ROS 2 中介軟體抽象層的影響評估

 

ROS 2 中介軟體抽象層（Middleware Abstraction Layer, RMW）的影響評估

在 ROS 2 中，中介軟體抽象層（RMW, ROS Middleware Abstraction Layer） 是 ROS 2 與底層通訊系統（DDS, Data Distribution Service）之間的橋樑。
這一層的設計 提供了靈活性、可擴展性、性能優化與安全性，對機器人系統的整體表現影響深遠。

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📌 1️⃣ RMW 在 ROS 2 架構中的角色

在 ROS 2 通訊架構 中，RMW 是關鍵的一層：

diff
+-------------------------------------------------+
|  應用層（應用開發者編寫的節點）                  |
|  e.g. Navigation Stack, MoveIt!, Perception   |
+-------------------------------------------------+
|  ROS 2 通訊層（rclcpp, rclpy）                 |
|  e.g. ROS 2 Topics, Services, Actions         |
+-------------------------------------------------+
|  **中介軟體抽象層（RMW, ROS Middleware）**      |
|  提供不同 DDS 實現的適配層（FastDDS, CycloneDDS）|
+-------------------------------------------------+
|  **底層 DDS 通訊（Data Distribution Service）**|
|  DDS（eProsima FastDDS, CycloneDDS, RTI Connext） |
+-------------------------------------------------+
|  網路傳輸層（UDP, TCP, SHM）                    |
+-------------------------------------------------+

🔹 RMW 讓 ROS 2 能夠支持不同的 DDS 廠商，不必依賴單一通訊協議。

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📌 2️⃣ RMW 對 ROS 2 的影響

🔹 (1) 提供通訊靈活性

• 支持不同的 DDS 實現
  • ROS 2 可以使用 不同 DDS（Fast DDS、Cyclone DDS、Connext DDS） 來優化通訊性能。
  • 不同 DDS 針對不同應用場景進行優化（如延遲敏感應用、低帶寬應用）。
• 支持不同傳輸模式
  • 共享內存（SHM, Shared Memory） 用於 本機通訊（低延遲）。
  • UDP 通訊 用於 分散式機器人網路。

🔹 影響： ✅ 開發者可根據需求選擇最合適的 DDS，提高 ROS 2 通訊性能。

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🔹 (2) 影響通訊性能（延遲與吞吐量）

RMW 不同的 DDS 實現方式影響了延遲與吞吐量：

RMW 實現	特點	適用場景
Fast DDS（預設）	低延遲、高吞吐量、可配置性強	一般 ROS 2 應用
Cyclone DDS	低 CPU 使用率，適合低功耗設備	嵌入式、邊緣運算
Connext DDS（RTI）	超高可靠性，適用於工業級應用	醫療、自動駕駛
Gurum DDS	商業 DDS，針對實時應用優化	軍用、航空

🔹 影響： ✅ 高效能系統可以選擇 Fast DDS，而 工業應用則適合 Connext DDS。

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🔹 (3) 支持 QoS（Quality of Service）

RMW 提供 QoS（品質服務），讓 ROS 2 可以針對不同的應用場景 優化通訊：

QoS 參數	影響
Reliability（可靠性）	RELIABLE（保證傳輸） vs. BEST_EFFORT（低延遲）
Durability（持久性）	TRANSIENT_LOCAL（歷史訊息存儲） vs. VOLATILE（即時）
History（歷史訊息數量）	KEEP_LAST(N)（存 N 筆訊息） vs. KEEP_ALL（存所有訊息）

🔹 影響： ✅ 導航（Navigation）應用可能需要低延遲（BEST_EFFORT），
✅ 控制系統（Control）則需要高可靠性（RELIABLE）。

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🔹 (4) 改善安全性

• ROS 1 沒有內建安全機制
• ROS 2 RMW 支援 DDS-Security（TLS 加密、身份驗證）

  xml
  <dds>
    <security>
      <encryption>enabled</encryption>
    </security>
  </dds>
  

🔹 影響： ✅ 適用於醫療機器人、自動駕駛等高安全需求應用。

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📌 3️⃣ RMW 影響的關鍵應用場景

(1) 無人機與自動駕駛

需求：

• 低延遲、高可靠性
• 多機通訊 RMW 影響：
• 選擇 Fast DDS 或 Connext DDS，提供低延遲與 QoS 保證
• 使用 RELIABLE + KEEP_LAST(N) 設定，確保導航資訊不丟失

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(2) 邊緣運算（Edge Computing）

需求：

• 低功耗、高效能
• 本機通訊優化 RMW 影響：
• 選擇 Cyclone DDS（較低 CPU 使用率）
• 使用 SHM（共享記憶體） 模式 來降低本機通訊延遲

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(3) 工業自動化與醫療機器人

需求：

• 高可靠性、加密安全性
• 數據長時間存儲 RMW 影響：
• 選擇 Connext DDS（支援 DDS-Security）
• 使用 TRANSIENT_LOCAL 儲存歷史數據

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📌 4️⃣ RMW 影響的優勢與挑戰

✅ 優勢

1. 靈活性高：開發者可根據需求選擇不同 DDS。
2. 高效能：QoS 配置可優化延遲、可靠性、吞吐量。
3. 分散式系統支援：無需 ROS Master，適合多機系統。
4. 安全性增強：支援 DDS-Security，適合工業與醫療應用。

❌ 挑戰

1. 開發者需要學習 DDS 概念，不如 ROS 1 直覺。
2. 不同 DDS 實現的行為不同，需要測試最佳配置。
3. RMW 切換可能會影響系統整合，如 Cyclone DDS 與 Fast DDS 的 rmw_qos_profile 設定不同。

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📌 5️⃣ 總結：RMW 在 ROS 2 中的重要性

✅ 提供靈活的 DDS 選擇（Fast DDS, Cyclone DDS, Connext DDS）
✅ 影響 ROS 2 通訊效能（延遲、吞吐量、QoS）
✅ 增強 ROS 2 的分散式架構與安全性
✅ 允許針對不同應用場景進行最佳化（自動駕駛、醫療、工業 4.0）

如果你的機器人應用需要：

• 高效能 → 選擇 Fast DDS
• 低功耗 → 選擇 Cyclone DDS
• 高安全性 → 選擇 Connext DDS

🚀 你是否需要幫助選擇最適合的 RMW？

• 需要 優化 ROS 2 延遲與吞吐量？
• 需要 設定 QoS 參數 來改善通訊品質？
• 需要 選擇適合的 DDS？