[논문 리뷰] Latency Overhead of ROS2 for Modular Time-Critical Systems.

Tobias Kronauer, Joshwa Pohlmann외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 06.

Real-Time Systems Scheduling참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 모듈형이며 시간에 민감한 시스템에서 ROS2의 엔드 투 엔드 지연을 평가하기 위해 스택을 프로파일링하고 다양한 DDS 미들웨어 간 성능을 비교한다. ROS2는 직접 DDS 통신에 비해 최대 50%의 지연 오버헤드를 유발함을 밝혀내며, 미들웨어에 따라 달라지는 버팀목을 규명하고, 저지연 ROS2 아키텍처를 위한 설계 지침을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모듈형이며 시간에 민감한 제어 시스템에서 ROS2의 엔드 투 엔드 지연을 분석하기 위해.
• ROS2 소프트웨어 스택 내부의 지연 버팀목을 규명하기 위해.
• 다양한 DDS 미들웨어가 시스템 지연에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• ROS2 기반 실시간 응용 프로그램에서 지연을 최소화하기 위한 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다양한 DDS 미들웨어를 사용하여 여러 ROS2 데이터 처리 파이프라인에서 엔드 투 엔드 지연을 벤치마킹하기 위해.
• 성능 핵심 컴포onent과 통신 레이어를 특정하기 위해 ROS2 스택을 프로파일링하기 위해.
• ROS2 지연을 저수준 DDS 통신과 비교하여 오버헤드를 정량화하기 위해.
• ROS2에서의 메시지 전달, 미들웨어 선택, 프로세스 간 통신 패턴을 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 민감한 시스템에서 ROS2의 엔드 투 엔드 지연은 다양한 DDS 미들웨어 간에 어떻게 달라지나?
• RQ2 ROS2 소프트웨어 스택 내부에서 주요 지연 원인은 무엇인가?
• RQ3 ROS2의 모듈화는 직접 DDS 통신에 비해 지연을 얼마나 증가시키는가?
• RQ4 ROS2 아키텍처는 어떻게 최적화되어 지연 오버헤드를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• ROS2는 아키텍처적 및 미들웨어 오버헤드로 인해 직접 DDS 통신에 비해 최대 50%의 추가 지연을 유발한다.
• 엔드 투 엔드 지연은 DDS 미들웨어 선택에 매우 민감하며, 각 구현 간에 상당한 성능 격차가 존재한다.
• ROS2의 미들웨어 레이어와 프로세스 간 통신 메커니즘은 지연 버팀목의 주요 원인이다.
• ROS2 스택 내 특정 컴포넌트, 예를 들어 미들웨어 인터페이스와 메시지 직렬화 방식이 총 지연에 상당한 영향을 미친다.