[논문 리뷰] Comparison of Middlewares in Edge-to-Edge and Edge-to-Cloud Communication for Distributed ROS2 Systems

Jiaqiang Zhang, Xianjia Yu외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 14.

IoT and Edge/Fog Computing인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 엣지-엣지 및 엣지-클라우드 통신 환경에서 분산된 ROS 2 시스템에서 DDS, MQTT, Zenoh을 네트워킹 미들웨어로 평가한다. 이더넷, Wi-Fi, 4G 환경에서 지연, 대역폭, 실제 로봇 궤적 이탈 테스트를 실시한 결과, 무선 환경에서는 Zenoh이 다른 이들보다 뛰어난 성능을 보였으며, 96초 동안의 이격 거리에서 가장 낮은 이격(0.05 m)을 기록하였다. 반면, 이더넷 환경에서는 CycloneDDS가 뛰어난 성능을 보였다. CPU 및 보안 영향도 분석되었으며, Zenoh는 낮은 오버헤드와 암호화 시 성능 저하 최소화를 제공하였다.

ABSTRACT

The increased data transmission and number of devices involved in communications among distributed systems make it challenging yet significantly necessary to have an efficient and reliable networking middleware. In robotics and autonomous systems, the wide application of ROS\,2 brings the possibility of utilizing various networking middlewares together with DDS in ROS\,2 for better communication among edge devices or between edge devices and the cloud. However, there is a lack of comprehensive communication performance comparison of integrating these networking middlewares with ROS\,2. In this study, we provide a quantitative analysis for the communication performance of utilized networking middlewares including MQTT and Zenoh alongside DDS in ROS\,2 among a multiple host system. For a complete and reliable comparison, we calculate the latency and throughput of these middlewares by sending distinct amounts and types of data through different network setups including Ethernet, Wi-Fi, and 4G. To further extend the evaluation to real-world application scenarios, we assess the drift error (the position changes) over time caused by these networking middlewares with the robot moving in an identical square-shaped path. Our results show that CycloneDDS performs better under Ethernet while Zenoh performs better under Wi-Fi and 4G. In the actual robot test, the robot moving trajectory drift error over time (96\,s) via Zenoh is the smallest. It is worth noting we have a discussion of the CPU utilization of these networking middlewares and the performance impact caused by enabling the security feature in ROS\,2 at the end of the paper.

연구 동기 및 목표

• 다양한 네트워크 조건 하에서 다중 호스트 ROS 2 시스템에서 DDS, MQTT, Zenoh의 통신 성능을 평가하기 위해.
• 이더넷, Wi-Fi, 4G와 같은 네트워크 유형이 지연, 대역폭, 실시간 제어 정확도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• TurtleBot 4를 이용해 정사각형 경로를 주행하는 실제 로봇 실험을 통해 궤적 이격 오차를 측정하기 위해.
• ROS 2의 보안 기능을 활성화했을 때 발생하는 CPU 활용도 및 성능 오버헤드를 분석하기 위해.

제안 방법

• 이더넷, Wi-Fi, 4G 네트워크를 통해 다양한 크기의 ROS 2 메시지(1KB에서 2MB까지)를 사용해 엔드 투 엔드 지연과 대역폭을 측정하는 정량적 실험을 실시하였다.
• 중앙 호스트와 TurtleBot 4 로봇을 포함한 다중 호스트 ROS 2 시스템을 구축하였으며, 위치 추적 및 시간 경과에 따른 이격을 계산하기 위해 OptiTrack MOCAP 시스템을 사용하였다.
• CPU 사용량을 다양한 메시지 부하 및 네트워크 조건 하에서 측정하기 위해 'performance_test' 도구를 사용해 미들웨어 성능을 평가하였다.
• ROS 2 보안 기능을 활성화하고, 작은 메시지(1KB)를 사용해 지연, 대역폭, CPU 사용량에 미치는 영향을 측정하였다.
• 실시간 로봇 통신을 시뮬레이션하기 위해 ROS 2 토픽을 이용한 발행/구독 모델을 사용하였으며, 네이티브 DDS와 통합된 MQTT 및 Zenoh 미들웨어를 비교하였다.
• 각 미들웨어에서 2200 프레임을 수집하고 분석하여 연속된 로봇 운동 96초 동안의 이격 오차를 계산하였다.

Figure 1 : Proposed evaluation scheme in this study

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 호스트 ROS 2 시스템에서 이더넷, Wi-Fi, 4G 네트워크 환경에서 DDS, MQTT, Zenoh의 지연 및 대역폭 성능을 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ2 실제 환경에서 정사각형 경로를 따라 이동하는 이동형 로봇을 제어할 때, 어떤 미들웨어가 궤적 이격 오차를 최소화하는가?
• RQ3 다양한 메시지 크기와 네트워크 유형에서 각 미들웨어의 CPU 활용도 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ4 ROS 2 보안 기능을 활성화하면 각 미들웨어의 지연, 대역폭, CPU 사용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 엣지-클라우드 및 엣지-엣지 로봇 통신 환경에서 성능, 효율성, 실시간 제어 정확도의 최적 균형을 제공하는 미들웨어는 무엇인가?

주요 결과

• 이더넷 환경에서는 CycloneDDS가 보안 기능 없이 지연이 가장 낮은 72.11 ms, 대역폭이 가장 높은 9804 바이트/초를 기록하여 Zenoh와 MQTT를 압도하였다.
• Wi-Fi 및 4G 환경에서는 Zenoh가 더 높은 성능을 보였으며, 특히 큰 메시지에 대해 가장 낮은 지연과 가장 높은 대역폭을 기록하였다.
• 실제 로봇 테스트에서 Zenoh는 가장 낮은 궤적 이격 오차—96초 동안 0.05 m—를 기록하여 뛰어난 실시간 제어 정확도를 입증하였다.
• 모든 미들웨어에서 CPU 사용량은 일관되게 낮았으며, Zenoh-TCP와 Zenoh-broker는 특히 큰 메시지에 대해 최소한의 오버헤드를 보였다.
• ROS 2 보안 기능을 활성화하면 평균 지연이 5.24 ms 증가(72.11 ms → 77.35 ms)하고 대역폭이 103 바이트/초 감소했지만, CPU 사용량에 거의 영향을 주지 않았다.
• Zenoh의 성능 및 낮은 자원 소비는 ROS 2 커뮤니티의 피드백과 ROS 2 TSC가 향후 릴리스에 Zenoh를 고려하기로 한 결정과도 부합한다.

Figure 2 : DDS architecture in ROS 2 system