ROS Master多設備連接

Bash Shell

Shell是位于用戶與操作系統內核之間的橋梁，當用戶在終端敲入命令后，這些輸入首先會進入內核中的tty子系統，TTY子系統負責捕獲并處理終端的輸入輸出流，確保數據正確無誤的在終端和系統內核之中。Shell在此過程不僅僅是一個監聽者，還會積極地從tty子系統讀取用戶的命令輸入，并對其進行解析來識別用戶意圖(比如當你輸入ls時，是Shell解析這個命令并調用/bin/ls文件的來直接解析)。Bash?Shell（基礎 shell）是 Linux/Unix 系統中用戶與操作系統內核交互的基本命令行界面，它是系統啟動后為用戶提供的默認命令解釋器環境。

Bash和Shell其實是包含關系。Shell是命令行解釋器的統稱?，有Bash、Zsh、Fish、Dash等多種命令行解釋器，Bash是Shell的最流行方式，Ubuntu系統默認使用的也是Bash，當然你可以通過在終端中輸入特定命令行可以切換(一般這幾種命令行解釋器的命令是兼容的，但是存在一些語法和交互功能的差異)，一般使用Bash就足夠了。

Bash Shell與終端不同點：Bash Shell是命令行解釋器程序，終端則是輸入輸出設備/界面。可以理解為終端是"顯示器+鍵盤"，而Bash是運行在這個顯示器上的"智能程序"。一般的執行流程是-------你在終端輸入命令 → 終端將輸入傳給Shell → Shell解釋執行 → 結果返回終端顯示

交互式Shell與非交互式Shell?

?簡單來說，交互式Shell用戶可以?直接輸入命令?并?實時看到輸出?的 Shell，會顯示?PS1?提示符（如?user@host:~$），等待用戶輸入。比較常見的場景：1，直接打開終端 2，通過 SSH?登錄后手動操作（如?ssh user@192.168.1.1?后進入 Shell3，手動運行?bash -i（強制交互模式）

非交互式Shell，不等待用戶輸入，直接執行?單條命令?后退出，所以說一般是看不到的，不會顯示?PS1?提示符，執行完命令后立即關閉。比較常見的場景：1，通過?ssh user@host "command"?遠程執行命令。2，使用 Python?paramiko.exec_command("command")。3，運行 Shell 腳本（如?bash script.sh），如果輸入bash -i script.sh會強制交互式

登錄式Shell和非登錄式Shell

登錄式 Shell 的關鍵特征是：

以用戶身份初始化完整的登錄會話（加載登錄配置文件，如?~/.bash_profile）。
通常出現在系統首次登錄時（如 SSH 登錄、本地終端登錄、su - username）。

.sh腳本文件

我們平常為了方便而寫的腳本文件，實際上就是一個純文本文件，包含一系列?Shell 命令（如 Bash、Zsh 等支持的語法），將需要手動逐條輸入的命令，預先整體寫入文件，實現?自動化執行。比如，以下腳本文件(文件名demo.sh)，Shell解析器就會一行一行的解析每一行(即每一條)內容。

#!/bin/bash
echo "Hello World"
ls -l
date

執行的.sh文件的方式有以下幾種

bash demo.sh：顯式指定解釋器(bash)，啟動一個新的子 Shell 進程來執行腳本。直接調用?/bin/bash?程序，將?demo.sh?作為參數傳遞給它，忽略 Shebang 行(即首行的#!/bin/bash)。
./demo.sh:依賴腳本首行的 Shebang（如?#!/bin/bash）。與bash的區別還有重要的一點就是bash demo.sh不需要賦予文件執行權限，而./demo.sh必須賦予文件執行權限
source demo.sh（也可以簡寫為. demo.sh）:不啟動子Shell，直接在當前 Shell 進程中逐行執行腳本，并且會忽視Shebang。腳本中定義的變量、函數、別名等會影響當前 Shell。而前兩種執行方式腳本中定義的變量、函數不會影響當前 Shell 環境。一般用于加載環境配置，比如

# 加載環境配置（如 ~/.bashrc）
source ~/.bashrc# 腳本中修改當前 Shell 的工作目錄
source change_dir.sh  # 腳本內容: cd /some/path

在交互式Shell和非交互式Shell說到過，bash??運行Shell腳本時會啟動一個非交互式Shell，也就是啟動一個新的子Shell來運行這個腳本，并且這個子Shell進程是非交互式的Shell，執行完畢后，控制權返回給父 Shell。而source不會啟動子Shell，所以說它會在當前的交互式Shell運行。

.bashrc文件

.bashrc?文件是 Linux 系統中非常重要的配置文件，它與是否安裝 ROS 無關，是 Bash shell的標準配置文件(它是一個純文本文件，使用?Bash 語法?編寫)，"rc" 通常代表 "run commands" (運行命令)。文件名中的點(.)表示它是隱藏文件，在Linux系統用戶主目錄下，按ctrl+h鍵可以顯示隱藏文件。

.bashrc的內容語法(完全遵循Bash語法)：

export PATH="$PATH:/my/custom/path"?變量定義。用來設置環境變量，影響所有子進程
alias ll='ls -alF' 起別名，在終端輸入ll就相當于輸入ls -alF
greet() { echo "Hello, $USER!"; } 函數定義
if [ -d ~/projects ]; then
? echo "Projects directory exists"
fi? ?條件循環判斷

.bashrc如何運行？

當啟動非登錄的交互式 Bash shell 時，打開新的終端時，通過bash命令啟動新的Shell時，.bashrc文件都會自動啟動

必須需要注意的是在非交互式Shell中默認不會自動加載.bashrc，也就是說你在使用bash執行腳本時在新打開的Shell子進程中不會加載.bashrc也就不會啟動對應的環境(但是子進程會繼承父進程的環境變量)。在交互式Shell中默認會加載.bashrc(因為?~/.bash_profile?或?~/.profile?通常會顯式調用?.bashrc)。登錄式Shell會加載?~/.bash_profile?或?~/.profile，~/.bash_profile?或?~/.profile?通常會顯式調用?.bashrc所以.bashrc也會自動調用。非登錄式Shell不會加載配置文件。

其實在非交互式Shell不會自動加載.bashrc，這是因為.bashrc的開頭有以下代碼。這表示：僅當Shell是交互式時，才繼續執行后續內容。非交互式Shell會直接return退出，也就是說即使你在非交互式Shell單獨調用source ~/.bashrc，也不會加載.bashrc的配置內容。這是為了避免用戶自定義配置影響自動化任務而設置的，為了安全起見也不要試圖去修改它！！！

case $- in*i*) ;;*) return;;
esac

除此之外還有.bash_profile和.profile文件。.bashrc在非登錄的交互式Bash Shell(不需要重新認證的子會話，如圖形終端新建窗口、bash?命令啟動等，直接繼承父 Shell 的環境變量)自動加載；.bash_profile在Bash登錄Shell(需要用戶認證的完整會話,如系統登錄、SSH 連接等，全新環境（會重新讀取配置）)自動加載，也就是說.bash_profile登錄時一次性設置。.profile是在所有Shell的登錄會話都會加載，但是前提是.bash_profile不存在。也就是說只有在用戶使用Bash并且存在./bash_profile時才會跳過.profile的加載，如果用戶使用其他命令解釋器則會自動加載.profile，所以說.profile是跨 Shell 的通用環境變量。

1，網絡配置

確保所有設備(PC端，嵌入式端等等)連接在同一個局域網下，在每臺設備的終端輸入ifconfig查看IP地址，由于不同網絡下IP地址經常改變，所有推薦將每臺設備設置為靜態IP地址。

使用ping命令測試各PC之間的連通性，如果都能ping通后就可以開始下一步了

2，環境變量配置

在所有PC上編輯~/.bashrc文件，添加以下環境變量：

export ROS_MASTER_URI=http://<master_ip>:11311  # 主機的IP地址。ROS 默認使用 11311 端口 作為 roscore 的通信端口，這是由 ROS 的設計者設定的標準配置。
export ROS_IP=<local_ip>  # 本機的IP地址
export ROS_HOSTNAME=<local_ip>  # 本機的IP地址

然后執行

source ~/.bashrc

3，主機名解析

主機名解析就是將上面的ROS_MASTER_URI=http://<master_ip>:11311中的master_ip用一個名字來代替，比如master-pc=192.168.1.1，這時只需要將192.168.1.1替換為master-pc即可，類似于變量賦值。當然，你也可以直接輸入為192.168.1.1而不需要主機解析，但是這樣的話如果主機的ip地址頻繁變換，就需要在每個從機的./bashrc中重新修改主機的ip地址，從機數量少的話還可以，從機數量多的話就會很麻煩。

主機名解析的實現方式一般有以下幾種：

1，使用/etc/hosts文件：

首先，在所有參與ROS通信的計算機上編輯/etc/hosts文件，添加所有ROS計算機的IP和主機名映射，格式如下：

192.168.1.100   master-pc
192.168.1.101   slave1-pc
192.168.1.102   slave2-pc

保存文件后測試解析：

ping master-pc
ping slave1-pc

?但是這種方式看起來是使用了主機解析，但它只是增強了可讀性，而沒有解決頻繁手動修改IP的缺點，如果 Master 的 IP 地址變了，還是需要手動修改所有從機的/etc/hosts文件的配置

?2，使用DNS：

DNS一般是用于學校或者企業，適用于本地有DNS服務器或路由器支持DNS綁定的場景

在路由器或 DNS 服務器上，將主機名（如?master-pc）綁定到 Master 的 IP。所有從機自動通過 DNS 解析?master-pc，無需手動改 IP。這樣IP地址變動時，只需改DNS記錄所有從機自動生效

?3，使用mDNS:

適用于小型網絡，如實驗室或者家用

確保所有機器安裝?avahi-daemon（Linux 默認通常已安裝）：

sudo apt install avahi-daemon  # Ubuntu/Debian

直接使用?.local?主機名（無需配置?/etc/hosts）：

export ROS_MASTER_URI=http://master-pc.local:11311

4，使用靜態DHCP綁定：

適用于家用/實驗室路由器支持DHCP靜態綁定的場景

在路由器后臺，將 Master 的 MAC 地址綁定到一個固定 IP（如?192.168.1.100）。所有從機直接用這個 IP，因為 Master 的 IP?永遠不會變。

4，防火墻配置

UFW（Uncomplicated Firewall）是一款基于 iptables 的簡單易用的防火墻配置工具，廣泛應用于基于 Debian 和 Ubuntu 的 Linux 系統中，用于管理和配置網絡防火墻規則。UFW 支持允許或拒絕特定的網絡連接。即使系統中沒有安裝 UFW，也不意味著沒有防火墻阻攔網絡連接。UFW 只是一個簡化的防火墻管理工具，而在 Linux 系統中，底層的防火墻功能通常由 iptables 或 nftables 實現(iptables 是 Linux 系統中強大的防火墻配置工具，但它的命令復雜，規則編寫難度較大，對普通用戶不太友好。UFW 則提供了一種簡化的接口，使用戶可以用更直觀、簡潔的命令來管理防火墻規則,比如，啟用防火墻只需執行sudo ufw enable，而使用 iptables 則需要編寫多條復雜的命令)。

先使用命令查看防火墻配置工具ufw是否安裝

dpkg -l | grep ufw

如果?ufw?已經安裝，會顯示相關的軟件包信息；如果沒有任何輸出，說明?ufw?未安裝。此時需要輸入命令進行安裝：

sudo apt update
sudo apt install ufw

安裝后查看防火墻活躍狀態

 sudo ufw status

如果輸出Status: inactive，表示防火墻處于未啟用狀態，網絡端口處于相對開放狀態，外界可以直接訪問系統暴露的端口。

如果防火墻處于活躍狀態，則需要確保所有PC的防火墻允許ROS通信（默認端口11311）

sudo ufw allow 11311/tcp

就能允許外部設備通過 22 端口（通常用于 SSH 服務）訪問本地系統?

?5，測試連接

在主PC上啟動ROS Master：

roscore

在其他PC上測試連接：

rostopic list

如果連接成功，會顯示 Master 上已發布的 Topic 列表。如果 Master 剛啟動?roscore，默認只有?/rosout?和?/rosout_agg

$ rostopic list
/rosout
/rosout_agg

6，同步時間

需要時可以選用此功能

在ROS多機通信中，時間同步（Time Synchronization）是一個關鍵但容易被忽視的配置。指的是讓所有參與ROS通信的計算機保持高度一致的系統時間（最好誤差在毫秒級）。

通常使用NTP來實現時間同步：

?NTP是一種網絡協議，用于同步計算機的系統時間，計算機通過NTP客戶端從時間服務器（如ntp.ubuntu.com）獲取精確時間，局域網內通常可達毫秒級同步

?基本原理

NTP（Network Time Protocol）實現時間同步的原理是一個分層、多源校正的精密時間同步體系，其核心設計目標是在不可靠的網絡環境中實現高精度的時間同步（局域網內通常可達毫秒級，理想條件下可達亞毫秒級）。

NTP采用層級化的時間源結構，類似于金字塔：

Stratum 0
最頂層，直接連接原子鐘、GPS或銫鐘等高精度物理時鐘設備，不直接參與網絡通信。
- 示例：實驗室原子鐘、衛星時間信號。
Stratum 1
直接與Stratum 0設備同步的NTP服務器（時間誤差通常<100μs）。
- 示例：國家授時中心服務器、Google的time.google.com。
Stratum 2
從Stratum 1同步的服務器，誤差逐層遞增（每層增加約1ms）。
- 示例：企業級NTP服務器、公共NTP池（如pool.ntp.org）。
Stratum 3及以下
更低層級的同步節點，適用于普通客戶端設備。

NTP通過以下四個時間戳計算時間偏差（Clock Offset）和網絡延遲（Round-Trip Delay）：

假設客戶端（A）與服務器（B）交互：

T?：客戶端發送請求時的本地時間（A的時鐘）。
T?：服務器收到請求時的本地時間（B的時鐘）。
T?：服務器回復響應時的本地時間（B的時鐘）。
T?：客戶端收到響應時的本地時間（A的時鐘）。

?最終時間偏差是多次測量的統計結果（通常采用最小二乘法或Marzullo算法過濾異常值）。

中國的NTP服務架構是分層級的，國家授時中心是stratum1，其他運營商比如阿里云，騰訊云等部署了多臺次級服務器。所以你執行命令時會使自己的PC端自動連接到附近最優的服務器，由于所有的NTP服務器本身已經同步(都溯源到國家授時中心或GPS/原子鐘) ，所以連接了NTP的各個服務器就可以實現同步。

比如下面的方式一就是將其連接到了最優的服務器，但是如果你需要更高的精度，還可以指定同一NTP服務器，這時就需要在文件/etc/systemd/timesyncd.conf，添加如下內容指定特定服務器(比如阿里云)

[Time]
NTP=ntp.aliyun.com

實現方式(Ubuntu系統)

方法一：使用系統默認的timesyncd（使用簡單）

如果使用?systemd-timesyncd（即?timedatectl?管理的 NTP 客戶端），通常不需要額外安裝?ntp?或?ntpdate，因為?timesyncd?已經是一個輕量級的 NTP 客戶端，默認集成在?systemd?中。

# 檢查當前同步狀態
timedatectl status# 如果未啟用NTP，運行：
sudo timedatectl set-ntp on# 手動強制同步
sudo systemctl restart systemd-timesyncd

方法二：安裝完成的ntp包(更精確控制)

sudo apt install ntp
sudo systemctl restart ntp  # 啟動或重啟 NTP 服務，立即應用配置并開始同步。# 查看同步狀態
ntpq -p

ntpq -p輸出示例如下

   remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
============================================================================
*ntp.ubuntu.com  .POOL.          16 u   25   64    1    5.123   -0.432   0.871
+time.google.com .GOOG.           1 u   12   64    7    1.234    0.567   0.123

*?表示當前主同步源。
offset：本地時鐘與服務器的偏差（單位：毫秒）。
jitter：網絡延遲的波動程度。

驗證時間同步：

ntpdate -q 192.168.1.100  # 查詢與某臺機器的時間差

?7，共享ROS包

此功能如果需要可以選用，不做詳細解釋

方法1：同步工作空間

使用rsync或git同步工作空間
確保所有PC上的包路徑相同

方法2：NFS共享

設置NFS服務器共享工作空間
其他PC掛載該共享目錄

方法3：獨立編譯

在各PC上獨立維護代碼庫
確保版本一致

?8，啟動管理

可以使用roslaunch在多臺機器上啟動節點：

<launch><machine name="pc1" address="192.168.1.101" user="user" password="pass" env-loader="/opt/ros/noetic/env.sh"/><machine name="pc2" address="192.168.1.102" user="user" password="pass" env-loader="/opt/ros/noetic/env.sh"/><node machine="pc1" name="node1" pkg="your_pkg" type="node1"/><node machine="pc2" name="node2" pkg="your_pkg" type="node2"/>
</launch>