ROS2を使っていると、「ノード間の通信、もうちょっと軽くならないかな……」と思う場面、多くないですか？
今回は、ROS2の通信を高速・軽量化するために試した Zenoh, 共有メモリ通信, Composition の3つの手法をざっくり紹介しつつ、実際にやってみた結果を共有します。

検証環境

項目	内容
ROS2 バージョン	jazzy
OS	Ubuntu 20.04 上の Ubuntu 22.04 Docker コンテナ
rmw_zenoh_cpp	0.2.3
rmw_dds_common	3.1.0
rmw_cyclonedds_cpp	2.2.2
rmw_fastrtps_shared_cpp	8.4.1

Zenoh：軽量・分散・リアルタイムな通信プロトコル

Zenoh は、Pub/Sub・Query（リクエスト/リプライ）・データ保存までを1つでこなす通信ミドルウェア。IoTやロボットなどのリアルタイム・分散通信にピッタリの設計になっています。

特徴

特徴	説明
Pub/Sub + Query対応	必要なデータだけオンデマンド取得も可能
超軽量・低レイテンシ	エッジ環境でもサクサク動く
ピアツーピア通信	ブローカー不要でスケーラブル
ROS2対応	Zenoh-Bridgeやrmw_zenohで統合可能

導入方法（2パターン）

① Zenoh Bridge for DDS

既存のROS2ノード（DDS）を変更せず、Bridge経由でZenoh通信が可能。段階的な導入に向いています。

cargo install zenohd  # Rustが必要
cargo install zenoh-plugin-dds # binが無いと言われるので、buildが必要
sudo apt install build-essential clang

git clone https://github.com/eclipse-zenoh/zenoh.git
git clone https://github.com/eclipse-zenoh/zenoh-plugin-dds.git
cd zenoh
cargo build --release
cd ../zenoh-plugin-dds
cargo build --release

ただし、docker container環境では立ち上げできなかったので、深追いしてない。

② rmw_zenoh

DDSを完全にZenohに置き換える方法。軽量＆高速が必要なローカル環境、またはマルチキャスト不可なネットワークで有効。

以下apt installだと、zenoh-c　のbuildが必要になり、buildしても動かなかったので、sourceからbuildした。

sudo apt update
sudo apt install ros-jazzy-rmw-zenoh-cpp

$ ros2 run demo_nodes_cpp talker
/opt/ros/jazzy/lib/demo_nodes_cpp/talker: symbol lookup error: /opt/ros/jazzy/lib/librmw_zenoh_cpp.so: undefined symbol: zc_reply_keyexpr_default
[ros2run]: Process exited with failure 127

sourceからbuild

mkdir ~/ws_rmw_zenoh/src -p && cd ~/ws_rmw_zenoh/src
git clone https://github.com/ros2/rmw_zenoh.git -b jazzy
cd ~/ws_rmw_zenoh
rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro jazzy -y
source /opt/ros/jazzy/setup.bash
colcon build --cmake-args -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release

source ~/ws_rmw_zenoh/install/setup.bash

動かし方

zenoh router起動

# terminal 1
ros2 run rmw_zenoh_cpp rmw_zenohd

# terminal 2
export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_zenoh_cpp
ros2 run demo_nodes_cpp talker

# terminal 3
export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_zenoh_cpp
ros2 run demo_nodes_cpp listener

共有メモリ通信：ゼロコピーの爆速IPC

共有メモリを使うと、複数のプロセスが同じメモリ領域を参照できるため、シリアライズ・コピー不要の超高速通信が可能になります。

実装例（SysV API）

ROS2ではないが、Linuxの実装を試してみると、以下の感じ。

DDSごとの対応状況

DDS実装	共有メモリ対応	備考
Fast DDS	✅ 独自SHM対応（XML設定）
Cyclone DDS	✅ Iceoryx連携（RouDi必要）
RTI Connext	一部対応（商用、Iceoryx非連携）

fastDDSでの設定

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<dds>
  <profiles>
    <!-- SHM トランスポート定義 -->
    <transport_descriptors>
      <transport_descriptor>
        <transport_id>shm_transport</transport_id>
        <type>SHM</type>
        <segment_size>2536870912</segment_size> 
      </transport_descriptor>
    </transport_descriptors>
    <!-- Participant プロファイル -->
    <participant profile_name="shm_profile" is_default_profile="true">
      <rtps>
        <userTransports>
          <transport_id>shm_transport</transport_id>
        </userTransports>
      </rtps>
    </participant>
  </profiles>
</dds>

export FASTRTPS_DEFAULT_PROFILES_FILE=/path/fastdds_shm_profile.xml

cycloneDDSでの設定 / 立ち上げ

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<CycloneDDS xmlns="https://cdds.io/config" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="https://cdds.io/config https://raw.githubusercontent.com/eclipse-cyclonedds/cyclonedds/iceoryx/etc/cyclonedds.xsd">
    <Domain id="any">
        <SharedMemory>
            <Enable>true</Enable>
            <LogLevel>info</LogLevel>
        </SharedMemory>
    </Domain>
</CycloneDDS>

export CYCLONEDDS_URI=/path/cyclonedds.xml

iceoryx roudiの事前の立ち上げが必要

iox-roudi

talker

export CYCLONEDDS_URI=file://$PWD/cyclonedds.xml
. ~/ros2_ws/install/local_setup.bash
RMW_IMPLEMENTATION=rmw_cyclonedds_cpp ros2 run demo_nodes_cpp talker

listener

export CYCLONEDDS_URI=file://$PWD/cyclonedds.xml
. ~/ros2_ws/install/local_setup.bash
RMW_IMPLEMENTATION=rmw_cyclonedds_cpp ros2 run demo_nodes_cpp listener

おそらくcyclone DDSでの共有メモリは、さらに設定をしないと、大容量通信で使えず今回検証では使用していない。追って要調整。

Composition：ノードを1プロセスにまとめて効率化！

Compositionを使えば、複数のノードを同じプロセス内で動かせるため、起動時間短縮・通信最適化・メモリ削減が期待できます。

起動高速化（プロセス1つ）
DDSのloan機能でゼロコピー通信も可能
シンプルなノード統合が可能

ベンチマークしてみた！

環境

CPU
- 11th Gen Intel(R) Core(TM) i7-1195G7 @ 2.90GHz
mem
- 32GB

検証データ

100MBデータをPub/Sub (1Hz)

RMW実装	CPU使用率	備考
Fast DDS	pub 4〜10% / sub 3〜6%
CycloneDDS	pub 10%〜28% / sub 10〜20%
Zenoh	pub 10〜20% / sub 7〜12%	200MB超でSubscribeできなくなった
Fast DDS + SHM	pub 1〜6% / sub 3〜6%
Composition	pub/sub 3〜5%

1GBデータをPub/Sub（1Hz）

RMW実装	CPU	メモリ
Fast DDS	pub 40〜50% / sub 80%	pub 35% / sub 35%
CycloneDDS	通信不可	-
Zenoh	通信不可	-
Fast DDS + SHM	pub 10〜30% / sub 50%	pub 11% / sub 17%
Composition	pub/sub 30〜40%	pub/sub 14%

100kHzで「Hello world」Pub/Subしたとき

RMW実装	CPU使用率
Fast DDS	pub/sub 60%
CycloneDDS	pub/sub 50%
Zenoh	pub 130% / sub 100%（落ちた）
Fast DDS + SHM	pub/sub 60%

Rviz2での表示可否

実装	Rviz表示可？
Fast DDS	✅ OK
CycloneDDS	✅ OK
Zenoh	✅ OK
Fast DDS + SHM	✅ OK

まとめ

結論としては、

Composition ＞ Fast DDS + SHM ＞ Fast DDS ≒ CycloneDDS ＞＞ Zenoh

Zenoh は現時点では大容量/高速通信に弱く、発展途上な印象でした。
共有メモリはシンプル＆高速だけど、やはり普通にcompositionにしたほうが早いので、使いどころが難しい
軽量・高速通信が求められるロボットやIoT開発では、DDSだけでなくZenohや共有メモリの活用も重要です。
この記事が少しでもROS2のチューニングの参考になれば嬉しいです！