marshaller负责表示层编解码，替换成 JSON 序列化（Gson/JsonCpp/json 模块），整条 RPC 链路传输纯 JSON 文本，不再有 Protobuf 二进制。

Python 极简示例

import grpc, json
# 自定义JSON序列化器
def json_serialize(msg):
    return json.dumps(msg.__dict__).encode()
def json_deserialize(data, cls):
    return cls(**json.loads(data))
# 创建基于JSON的Method，替换默认Protobuf Marshaller

缺点：不能用 protoc 自动生成 C/C++/Python stub 代码，需手动封装请求结构体

适用场景

• 快速原型调试、无固定结构体的动态机器人数据上报、嵌入式资源极小且只兼容 JSON 的单片机对接

四大方案选型对比（机器人项目专用）

方案	表示层编码	gRPC 原生调用	JSON 调用方式	性能	适用场景
gRPC-Gateway	内部 Protobuf，网关 JSON 转码	正常	HTTP-JSON	中	机器人上位机、PLC 对接（首选）
Envoy 代理	内部 Protobuf，网关 JSON 转码	正常	HTTP-JSON	高	集群机器人统一接入
gRPC-Web	内部 Protobuf，代理 JSON 转码	正常	前端 JS JSON	中	Web 机器人控制面板
自定义 Marshaller	全链路 JSON 文本	❌废弃 protobuf 生成代码	原生 RPC JSON 报文	低	动态数据、极简嵌入式调试

五、gRPC通讯的优点和不足

优点	详细表述
强 IDL 契约（proto）	一键生成 C/C++/Python 全平台代码，正好适配你关节角度 / 角速度 / 限位 / 机器人状态结构化传输，字段校验、版本兼容友好
跨语言天花板	C/C++/Python/Go/Java 全生态，对接上位机、云端、Web 最便捷，配套 gRPC-Gateway 一键转 JSON
自带链路能力	多路复用、TLS 加密、超时 / 重试 / 负载均衡、双向流式 RPC，不用自研握手重传
IPC 本地进程通信优化	unix domain socket，本机进程间跳过网卡，速度接近共享内存
云边一体化	天然对接 K8S、微服务，机器人后台配置、参数下发、故障查询首选

缺点	详细表述
原生面向 RPC 一问一答，天生不适合高频流式 Pub/Sub	关节 1kHz 状态广播只能靠双向流模拟，资源开销大
延迟偏高	TCP 握手 + HTTP2 头部封装，普通环境 1~5ms，无法满足 **<1ms 伺服闭环实时需求 **
中心化依赖	客户端必须预先填服务端 IP，无自动节点发现，新增机器人要手动改地址
带宽开销大	头部压缩有限，百万级高频关节采样包吞吐量弱于 DDS/VRPN

因为有上述的特点所以当前的gRPC在机器人领域的应用状态如下表所示：

层级	通信选型	作用
伺服硬件层（驱动器 - 控制器）	DDK/EtherCAT/私有网络(can总线1s允许5000帧左右，所以该层一般不使用can总线)	微秒级闭环，原始角度 / 电流读取
本机高频实时总线（多节点 1kHz 数据）	DDS/FastDDS	关节角速度、高频状态广播
上位机 / 远程调试 / 云端 / MES 对接	gRPC	参数配置、限位读写、故障查询、低频状态上报、JSON 网关对接 Web
动捕外设接入	VRPN	Vicon/Nokov 位姿输入机器人

市场上使用状况：

国内市场：

智元机器人 ：灵越人形/机械臂A1上层上位机、远程调试、云端对接统一使用gRPC。

海康AGV ：调度平台和单台ARM车载控制器使用gRPC长连接。

优必选和追觅人形机器人：整机主控和云端大脑，以及视觉遥操作都是通过gRPC交互。

国际市场：

Boston Dynamics现代汽车-Spot自足机器狗\Stretch仓储码垛机器人 ：推出的SDK全链路基于gRPC。

Viam Robotics美国通用机器人平台AGV ：自研机器人中间件以gRPC+WebRTC取代传统ROS跨网短板。

ANYbotics防爆四足巡检机器人:DDS做1kHz关节闭环，gRPC做配置查询/状态上报。

六、结束语

gRPC从本源上说，是第七层应用层的适配、优化性的协议。它的核心优势是各个硬件和语言平台的通信信息的一致性和完备性，不是数据交互中的快速性和稳定性。