Zenoh Router：打造跨協定、低開銷的資料骨幹

在上一篇文章中，我們介紹了 Zenoh 的資料交換基礎。今天，我們將焦點轉向 網路層面 —— 特別是 節點發現 (discovery) 的運作方式，以及 Zenoh Router 如何開啟全新的可能性。

Zenoh 可運行於任何網路拓撲，無論是 Broker 模式、Routed 模式，或是 Peer-to-Peer 模式，都能靈活支援。

Discovery：超越 DDS 與 MQTT

在 對等模式 (peer mode) 下使用 Zenoh，並啟用 multicast discovery（預設啟用），節點能夠自動互相發現。這與 MQTT 完全不同，因為 MQTT 的所有客戶端都必須透過一個 broker 連線。

點對點 (P2P) 網路在 區域網路 (LAN) 中表現不錯，但跨越網際網路時就會遇到限制。而這正是 DDS 的痛點之一。

更糟的是，DDS 因其協定設計，會出現所謂的 discovery storm。根據 這篇文章，DDS 的 discovery 流量會隨著節點、讀取端與寫入端的數量，呈現 平方級數增長。

DDS 的 Discovery Storm 問題

ROS2 採用 DDS 作為底層通訊。DDS 的 discovery 機制主要依賴兩個協定：

• SPDP (Simple Participant Discovery Protocol) → 發現所有 domain participants
• SEDP (Simple Entity Discovery Protocol) → 交換所有的 readers、writers 以及可選的 topics

最終結果是：在一個系統中，若有 n 個 participants，每個有 r 個 readers 和 w 個 writers，則 discovery 流量會隨以下公式增長：

n * (n-1) * (r + w)

這種平方級增長不只是理論問題，而是真實的網路負擔：

• 每個 participant 都必須存儲全部 discovery 資訊，即使其中大部分對它並不相關。
• 隨著節點增加，流量持續膨脹。
• 在 WiFi 等無線網路上，頻寬極易被耗盡。

ROS2 開發者嘗試過如 ROS2 Discovery Service 等方式來緩解，但這些方案只能減輕壓力，無法解決根本問題。

Zenoh 的不同設計

Zenoh 在設計時就考慮到了這些限制。它不會廣播所有 publishers/subscribers 的細節，而是僅交換 資源需求 (resource interests)。

主要改進包括：

1. 僅交換資源需求 —— 無需傳送所有 pub/sub 的細節。
2. 資源泛化 (generalization) —— 可用萬用字元歸納多個資源，例如 /mybot/**。
3. 協定極度精簡 —— 訊息結構高度壓縮，降低線上流量。
4. 執行階段可靠性 —— 不依賴 reader-writer 細節，大幅降低開銷。

因此，Zenoh 的 discovery 流量在系統擴張時依然 可預測且穩定。

實驗研究：ROS2 Turtlebot SLAM

為驗證這些概念，進行了實地測試：

• 機器人：Turtlebot Burger，執行 ROS2 Foxy
• 應用：SLAM 與 RVIZ2
• 網路：WiFi（NetGear NightHawk 路由器）

比較三種情境：

1. 僅使用 DDS（基準）
2. Zenoh 搭配 plugin-dds，橋接 DDS 流量
3. Zenoh 搭配資源泛化 (RG) 與 Warm Start (WS)

結果

結論：搭配 資源泛化 與 Warm Start，Zenoh 幾乎徹底消除了 discovery storm，將 DDS 的開銷降低 高達 99.97%。

認識 Zenoh Router

雖然點對點模式適合本地環境，但在更大型的機器人與分散式系統中，常需要 擴展性、跨協定橋接與資料儲存。這正是 Zenoh Router (zenohd) 的用途。

它相當於一個資料樞紐，可以在不同網路間路由資料，甚至作為多種協定的橋接器。

快速開始

先下載原始碼並編譯：

git clone https://github.com/eclipse-zenoh/zenoh.git
cd zenoh
cargo build --all-targets

啟動 router：

./target/debug/zenohd

此時，一個 Zenoh router 已在本地運行。

插件簡介

Zenoh Router 的威力在於 插件系統。透過插件，Zenoh 能與 ROS、DDS、MQTT，甚至 Web 完整互通。

• zenoh-plugin-ros2dds
  橋接 ROS2/DDS 流量，大幅降低 discovery 開銷，並支援跨 WAN 傳輸。

• zenoh-plugin-dds
  橋接標準 DDS 系統（基於cyclors, Cyclone 的低階 Rust API）。適合混合式 DDS + Zenoh 環境。

• zenoh-plugin-mqtt
  與 MQTT broker 或 client 互通，讓 ROS 或 DDS 資料能流向雲端 IoT 平台。

• zenoh-plugin-webserver
  以 HTTP REST 方式存取 Zenoh 資源，可透過 curl 直接操作。

• zenoh-plugin-ros1
  橋接 ROS1 topic，支援 ROS1 + ROS2 + Zenoh-native 混合部署。

插件組合應用場景

Zenoh 的優勢之一，就是能在同一個 router 中 同時運行多個插件：

1. ROS2 在 WiFi 上的 discovery 減輕
   使用 zenoh-plugin-ros2dds，可減少超過 99% DDS discovery 封包。

2. ROS2 + MQTT 雲端儀表板
   ROS2 → ros2dds → Zenoh → mqtt → 雲端平台 (Grafana/Node-RED)。

3. ROS1 + ROS2 互通
   同時啟用 ros1 與 ros2dds 插件，即可透明轉換，不必額外 ROS bridge 節點。

4. DDS + Web 應用整合
   DDS ↔ dds ↔ Zenoh ↔ webserver ↔ HTTP，用 curl 直接讀取工控系統資料。

5. 全能整合樞紐
   一個 Zenoh router 可同時：

   • 服務 ROS1/ROS2
   • 連結 DDS 與 MQTT
   • 讓 Web 應用透過 REST 直接操作資料

Zenoh 將所有這些協定，統一在同一個 資料經緯 (data fabric)。

範例: zenoh-plugin-storage

Router 亦可用來保存資料。以下為記憶體儲存範例：

./target/debug/zenohd --cfg='plugins/storage_manager/storages/demo:{key_expr:"demo/example/**",volume:"memory"}'

互動方式：

./target/debug/examples/z_put
./target/debug/examples/z_get

或透過 HTTP：

curl -X PUT -d '"Hello World!"' http://localhost:8000/demo/example/test
curl http://localhost:8000/demo/example/test

借助 Zenoh Router能獲得一個 高效能、避免 discovery storm、跨協定整合 的資料骨幹，無論是機器人、IoT 還是分散式系統皆適用。

總結

使用 Zenoh P2P 模式，你能自動發現並高效進行本地通訊。
搭配 Zenoh Router，則進一步擴展：

• 網際網路規模的路由能力
• REST 整合
• 資料持久化

最重要的是：再也沒有 discovery storm。

Zenoh 提供的彈性，讓你能從一群透過 WiFi 溝通的機器人，平順擴展到雲端應用，而不再受 DDS 的高開銷或 MQTT 的 broker 限制。