Comparison of DDS, MQTT, and Zenoh in Edge-to-Edge and Edge-to-Cloud Communication for Distributed ROS 2 Systems

要約

分散システム間の通信に関与するデータ送信とデバイスの数が増加しているため、効率的で信頼性の高いネットワーキング ミドルウェアを用意することが困難ではありますが、非常に必要になっています。
ロボット工学および自律システムでは、ROS\,2 の幅広い用途により、ROS\,2 の DDS と組み合わせてさまざまなネットワーキング ミドルウェアを利用して、エッジ デバイス間またはエッジ デバイスとクラウド間の通信を向上させる可能性がもたらされます。
ただし、これらのネットワーク ミドルウェアと ROS を統合した場合の包括的な通信パフォーマンスの比較は不足しています。2.
この研究では、複数のホスト システム間で、ROS\,2 の DDS とともに MQTT や Zenoh などの利用されたネットワーキング ミドルウェアの通信パフォーマンスの定量的な分析を提供します。
完全かつ信頼性の高い比較を行うために、イーサネット、Wi-Fi、4G などのさまざまなネットワーク設定を通じて個別の量と種類のデータを送信することにより、これらのミドルウェアの遅延とスループットを計算します。
評価を現実世界のアプリケーション シナリオにさらに拡張するために、ロボットが同一の正方形のパス内を移動する場合に、これらのネットワーク ミドルウェアによって引き起こされる時間の経過に伴うドリフト エラー (位置の変化) を評価します。
私たちの結果は、CycloneDDS がイーサネット環境下でより優れたパフォーマンスを発揮するのに対し、Zenoh は Wi-Fi および 4G 環境下でより優れたパフォーマンスを発揮することを示しています。
実際のロボットテストでは、Zenoh経由のロボットの移動軌跡の経時ドリフト誤差（96秒）が最も小さくなりました。
これらのネットワーク ミドルウェアの CPU 使用率と、ROS\,2 のセキュリティ機能を有効にすることによって生じるパフォーマンスへの影響について、この文書の最後で説明していることに注意してください。

要約(オリジナル)

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.

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