ROS2 통신 메커니즘 (토픽, 서비스, 액션)

ROS2의 통신 방식

ROS2는 분산 시스템에서 통신을 원활하게 하기 위해 데이터 분배 서비스(DDS, Data Distribution Service)를 사용한다. 이 통신 메커니즘은 ROS1의 통신 모델과는 달리 QoS(Quality of Service) 정책을 정의하여 시스템의 신뢰성과 성능을 보장할 수 있도록 개선되었다. ROS2는 노드 간의 통신을 여러 방식으로 지원하며, 대표적으로 토픽(Topic), 서비스(Service), 액션(Action)이 있다. 이 섹션에서는 이 세 가지 통신 메커니즘의 동작 원리를 수학적 표현과 함께 자세히 설명한다.

토픽 (Topic)

토픽은 ROS2의 퍼블리시/서브스크라이브(Publish/Subscribe) 통신 모델을 구현한 것이다. 퍼블리셔(발행자) 노드가 메시지를 보내고, 서브스크라이버(구독자) 노드가 해당 메시지를 수신한다. 이러한 방식은 비동기적으로 동작하며, 노드 간의 명시적인 연결 없이 데이터를 교환할 수 있도록 한다.

퍼블리셔는 메시지를 특정 주제(Topic)에 발행하고, 서브스크라이버는 해당 주제를 구독하여 데이터를 수신한다.
토픽 통신은 비연결형 통신 방식이며, 퍼블리셔와 서브스크라이버는 서로 독립적이다.

토픽을 통해 주고받는 메시지의 수학적 표현은 다음과 같다.

퍼블리셔에서 발행하는 메시지:

$\mathbf{m}(t) = [m_1(t), m_2(t), \dots, m_n(t)]$

여기서 $\mathbf{m}(t)$ 는 시간 $t$ 에 발행된 메시지 벡터를 나타내며, $m_i(t)$ 는 $i$ -번째 데이터 요소이다.

퍼블리셔와 서브스크라이버 사이의 통신을 표현한 간단한 메커니즘은 다음과 같이 다이어그램으로 나타낼 수 있다:

graph TD; Publisher -->|Publishes| Topic; Topic -->|Subscribes| Subscriber;

ROS2는 DDS를 통해 토픽의 QoS를 설정할 수 있으며, 이는 퍼블리셔와 서브스크라이버 간의 통신 신뢰성에 영향을 미친다. ROS2에서 사용할 수 있는 QoS 정책 중 대표적인 항목들은 다음과 같다:

신뢰성(Reliability): 통신이 손실 없이 이루어지도록 보장하는지 여부.
RELIABLE: 메시지의 손실 없이 정확하게 전송될 것을 보장.
BEST_EFFORT: 가능한 한 메시지를 전송하지만 손실이 발생할 수 있음.
내구성(Durability): 구독자가 후에 연결되어도 메시지를 받을 수 있는지 여부.
VOLATILE: 구독자가 연결된 이후부터 메시지를 받음.
TRANSIENT_LOCAL: 퍼블리셔가 발행한 메시지를 서브스크라이버가 나중에 연결되어도 수신 가능.
이력(History): 버퍼에 저장되는 메시지의 개수.
KEEP_LAST: 마지막 N개의 메시지만 저장.
KEEP_ALL: 모든 메시지를 저장.

위의 QoS 설정은 토픽 통신의 효율성과 신뢰성에 영향을 미치므로, 시스템 요구 사항에 따라 적절하게 선택해야 한다.

서비스 (Service)

서비스는 요청-응답(Request-Response) 통신 모델을 제공한다. 이는 비동기적인 토픽과는 달리, 동기적인 통신 방식을 사용한다. 서비스 서버가 클라이언트로부터 요청을 수신하면, 그 요청을 처리한 후 응답을 반환한다.

서비스 통신은 다음과 같은 구조로 표현될 수 있다:

클라이언트(Client)가 요청(Request)을 전송한다.
서버(Server)가 요청을 처리하고 응답(Response)을 반환한다.

이를 수학적으로 표현하면, 클라이언트에서 서버로의 요청은 함수 $f$ 로 나타낼 수 있다.

요청:

$R(t) = f(x_1, x_2, \dots, x_n)$

여기서 $R(t)$ 는 시간 $t$ 에서 클라이언트가 서버에 요청한 함수이며, $x_1, x_2, \dots, x_n$ 는 입력 값들이다.

응답:

$S(t) = g(R(t))$

$S(t)$ 는 서버가 클라이언트에 반환한 응답 값이며, 이는 요청 $R(t)$ 에 대한 함수 $g$ 로 처리된다.

서비스 통신의 구조를 다이어그램으로 나타내면 다음과 같다:

graph TD; Client -->|Request| Server; Server -->|Response| Client;

서비스는 요청과 응답이 한 쌍을 이루는 구조이기 때문에, 이는 요청이 필요할 때마다 정확하게 처리되고, 클라이언트가 명시적으로 응답을 받을 때까지 대기한다.

서비스 통신은 다음과 같은 상황에서 유용하다: - 로봇 제어에서 특정 명령에 대한 즉각적인 피드백이 필요한 경우 - 계산 비용이 큰 작업을 요청하고 그 결과를 기다릴 때

액션 (Action)

액션은 서비스와 유사하지만, 요청-응답 모델과 비동기적 데이터 전송을 결합한 형태로, 장시간이 걸리는 작업이나 중간 피드백이 필요한 작업에 적합하다. 액션 서버는 클라이언트로부터 목표(goal)를 수신하고, 이 목표를 수행하는 동안 주기적으로 피드백(feedback)을 제공하며, 최종적으로 결과(result)를 반환한다.

액션 통신을 수학적으로 표현하면 다음과 같다:

목표(Goal)는 클라이언트가 액션 서버에 보내는 명령을 나타내며, 시간 $t$ 에서 목표 $G(t)$ 는 다음과 같이 정의된다:

$G(t) = [g_1(t), g_2(t), \dots, g_n(t)]$

여기서 $G(t)$ 는 목표를 구성하는 여러 파라미터들로 이루어진 벡터이다.

피드백(Feedback)은 액션 서버가 클라이언트에 중간 상태를 전달하는 것을 의미하며, 피드백 벡터는 다음과 같이 표현할 수 있다:

$F(t) = [f_1(t), f_2(t), \dots, f_n(t)]$

$F(t)$ 는 시간 $t$ 에서 목표 진행 상태를 나타내는 여러 피드백 요소들이다.

결과(Result)는 액션 서버가 목표를 완료한 후 클라이언트에 전송하는 최종 결과를 나타낸다. 이 결과는 다음과 같이 정의할 수 있다:

$R(t) = h(G(t))$

여기서 $h$ 는 목표 $G(t)$ 에 대한 함수로, 최종적인 결과를 반환하는 역할을 한다.

액션 통신 메커니즘을 다이어그램으로 표현하면 다음과 같다:

이 통신 모델에서 액션은 다음과 같은 단계를 따른다:

목표 전송: 클라이언트는 특정 목표를 설정하고 이를 액션 서버에 전송한다.
피드백 제공: 액션 서버는 목표를 수행하는 동안 주기적으로 클라이언트에 진행 상황을 피드백으로 전송한다.
결과 반환: 목표가 완료되면, 액션 서버는 최종 결과를 클라이언트로 반환한다.

액션의 QoS

액션 통신 역시 ROS2의 QoS 정책을 적용할 수 있으며, 특히 장시간이 걸리는 작업에 대해 효율적이고 신뢰성 있는 통신을 보장한다. 주요 QoS 설정은 다음과 같다:

신뢰성(Reliability): 목표나 결과가 손실 없이 정확하게 전송될 수 있도록 보장한다.
이력(History): 목표와 피드백의 저장 상태를 관리하여, 클라이언트가 나중에 연결되더라도 중간 피드백을 받을 수 있도록 한다.

ROS2 통신의 비교

토픽, 서비스, 액션 통신 메커니즘은 각각의 특성과 용도에 따라 다른 방식으로 활용된다. 이를 수학적으로 요약하면, 각 메커니즘은 다음과 같은 통신 방식을 따른다:

토픽: 비동기 퍼블리시/서브스크라이브 모델

$\mathbf{m}(t) = [m_1(t), m_2(t), \dots, m_n(t)]$

서비스: 동기 요청-응답 모델

$R(t) = f(x_1, x_2, \dots, x_n), \quad S(t) = g(R(t))$

액션: 비동기 목표-피드백-결과 모델

$G(t), \quad F(t), \quad R(t) = h(G(t))$

각 통신 메커니즘은 사용 사례에 따라 장점과 단점이 있다. 짧은 시간 내에 데이터를 주고받아야 하는 경우에는 토픽 통신이 적합하며, 명확한 요청과 응답이 필요한 경우에는 서비스가 더 유리하다. 반면, 장시간의 작업에서 중간 피드백과 최종 결과가 필요한 경우 액션 통신이 효과적이다.

토픽, 서비스, 액션의 구조적 차이점

토픽

퍼블리셔와 서브스크라이버 간의 비동기적인 통신 방식.
데이터의 지속적인 전송을 지원하며, QoS에 따라 신뢰성 조정 가능.

서비스

클라이언트와 서버 간의 동기적인 통신 방식.
명확한 요청-응답 구조로 즉각적인 피드백을 제공.

액션

클라이언트와 서버 간의 비동기적인 통신 방식.
중간 피드백과 최종 결과를 모두 제공하는 복합적인 통신 모델.