【分享】microROS 和 rosserial 对比

小鱼

大家好，我是努力Work 的小鱼，最近在探索 ROS 2 在 IOT 上的可能行，分享几篇来自 micro-ROS 相关的文章。

microROS 和 rosserial 对比

在ROS中，有一个包在通过串行通信发送ROS消息时非常突出。这个包就是rosserial。

rosserial允许基于微控制器的平台与普通计算机通信，代表它们与ROS网络通信。
rosserial提供了设置这种通信的协议，采用了客户端-服务器架构方法。
rosserial客户端将数据序列化到串行链接中，然后串行化的数据被rosserial服务器接收，并转发到常规的ROS网络。
从ROS网络向微控制器转发数据也是类似的过程。
这个rosserial服务器可以用C++或Python编写；而rosserial客户端有一系列支持的微处理器可用。

这个解决方案通常用于将硬件组件集成到使用ROS的机器人中。
在这些情况下，rosserial充当了硬件通信协议与ROS网络之间的桥梁。

Micro XRCE-DDS

Micro XRCE-DDS的一个功能是在微控制器和支持DDS/ROS 2的计算机之间使用串行连接。
这种连接得益于使用OMG的DDS-XRCE标准和一个串行传输层。
这个解决方案采用了与rosserial相同的客户端-服务器架构，这是在微控制器通信方面最合适的方法之一。

负责实现这种架构的库是Client和Agent。
客户端在代理中生成实体，这些实体将代表客户端在DDS网络上进行操作。

正如你所见，这种用法类似于rosserial所使用的用法，但它们在实现上有微妙的差别，我们将在本文中详细说明。

Micro XRCE-DDS vs rosserial

现在我们对rosserial和Micro XRCE-DDS有了基本的了解，接下来我们将对它们进行比较。

Micro XRCE-DDS的串行传输

Micro XRCE-DDS在使用串行传输时（它也允许使用其他传输方式，如UDP、TCP等），采用了预定义格式的串行协议。
该格式在以下帧解析中进行了说明：

0        8        16       24                40                 X                 X+16
+--------+--------+--------+--------+--------+--------//--------+--------+--------+
| FLAG   |  SADD  |  RADD  |       LEN       |     PAYLOAD      |       CRC       |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------//--------|--------+--------+

FLAG: 同步标志 (0xFF)。
SADD: 源地址。
RADD: 远程地址。
LEN: 未进行帧处理的有效载荷长度（小尾端的2字节）。
PAYLOAD: 带有XRCE头的序列化消息。
CRC: 经过填充后的消息CRC。

这是在链路层上进行串行化的消息。
这个消息通过发布和订阅两种不同的操作，从微控制器到计算机以及反向传输。

Micro XRCE-DDS vs rosserial

rosserial

相比之下，这是rosserial的帧结构：

0       8       16              32              40      56               X             X+16
+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------//-------+------+------+
| FLAG  | PROT  |      LEN      |      LCRC     | TOPID |     PAYLOAD    |     MCRC    |
+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------//-------|------+------+

FLAG: 同步标志 (0xFF).
PROT: 协议版本.
LEN: 载荷长度 (2 bytes，小端序).
LCRC: 长度 CRC.
TOPID: 主题 ID.
PAYLOAD: 序列化消息.
MCRC: 消息 CRC.

与Micro XRCE-DDS串行帧进行比较，可以看到它使用了完全不同的帧结构。

比较

以下表格总结了两种实现的关键方面：

	Micro XRCE-DDS 串行	rosserial
API	C/C++	C++
完整性	HDLC 帧格式	无
安全性	CRC-16-CCITT	模糊的 CRC (% 256)
内存拷贝	uxr_stream ---> serial_buffer ---> hardware_buffer	serialization_buffer ---> hardware_buffer
内存使用	uxr_stream + (2 * aux-buffer[42 B])	2 * serialization_buffer
消息大小限制	uxr_stream 大小	hardware_buffer 大小
可靠性	是	否
路由	是	否
开销	7 B + 12 B*	9 B
架构	客户端-服务器	客户端-服务器

* 开销分为帧格式 7 B 和 DDS-XRCE 协议增加的 12 B.

正如表中所述，Micro XRCE-DDS 串行增加了内存操作次数，但极大地减少了串行通信所需的内存，因为硬件缓冲区不需要与序列化缓冲区大小相同。
这种缓冲区的使用减少了内存占用。
此外，Micro XRCE-DDS 串行提供了路由和可靠性功能，而rosserial则不提供。
DDS-XRCE 协议在某些部分采用了标准，如使用标准 CRC 或标准帧格式。

小鱼补充：HDLC

高级数据链路控制（High-Level Data Link Control或简称HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的协议的数据链路层协议，它是由国际标准化组织制订的。

国际电信联盟已把HDLC规程引入到X.25协议栈。HDLC是修改自IBM的SDLC，后者作为数据链路层协议用于IBM自己开发的系统网络架构（SNA）。现在HDLC作为同步点对点协议（PPP）的基础已经被用于很多服务中来接入广域网，通常最常见的是因特网。

HDLC的帧格式规定以01111110（十六进制7E）的位组合作为它的起始和结束的标志，这种位组合也被称为帧界定符。

在HDLC的帧格式中，在起始标志后的是地址字段和控制字段，然后是长度在0到5000八位位组（octet）的数据字段和帧检验序列字段（FCS），最后是作为结束标志的帧界定符。一点需要指出的是，当暂时没有信息传送时，帧界定符被连续地发送直到下一次数据发送为止，产生如下图的连续比特流：

01111110011111100111111001111110
 ______  ______  ______  ______ 
_      __      __      __      _

这种方法被用于调制解调器，通过锁相环（phase-locked loop）来训练时钟同步。