使用 Zenoh 實現 ROS 跨網域傳輸

撰寫人：林祥瑞，國立臺灣大學 資訊工程研究所 NEWSLab

概論

本文目的是實現 ROS 節點之間的網域傳輸，最簡單的情況是一個 ROS 2 發送者 和向一個接收者打招呼訊息。本文介紹一個將 ROS 訊息轉換稱 Zenoh 訊息後、 穿透無線網路到對方再轉回 ROS 訊息的方法，做法上不會更動原有的 ROS 程式， 因此網路的連接邏輯和一般 ROS 做法一樣。

sequenceDiagram
    participant ros_pub as ROS 發送者
    participant ros_sub as ROS 接收者

    ros_pub -->> ros_sub: ROS Hello (5G)

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而實際上的連接順序如下，做法是在兩邊的電腦各自開啓 zenoh-bridge-ros2dds 的橋，只要讓兩邊的橋接通即可讓兩邊的 ROS 節點互相 發現對方。

sequenceDiagram
    box Gray Publisher
    participant ros_pub as ROS 發送者
    participant bridge_pub as zenoh-bridge-ros2dds
    end

    box Gray Subscriber
    participant bridge_sub as zenoh-bridge-ros2dds
    participant ros_sub as ROS 接收者
    end

    ros_pub ->> bridge_pub: ROS Hello
    bridge_pub -->> bridge_sub: Zenoh Hello
    bridge_sub -->> ros_sub: ROS Hello

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執行流程大致是

1. 確保兩臺電腦網路上可接通，最簡單的情況是兩者都在同個子網域，複雜的 情況可以開第三方轉送，後文會一起介紹。
2. 兩邊電腦各自安裝並啓動 zenoh-bridge-ros2dds，兩電腦在同子網域通常不 加參數即可自動偵查並互聯，複雜情況設定主動連接方式。
3. 兩邊各自啓動 ROS 節點即可使用。

環境設定

這邊示範兩臺電腦的環境使用如下配置

• 作業系統 Ubuntu 22.04
• ROS 2 Humble，建議參考官方的安裝教學設定。
• zenoh-bridge-ros2dds 0.10.1-rc，參考官方 GitHub README 的 Linux Debian 的兩行指令安裝即可，不用手工編譯。

下面有範例是在使用兩臺以外的第三方電腦，環境相同之外多安裝 zenohd。

• zenohd 0.10.1-rc，參考官方 GitHub README 的 Linux Debian 的兩行指令安裝即可，不用手工編譯。

範例一：共同子網域（被動橋接）

爲了方便說明，假設發送者及接收者 IP 分別是 192.168.0.100 及 192.168.0.200。

1. 發送者及接收者各自開啓橋接程式。

zenoh-bridge-ros2dds peer

2. 發送者啓動 ROS talker。

source /opt/ros/humble/setup.zsh
ros2 run demo_nodes_cpp talker

3. 接收者啓動 ROS listener。

source /opt/ros/humble/setup.zsh
ros2 run demo_nodes_cpp listener

順利的情況下接收者的 listener 會顯示如下收到來自 talker 的訊息。

[INFO] [1710889871.982803541] [listener]: I heard: [Hello World: 1]
[INFO] [1710889872.982691972] [listener]: I heard: [Hello World: 2]
[INFO] [1710889873.982733232] [listener]: I heard: [Hello World: 3]
...

如果情況不順利，請繼續下個段落。

範例二：共同子網域（主動橋接）

同樣假設發送者及接收者 IP 分別是 192.168.0.100 及 192.168.0.200，這邊 做法上和範例一大同小異，差別僅有在啓動 zenoh-bridge-ros2dds 的時候、會 讓一方主動用IP找到到另一方，程式參數修改方式如下。

接收者啓動時添加 -l 參數、使其在 TCP 7447 埠口準備接收外來連線。

zenoh-bridge-ros2dds peer -l tcp/192.168.200:7447

發送者啓動時添加 -e 參數、使其在啓動時主動連接接收者的 TCP 7447 埠口。

zenoh-bridge-ros2dds peer -e tcp/192.168.200:7447

上述步驟的目的是讓發送者透過 IP 主動連結接收者，如此一來，兩邊的 ROS topic 即可透過這個連互相轉知給對方。

後續的 ROS talker/listener 的步驟和範例一是相同的。

範例三：跨網域或兩者無法互相連接

這個情況常發送在手機電信網路、兩方都無法獲取固定 IP 的情況，這邊的做法 是找一臺有固定 IP 的雲端伺服器當作第三方轉送者，讓發送及接收方都連接第 三方來建立連接，使用第三方連接的流程圖如下。

sequenceDiagram
    box Gray Publisher
    participant ros_pub as ROS 發送者
    participant bridge_pub as zenoh-bridge-ros2dds
    end

    box Gray Cloud
    participant zenohd
    end

    box Gray Subscriber
    participant bridge_sub as zenoh-bridge-ros2dds
    participant ros_sub as ROS 接收者
    end

    ros_pub ->> bridge_pub: ROS Hello
    bridge_pub -->> zenohd: Zenoh Hello
    zenohd -->> bridge_sub: Zenoh Hello
    bridge_sub -->> ros_sub: ROS Hello

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假設發送者、接收者、第三方 IP 分別是 192.168.1.100、192.168.2.200、 192.168.3.300。

首先在雲端第三方開啓 zenohd 並啓用主動監聽。

zenohd -l tcp/192.168.3.300:7447

發送者、接收者啓動橋接程式時，都主動連接 zenohd。

zenoh-bridge-ros2dds peer -e tcp/192.168.3.300:7447

後續 ROS talker/listener 流程相同。

自訂化選項

Zenoh 除了提供跨網域傳輸能力，它還有提供數個自訂化的選項可以調整，這邊 表列幾個實用功能。

使用非 TCP 協定

Zenoh 支援 UDP、TLS、QUIC等協定，這些選項都可套用在 zenohd 及所有的 zenoh-bridge-* 的套件。

zenoh-bridge-ros2dds peer -e udp/192.168.1.100:7447
zenoh-bridge-ros2dds peer -e tls/192.168.1.100:7447
zenoh-bridge-ros2dds peer -e quic/192.168.1.100:7447

更多類型的橋接

除了 ROS 2 之外，還支援 ROS 1 及 MQTT 的橋接程式，若你走過前面段落的環 境設定，在 Ubuntu 上可直接安裝橋接程式，用法和 zenoh-bridge-ros2dds 大 同小異。

sudo apt install zenoh-bridge-mqtt
sudo apt install zenoh-bridge-ros1

綁定 ROS 域名

當情況是兩臺電腦執行同樣一組 ROS 程式，而有兩邊 ROS topic 有撞名的風險， 解決方式是可以在兩邊設定不同的 namespace 來避免撞名。下面範例我們假設 兩臺電腦都是車子，分別命名爲 car1 及 car2，兩者都有一個同名的 topic 是 camera。

第一臺車綁定 car1 域名。

zenoh-bridge-ros2dds peer -n car1

第二臺車綁定 car2 域名。

zenoh-bridge-ros2dds peer -n car2

如此一來，car1 及 car2 的 topic 在 Zenoh 網路轉送時，分別被重新命名爲 car1/camera 及 car2/camera，這樣即可避免撞名問題。

綁定 ROS Domain ID

若 ROS 程式被設定在特定的 ROS Domain 執行，例如

export ROS_DOMAIN_ID=7
ros2 run demo_nodes_cpp talker

爲了讓橋接程式可以正確偵查到特定 ROS domain，必須添加對應的參數。

zenoh-bridge-ros2dds peer -d 7