[论文解读] 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 7

一句话总结

本文通过分析其堆栈并对比不同DDS中间件的性能，评估了ROS2在模块化、时间关键系统中的端到端延迟。研究发现，与直接DDS通信相比，ROS2引入了高达50%的延迟开销，突出了与中间件相关的瓶颈，并为低延迟ROS2架构提供了设计指南。

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.

研究动机与目标

• 分析模块化、时间关键控制系统中ROS2的端到端延迟。
• 识别ROS2软件堆栈中的延迟瓶颈。
• 评估不同DDS中间件对系统延迟的影响。
• 为最小化ROS2实时应用中的延迟提供设计指南。

提出的方法

• 使用多种DDS中间件，在多个ROS2数据处理管道中基准测试端到端延迟。
• 对ROS2堆栈进行性能分析，以定位关键性能组件和通信层。
• 将ROS2延迟与底层DDS通信进行比较，以量化延迟开销。
• 分析ROS2中的消息传递、中间件选择以及进程间通信模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时间关键系统中，ROS2的端到端延迟如何随不同DDS中间件而变化？
• RQ2 ROS2软件堆栈中的主要延迟来源是什么？
• RQ3 与直接DDS通信相比，ROS2的模块化设计在多大程度上增加了延迟？
• RQ4 如何优化ROS2架构以减少延迟开销？

主要发现

• 由于架构和中间件开销，ROS2相比直接DDS通信引入了高达50%的额外延迟。
• 端到端延迟高度依赖于DDS中间件的选择，不同实现之间的性能差异显著。
• ROS2中间件层和进程间通信机制是延迟瓶颈的主要贡献因素。
• ROS2堆栈中的特定组件，如中间件接口和消息序列化，对整体延迟有显著影响。