ROS系统框架

ROS 是 Robot Operating System 的缩写，即 机器人操作系统。 

ROS实际上是一个面向机器人硬件场景的系统框架，可运行在Linux内核以及其他兼容POSIX接口的操作系统内核之上。   

作为一个操作系统的系统框架，ROS提供了一系列面向机器人场景应用的系统级服务，抽象了底层复杂的异构硬件资源，还提供了应用之间交互以及应用与服务之间交互的IPC机制。

层次架构图如图：
 

ROS  可以分为 基础设施层、通信层 和 应用层。

基础设施层 包括ROS中的Python、C++等运行环境、 ROS文件系统 与 ROS包管理机制等。

在基础设施层 之上运行了ROS的通信层，提供基础的ROS IPC 机制以及ROS数据分发服务(Data Distribution Service, DDS)等。

ROS 应用层是基于一个个节点所构成的计算图，这些节点可以使用ROS的通信层直接进行相互调用，或者通过对一些 话题(topic)  发布消息 或者 订阅消息 以进行间接通信。

ROS节点与计算图

ROS采用计算 图的形式 来组织各种服务。 每个服务构成一个节点，每个节点执行一个具体的计算处理（包括机器人中所需的感知、融合、规划与控制等）。

运行在ROS上的应用可以被表示成一个“图” 的关系结构，不同的节点表示不同的应用（它们既可以是信息接收者，也可以是信息发布者）。 ROS上常见的应用包括：接收、发布、处理来自传感器（sensor）的数据， 以及对处理过程进行控制的节点与计划节点等。

与微内核设计的思想类似，ROS同样将其系统框架分解为多个服务，不同的服务之间通过ROS提供的IPC进行通信。 这种 解耦式的架构 使得ROS易于部署，甚至可以部署在一个分布式系统上。

服务与动作

ROS每个组件的设计是 以服务为中心 的： 一个服务接收一个请求，执行该请求，然后回复。  一个节点 可以向另一个提供服务的节点发送请求，然后等待一个结果。 服务的模型是一次性的同步通信，即当服务的请求和回复完成后，连接会被断开； 进行下一次交互必须再次建立连接。   一个节点还可以提供 动作(Action)。  动作和服务类似，主要的区别在于动作的假设是服务端处理请求的时间会很长，并且可能需要在处理的过程中就获取一些中途的返回值。 在实际的使用中，一般通过动作来让机器人执行相对复杂的任务。

话题

话题 的 方式是ROS中比较新的处理方式，是一类  单向的异步通信机制。 话题机制将通信的双方称为 发布者(publisher) 和 订阅者(subscriber)。 发布者节点首先需要向主节点（一个特殊的全局节点）注册一个话题， 之后该发布者会以消息的形式发布关于该话题的新内容。  在话题模式下，发布者和订阅者是多对多的关系，即单个节点可以成为多个话题的发布者，也可以成为多个话题的订阅者。

数据分发服务

ROS2.0引入了 数据分发服务(Data Distribution Service, DDS) 以支持实时性。  从架构的角度， DDS可以被看作一个系统中间件，处于ROS应用层和ROS基础设施层之间。  DDS提供了上面介绍的ROS基本通信接口和语义， 如话题方式的发布者和订阅者模型或服务类型的IPC等。   之所以将DDS分离出来，是为了对性能有重要影响的通信进行加速。 不同的硬件厂商可以针对自己的机器人环境实现DDS的中间件，只要最终这些DDS的实现能够满足对应的协议接口即可。这些DDS的实现是针对特定硬件进行的，因此可以进行针对性的优化。 

DDS内部可以利用共享内存的方式来传递本地数据。 在ROS2.0中， ROS会将数据交接给DDS层。 在DDS层，具体的DDS实现可以使用一些如共享内存的方式，在建立了连接的不同节点之间共享数据。 在传输后，可以直接将序列化后的数据放在共享区域中，这样可以极大地提升传输性能。

计算图架构与 ROS IPC

ROS系统框架的设计将计算任务组件化与服务化，形成独立的ROS节点； 各个节点通过ROS IPC（如话题、 服务、 动作等方式 ）进行通信。  DDS的引入能够在支持多种通信方式的情况下，尽可能地优化底层通信性能。

ROS的官方文档地址：  ROS 2 Documentation — ROS 2 Documentation: Kilted documentation