ROSノード間通信の速度について

　ROSをPythonで書いてる人はお帰りください．
　今日はROSのノード間通信の速度について調べてみた結果をご紹介します．

Nodeletってすごいらしい

　知っての通り，ROSはノード間通信がSocketで実現されているため，物理的に離れたPC間でもroscoreを共有してROSノード同士が互いに通信を行うことができますが，同一PC内でも通信にオーバーヘッドが入ってしまって遅いという難点があります．
　それを解決するのがNodeletという仕組み．１つのプロセス内でNodelet化した複数のROSノードをスレッド化して動作させ，且つそこで動いているROSノード間の通信をshared_ptr渡しにすることで，メッセージのシリアライズ/デシリアライズ処理を無くし，共有メモリによるコピー，いわゆるゼロコピーを行って通信の高速化を行うことができると言われています．そのため，様々な画像処理を行うimage_pipelineなんてパッケージは，そのほぼ全てがNodeletで提供されていたりします．まぁ，とりあえず「Nodelet Everything」という，Clearpath Roboticsの人が書いた記事をみんな読むんだ．

評価パッケージ作った

　さて，「速くなる」って言っても，実際どれくらい速くなるのか興味があったので，メッセージのやりとりにかかる時間を計測するパッケージを作成しました．

ROSノード間のメッセージパッシング速度を評価するパッケージを作りました． https://t.co/AsxbANMSSo

— yoneken (@k_yone) December 8, 2016

使い方

　パッケージをROSワークスペースにダウンロードしてビルドしたら，以下のようにroslaunchを立ち上げることでそれぞれの場合におけるメッセージのやりとりにかかる時間を計測することができます．

1．１つのノード内でROSメッセージをやり取りする場合

roslaunch measure_message_passing one_node.launch

2．１つのノード内でROSメッセージをshared_ptrでやり取りする場合

roslaunch measure_message_passing one_node_ptr.launch

3．2つのノード間でROSメッセージをやり取りする場合

roslaunch measure_message_passing two_node.launch

4．2つのノード間でROSメッセージをshared_ptrでやり取りする場合

roslaunch measure_message_passing two_node_ptr.launch

5．2つのNodelet間でROSメッセージをやり取りする場合

roslaunch measure_message_passing two_nodelet.launch

6．2つのNodelet間でROSメッセージをshared_ptrでやり取りする場合

roslaunch measure_message_passing two_nodelet_ptr.launch

roslaunchを立ち上げてしばらくすると，1024x768のサイズでbgr8型（OpenCVのCV_8UC3型：符号なし8ビット3チャンネル）の画像データを1000回メッセージパッシングをしたときにかかる時間の平均値・中央値・最悪値（最大値）を出力します．

結果

　MSIのゲーミングPC GS30 2Mで実際に計測した結果は，

1. one_node (not pointer): Mean: 0.00140118, Median: 0.00139828, Max: 0.00454532
2. one_node (pointer): Mean: 5.4087e-06, Median: 3.53647e-06, Max: 0.000275296
3. two_node (not_pointer): Mean: 0.00235323, Median: 0.00236079, Max: 0.00825729
4. two_node (pointer): Mean: 0.00088381, Median: 0.00087349, Max: 0.0030891
5. two_nodelet (not pointer): Mean: 0.000689175, Median: 0.000686938, Max: 0.00333391
6. two_nodelet (pointer): Mean: 5.41813e-05, Median: 4.98603e-05, Max: 0.000194368

となり，だいたい 2,6 <<< 5,4 < 1 < 3 くらいの順でメッセージのやり取りにかかる時間は大きくなりました．
　この結果から，やはりNodelet+shared_ptrの効果は絶大だということがわかりました．また，それが難しい場合でも，Nodelet化かメッセージの型をshared_ptrにするかのどちらかをするだけでも，メッセージやりとりの高速化になかなか効果があることがわかりました．

おまけ

　最初，subscribeする関数について，普通の型とshared_ptrにした型の2つを同じ名前でオーバーロードで実装していたのですが，こうすると普通の型で渡そうとしても，なぜか勝手にshared_ptrで渡されてしまい，思ったとおりの結果が出ないということがありました．ROSの機能なのかC++の機能なのかコンパイラの機能なのか，shared_ptrによるゼロコピーが可能な場合は，できるだけ自動でゼロコピーになるようになっているようです．

蛇足

　12月17日(土)に秋葉原で古今東西の（自称）ロボット屋を集めて忘年会をします．もしご興味がありましたら，ぜひご参加ください．参加者は毎回流動的なので，初めての方もお気軽にご参加ください．学生歓迎．詳しくはこちらのページで．
　申込み〆切までに登録しておいてもらえれば，参加者枠を広げられると思います．

追記（20/07/27）

　やり取りしているメッセージのサイズについて追記しました。