(2023-01-15) 分散ROS2 FastDDS/CycloneDDS のパフォーマンス評価¶
背景¶
ロボット制御ソフトウェアとして有名な ROS(Robot Operationg System) は、近年ゆっくりと ROS1 から ROS2 への移行が始まっています。
そして ROS1 から ROS2 への変化として大きいものの一つが、通信ミドルウェアである DDS(Data Distribution Service)の採用です。
ROS2 では比較的自由に使えるDDSとして FastDDS、CycloneDDS の2つがメジャーとなっています。
このドキュメントでは「分散ノードにおける FastDDS、CycloneDDS のパフォーマンス」を様々な切り口で調べることで、ROS2を使う方々に基礎データを提供できればと思います。
テスト環境¶
テスト環境は下記の通りです。
ハードウェア：10GB NIC 対向で直結された 2台のPC（i5-8600K/i5-6500）
時刻同期：DDS通信とは別NIC（ハードウェア・タイムスタンプ機能付）を用いて IEEE1588/PTPにより同期。
OS/ROS2/DDSのバージョン
Ubuntu22.04.1 LTS（カーネルパラメータ変更なし）。
ROS2 humble。
FastRTPS: ver2.6.2 (Ubuntu22.04.1 LTS ROS2-Humble の標準)。
CycloneDDS: ver0.9.0 (Ubuntu22.04.1 LTS ROS2-Humble の標準)。
テストコード: C++でPub/Subノードを実装（全組み合わせテストの制御はPython）
テスト方法¶
DDS種類/QOS/メッセージサイズ/配信レート(Hz) の全組み合わせについて、実効転送レート・パケットロス率・レイテンシを測定しています。
各テストは、30秒間のPub/Sub通信で測定しています（総組み合わせ548回の計測、総時間5時間）。
QoS の Reliable（再送あり） / BestEffort（再送なし） ともに Depth は 10 を使用しています。
結論¶
FastDDS/CycloneDDS では転送レート最大となるメッセージサイズやレイテンシ特性に少し違いがあることが分かりました。
いずれの場合も高配信レート（4.6KHz以上）では、レイテンシが大幅に改善しました。
（また /proc/sys/net/core/busy_read (us単位)を大きな値にすることでも近い改善が得られます。ただし1コア分のCPU使用率が100%になることに注意が必要です）
さらに ROS1のTCP送受信とは、フロー制御＆再送制御と違うため、下記のように特性が大幅に異なります。
QoS=Reliable であっても状況によっては、パケットロスが発生することがあります。
QoS=Reliable でメッセージサイズが大きくなると、レイテンシが大幅増加しやすくなります。
メッセージサイズが1MBを超えた状態でパケットロスが発生する状態になると、ワイヤースピードを大きく下回る速度しか出ないことがあります。
転送レート¶
FastDDSは、メッセージサイズ=128KB時に最大転送レートとなり、ピークは約8Gbps前後となります。
CycloneDDS(BestEffort)では、メッセージサイズ=512KB時に最大転送レートとなり、ピークは約7.4Gbps前後となります。
（なお同一PC環境で ROS1-Melodic（通信はTCP）を使うと 9Gbps 以上とワイヤースピードに近い転送レートでした）
またTCPと違い、メッセージサイズが1MBを超えると、最大転送レートの低下が著しくなります。
レイテンシ¶
4.6KHz以上の高配信レートを使うと、レイテンシが大幅に改善します。
具体的には、FastDDS(BestEffort) で 381us → 43us、CycloneDDS(BestEffort) で 325us → 40us と1/8程度になりました。
これは ROS要因ではなく Linuxカーネルの挙動(NAPI) が原因と推測しています。
（ROSを使わない単純なUDP送受信するsocketプログラムでも、毎秒5000パケット以上でレイテンシが大幅低下します）
トリッキーですが、（空データを混ぜてでも）配信レートを上げればレイテンシは改善します。
もう少しエレガントな方法として、NAPIの挙動を変えるカーネルパラメータを使う方法があります。
具体的には NAPIで割り込み→ポーリングbusyループに遷移するカーネルパラーメータの /proc/sys/net/core/busy_read (us単位) を使います。
これを大きな値（たとえば200,000など=200ms）にすることで、10Hz程度でも大きな改善が得られました（80us前後）。
なおビジーポーリングのため、1コア分のCPU使用率が100%になる点に注意が必要です。
（また socket単位での設定（SO_BUSY_POLL、ルート権限必要）もあります。ただし DDS内部の受信用socket descriptorにアクセスする必要があります）
FastDDS/CycloneDDS とも 1～2MB/メッセージあたりから（高レートの場合）、QoS=Reliable は著しくレイテンシが増大するようです。
なお、低配信レートでは CycloneDDS の方が若干レイテンシが低い傾向にあります。
パケットロス率¶
メッセージサイズが大きくなるとロス率が上がる傾向が見られ、QoS=BestEffort でより顕著でした。
QoS=Reliable であっても、（TCPと違い）転送レート・配信レートが上がるにつれ、ロスが発生することがあるようです。
生データ¶
下記にグラフに使った生データを掲載しておきます。
FastDDS qos_besteffort=0 qos_depth=10¶
Size |
Hz |
Speed(Mbps) |
loss-pkt |
send-pkt |
loss-rate |
loop-rate |
latency(ave) |
latency(max) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1024 |
10 |
0.08 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
0.407 |
0.458 |
1024 |
21 |
0.17 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.404 |
0.464 |
1024 |
46 |
0.38 |
0 |
1381 |
0.0000 |
1.0000 |
0.390 |
0.469 |
1024 |
100 |
0.82 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.399 |
0.470 |
1024 |
215 |
1.76 |
0 |
6450 |
0.0000 |
1.0000 |
0.391 |
0.461 |
1024 |
463 |
3.79 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
0.392 |
0.498 |
1024 |
1000 |
8.19 |
0 |
30000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.384 |
0.688 |
1024 |
2150 |
17.61 |
0 |
64500 |
0.0000 |
1.0000 |
0.283 |
0.884 |
1024 |
4630 |
37.93 |
0 |
138901 |
0.0000 |
1.0000 |
0.057 |
0.432 |
1024 |
10000 |
81.92 |
0 |
300001 |
0.0000 |
1.0000 |
0.053 |
0.578 |
1024 |
21500 |
88.67 |
0 |
324709 |
0.0000 |
0.5034 |
0.051 |
0.883 |
2048 |
10 |
0.16 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
0.436 |
0.470 |
2048 |
21 |
0.34 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.424 |
0.479 |
2048 |
46 |
0.75 |
0 |
1381 |
0.0000 |
1.0007 |
0.430 |
0.492 |
2048 |
100 |
1.64 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.390 |
0.918 |
2048 |
215 |
3.52 |
0 |
6450 |
0.0000 |
1.0000 |
0.410 |
0.758 |
2048 |
463 |
7.59 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
0.418 |
0.680 |
2048 |
1000 |
16.38 |
0 |
30001 |
0.0000 |
1.0000 |
0.418 |
2.168 |
2048 |
2150 |
35.23 |
0 |
64501 |
0.0000 |
1.0000 |
0.342 |
1.013 |
2048 |
4630 |
75.86 |
0 |
138901 |
0.0000 |
1.0000 |
0.170 |
2.841 |
2048 |
10000 |
163.84 |
0 |
299996 |
0.0000 |
1.0000 |
0.086 |
0.890 |
2048 |
21500 |
178.12 |
0 |
326156 |
0.0000 |
0.5057 |
0.082 |
0.701 |
4096 |
10 |
0.33 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
0.421 |
0.484 |
4096 |
21 |
0.69 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.441 |
0.505 |
4096 |
46 |
1.51 |
0 |
1381 |
0.0000 |
1.0007 |
0.434 |
0.507 |
4096 |
100 |
3.28 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.437 |
0.500 |
4096 |
215 |
7.05 |
0 |
6450 |
0.0000 |
1.0000 |
0.427 |
0.532 |
4096 |
463 |
15.17 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
0.431 |
0.541 |
4096 |
1000 |
32.77 |
0 |
29999 |
0.0000 |
1.0000 |
0.415 |
3.121 |
4096 |
2150 |
70.45 |
0 |
64501 |
0.0000 |
1.0000 |
0.306 |
0.636 |
4096 |
4630 |
151.71 |
0 |
138899 |
0.0000 |
1.0000 |
0.158 |
1.296 |
4096 |
10000 |
327.68 |
0 |
299996 |
0.0000 |
1.0000 |
0.091 |
1.061 |
4096 |
21500 |
357.11 |
0 |
326945 |
0.0000 |
0.5069 |
0.083 |
1.053 |
8192 |
10 |
0.66 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
0.430 |
0.477 |
8192 |
21 |
1.38 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.440 |
0.501 |
8192 |
46 |
3.01 |
0 |
1380 |
0.0000 |
1.0000 |
0.458 |
0.565 |
8192 |
100 |
6.55 |
0 |
3001 |
0.0000 |
1.0003 |
0.422 |
0.495 |
8192 |
215 |
14.09 |
0 |
6450 |
0.0000 |
1.0000 |
0.450 |
0.545 |
8192 |
463 |
30.34 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
0.443 |
0.550 |
8192 |
1000 |
65.54 |
0 |
30000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.436 |
1.812 |
8192 |
2150 |
140.90 |
0 |
64500 |
0.0000 |
1.0000 |
0.289 |
1.326 |
8192 |
4630 |
303.44 |
0 |
138902 |
0.0000 |
1.0000 |
0.137 |
1.292 |
8192 |
10000 |
655.32 |
0 |
299984 |
0.0000 |
0.9999 |
0.172 |
0.877 |
8192 |
21500 |
718.29 |
0 |
328806 |
0.0000 |
0.5098 |
0.172 |
0.933 |
16384 |
10 |
1.31 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
0.507 |
0.563 |
16384 |
21 |
2.75 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.502 |
0.565 |
16384 |
46 |
6.03 |
0 |
1381 |
0.0000 |
1.0007 |
0.489 |
0.562 |
16384 |
100 |
13.11 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.496 |
0.601 |
16384 |
215 |
28.18 |
0 |
6451 |
0.0000 |
1.0002 |
0.492 |
0.712 |
16384 |
463 |
60.69 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
0.490 |
0.661 |
16384 |
1000 |
131.07 |
0 |
30000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.467 |
0.686 |
16384 |
2150 |
281.81 |
0 |
64501 |
0.0000 |
1.0000 |
0.299 |
1.727 |
16384 |
4630 |
606.87 |
0 |
138903 |
0.0000 |
1.0000 |
0.149 |
0.514 |
16384 |
10000 |
1310.71 |
0 |
299999 |
0.0000 |
1.0000 |
0.156 |
1.337 |
16384 |
21500 |
1456.65 |
0 |
333401 |
0.0000 |
0.5169 |
0.149 |
0.570 |
32768 |
10 |
2.62 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
0.601 |
0.710 |
32768 |
21 |
5.51 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.589 |
0.701 |
32768 |
46 |
12.06 |
0 |
1380 |
0.0000 |
1.0000 |
0.582 |
0.673 |
32768 |
100 |
26.21 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.578 |
0.691 |
32768 |
215 |
56.36 |
0 |
6451 |
0.0000 |
1.0002 |
0.583 |
0.780 |
32768 |
463 |
121.37 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
0.578 |
0.713 |
32768 |
1000 |
262.14 |
0 |
30000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.571 |
1.336 |
32768 |
2150 |
563.61 |
0 |
64501 |
0.0000 |
1.0000 |
0.362 |
1.817 |
32768 |
4630 |
1213.73 |
0 |
138901 |
0.0000 |
1.0000 |
0.171 |
0.530 |
32768 |
10000 |
2621.20 |
28 |
300000 |
0.0001 |
1.0000 |
0.168 |
1.848 |
32768 |
21500 |
5170.79 |
15 |
591767 |
0.0000 |
0.9175 |
0.168 |
0.966 |
65536 |
10 |
5.24 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
0.758 |
0.840 |
65536 |
21 |
11.01 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.771 |
0.928 |
65536 |
46 |
24.12 |
0 |
1381 |
0.0000 |
1.0007 |
0.761 |
0.839 |
65536 |
100 |
52.43 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.757 |
0.877 |
65536 |
215 |
112.72 |
0 |
6450 |
0.0000 |
1.0000 |
0.760 |
0.904 |
65536 |
463 |
242.74 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
0.756 |
0.861 |
65536 |
1000 |
524.29 |
0 |
30000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.725 |
2.669 |
65536 |
2150 |
1127.22 |
0 |
64501 |
0.0000 |
1.0000 |
0.473 |
1.520 |
65536 |
4630 |
2427.51 |
0 |
138904 |
0.0000 |
1.0000 |
0.223 |
0.806 |
65536 |
10000 |
5237.59 |
18 |
299716 |
0.0001 |
0.9991 |
0.214 |
1.790 |
65536 |
21500 |
5783.27 |
9 |
330931 |
0.0000 |
0.5131 |
0.219 |
1.368 |
131072 |
10 |
10.49 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
1.044 |
1.317 |
131072 |
21 |
22.02 |
0 |
630 |
0.0000 |
1.0000 |
0.992 |
1.142 |
131072 |
46 |
48.23 |
0 |
1380 |
0.0000 |
1.0000 |
1.027 |
1.240 |
131072 |
100 |
104.86 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
1.020 |
1.180 |
131072 |
215 |
225.44 |
0 |
6450 |
0.0000 |
1.0000 |
1.034 |
1.205 |
131072 |
463 |
485.49 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
1.035 |
1.487 |
131072 |
1000 |
1048.54 |
1 |
30000 |
0.0000 |
1.0000 |
0.825 |
10.627 |
131072 |
2150 |
2254.46 |
0 |
64501 |
0.0000 |
1.0000 |
0.434 |
1.117 |
131072 |
4630 |
4853.06 |
60 |
138908 |
0.0004 |
1.0001 |
0.281 |
2.582 |
131072 |
10000 |
7522.26 |
260 |
215474 |
0.0012 |
0.7182 |
0.276 |
3.237 |
131072 |
21500 |
7516.83 |
195 |
215254 |
0.0009 |
0.3337 |
0.274 |
2.740 |
262144 |
10 |
20.98 |
0 |
301 |
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1.0000 |
1.466 |
1.689 |
262144 |
100 |
209.71 |
0 |
3000 |
0.0000 |
1.0000 |
1.475 |
2.039 |
262144 |
215 |
450.88 |
0 |
6450 |
0.0000 |
1.0000 |
1.444 |
1.715 |
262144 |
463 |
970.98 |
0 |
13890 |
0.0000 |
1.0000 |
1.336 |
2.813 |
262144 |
1000 |
2093.24 |
5 |
29949 |
0.0002 |
0.9983 |
0.838 |
1.981 |
262144 |
2150 |
4508.99 |
0 |
64502 |
0.0000 |
1.0000 |
0.395 |
1.783 |
262144 |
4630 |
7215.40 |
494 |
103712 |
0.0048 |
0.7467 |
0.411 |
2.361 |
262144 |
10000 |
7122.03 |
560 |
102442 |
0.0055 |
0.3415 |
0.417 |
2.254 |
524288 |
10 |
41.67 |
2 |
301 |
0.0066 |
1.0033 |
2.833 |
3.847 |
524288 |
21 |
85.42 |
19 |
630 |
0.0302 |
1.0000 |
2.695 |
3.663 |
524288 |
46 |
190.98 |
14 |
1380 |
0.0101 |
1.0000 |
2.726 |
3.111 |
524288 |
100 |
417.19 |
16 |
3000 |
0.0053 |
1.0000 |
2.498 |
14.196 |
524288 |
215 |
895.33 |
46 |
6450 |
0.0071 |
1.0000 |
2.847 |
3.171 |
524288 |
463 |
1916.02 |
185 |
13890 |
0.0133 |
1.0000 |
1.732 |
3.880 |
524288 |
1000 |
4171.98 |
145 |
29986 |
0.0048 |
0.9995 |
0.813 |
3.734 |
524288 |
2150 |
7431.56 |
119 |
53274 |
0.0022 |
0.8260 |
0.721 |
2.816 |
524288 |
4630 |
7291.19 |
1005 |
53156 |
0.0189 |
0.3827 |
0.738 |
2.572 |
1048576 |
10 |
83.06 |
3 |
301 |
0.0100 |
1.0033 |
5.665 |
7.866 |
1048576 |
21 |
174.75 |
5 |
630 |
0.0079 |
1.0000 |
5.670 |
7.840 |
1048576 |
46 |
384.15 |
6 |
1380 |
0.0043 |
1.0000 |
6.069 |
9.584 |
1048576 |
100 |
820.64 |
65 |
3000 |
0.0217 |
1.0000 |
5.977 |
7.907 |
1048576 |
215 |
1656.58 |
526 |
6451 |
0.0815 |
1.0002 |
4.120 |
10.520 |
1048576 |
463 |
3229.58 |
1004 |
12554 |
0.0800 |
0.9038 |
2.496 |
7.135 |
1048576 |
1000 |
5156.67 |
9007 |
27449 |
0.3281 |
0.9150 |
1.673 |
3.424 |
1048576 |
2150 |
5259.96 |
8483 |
27295 |
0.3108 |
0.4232 |
1.665 |
3.650 |
2097152 |
10 |
167.80 |
0 |
301 |
0.0000 |
1.0033 |
10.057 |
20.567 |
2097152 |
21 |
342.78 |
17 |
630 |
0.0270 |
1.0000 |
10.408 |
15.321 |
2097152 |
46 |
771.69 |
0 |
1380 |
0.0000 |
1.0000 |
10.600 |
13.619 |
2097152 |
100 |
1591.78 |
154 |
3001 |
0.0513 |
1.0003 |
7.166 |
18.272 |
2097152 |
215 |
3233.15 |
78 |
5860 |
0.0133 |
0.9085 |
5.088 |
15.091 |
2097152 |
463 |
4458.49 |
5192 |
13165 |
0.3944 |
0.9477 |
3.809 |
5.726 |
2097152 |
1000 |
4820.15 |
4550 |
13170 |
0.3455 |
0.4390 |
3.691 |
5.608 |
4194304 |
10 |
334.40 |
1 |
301 |
0.0033 |
1.0000 |
19.579 |
32.943 |
4194304 |
21 |
699.89 |
4 |
630 |
0.0063 |
1.0000 |
21.052 |
30.492 |
4194304 |
46 |
1522.00 |
19 |
1380 |
0.0138 |
1.0000 |
16.337 |
32.714 |
4194304 |
100 |
2582.23 |
687 |
2997 |
0.2292 |
0.9987 |
11.771 |
27.463 |
4194304 |
215 |
3575.31 |
3211 |
6408 |
0.5011 |
0.9935 |
7.204 |
10.581 |
4194304 |
463 |
3618.70 |
3329 |
6565 |
0.5071 |
0.4726 |
7.134 |
10.889 |
8388608 |
10 |
662.88 |
4 |
301 |
0.0133 |
1.0033 |
37.903 |
55.717 |
8388608 |
21 |
1356.93 |
23 |
630 |
0.0365 |
1.0000 |
33.638 |
53.307 |
8388608 |
46 |
2135.02 |
426 |
1381 |
0.3085 |
1.0007 |
23.907 |
52.537 |
8388608 |
100 |
3711.50 |
1342 |
3002 |
0.4470 |
1.0003 |
15.314 |
21.391 |
8388608 |
215 |
3583.46 |
1603 |
3205 |
0.5002 |
0.4969 |
14.371 |
21.055 |
16777216 |
10 |
1334.61 |
2 |
301 |
0.0066 |
1.0033 |
58.209 |
103.557 |
16777216 |
21 |
1654.85 |
260 |
630 |
0.4127 |
1.0000 |
53.157 |
75.982 |
16777216 |
46 |
3267.52 |
644 |
1375 |
0.4684 |
0.9957 |
31.382 |
63.201 |
16777216 |
100 |
3560.05 |
796 |
1592 |
0.5000 |
0.5305 |
28.257 |
41.406 |
(*) loop-rate は Hz指定に対して、実際に送信側callbackが呼ばれた割合