還沒閱讀上一篇文章「ROS 教學系列(一)－認識 Robot Operating System (ROS)」的夥伴們，建議大家可以先閱讀唷！
本篇文章就要帶大家一起學習 Robot Operating System 2(ROS 2) 到底是什麼？現在就跟著我們一起進入 ROS 2 的世界吧！
一、 ROS 2 的設計目的
ROS 2 的出現是為了要改進 ROS 1 的侷限性，它具有以下五個特點：
1. 支援多機器人系統的開發與應用
ROS 2 增加了對多機器人系統的支援，進而提升了多機器人之間通訊的網路效能，更詳細的介紹可參考「ROS 2 的關鍵中介軟體」說明。
2. 跨系統平台的支援
在 ROS 1 中，系統的設計高度依賴 Ubuntu 系統。而 ROS 2 改善了這一項侷限，在 Windows、macOS、RTOS 等經常使用的作業系統上也有更多的支援，這讓機器人開發者擁有更多選擇的空間。
3. 支援即時控制
ROS 2 也能夠支援即時控制，這項功能可以提高對於機器人控制的時效性與機器人整體性能。更多詳細的資訊可以參考 ROS 官方網站。
4. 降低原型設計至實際產品的過渡時期
ROS 1 最初是以研究目的所開發的系統，而 ROS 2 在設計上增加了應用方面的支援，大幅降低機器人從研究開發到實際應用的過渡時期，讓更多機器人能夠直接搭載 ROS 2 投入市場。
5. 微控制器的支援
ROS 2 不僅可在現有的 x86 或 ARM 架構上實現，還可以支援微控制器（Microcontroller Unit，MCU），更多詳細的資訊可以參考 micro-ros 官網。
二、ROS 2 的系統架構
ROS 2 在系統的架構上，有更明確的分層設計，這讓 ROS 2 更能夠部署在各式各樣的平台上，改善了 ROS 1 對部份系統或通訊方式擁有高度依賴的缺點，如下圖所示：
接下來我們將從系統層至應用層往上逐步介紹每一層的設計：
1. 系統層（Operating System Layer）
ROS 2 支持的作業系統包括 Linux、Windows、macOS、RTOS 等常見的作業系統，但卻又不僅限於此；若有需要，也能夠設計在沒有作業系統的機器上。
2. 中介軟體層（Middleware Layer）
ROS 1 中最重要的概念「節點（node）」，是一個可以讓開發者進行低耦合（low coupling）設計與公開發行的功能模組，並且能夠方便地進行二次開發。
ROS 2 也擁有同樣的特點，並且在通訊系統上採用「資料分散式服務」 (Data Distribution Service，DDS)，這是一種分散式即時系統中，資料發佈與訂閱的標準解決方案，更多的介紹可參照「ROS 2 的關鍵中介軟體」。ROS 2 提供了 DDS 的抽象層，這表示開發者不需要花費太多時間在找尋提供資料分布服務的廠商。
3. 應用層（Application Layer）
在 ROS 2 中，節點之間使用分散式發現機制（distributed discovery process）進行連結。這項機制讓 ROS 2 中的節點不再需要依賴一個主要節點（Master Node）進行連結，意謂著即使系統中的主要機器失去連線，其餘的機器人仍能夠正常運作。
三、ROS 2 的關鍵中介軟體– 資料分散式服務（Data Distribution Service，DDS)
DDS 是一種專門為即時系統設計的資料分布與訂閱標準，並且在 2004 年由國際協會—目標管理組織（Object Management Group）發佈第一代版本。
DDS 最早被應用在美國海軍的艦艇上，是為了解決艦艇複雜網路中大量軟體升級的兼容性問題，而現在已成為美國國防部的強制性標準，其關鍵技術在於以資料為核心的發佈與訂閱模型（Data-Centric Publish-Subscribe）。
這種模型建立一個「全局資料空間（Global Data Space）」的概念，可以看作是應用程式透過相關的應用程式介面（Application Programming Interface, API），獲取機器本地端的記憶體資訊。現在市面上已有多家廠商提供 DDS 的相關技術，包括可以供給 ROS 2 使用的開源版本與商業版本，相關資訊如下圖所示( 僅列出部分廠商)：
四、ROS 2 的通訊架構
ROS 2 的通訊是建構在 ROS 1 的基礎上，也就是主題（Topic）、服務（Service）、動作（Action）等通訊機制。較為不同的是，因為 ROS 2 採用了 DDS 作為通訊標準，因此也新增了一些 DDS 的通訊機制，接下來將以下圖所示的 ROS 2 通訊架構來說明：
1. 參與者（Participant）
在 DDS 的架構中，每一個發佈者（Publisher）或訂閱者（Subscriber）都被稱為參與者，以機器人之間的通訊來看，可以想像每台使用 DDS 的機器都是以參與者的方式存在。對於使用 DDS 的機器來說，彼此之間都可以依照定義好的資料類型進行「讀／寫」。
2. 發佈者（Publisher）
資料發佈的執行者，能夠發佈多種類型的資料，可以與多個資料寫入器（Data Writer）相連，發佈一種或多種 Topic 的訊息。
3. 訂閱者（Subscriber）
資料訂閱的執行者，能夠訂閱多種類型的資料，可以與多個資料讀取器（Data Reader）相連，訂閱一種或多種 Topic 的訊息。
4. 資料寫入器（Data Writer）
在應用層中，向發佈者更新資料的存在，每個資料寫入器對應一個指定的 Topic。
5. 資料讀取器（Data Reader）
在應用層中，從訂閱者讀取資料的存在，每個資料讀取器對應一個指定的 Topic。
6. 主題（Topic）
Topic 需要定義一個名稱與一種資料結構，而在 ROS 2 中每個主題皆為一個實例，可以用來儲存該 Topic 中的歷史訊息。
7. 服務品質原則（Quality of Service Policy）
這是在 ROS 2 中一個非常重要的概念，是用來控制各種不同面向與底層之間的通訊機制。主要從歷史紀錄、持續性、可靠性、耐用性、深度等多種面向滿足使用者對於不同場景的資料使用需求，後續內容將以 QOS 簡稱服務品質原則。
五、小結
閱讀完上述關於 ROS 2 的內容後，各位夥伴是不是對 ROS 2 有更清楚的瞭解了呢？「ROS 教學系列」下一篇文章要為大家介紹 ROS 1（Robot Operating System）與 ROS 2（Robot Operating System 2）的差異喔！
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