ROS2 Connect: A new ROS2 over WAN Solution
이 논문은 멀티캐스트 의존적 발견 메커니즘의 한계를 극복함으로써 광역 네트워크에서 안전하고 투명하며 확장 가능한 ROS2 통신을 가능하게 하고, 지연 시간과 안정성 측면에서 DDS Router, rosbridge, Zenoh와 같은 기존 솔루션보다 뛰어난 성능을 보이는 WebSocket 기반의 클라이언트-서버 프레임워크인 ROS2 Connect를 소개한다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기
로봇들이 협력하여 작업하는 함대를 상상해 보십시오. 각 로봇은 창고를 항해하거나, 구조 작업을 지원하거나, 먼 외계 행성을 탐사하기 위해 정보를 즉각적으로 공유해야 합니다. 이 기계들이 하나의 조율된 단위로 기능하기 위해, 그들은 '로봇 운영 체제 2(ROS2)'라고 불리는 공통된 언어에 의존합니다. 이 시스템은 현대 로보틱스의 신경계 역할을 하며, 로봇의 서로 다른 부분이나 심지어 서로 다른 로봇들이 서로 대화할 수 있게 해줍니다. 하지만 이 언어는 모든 기계가 같은 방에 있거나, 적어도 가정용 와이파이 공유기에 연결된 기기들처럼 동일한 로컬 네트워크에 있다는 특정한 가정을 바탕으로 구축되었습니다. 이러한 로컬 환경에서 로봇들은 근처에 있는 모두에게 통하는 방식인 '외침(shouting)'을 통해 자신의 존재를 알리고 답변을 기다립니다. 그러나 이 외침 방식은 모두가 가까이 있을 때 완벽하게 작동합니다. 만약 로봇을 다른 도시나 다른 대륙으로 이동시키려 한다면 이 외침 방식은 실패합니다. 이들을 연결하는 인터넷은 이러한 종류의 브로드캐스트 외침이 통과할 수 있도록 허용하지 않기 때문입니다. 결과적으로, 멀리서 로봇을 제어하려는 시도는 역사적으로 복잡하고 맞춤 제작된 네트워크를 필요로 하거나, 로봇이 통신할 수 없는 상태로 남겨두는 등 어려운 난제로 여겨져 왔습니다.
이 문제를 해결하기 위해 독일 뷔르츠부르크 대학교의 연구팀은 'ROS2 Connect'라는 새로운 도구를 개발했습니다. 그들의 목표는 밑바닥의 네트워크 인프라를 변경하거나 로봇 자체를 재설정할 필요 없이, 이 로봇들이 인터넷이라는 광활한 거리 너머에서도 그들의 모국어로 말할 수 있게 하는 가교를 만드는 것이었습니다. 멀리 떨어진 거리에서 실패하는 외침 방식에 의존하는 대신, 연구진은 '웹소켓(WebSocket)'이라고 알려진 표준적이고 신뢰할 수 있는 연결 방식을 사용하는 시스템을 구축했습니다. 이 연결은 로봇과 인간 운영자 사이에 열려 있는 전용 보안 전화선과 같으며, 그 사이에 얼마나 많은 라우터나 방화벽이 있더라도 관계없이 유지됩니다. 이 시스템은 로봇의 로컬 네트워크에 서버 역할을 하는 작은 소프트웨어 프로그램을 배치하고, 운영자의 컴퓨터에 클라이언트 역할을 하는 일치하는 프로그램을 배치하는 방식으로 작동합니다. 운영자가 명령을 보내고 싶을 때, 클라이언트 프로그램은 명령을 패키지로 묶어 이 보안선을 통해 서버로 보내고, 서버는 이를 로봇에게 전달합니다. 로봇의 데이터에 대해서는 이 과정이 역순으로 진행되어, 운영자는 로봇이 보는 것을 보고 로봇이 느끼는 것을 실시간으로 느낄 수 있습니다.
이 접근 방식이 특히 영리한 이유는 로봇이 생각하거나 말하는 방식을 강제로 바꾸지 않기 때문입니다. 연구진은 시스템을 '투명(transparent)'하게 설계하여, 로봇이 로컬 룸에 있을 때와 똑같이 표준 소프트웨어 구성 요소를 계속 사용할 수 있도록 했습니다. 새로운 소프트웨어는 단순히 메시지를 가로채서 이를 안전한 컨테이너에 담아 인터넷 너머로 보낼 뿐입니다. 또한 이 시스템은 보안 문제도 처리하여, 오직 승인된 사용자만이 연결될 수 있도록 보장합니다. 데이터를 교환하기 전에, 시스템은 마치 보안 건물에 들어가기 위해 출입 카드를 보여주는 것처럼 운영자가 누구인지 증명할 것을 요구합니다. 인증이 완료되면, 시스템은 운영자가 보아야 할 로봇 데이터의 특정 부분에 대해서만 접근을 허l하도록 하여, 누군가가 실수로 또는 악의적으로 민감한 정보에 접근하는 것을 방지합니다. 이러한 설계는 공용 네트워크를 가로지를 때도 연결이 안전하고 통제된 상태로 유지되도록 보장합니다.
이 새로운 방법이 기존의 솔루션보다 실제로 더 효과적인지 테스트하기 위해, 연구진은 실제 환경 실험을 설정했습니다. 그들은 일반적인 가정집의 컴퓨터를 대학에 위치한 서버에 연결하여 전형적인 장거리 연결 상황을 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 아주 작은 제어 신호부터 로봇 카메라의 커다란 이미지에 이르기까지, 두 지점 사이에서 메시지가 오가는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 그들은 이 새로운 시스템을 인터넷을 통해 로봇을 연결하는 데 현재 사용되는 세 가지 다른 방식과 비교했습니다. 결과는 명확하고 일관적이었습니다: 새로운 시스템은 다른 방식들보다 더 빠르고 안정적이었습니다. 작은 메시지를 보낼 때는 모든 시스템이 준수한 성능을 보였지만, 데이터의 크기가 커질수록 다른 시스템들은 눈에 띄게 느려지기 시작했습니다. 반면, 새로운 시스템은 일정한 속도를 유지하며 데이터가 커지더라도 매우 적은 지연 시간으로 메시지를 전달했습니다. 또한 속도의 변동성도 훨씬 적었는데, 이는 메시지가 도착하는 데 걸리는 시간이 예측 가능하다는 것을 의미하며, 원격으로 로봇을 운전하는 것과 같이 타이밍이 매우 중요한 작업에서 결정적인 요소입니다.
연구진은 또한 로봇이 비디오, 센서 판독값, 제어 신호를 동시에 보내는 것처럼 바쁜 환경을 시뮬레이션하여, 여러 데이터 스트림을 동시에 처리하는 능력을 테스트했습니다. 열 개의 서로 다른 정보 스트림이 동시에 흐르는 상황에서도 시스템은 안정성을 유지했습니다. 더 많은 데이터가 추가됨에 따라 큰 메시지를 보내는 시간이 약간 증가하기는 했지만, 시스템은 무너지지 않고 효율적으로 부하를 처리했습니다. 이러한 성능은 인간이 재난 지역이나 원격 공장에서 높은 정밀도로 로봇을 제어해야 하는 텔레오퍼레이션(원격 조종)의 복잡한 요구 사항에 이 도구가 적합함을 시사합니다. 이 연구는 전 세계로 로봇 시스템의 범위를 확장하면서도 속도나 안전을 희생하지 않을 수 있음을 확인시켜 주며, 분산 로보틱스의 미래를 위한 실질적인 토대를 제공합니다. 이 연구가 모든 가능한 네트워킹 과제를 해결한다고 주장하는 것은 아니지만, 로봇을 인터넷을 통해 연결하는 데 있어 빠르고 안전하며 효율적인 방법을 제공함으로써, 그동안 이러한 기계들의 제어 거리를 제한해 온 주요 장벽을 제거했습니다.
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