ROS2-008-通信机制补完：分布式通信和 ROS_DOMAIN_ID

Jeacson She2025年3月11日...大约 5 分钟

简介

在之前的核心内容中，我们系统地学习了四种通信机制。这四种通信机制在当时的应用场景都为单个ROS设备内相关节点、话题之间的相互沟通。那么当我们涉及到多台 ROS2 设备之间的相互通信时，我们应该如何实现？

分布式通信

分布式通信就是这样一种 通过网络 在不同主机之间实现 数据交互 的通信策略。

首先我们应该了解， ROS2 本身就是一个分布式通信框架，它可以通过中间件很方便的实现不同设备之间的通信。

ROS2 所基于的中间件为数据分发服务（Data Distribution Service, 简称DDS），当多台 ROS2 设备处于同一网络时，通过 DDS 的 域ID机制(ROS_DOMAIN_ID) 便可以实现分布式通信。其大致流程为：

在启动节点之前设置 域ID 的值
当不同的节点间 域ID 的值相同时，则可以被互相发现并进行通信。
反之，当不同的节点间 域ID 的值不同时，则无法实现上述功能。
当然由于在默认情况下，所有的节点在启动时所使用的 域ID 的值皆为 “0”，因此只要在同一网络下，不需要针对 域ID 的值做任何配置，在理论上节点间就已经在进行分布式通信了。

它的应用场景是？

有许多数据交互的应用场景都依赖于分布式通信。例如：

无人机编队、机器人编队等，作为单个机器人需要获取周边机器人的速度、位置、运行轨迹等等相关的信息。
远程控制机器人等时，可能需要获取该机器人所采集的环境信息，并下发相关的控制指令。
其他未提及但是是在多设备之间进行数据交互的应用场景等

如何实现？

在多机通信时，可以通过 域ID 对节点进行分组，同一个组内的节点之间可以实现自由通信，而不同组之间的节点就无法进行相互通信。如果你希望所有节点都属于同一个组，那么直接使用默认的域ID 即可。如果希望将不同的节点之间划分为多个组，那么可以在终端启动该节点前，在终端内设置 该节点的域ID (例如设置为6)。具体执行命令为：

export ROS_DOMAIN_ID=6

执行上述命令后，在该终端内启动的该节点就会被划分到域ID 为 6 的域内。

域ID运行演示

如果希望将当前ROS2所在设备下的 所有节点 设置统一的域ID，那么你可以在终端内执行：

echo "export ROS_DOMAIN_ID=6" >> ~/.bashrc

执行完毕后再 重新启动终端，那么之后 该设备内 所运行的 所有节点 将自动的被划分到域ID 为 6 的域内。

⚠注意事项⚠

在设置 ROS_DOMAIN_ID 的时候应遵守以下事项：

建议 ROS_DOMAIN_ID 的取值在 [0,101] 之间；
每个 ROS_DOMAIN_ID 内的节点总数是有限制的，节点总数需要小于等于 120；
如果 ROS_DOMAIN_ID 等于 101，则该域ID 内的节点总数是有更大限制，节点总数需要小于等于 54 。

究其原因是由于以下两个计算规则👇仅供了解。(反正你遵守这个注意事项就不会有啥问题，真想知道为什么再往下看)

1. DDS 内 ROS_DOMAIN_ID 的计算规则

DDS 是基于 TCP/IP 或者 UDP/IP 网络通信协议的，网络通信时需要指定端口号。该端口号由2个字节（即 2*8=16 bit）的无符号整数表示，其取值范围在 [0, $2^{16}-1$ ]，即[0,65535] 之间；
端口号的分配亦遵循相应规则，根据 DDS 协议规定，以 7400 作为起始端口，因此可用端口缩小为 [7400,65535]。并且由于 DDS 协议在默认情况下，每个 ROS_DOMAIN_ID 都需要占用 250 个端口，因此 ROS_DOMAIN_ID 的个数为： $(2^{16}-7400)/250\approx232$ ，对应的取值范围为[0,231];
不同的操作系统会预留不同的端口，在 DDS 中使用端口时还需要避开这些预留的端口，以免产生使用冲突。在 Linux 下可以使用的 ROS_DOMAIN_ID 为 $[0,101]\cup[215,231]$ ，在 Windows & Mac 中可用的域为 [0,166]。因此综上，为了兼容多平台，建议 ROS_DOMAIN_ID 的取值在 [0,101] 之间。

2. ROS_DOMAIN_ID 内的节点总数的计算规则

每一个 DOMAIN_ID 默认需要占用 250 个端口，在这 250 个端口内，每一个 ROS2 节点都需要占用两个端口。
在DDS 协议中定义，每一个 DOMAIN_ID 的端口段内，第一个和第二个端口分别为 Discovery Multicast 端口和 User Multicast 端口，并且 DOMAIN_ID 内的第一个节点是从端口段内的 第十个端口 开始使用的，即第十个和第十一个端口分别为第一个节点所使用的 Discovery Unicast 端口和 User Unicast 端口，第十二个和第十三个端口分别为第二个节点所使用的 Discovery Unicast 端口和 User Unicast 端口，以此类推。
因此一个 DOMAIN_ID 内所能使用的最大节点个数为 $(250-10)/2=120$ 个
当 DOMAIN_ID 值为 101 时，由于其后半段端口为操作系统的预留端口，因此在该 DOMAIN_ID 下，其节点的最大个数为 54 个。