ROS2 DDS (Data Distribution Service)

1. DDS (Data Distribution Service)

ROS2를 접하면서 DDS에 대해 처음 접하는 분들이 많을거라 생각한다..

DDS(Data Distribution Service) 데이터 분산 서비스는 Middleware로 실시간 시스템에서 다음을 가능하게 해준다.

• Real-time (실시간성)
• Scalable (규모가변성)
• Dependable (안전성)
• High Performance (고성능)

ROS2에서는 DDS를 사용하여 통신을 주고받게 된다.

그림1. OSI 7계층

그림2. Middleware로서의 DDS

 

ROS를 하며 DDS에 대해 너무 자세히 알 필요는 없을 것 같다.

지금은 그저 데이터 통신을 위한 미들웨어로 생각하면 좋을것 같고 우리는 이를 통해서 ROS1보다 향상된 데이터 송수신을 할 수 있다고 생각하면 좋을 것 같다.

위의 그림을 보면 미들웨어는 OSI 7 계층(Open Systems Interconnection) 레이어에서 Host Layer(호스트 계층)에 해당되는 4 ~ 7 계층에 해당이 되고 ROS2에서는 운영체제와 사용자 애플리케이션 사이의 Software Layer(소프트웨어 계층)으로 이를 통해 시스템의 다양한 구성 요소를 보다 쉽게 통신하고 데이터를 공유 할 수 있게 된다.

 

2. ROS2 and DDS

ROS는 프로그램의 재사용성을 극대화하기 위해 최소 단위의 실행 가능한 프로세서인 Node(노드) 단위의 프로그램을 작성하게 된다. 하나 이상의 노드들을 Pakage(패키지) 라고 하며, 이 패키지들의 집합을 Metapackage(메타패키지) 라고 한다.

ROS는 수많은 노드들이 연동되고 각 노드들끼리 입출력 데이터를 주고 받게 된다.

ROS에서는 다양한 데이터의 구조들을 주고 받고 Topic, Service, Action, Parameter의 형태로 통신 방법이 다르다.

각각 목적이 다르기는 하지만, 각 노드에서 토픽의 Publisher(발행)와 Subscriber(구독)의 개념을 응용한다.

기존 ROS1에서는 자체 개발한 TCPROS와 같은 통신 라이브러리를 사용하였지만, ROS2에서는 OMG(Object Management Group)에 의해 표준화된 DDS(Data Distribution Service)의 Real Time Publish Subscribe protocol인 DDSI-RTPS를 사용하고 있다. 이는 상업적인 용도로 ROS를 사용할 수 있게 만드는데 도움을 주었다.

그림3. DDS 사용에 따른 ROS의 구조 변화

 

DDSI-RTPS는 실시간 데이터 전송을 보장하고, 임베디드 시스템에도 사용할 수 있게 되었다. DDS는 노드간의 동적 검색 기능을 지원하고 있어서 기존 ROS1에서는 Master가 ROS의 노드 정보들을 관리하였지만, 이제 Master가 없이 여러 DDS 프로그램 간에 통신이 가능하다. 각 노드들은 데이터 통신을 세부적으로 조정하는 QoS(Quality of Service)를 매개 변수 형태로 설정할 수 있어서 TCP처럼 데이터 손실을 방지하여 신뢰도를 높이거나, UDP처럼 통신 속도를 최우선시하여 사용할 수 있다.

또한, DDS-Security 도입으로 보안 측면에도 큰 혜택을 얻을 수 있다.

 

즉, 기존 ROS1의 통신에서 실시간성, 불완전성, 보안 등이 강화되었다.

 

3. DDS의 특징

1. Industry Standards (산업 표준)
   • ROS2에서 DDS의 사용으로 더 넓은 범위의 분야에서 사용 가능.
2. OS Independent (운영체제 독립)
   • Linux, Windows, macOS, Android 등 다양한 운영체제를 지원.
   • 운영체제 변경이 불필요하며 ROS2의 멀티 운영체제 지원 컨셉에 적합.
3. Language Independent (언어 독립)
   • rclcpp, rclc, rclpy, rcljava, rclobjc, rclada, rclgo, rclnodejs등 다양한 프로그래밍 언어를 지원. (rcl은 ROS Client Library) (그림 4)
4. Transport on UDP/IP (UDP 기반의 전송 방식)
   
   • DDS 벤더 별로 DDS Interoperability Wire Protocol (DDSI-RTPS)의 구현 방식에 따라 상이할 수 있으나 일반적으로 UDP 기반의 신뢰성 있는 멀티캐스트 (Reliable multicast)를 구현하여 시스템이 최신 네트워킹 인프라의 이점을 효율적으로 활용할 수 있도록 돕고 있음.
   • 기존 ROS1에서 TCPROS가 TCP기반이었던 것에 비해 매우 큰 변화인데 UDP의 멀티캐스트(Multicast)는 브로드캐스트(Broadcast)처럼 여러 목적지로 동시에 데이터를 보낼 수 있지만, 불특정 목적지가 아닌 특정된 도메인 그룹에 대해서만 데이터를 전송.
   • UDP: Best effort
   • TCP: Reliable
   • 참고: 일부 RMW기능에는 TCP 기반으로 구현되는 경우가 있음.
5. Data Centricity (데이터 중심적 기능)
   • Data Centricity는 DDS를 사용하며 가장 많이 듣는 말.
   • 적절한 수신자에게 적절한 정보를 효율적으로 전달하는 것을 목표료 하는 pub & sub 방식.
   • 사용자 입장에서 DDS Middleware를 본다면, 어떤 데이터인지, 이 데이터가 어떤 형식인지, 이 데이터를 어떻게 보낼 것인지 어떻게 안전하게 보낼것인지에 대한 기능이 DDS 미들웨어에 녹아 있음. (그림 5)
6. Dynamic Discovery (동적 검색)
   • DDS 동적 검색을 통해 어떤 토픽이 지정 도메인 영역에 있으며 어떤 노드가 이를 발신하고 수신하는지 알 수 있음.
   • IP주소 및 포트를 미리 입력하거나 구성하지 않아도 됨.
   • ROS1의 경우 Master가 죽으면 모든 시스템이 마비가 되었지만, DDS는 각 노드들이 독립 실행되기 때문에 안정성 확보.
7. Scalable Architecture (확장 가능한 아키텍처)
   • 다양한 시스템으로의 확장이 가능. (다양한 분야에서 사용 가능.)
8. Interoperability (상호 운영성)
   • DDS의 표준 사양을 지키고 있다면 각 회사의 제품 사용이 가능.
   • 혼용 사용 가능. (상호 통신 지원) 통신이 불안정한 경우도 존재.
9. Quality of Service (QoS: 서비스 품질) 
   • 데이터 송수신 관련 설정을 유저가 목적에 맞춰서 설정이 가능.
   • Reliable: 신뢰도.
   • Best effort: 빠른통신속도.
   • History: 정해진 사이즈 만큼의 데이터 보관.
   • Durability: 데이터를 수신하는 subscriber가 생성되기 전의 데이터를 사용할지 폐기할지.
   • Deadline: 정해진 주기 안에서 데이터가 발신 및 수신되지 않을 경우 이벤트 함수를 실행.
   • Lifespan: 정해진 주기 안에서 수신되는 데이터만 유효 판정하고 그렇지 않은 데이터는 삭제.
   • Liveliness: 정해진 주기 안에서 노드 혹은 토픽의 생사를 확인.
10. Security (보안)
    • ROS1에서 보안은 가장 큰 이슈였지만, ROS2에서 DDS를 사용함으로써 DDS-Security라는 DDS 보안 사양을 ROS에 적용하여 해결이 되었다.

 

그림4. 다양한 언어를 지원하는 ROS2

그림 5. Data Centricity의 도식화.

 

 

ref:

https://huimang2.github.io/etc/iso-standard-7498

OSI 7계층(ISO Standard 7498)

https://dl.acm.org/doi/10.1145/2968478.2968502

Exploring the performance of ROS2 | Proceedings of the 13th International Conference on Embedded Software

https://www.dds-foundation.org/what-is-dds-3/

What is DDS?

https://docs.ros.org/en/jazzy/Installation/DDS-Implementations.html

DDS implementations — ROS 2 Documentation: Jazzy documentation

https://github.com/ros2/ros_core_documentation/blob/master/source/developer_overview.rst

ros_core_documentation/source/developer_overview.rst at master · ros2/ros_core_documentation

https://cafe.naver.com/openrt/24031

006 ROS 2와 DDS (Data Distribution Service)