本章主要介绍了通信架构的基础通信方式和相关概念。其中首先介绍了最小的进程单元节点Node,和节点管理器Node master。了解了ROS中的进程都是由很多的Node组成，并且由Node master来管理这些节点。

介绍ROS的“发动机”——launch文件，学习它的格式和内容，更深入的理解ROS在启动运行时它的工作都是由什么进程支配的，从而理解启动运行的原理。

ROS中的通信方式有四种，主题、服务、参数服务器、动作库。每个通信方式都有自己的特点，本章首先介绍话题通信方式–topic。

01 Node & Master

1.1 Node

在ROS中，最小的进程单元就是节点（node）。一个软件包里可以有多个可执行文件，可执行文件在运行之后就成了一个进程(process)，这个进程在ROS中就叫做节点。 从程序角度来说，node就是一个可执行文件（通常为C++编译生成的可执行文件、Python脚本）被执行，加载到了内存之中；从功能角度来说，通常一个node负责者机器人的某一个单独的功能。由于机器人的功能模块非常复杂，我们往往不会把所有功能都集中到一个node上，而会采用分布式的方式，把鸡蛋放到不同的篮子里。

1.2 Master

由于机器人的元器件很多，功能庞大，因此实际运行时往往会运行众多的node，负责感知世界、控制运动、决策和计算等功能。那么如何合理的进行调配、管理这些node？这就要利用ROS提供给我们的节点管理器master, master在整个网络通信架构里相当于管理中心，管理着各个node。node首先在master处进行注册，之后master会将该node纳入整个ROS程序中。node之间的通信也是先由master进行“牵线”，才能两两的进行点对点通信。当ROS程序启动时，第一步首先启动master，由节点管理器处理依次启动node。

1.3 启动master和node

当我们要启动ROS时，首先输入命令:

$ roscore

此时ROS master启动，同时启动的还有rosout和parameter server,其中rosout是负责日志输出的一个节点，其作用是告知用户当前系统的状态，包括输出系统的error、warning等等，并且将log记录于日志文件中，parameter server即是参数服务器，它并不是一个node，而是存储参数配置的一个服务器。每一次我们运行ROS的节点前，都需要把master启动起来，这样才能够让节点启动和注册。

master之后，节点管理器就开始按照系统的安排协调进行启动具体的节点。节点就是一个进程，只不过在ROS中它被赋予了专用的名字—node。我们知道一个package中存放着可执行文件，可执行文件是静态的，当系统执行这些可执行文件，将这些文件加载到内存中，它就成为了动态的node。

具体启动node的语句是：

$ rosrun pkg_name node_name

通常我们运行ROS，就是按照这样的顺序启动，有时候节点太多，我们会选择用launch文件来启动。 Master、Node之间以及Node之间的关系如下图所示：

1.4 rosrun和rosnode命令

rosrun命令的详细用法如下：

$ rosrun [--prefix cmd] [--debug] pkg_name node_name [ARGS]

rosrun将会寻找PACKAGE下的名为EXECUTABLE的可执行程序，将可选参数ARGS传入。

例如在GDB下运行ros程序：

$ rosrun --prefix 'gdb -ex run --args' pkg_name node_name

rosnode命令的详细作用列表如下：

以上命令中常用的为前三个，在开发调试时经常会需要查看当前node以及node信息，所以请记住这些常用命令。如果想不起来，也可以通过rosnode help来查看rosnode命令的用法。

02 launch文件

2.1 简介

机器人是一个系统工程，通常一个机器人运行操作时要开启多个node，对于一个复杂的机器人的启动操作应该怎么做呢？当然，我们并不需要每个节点依次进行rosrun，ROS为我们提供了一个命令能一次性启动master和多个node。该命令是：

$ roslaunch pkg_name file_name.launch

roslaunch命令首先会自动进行检测系统的roscore有没有运行，也即是确认节点管理器是否在运行状态中，如果master没有启动，那么roslaunch就会首先启动master，然后再按照launch的规则执行。launch文件里已经配置好了启动的规则。 所以roslaunch就像是一个启动工具，能够一次性把多个节点按照我们预先的配置启动起来，减少我们在终端中一条条输入指令的麻烦。

2.2 写法与格式

launch文件同样也遵循着xml格式规范，是一种标签文本，它的格式包括以下标签：

<launch>    <!--根标签-->
<node>    <!--需要启动的node及其参数-->
<include>    <!--包含其他launch-->
<machine>    <!--指定运行的机器-->
<env-loader>    <!--设置环境变量-->
<param>    <!--定义参数到参数服务器-->
<rosparam>    <!--启动yaml文件参数到参数服务器-->
<arg>    <!--定义变量-->
<remap>    <!--设定参数映射-->
<group>    <!--设定命名空间-->
</launch>    <!--根标签-->

参考链接:http://wiki.ros.org/roslaunch/XML

2.3 示例

launch文件的写法和格式看起来内容比较复杂，我们先来介绍一个最简单的例子如下：

<launch>
<node name="talker" pkg="rospy_tutorials" type="talker" />
</launch>

这是官网给出的一个最小的例子，文本中的信息是，它启动了一个单独的节点talker,该节点是包rospy_tutorials软件包中的节点。

然而实际中的launch文件要复杂很多，我们以Ros-Academy-for-Beginners中的robot_sim_demo为例：

<launch>
<!--arg是launch标签中的变量声明，arg的name为变量名，default或者value为值-->
<arg name="robot" default="xbot2"/>
<arg name="debug" default="false"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>
<!-- Start Gazebo with a blank world -->
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"> <!--include用来嵌套仿真场景的launch文件-->
<arg name="world_name" value="$(find robot_sim_demo)/worlds/ROS-Academy.world"/>
<arg name="debug" value="$(arg debug)" />
<arg name="gui" value="$(arg gui)" />
<arg name="paused" value="false"/>
<arg name="use_sim_time" value="true"/>
<arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
</include>
<!-- Oh, you wanted a robot? --> <!--嵌套了机器人的launch文件-->
<include file="$(find robot_sim_demo)/launch/include/$(arg robot).launch.xml" />
<!--如果你想连同RViz一起启动，可以按照以下方式加入RViz这个node-->
<!--node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find robot_sim_demo)/urdf_gazebo.rviz" /-->
</launch>

这个launch文件相比上一个简单的例子来说，内容稍微有些复杂，它的作用是：启动gazebo模拟器，导入参数内容，加入机器人模型。

小结

对于初学者，我们不要求掌握每一个标签是什么作用，但至少应该有一个印象。如果我们要进行自己写launch文件，可以先从改launch文件的模板入手，基本可以满足普通项目的要求。

03 Topic（话题）

3.1 简介

ROS的通信方式是ROS最为核心的概念，ROS系统的精髓就在于它提供的通信架构。ROS的通信方式有以下四种：

Topic 主题

Service 服务

Parameter Service 参数服务器

Actionlib 动作库

3.2 Topic（发布/订阅）

ROS中的通信方式中，topic是常用的一种。对于实时性、周期性的消息，使用topic来传输是最佳的选择。topic是一种点对点的单向通信方式，这里的“点”指的是node，也就是说node之间可以通过topic方式来传递信息。topic要经历下面几步的初始化过程：首先，publisher节点和subscriber节点都要到节点管理器进行注册，然后publisher会发布topic，subscriber在master的指挥下会订阅该topic，从而建立起sub-pub之间的通信。注意整个过程是单向的。其结构示意图如下：

Subscriber接收消息会进行处理，一般这个过程叫做回调(Callback)。所谓回调就是提前定义好了一个处理函数（写在代码中），当有消息来就会触发这个处理函数，函数会对消息进行处理。

注意整个过程是单向的。

Talker向ROS Master注册

Listener向ROS Master注册

ROS Master通过RPC向Listener发送Talker的地址信息

Listener接收到地址信息，通过RPC向Talker发送连接请求

Talker确认连接请求，通过RPC向Listener确认连接

Listener与Talker建立网络连接

Talker向Listener发布数据

总结：前五步的通信协议都是RPC，最后两步传输数据才用TCP

3.3 通信示例

怎么样来理解**“异步”**这个概念呢？在node1每发布一次消息之后，就会继续执行下一个动作，至于消息是什么状态、被怎样处理，它不需要了解；而对于node2图像处理程序，它只管接收和处理/camera_rgb上的消息，至于是谁发来的，它不会关心。所以node1、node2两者都是各司其责，不存在协同工作，我们称这样的通信方式是异步的。

ROS是一种分布式的架构，一个topic可以被多个节点同时发布，也可以同时被多个节点接收。比如在这个场景中用户可以再加入一个图像显示的节点，我们在想看看摄像头节点的画面，则可以用自己的笔记本连接到机器人上的节点管理器，然后在自己的电脑上启动图像显示节点。

这就体现了分布式系统通信的好处：扩展性好、软件复用率高。

总结三点：

topic通信方式是异步的，发送时调用publish()方法，发送完成立即返回，不用等待反馈。

subscriber通过回调函数的方式来处理消息。

topic可以同时有多个subscribers，也可以同时有多个publishers。ROS中这样的例子有：/rosout、/tf等等。

3.4 操作命令

在实际应用中，我们应该熟悉topic的几种使用命令，下表详细的列出了各自的命令及其作用。

如果你一时忘记了命令的写法，可以通过rostopic help或rostopic command -h查看具体用法。

小结

topic的通信方式是ROS中比较常见的单向异步通信方式，它在很多时候的通信是比较易用且高效的。但是有些需要交互的通信时该方式就显露出自己的不足之处了，后续我们会介绍双向同步的通信方式service。