[論文レビュー] Latency Overhead of ROS2 for Modular Time-Critical Systems.

Tobias Kronauer, Joshwa Pohlmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

Real-Time Systems Scheduling参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、ROS2のスタックをプロファイリングし、異なるDDSミドルウェア間でのパフォーマンスを比較することで、モジュラーで時間的に制限のあるシステムにおけるROS2のエンドツーエンド遅延を評価している。ROS2は直接的なDDS通信と比較して最大50％の遅延オーバーヘッドを引き起こすことが判明し、ミドルウェア依存のボトルネックを特定するとともに、低遅延ROS2アーキテクチャの設計ガイドラインを提示している。

ABSTRACT

Robot Operating System 2 (ROS2) targets distributed real-time systems. Especially in tight real-time control loops, latency in data processing and communication can lead to instabilities. As ROS2 encourages splitting of the data-processing pipelines into several modules, it is important to understand the latency implications of such modularization. In this paper, we investigate the end-to-end latency of ROS2 data-processing pipeline with different Data Distribution Service (DDS) middlewares. In addition, we profile the ROS2 stack and point out latency bottlenecks. Our findings indicate that end-to-end latency strongly depends on the used DDS middleware. Moreover, we show that ROS2 can lead to 50 % latency overhead compared to using low-level DDS communications. Our results imply guidelines for designing modular ROS2 architectures and indicate possibilities for reducing the ROS2 overhead.

研究の動機と目的

• モジュラーで時間的に制限のある制御システムにおけるROS2のエンドツーエンド遅延を分析すること。
• ROS2ソフトウェアスタック内の遅延ボトルネックを同定すること。
• 異なるDDSミドルウェアがシステム遅延に与える影響を評価すること。
• ROS2ベースのリアルタイムアプリケーションにおける遅延を最小限に抑えるための設計ガイドラインを提供すること。

提案手法

• 複数のROS2データ処理パイプラインを用いて、さまざまなDDSミドルウェアを用いたエンドツーエンド遅延のベンチマークを実施すること。
• パフォーマンスが重要なコンponentや通信レイヤーを特定するため、ROS2スタックのプロファイリングを実施すること。
• ROS2の遅延を低レベルのDDS通信と比較し、オーバーヘッドを定量化すること。
• ROS2におけるメッセージ送信、ミドルウェア選択、プロセス間通信のパターンを分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的に制限のあるシステムにおいて、ROS2のエンドツーエンド遅延は異なるDDSミドルウェアによってどのように変化するか？
• RQ2 ROS2ソフトウェアスタック内での主な遅延要因は何か？
• RQ3 ROS2におけるモジュラー化は、直接的なDDS通信と比較して遅延をどの程度増加させるか？
• RQ4 ROS2アーキテクチャをどのように最適化すれば遅延オーバーヘッドを低減できるか？

主な発見

• ROS2は、アーキテクチャ的およびミドルウェア的オーバーヘッドのため、直接的なDDS通信と比較して最大50％の追加遅延を引き起こす。
• エンドツーエンド遅延は、DDSミドルウェアの選択に強く依存しており、実装ごとの顕著なパフォーマンス差が認められる。
• ROS2ミドルウェア層およびプロセス間通信メカニズムが、遅延ボトルネックの主な要因である。
• ROS2スタック内の特定のコンponent、たとえばミドルウェアインターフェースやメッセージシリアル化が、全体の遅延に顕著に影響を与える。