【ROS2+深度相机】Orbbec相机时图像传输延迟显著 （DDS数据分发服务配置）

5.1.3. 针对Orbbec相机与ROS2的Fast DDS优化 --- OrbbecSDK V2 ROS2 封装 文档

DDS - 古月教学文档

使用默认配置时，Fast DDS表现出次优的传输效率，导致在ROS2中使用Orbbec相机时图像传输延迟显著。本文档提供了优化Fast DDS以提高图像传输效率的指导。

问题描述

通过有损的连接（通常为WiFi）传输时，容易导致IP分片丢失。此时，其余接受到的IP片段会被用来填充内核缓冲区。默认情况下，Linux内核会不断尝试重新合并这些分片的数据，30分钟后会超时。内核缓冲区默认大小为256KB，当这个缓冲区饱和时，就无法有新的片段进入，连接会进入待机模式

解决方法------ 调整系统参数+配置DDS

IP分片时间

• 路径 : /proc/sys/net/ipv4/ipfrag_time（默认值：30秒）

• 目的: 定义IP分片保留在内存中的持续时间。

• 调整: 减少此值以缩短未接收到分片的时间窗口，这有助于减少延迟。考虑到您环境的具体需求，因为此设置会影响所有传入的分片。

  示例: 设置为3秒。

  sudo sysctl net.ipv4.ipfrag_time=3

IP分片内存阈值

• 路径 : /proc/sys/net/ipv4/ipfrag_high_thresh（默认值：262144字节）

• 目的: 设置用于重组IP分片的最大内存。

• 调整: 增加此值以允许更多内存用于分片重组，这可以改善较大数据包的处理。

  示例: 增加到128 MB。

  sudo sysctl net.ipv4.ipfrag_high_thresh=134217728

最大缓冲区大小（最重要、最有效）

• 目的: 配置接收和发送数据的最大缓冲区大小，这对高吞吐量数据传输至关重要。

• 调整: 设置接收和发送操作的最大缓冲区大小。

  命令:

  sudo sysctl -w net.core.rmem_max=2147483647
  sudo sysctl -w net.core.rmem_default=2147483647
  sudo sysctl -w net.core.wmem_max=2147483647
  sudo sysctl -w net.core.wmem_default=2147483647

或者，通过将这些设置添加到 /etc/sysctl.d/10-fastrtps-max.conf 文件中使其永久生效。

sudo gedit /etc/sysctl.d/10-fastrtps-max.conf

将以下行添加到文件中：

net.core.rmem_max=2147483647
net.core.rmem_default=2147483647
net.core.wmem_max=2147483647
net.core.wmem_default=2147483647

然后保存并退出文件

加载命令。

 sudo sysctl -p

有关详细指导，请参考 ROS 2 DDS调优文档。

调整系统参数总结

# 创建并编辑配置文件
sudo gedit /etc/sysctl.d/10-fastrtps-max.conf

# 写入下面的内容
net.ipv4.ipfrag_time=3
net.ipv4.ipfrag_high_thresh=134217728
net.core.rmem_max=2147483647
net.core.rmem_default=2147483647
net.core.wmem_max=2147483647
net.core.wmem_default=2147483647

# 加载此项配置
sudo sysctl -p

配置DDS

# 新建配置文件
sudo gedit ~/shm_fastdds.xml

内容

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<profiles xmlns="http://www.eprosima.com/XMLSchemas/fastRTPS_Profiles">
    <transport_descriptors>
        <transport_descriptor>
            <transport_id>UDP_transport</transport_id>
            <type>UDPv4</type>
            <maxInitialPeersRange>10</maxInitialPeersRange>
            <maxMessageSize>65000</maxMessageSize>
            <sendBufferSize>1048576</sendBufferSize>
            <receiveBufferSize>1048576</receiveBufferSize>
        </transport_descriptor>
    </transport_descriptors>
    <participant profile_name="participant_profile_ros2" is_default_profile="true">
        <rtps>
            <name>profile_for_ros2_context</name>
            <userTransports>
                <transport_id>UDP_transport</transport_id>
            </userTransports>
            <useBuiltinTransports>false</useBuiltinTransports>
            <sendSocketBufferSize>1048576</sendSocketBufferSize>
            <listenSocketBufferSize>1048576</listenSocketBufferSize>
            <builtin>
                <initialPeersList>
                    <locator>
                        <udpv4>
                            <address>127.0.0.1</address>
                        </udpv4>
                    </locator>
                </initialPeersList>
            </builtin>
        </rtps>
    </participant>
    <data_writer profile_name="default publisher profile" is_default_profile="true">
        <qos>
            <publishMode>
                <kind>ASYNCHRONOUS</kind>
            </publishMode>
            <latencyBudget>
                <duration>
                    <sec>0</sec>
                    <nanosec>1000000</nanosec>
                </duration>
            </latencyBudget>
        </qos>
        <historyMemoryPolicy>PREALLOCATED_WITH_REALLOC</historyMemoryPolicy>
    </data_writer>
    <data_reader profile_name="default subscription profile" is_default_profile="true">
        <qos>
            <data_sharing>
                <kind>AUTOMATIC</kind>
            </data_sharing>
            <latencyBudget>
                <duration>
                    <sec>0</sec>
                    <nanosec>1000000</nanosec>
                </duration>
            </latencyBudget>
        </qos>
        <historyMemoryPolicy>PREALLOCATED_WITH_REALLOC</historyMemoryPolicy>
    </data_reader>
</profiles>

环境变量

设置以下环境变量以使用自定义Fast DDS配置文件：

export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_fastrtps_cpp
export FASTRTPS_DEFAULT_PROFILES_FILE=$HOME/shm_fastdds.xml
export RMW_FASTRTPS_USE_QOS_FROM_XML=1

此配置旨在优化数据流并减少传输延迟，提高Orbbec相机系统在ROS2环境中的响应性和可靠性。

基本概念

DDS（data distribution service ）：数据分发服务

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

1. discovery发现：发现网络内谁在发布消息、谁在订阅消息、彼此之间如何找到对方

2. serialization序列化：将数据编码为字节、将字节反编码为数据

3. transport传输层：序列化后的字节数据的传输形式

   • UDP：最常见、延迟低、适合局域网实时数据流、但不保证数据可靠（跨机器局域网通信）

   • TCP：更可靠，但时延、抖动更大（网络环境差、跨复杂网络）

   • SHM共享内存：同机进程间高效数据传输形式（同一台机器多个进程传大数据）

QoS通信质量策略：DDS最核心配置项，负责管理DDS通信的实际策略

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。

1. Reliability可靠性

   • Best Effort：尽力而为传输数据，不管数据是否丢失，不补也不等（图像、点云、高频传感器）

   • Reliable：尽量保证数据到达，需要确认、重传等机制（命令、关键状态、低频且不能丢弃的数据）

2. Durability持久性

   • Volatile：只关注当前网络中在线的发布者和订阅者

   • Transient Local：发布者会暂存最近消息，后来加入网络的订阅者也能拿到历史消息

3. History历史策略

   • Keep last N：只保留最近N条

   • Keep all：计量保存所有数据

4. Depth队列深度：配合History看，此项配置决定保存几条；如果太小，数据稍微抖动就会丢数据；如果太大，内存占用较大

5. Deadline：数据更新最大周期，即发布者至少多久给一次数据；订阅者至少多久收到一次数据，判断话题通信是否超时

6. Liveiness：节点存活检测

7. QoS兼容：发布者和订阅者的QoS策略必须匹配，否则通信失败

1. 常见的数据流类型与其配置

|-------------|-------------------------------------------|
| 数据流类型 | 配置选项 |
| 传感器流 | best effor+keep last+小depth+优先低延迟 |
| 控制、命令、关键状态流 | reliable+较小depth+更重视确定性 |