Zenoh：互联网计算领域的下一个重大突破

Zenoh 官方在 What is Zenoh? 开篇直接指出，Zenoh 将是互联网计算领域的下一个重大突破。

从技术角度看，Zenoh 是一种发布 / 订阅 / 查询协议（pub/sub/query protocol），它把流动中的数据（data in motion）、静态数据（data at rest）和计算（computations）统一到同一套通信抽象中。换一种更形象的说法，Zenoh 可以被理解为一种"数据解放"协议：它试图从多个维度打破数据被位置、传输方式和系统边界束缚的状态。

项目	环境
OS	Ubuntu 24.04 (wsl) && Ubuntu 22.04 (virtual box)
Examples	`eclipse-zenoh/zenoh-cpp` 官方 examples

[0. 什么是 Zenoh](#0. 什么是 Zenoh)
- [Zenoh 的诞生背景](#Zenoh 的诞生背景)
- 现有协议的问题
- [Zenoh 的优势](#Zenoh 的优势)
[1. Zenoh 提出的核心概念](#1. Zenoh 提出的核心概念)
- [1.1 Key、Value 和 Key Expression](#1.1 Key、Value 和 Key Expression)
- [1.2 Data in Motion、Data at Rest 和 Computations](#1.2 Data in Motion、Data at Rest 和 Computations)
- [1.3 Put、Pub/Sub、Get/Queryable](#1.3 Put、Pub/Sub、Get/Queryable)
- [1.4 Peer、Client 和 Router](#1.4 Peer、Client 和 Router)
- [1.5 Scouting、Endpoint 和 Router Connect](#1.5 Scouting、Endpoint 和 Router Connect)
- [1.6 Liveliness、Storage 和性能示例](#1.6 Liveliness、Storage 和性能示例)
[2. 用 C++ examples 展示 Zenoh 能力](#2. 用 C++ examples 展示 Zenoh 能力)
- [2.1 准备 C++ examples](#2.1 准备 C++ examples)
- [2.2 实验 1：一次性写入和订阅](#2.2 实验 1：一次性写入和订阅)
- [2.3 实验 2：持续数据流](#2.3 实验 2：持续数据流)
- [2.4 实验 3：查询和计算响应](#2.4 实验 3：查询和计算响应)
- [2.5 实验 4：观察 Data at Rest](#2.5 实验 4：观察 Data at Rest)
- [2.6 实验 5：Scouting、Router 和显式 Endpoint](#2.6 实验 5：Scouting、Router 和显式 Endpoint)
- [2.7 实验 6：通过 REST 读写 Zenoh 数据](#2.7 实验 6：通过 REST 读写 Zenoh 数据)
[3. 常见问题](#3. 常见问题)
总结
参考

0. 什么是 Zenoh

Zenoh 这个名字包含两层含义：

哲学含义：致敬埃利亚的芝诺（前苏格拉底哲学家，以关于运动和无限的悖论闻名）和基提翁的芝诺（斯多葛学派创始人，代表极简、克制和有纪律的设计）。
缩写含义：Zero Endpoint Network Overhead Handover，表达的是在每一层都尽量减少不必要开销的设计目标。

Zenoh 的诞生背景

Zenoh 由 Angelo Corsaro 构思和设计。当时他担任 PrismTech CTO，同时也是 OMG Data Distribution Service（DDS）规范工作组的联合主席。在参与军工、航天和智慧城市等超大规模分布式系统项目时，他开始思考一种能够跨越不同系统尺度和网络边界的数据通信方式。

现有协议的问题

在 Zenoh 官方的叙述中，当时还没有一种协议可以覆盖分布式系统的完整跨度：

DDS 在流动数据（data in motion）的发布 / 订阅场景中提供了很好的位置透明性，但既难以向上扩展到互联网尺度，也难以向下覆盖微控制器。
CoAP 天然偏向云中心和 client/server 模型。
MQTT 存在所谓的 broker paradox：即使两台设备位于同一个本地网络，通信仍然可能需要绕到远端云 broker 再返回。

这些系统就像一个东拼西凑的"数字怪物"，各种协议片段被硬生生缝在一起，缺乏统一、透明的架构。

Zenoh 的优势

Zenoh 官方把它的优势概括为几个方向：

从云到微控制器的通信跨度：Zenoh 面向从服务器级硬件和网络，到嵌入式微控制器和受限网络的统一通信场景。官方用"释放数据"来形容这种能力：数据可以在 microcontroller、edge、cloud、data-center 之间纵向和横向流动，开发者也不必为了打通企业系统和嵌入式系统而拼接多套通信技术。
面向数据的位置透明性：发布 / 订阅让"流动中的数据"（data in motion）具备位置透明性，订阅者只表达兴趣，不需要知道发布者在哪里。Zenoh 进一步把这种思想扩展到"静态数据"（data at rest）：查询可以不关心数据库的实际位置，由 Zenoh 选择网络中合适的数据源执行查询。
易用和高性能设计：官方强调 Zenoh 从设计之初就面向易用和高性能，目标是在适用范围内提供较高吞吐、较低延迟，并减少为追求性能而写出脆弱、难维护代码的需求。
能效设计：Zenoh 官方指出通信本身会消耗大量能源，因此协议设计时关注能效；这一点体现在 4-6 bytes 的最小 wire overhead，以及对通信局部性的利用上。
面向下一代应用 ：官方列举了 Robotics、Autonomous Vehicles、Internet Gaming、Telecommunications 等方向。在机器人领域，Zenoh 被用于 robot-to-robot communication、互联网尺度监控管理和实时遥操作；在自动驾驶与移动出行方向，CARMA 和 Indy Autonomous Challenge 等项目也采用了 Zenoh。

总结来说，Zenoh 试图把互联网尺度的发布 / 订阅与地理分布式查询结合到同一套协议中。对机器人、车联网、边缘计算和云端监控这类系统来说，跨主机、跨网络边界、跨边缘与云端的数据流动，正是越来越常见的通信需求。

1. Zenoh 提出的核心概念

Zenoh 的核心不是把某一种已有协议重新包装，而是把数据流、存储查询和远端计算放进同一个命名空间和通信模型里。下面几个概念贯穿后面的实验。

1.1 Key、Value 和 Key Expression

Zenoh 使用 key 标识数据，例如：

text 复制代码

xiaoha/robot/zenoh/temp
robot/alpha/camera/front
factory/line1/status

value 是 key 对应的数据内容。key expression 则用于表达对一组 key 的兴趣，例如：

text 复制代码

xiaoha/robot/zenoh/**
robot/*/camera/**
factory/**/status

这种写法让发布者、订阅者、查询者和存储组件可以围绕同一套数据命名空间工作。发布 / 订阅关注"数据发生了变化"，查询关注"现在有什么数据"，二者不再是完全割裂的两套系统。

1.2 Data in Motion、Data at Rest 和 Computations

Zenoh 官方 overview 把它的目标概括为统一三类对象：

data in motion：正在流动的数据，典型接口是 pub/sub。
data at rest：已经存在于存储里的数据，典型接口是 get/query。
computations：由 queryable 暴露出的计算或服务能力，查询请求到达后可以动态生成回复。

在传统系统里，这三类能力经常由不同协议和组件分别承担：消息总线负责流数据，数据库负责静态数据，RPC 或服务框架负责计算。Zenoh 试图用同一套 key expression 和通信抽象把它们连起来。

1.3 Put、Pub/Sub、Get/Queryable

后面的 C++ examples 会反复用到几类操作：

操作	含义	实验入口
`put`	写入一个 key/value，并通知匹配的订阅者	`z_put`
`pub/sub`	持续发布和订阅数据流	`z_pub` / `z_sub`
`get/queryable`	发起查询，由匹配的 queryable 回复	`z_get` / `z_queryable`
`storage`	在进程内保存数据，再通过查询取回	`z_storage`

这里有一个重要区别：订阅者看到的是"之后发生的数据变化"，查询者看到的是"当前可查询的数据或计算结果"。Zenoh 把二者放在同一套 key 空间里，减少了应用层在多种协议之间搬运数据的工作。

1.4 Peer、Client 和 Router

Zenoh deployment 文档把部署形态分成几类：

peer：应用之间直接发现和通信，适合简单局域网实验。
client：应用连接到 router，由 router 帮助路由数据。
router ：负责连接多个应用或多个网络区域，跨主机、跨网段、跨区域时通常需要显式配置 endpoint。

默认局域网实验可以先使用 peer 模式。跨主机或跨网络边界时，更推荐显式启动 zenohd，再让应用通过 -e tcp/<router-ip>:7447 连接到 router。

1.5 Scouting、Endpoint 和 Router Connect

Zenoh 通过 scouting 发现网络中的其他 Zenoh 节点。局域网内可以依赖自动发现；跨网段、云主机、容器或防火墙环境中，自动发现往往不可靠，此时需要显式 endpoint：

text 复制代码

tcp/192.168.1.10:7447

本文仓库保留了两个 JSON5 router 示例：

text 复制代码

src/06_zenoh/config/router_host_a.example.json5
src/06_zenoh/config/router_host_b.example.json5

Host A 监听 tcp/0.0.0.0:7447，Host B 通过 connect/endpoints 连接 Host A。这种模式适合把两个网络区域接起来。

1.6 Liveliness、Storage 和性能示例

Zenoh examples 里还包含 liveliness、storage、roundtrip、throughput 等能力入口。本文把它们作为"观察 Zenoh 能力边界"的实验工具，不把一次本地测试结果扩展成通用性能结论。性能对比需要固定硬件、网络、消息大小、QoS、版本和统计方法。

2. 用 C++ examples 展示 Zenoh 能力

本节只使用 eclipse-zenoh/zenoh-cpp 官方 examples，不在仓库中额外维护 C++ 源码。zenoh-cpp README 说明，C++ API 是基于 zenoh-c 和 zenoh-pico 的 header-only C++ bindings，构建 examples 需要 C++17 编译器，并至少启用一个后端。

2.1 准备 C++ examples

安装基础工具：

bash 复制代码

sudo apt update
sudo apt install -y git cmake g++ pkg-config

获取官方仓库：

bash 复制代码

cd ~
git clone https://github.com/eclipse-zenoh/zenoh-cpp.git
cd zenoh-cpp
git checkout 1.9.0
git submodule update --init --recursive

本文的命令和实验结果以 1.9.0 为准。按 zenoh-cpp README 的说明，examples 默认使用 zenoh-c 后端，因此需要先安装 zenoh-c。下面把 zenoh-c 安装到用户目录 $HOME/.local，避免写入系统路径：

bash 复制代码

# 安装 Rust/Cargo
sudo apt install -y curl build-essential cmake ninja-build pkg-config git ca-certificates
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh -s -- -y
source "$HOME/.cargo/env"

# 编译并安装 zenoh-c
cd ~/zenoh-cpp
cmake -S zenoh-c -B build-zenoh-c \
  -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX="$HOME/.local"
cmake --build build-zenoh-c --target install -j"$(nproc)"

# 配置并编译 zenoh-cpp examples
cmake -S . -B build \
  -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX="$HOME/.local" \
  -DCMAKE_PREFIX_PATH="$HOME/.local" \
  -DZENOHCXX_ZENOHC=ON \
  -DZENOHCXX_ZENOHPICO=OFF
cmake --build build --target examples -j"$(nproc)"

examples 通常会生成在：

text 复制代码

build/examples/zenohc
build/examples/zenohpico

如果只启用了 zenoh-c 后端，后续命令中的 ./z_sub、./z_put 等程序位于：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
ls

不同版本的 examples 名称和参数可能有少量变化，运行任意示例前可先查看帮助：

bash 复制代码

./z_sub --help
./z_put --help

跨主机 router 实验还需要 zenohd。它不是 zenoh-cpp examples 的一部分，可按 Zenoh 官方 Getting Started / Deployment 文档安装或下载对应平台的 Zenoh 二进制包。安装后先确认：

bash 复制代码

zenohd --version

2.2 实验 1：一次性写入和订阅

第一个终端启动订阅者，订阅 xiaoha/robot/zenoh/**：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_sub -k 'xiaoha/robot/zenoh/**'

第二个终端写入一个 key/value：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_put -k 'xiaoha/robot/zenoh/hello' -p 'Hello Zenoh'

预期现象：

text 复制代码

z_sub 收到 xiaoha/robot/zenoh/hello 对应的数据

这个实验展示的是 Zenoh 的 key expression 匹配能力。订阅者并不关心发布者在哪里，只表达"对 xiaoha/robot/zenoh/** 感兴趣"；只要写入的 key 落在这个范围内，就能被订阅者接收。

2.3 实验 2：持续数据流

第一个终端继续订阅：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_sub -k 'xiaoha/robot/zenoh/stream'

第二个终端启动持续发布：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_pub -k 'xiaoha/robot/zenoh/stream' -p 'robot status'

预期现象：

text 复制代码

z_sub 持续收到 xiaoha/robot/zenoh/stream 上的新数据

这个实验对应 data in motion：数据不断产生、不断流动，订阅者按照 key expression 接收后续更新。传感器数据、状态上报、遥操作指令等都可以抽象成这类数据流。

2.4 实验 3：查询和计算响应

这个实验模拟客户端向机器人查询电池状态。第一个终端代表机器人端，启动 queryable，并把电池百分比设置为 85%：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_queryable \
  -k 'xiaoha/robot/zenoh/battery/status' \
  -p '85%'

第二个终端代表客户端，查询机器人当前的电池状态：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_get -s 'xiaoha/robot/zenoh/battery/status'

客户端预期收到：

text 复制代码

Received ('xiaoha/robot/zenoh/battery/status' : '85%')

机器人端也会打印收到查询并返回 85% 的日志。这个实验对应 computations：查询命中 queryable 后，回复不一定来自数据库，也可以由程序动态计算生成。

2.5 实验 4：观察 Data at Rest

第一个终端启动进程内 storage 示例，保存 xiaoha/robot/zenoh/storage/** 范围内的数据：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_storage -k 'xiaoha/robot/zenoh/storage/**'

第二个终端写入数据：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_put -k 'xiaoha/robot/zenoh/storage/temp1' -p '25.0'
./z_put -k 'xiaoha/robot/zenoh/storage/temp2' -p '26.0'

第三个终端查询已保存的数据：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_get -s 'xiaoha/robot/zenoh/storage/**'

预期现象：

text 复制代码

z_get 可以取回前面写入的 xiaoha/robot/zenoh/storage/**

这个实验对应 data at rest：数据不只是被订阅者实时看到，也可以被存储组件保存下来，再通过查询接口读取。Zenoh 官方强调的位置透明性，也包括这类"查询时不需要关心数据实际存在哪里"的场景。

需要注意，z_storage 官方示例使用进程内存保存数据，程序退出后数据会丢失；它用于演示 storage/query 语义，不代表磁盘持久化。需要持久化时，应使用 zenoh-plugin-storage-manager 及对应的 filesystem、RocksDB、S3 等 backend。

2.6 实验 5：Scouting、Router 和显式 Endpoint

单机实验里，peer discovery 往往已经足够。跨主机实验更适合使用 router。本实验在两台独立主机上各启动一个 Zenoh router，并使用 JSON5 文件描述 router 之间的连接关系：

其中，z_put 和 z_sub 都以 client 模式连接本机 router；Router B 再通过显式 endpoint 主动连接 Router A。数据链路不依赖跨主机 multicast scouting。

txt 复制代码

我的环境：
Host A: 192.168.3.70
Host B: 192.168.3.82

Host A 的 config/router_host_a.example.json5 监听所有网络接口上的 TCP 7447 端口。在项目根目录启动 Router A：

bash 复制代码

# zenohd的安装参考：https://zenoh.io/docs/getting-started/installation/
# 终端1
zenohd -c src/06_zenoh/config/router_host_a.example.json5

在 Host B 启动 Router B：

bash 复制代码

# 终端2
zenohd -c src/06_zenoh/config/router_host_b.example.json5

Router B 会监听本机 TCP 7447 端口，同时主动连接 tcp/<HOST_A_IP>:7447。

接下来验证跨 router 发布 / 订阅。Host B 启动订阅者，并以 client 模式连接本机 Router B：

bash 复制代码

# 终端3
cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_sub -m client -e tcp/127.0.0.1:7447 -k 'xiaoha/robot/zenoh/**'

Host A 写入数据，并以 client 模式连接本机 Router A：

bash 复制代码

# 终端4
cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_put -m client -e tcp/127.0.0.1:7447 \
  -k 'xiaoha/robot/zenoh/router' \
  -p 'through two routers'

预期现象：

这个实验展示了 router 和显式 endpoint 的作用：Router A 接受来自 Router B 的连接，Router B 负责把本地 client 接入 Router A 所在的网络区域。即使跨主机自动发现不可用，两个 router 仍然可以按照 JSON5 配置建立稳定的数据路径。

2.7 实验 6：通过 REST 读写 Zenoh 数据

Zenoh 官方 REST 插件把 HTTP PUT 和 DELETE 映射到 Zenoh pub/sub，把 HTTP GET 映射到 query/reply。这样，浏览器、脚本或不方便集成 Zenoh SDK 的程序也可以通过 HTTP 访问同一个 Zenoh 数据空间。

安装 zenohd、REST 插件和 curl：

bash 复制代码

sudo apt update
sudo apt install -y zenohd zenoh-plugin-rest curl

第一个终端启动 Zenoh router，并在 TCP 8000 端口启用 REST API：

bash 复制代码

zenohd --rest-http-port 8000

使用 REST PUT 发布数据

第二个终端启动 C++ subscriber，并以 client 模式连接本机 router：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_sub -m client -e tcp/127.0.0.1:7447 \
  -k 'xiaoha/robot/zenoh/rest/**'

第三个终端通过 HTTP PUT 发布机器人在线状态：

bash 复制代码

curl -i -X PUT \
  -H 'Content-Type: text/plain' \
  --data 'online' \
  http://127.0.0.1:8000/xiaoha/robot/zenoh/rest/status

REST API 返回 HTTP 200 OK，C++ subscriber 应收到：

text 复制代码

>> [Subscriber] Received PUT ('xiaoha/robot/zenoh/rest/status' : 'online')

这说明 REST 写入会进入 Zenoh pub/sub 数据流，普通 Zenoh subscriber 不需要知道数据来自 HTTP 客户端。

使用 REST GET 查询电池状态

第四个终端启动实验 3 使用过的 C++ queryable，并返回固定电量 85%：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build/examples/zenohc
./z_queryable -m client -e tcp/127.0.0.1:7447 \
  -k 'xiaoha/robot/zenoh/battery/status' \
  -p '85%'

第三个终端改用 HTTP GET 查询电池状态：

bash 复制代码

curl -s \
  http://127.0.0.1:8000/xiaoha/robot/zenoh/battery/status

在 Zenoh 1.9.0 环境中，返回结果如下：

json 复制代码

[{"key":"xiaoha/robot/zenoh/battery/status","value":"ODUl","encoding":"zenoh/bytes","timestamp":null}]

REST API 的 JSON 响应会把 bytes 类型的 payload 编码为 Base64；其中 ODUl 解码后就是 85%。这个实验说明 REST client 可以查询由 C++ queryable 提供的数据，HTTP 与 C++ API 访问的是同一套 Zenoh key space。

3. 常见问题

1. 找不到 z_sub、z_put 等程序

先确认 examples 已经构建成功：

bash 复制代码

cd ~/zenoh-cpp/build
cmake --build . --target examples
find examples -maxdepth 3 -type f -executable | sort

zenoh-cpp README 说明 examples 会放在 build/examples/zenohc 和 build/examples/zenohpico 目录下。实际目录取决于构建时启用的后端。

2. cmake 找不到后端库

zenoh-cpp 是 C++ bindings，使用时需要 zenoh-c 或 zenoh-pico 后端。使用本文默认的 zenoh-c 后端时，先确认它已经安装到 $HOME/.local，再重新配置：

bash 复制代码

cmake -S . -B build \
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX="$HOME/.local" \
  -DCMAKE_PREFIX_PATH="$HOME/.local" \
  -DZENOHCXX_ZENOHC=ON \
  -DZENOHCXX_ZENOHPICO=OFF
cmake --build build --target examples

如果改用 zenoh-pico 后端，需要先安装开发包，并明确关闭默认启用的 zenoh-c：

bash 复制代码

sudo apt install -y libzenohpico-dev
cmake -S . -B build-pico \
  -DZENOHCXX_ZENOHC=OFF \
  -DZENOHCXX_ZENOHPICO=ON
cmake --build build-pico --target examples

3. 跨主机收不到数据

先确认 Host A 已使用 JSON5 配置启动 Router A：

bash 复制代码

zenohd -c src/06_zenoh/config/router_host_a.example.json5

再确认 Host B 能访问 Router A 的端口：

bash 复制代码

nc -vz <HOST_A_IP> 7447

如果网络不通，检查防火墙、虚拟机网络模式和路由，并确认 router_host_b.example.json5 中的 Host A IP 已替换为实际地址。网络可达但仍然收不到数据时，继续检查 Router B 的启动日志，以及 z_put、z_sub 是否使用 -m client -e tcp/127.0.0.1:7447 连接了各自的本地 router。

4. z_get 没有返回数据

z_get 需要匹配到 queryable 或 storage。仅运行 z_put 并不一定意味着后续查询能取回数据，除非同时运行了 storage 示例或其他 queryable。可以先用最小组合验证：

bash 复制代码

./z_queryable -k 'xiaoha/robot/zenoh/battery/status' -p '85%'
./z_get -s 'xiaoha/robot/zenoh/battery/status'

总结

本文围绕 Zenoh 的核心概念与基础通信能力展开，并通过 zenoh-cpp 官方 examples 验证了一次性写入、持续发布 / 订阅、查询响应、数据存储、跨主机 Router 通信以及 REST/C++ 互操作。通过这些实验可以看到，Zenoh 使用统一的 key expression 和通信模型，将 data in motion、data at rest 与 computations 连接在同一套数据空间中。

本文重点关注 Zenoh 的功能与通信模型，未对不同协议的性能作定量比较。若希望进一步了解 Zenoh 与 MQTT、Kafka、DDS 在吞吐量和时延方面的表现，可参考国立台湾大学发布的论文《A Performance Study on the Throughput and Latency of Zenoh, MQTT, Kafka, and DDS》。后续文章将继续介绍 Zenoh 在 ROS 2 中的适配实现 rmw_zenoh 及其实际使用方式。

参考

Zenoh 官方概述：What is Zenoh? https://zenoh.io/docs/overview/what-is-zenoh/
Zenoh First App：https://zenoh.io/docs/getting-started/first-app/
Zenoh Deployment：https://zenoh.io/docs/getting-started/deployment/
Zenoh Abstractions：https://zenoh.io/docs/manual/abstractions/
Zenoh Configuration：https://zenoh.io/docs/manual/configuration/
Zenoh REST API：https://zenoh.io/docs/apis/rest/
eclipse-zenoh/zenoh-cpp README：https://github.com/eclipse-zenoh/zenoh-cpp
zenoh-cpp examples：https://github.com/eclipse-zenoh/zenoh-cpp/tree/main/examples
CARMA 迁移讨论：https://discourse.ros.org/t/carma-migrating-to-ros-2-with-cyclonedds-and-zenoh/17541
Indy Autonomous Challenge：https://www.indyautonomouschallenge.com/