ROS入门通信架构

一、Master和Node

ROS的应用场景是很复杂的机器人，机器人中不仅部件复杂，而且各个部件之间的沟通也是十分重要的一部分，因此ROS引入了Master作为总管家。

首先前面提到过，ROS中每个进程都称之为一个节点，节点之间的通信、节点的注册管理都需要经过Master这个管家来管理，所有的节点通信都是由Master管理的，在ROS程序启动的时候，第一步就是先启动Master，之后由节点管理器处理依次启动节点。
启动Master需要使用roscore指令，该指令除了启动Master，还会一并启动rosout和parameter server，前者主要负责日志输出，后者则是参数服务器。

启动Master之后，就可以根据需要启动不同的节点Node，节点是ROS中的进程，也是package里面可执行文件运行的示例，也就是说package里面的可执行文件是静态的，而node是动态的概念，这一点很像程序和进程之间的关系。有了Node之后，ROS中各个节点就可以各司其职，只负责自己的任务，而沟通之类的任务完全就丢给了Master。

这里关于Master的职责其实和一开始理解的有所偏差，查看ROS官方的文档，文档中写的是：“The role of the Master is to enable individual ROS nodes to locate one another”，也就是说Master主要负责的是让节点能够找到彼此，而不是万事通，结合课本上的Topic和Service的工作流程，Master主要还是对节点的管理，节点启动时的注册、加入Topic、Service时提供想要加入的对象的地址从而让其建立连接，仅此而已，而对于具体的数据传输，Master并不参与，连接建立后即使关掉也不影响节点的通信，只不过没法再建立新的连接。

启动Node主要是使用rosrun指令，利用rosrun+包名+节点名来启动一个节点。对Node的管理则使用rosnode指令，可以利用rosnode list指令列出当前运行的node信息，可以利用rosnode info 节点名显示某个node的详细信息，利用rosnode kill 节点名结束某个node。

当需要一次性启动多个node的时候，显然可以使用rosrun来一个一个启动，但更加节省时间的方式是用roslaunch+包名+launch文件名，利用launch文件，直接启动多个Master和node。这里其实隐含了一点，ROS程序启动时，并不一定必须先使用roscore指令，也可以先使用roslaunch指令，在roslaunch指令内部启动Master。
launch文件的一些基本写法如下：

二、Topic和Msg

Topic是ROS中的异步通信方式，节点之间通过订阅发布话题的机制实现通信，是ROS中最常用的一种通信方式。Topic要经历下面几步的初始化过程：首先，publisher节点和subscriber节点都要到节点管理器进行注册，注册的部分在节点运行的时候就汇报给Master了，然后publisher会发布topic，subscriber在Master的指挥下会订阅该topic，从而建立起sub-pub之间的通信。也就是说topic的订阅管理是交给Master的，在Master的指导下topic双方建立连接，之后Master就放心离开，直到有新的节点想要加入topic。
整个过程的灵魂在于这种订阅机制，注册过的节点并不是向其余节点进行订阅或者发布topic的请求，而是交给Master统一管理，节点的连接建立之后，即使关掉Master也不会影响数据的传输，但是其它的节点也无法再加入topic。这种Topic机制本身是一种异步通信，发送时调用publish方法，发送完成后不等待直接返回，也就是说发布者不关心收没收到。一个Topic可以被多个节点同时发布，也可以同时被多个节点接收。同一个Topic可以同时有多个subscribers，也可以同时有多个publishers。
可以使用下面的指令对Topic进行管理：

Topic内容的数据类型就是Message，也可以说是topic内容的格式标准。严格扣定义的话，收发的内容并不是Message，收发内容的格式才是Message，基本的msg包括bool、int8、int16、int32、int64(以及uint)、float、float64、string、time、duration、header、可变长数组array[]、固定长度数组array[C]。
这里可以借鉴类和对象的关系，可以将msg理解为一个类，这个类规定了一条信息内部的格式，而发送的内容是对象，就是这个类的一个实例化。从下面的代码就可以看出，本身msg的格式就像是结构体，定义了一条信息的格式。

std_msg/Header headeruint32    seqtime    stampstring    frame_id
uint32    height
uint32    width
string    encoding
uint8    is_bigendian
uint32    step
uint8[]    data

对topic的操作命令就少很多了，只有下面两个：

三、Service和srv

前面的Topic专门对付的是异步通信，而这里的Service则主要负责痛不痛信。并不是所有的问题都可以使用异步通信机制来完成，比如说一些周期性的操作，过一段时间才会需要一定的数据，如果让这部分数据一直用topic发送，势必会造成资源浪费，所以引入了Service这种同步通信机制，通过请求-查询的通信模型来实现数据的交换。

与Topic不同的是，Service的通信是双向的，不仅可以发送消息，同时还会有反馈。请求方在发送请求之后会一直等待，直到收到service的响应，其关系如下图所示：

采用service的通信时，就是两个节点之间的通信了，虽然这个过程中也会用到Master去完成节点的注册和信息的匹配，作为应答方的节点需要留一个服务接口，请求方在发出请求之后就原地等待服务方的响应，收到响应之后才会继续原来的任务，这正好对应同步通信中的同步二字。

对比Topic和Service，Topic采用的是异步通信，利用发布订阅机制实现的是多对多的交流，适用于连续、高频的数据发布；而Service采用的是同步通信，利用请求响应机制实现节点之间一对一的交流，适用于偶尔使用的功能。

常用的service操作指令如下：

就好比Topic的内容的数据类型是msg，Service的内容的数据类型利用srv文件描述，它声明了一个服务，包括请求(request)和响应（reply）两部分。srv文件格式很固定，第一行是请求的格式，中间用—隔开，第三行是应答的格式。

图里是一个msg文件的示例，请求为一个布尔值，表示是否开始检测，应答是一个数组，数组的内容是msg，所以msg可以嵌套到srv中，而srv不能嵌套到srv中。
对srv的操作指令如下：

如果要自定义Service，不仅要定义msg文件和srv文件，还需要修改package.xml和CMakeList.txt，添加一些必要的依赖。

四、Parameter Server

Parameter Server是一种特殊的静态通信方式，前面提到在使用roscore指令启动Master的时候，系统会顺便启动rosout和Parameter Server，这里的Parameter Server也就是参数服务器就是一种特殊的静态通信。
参数服务器是节点存储参数的地方，可以看作一个参数的仓库，相比与topic，参数管理器更加静态，它维护一个数据字典，在字典中利用键值对存储各种参数和配置。

读取这个参数服务器的方式十分灵活，可以用命令行、launch文件或者在Node内部进行维护。命令行的维护指令如下：

五、Action

Action是一种特殊的Service，可以看作一般Service的增强版，增强的地方在于对长时间等待的处理。
前面提到过在Service中，请求方发出请求后就会一直等待响应，如果这个请求的时间特别长，整个通信就会受阻，此时再使用Service就会很麻烦。在此基础上ROS引入了Action机制。actionlib则可以比较适合实现长时间的通信过程，actionlib通信过程可以随时被查看过程进度，也可以终止请求，这样的一个特性，使得它在一些特别的机制中拥有很高的效率。

六、小总结

七、演示

这里演示了对Node的操作，启动roscore之后，查看当前节点，只有一个负责日志的rosout，启动一下之前的小乌龟程序，再次查看节点列表，发现新增了启动的小乌龟节点。之后使用info指令查看节点的信息：

从这里可以看出节点的许多信息，publications对应的是查询的节点发布的topic，subscriptions对应的是节点订阅的topic，services是节点使用的服务，最后是节点目前的一些连接信息，因为节点本身也是一个进程，所以还带着进程的PID。
利用ping查看ros节点的连通情况，利用kill清除节点：

还是一样的方法，启动roscore之后启动小海龟程序，这次换成查看topic的信息，启动后多了三个topic：

可以用echo查看实时的topic信息，这里如果要使用这条指令的话，必须要让topic里面有信息，否则一直什么都不显示，我这里是又开了一个控制方向移动的节点，让这个节点和小海龟节点通信，这样就显示出来了topic的信息。

使用rosmsg查看这些topic信息的格式，刚刚好与msg文件内的格式相对应：

对Service和srv的操作与对Topic和msg的操作基本一致，就不再重复了。对parameter的操作就比较简单了，和对数据库的操作基本一样。