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Fast DDS 深入理解,吐血整理
 
 
 
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2025-3-10
 
编辑推荐:
本文主要介绍了Fast DDS相关知识。希望对你的学习有帮助。
本文来源于知乎,由火龙果软件Linda编辑,推荐。

1 介绍

1.1 DDS 概述

数据分发服务DDS(DataDistributionService)是OMG对象管理组织在HLA及CORBA等标准的基础上制定的新一代分布式实时通信中间件技术规范,DDS采用发布/订阅体系架构,强调以数据为中心,提供丰富的QoS服务质量策略,能保障数据进行实时、高效、灵活地分发,可满足各种分布式实时通信应用需求。

1.2 通信分类

域与域通信

跨网络通信

2 要素

IDL(Interface Definition Language)

要声明结构化数据,必须使用 IDL 格式。IDL (接口定义语言)是一种规范语言,由OMG(对象管理组织)制定,它以与语言无关的方式描述接口,允许不同语言的软件组件之间进行通信。

IDL的全称是Interface Definition Language,即接口定义语言(有时也叫作接口描述语言)。因为RPC通常是跨进程、跨机器、跨系统和跨语言的,IDL是用来解决这个问题的,它与语言无关,借助编译器将它翻译成不同的编程语言。

Google开源的ProtoBuf中的“.proto”文件就是一种IDL文件。

IDL部分很多会用到 flex & bison。

protobuf 中底层有用flex & bison

opensplice DDS中底层有用flex & bison

RTI DDS中底层有用flex & bison

Fast DDS中底层有用flex & bison

详细介绍

OMG–IDL(Interface Definition Language)

拓展

序列化与反序列化深入理解

数据传输中,双方交互都需要对数据进行序列化和反序列化。也称为编码和解码。

RTPS

如下介绍,OMG组织定义的RTPS(Real Time Publish Subscribe Protocol),实时发布订阅协议。

Version: 2.5

OMG Document Number: formal/2022-04-01

Standard document URL: https://www.omg.org/spec/DDSI-RTPS/2.5/PDF

详细介绍

OMG–RTPS(Real Time Publish Subscribe Protocol)

详细介绍–Discovery Module(发现模块)

发现协议的目的是允许每个 RTPS 参与者发现其他相关参与者及其端点。 一旦远程端点已经发现,实现可以相应地配置本地端点以建立通信。

DDS 规范同样依赖于使用发现机制来建立通信匹配的 DataWriters 和 DataReaders。 DDS 实现必须自动发现远程实体,无论是在他们加入和离开网络时。

RTPS 规范将发现协议拆分为两个独立的协议:(大型网络的基本发现协议。)

Participant Discovery Protocol(PDP)【参与者发现协议】

Endpoint Discovery Protocol(EDP)【端点发现协议】

为了互操作性,所有 RTPS 实现必须至少提供以下发现协议:(中小型网络的基本发现协议。)

Simple Participant Discovery Protocol (SPDP)

Simple Endpoint Discovery Protocol (SEDP)

每个RTPS StatelessWriter关联RTPS ReaderLocator对象。

每个RTPS StatefulWriter关联RTPS ReaderProxy对象。

每个RTPS StatefulReader关联RTPS WriterProxy对象。

DDS(DataDistributionService)数据分发服务

DDS(DataDistributionService)是OMG对象管理组织在HLA及CORBA等标准的基础上制定的新一代分布式实时通信中间件技术规范,DDS采用发布/订阅体系架构,强调以数据为中心,提供丰富的QoS服务质量策略,能保障数据进行实时、高效、灵活地分发,可满足各种分布式实时通信应用需求。DDS信息分发中间件是一种轻便的、能够提供实时信息传送的中间件技术。

以数据为中心的模型,虚拟出全局数据空间的概念,各节点向该空间声明发布者或者订阅者的意图;

域(Domain):

这是用于链接所有发布者和订阅者的概念,属于一个或多个应用程序,它们在不同主题下交换数据。这些参与域的单个应用程序称为DomainParticipant。DDS域由域ID标识。DomainParticipant定义Domain ID以指定它所属的DDS域。具有不同ID的两个DomainParticipants不知道彼此在网络中的存在。因此,可以创建多个通信通道。这适用于涉及多个DDS应用程序的场景,它们各自的DomainParticipants相互通信,但这些应用程序不得干扰。DomainParticipant充当其他 DCPS实体的容器,充当发布者、订阅者和主题实体的工厂,并在域中提供管理服务。

主题(Topic):

它是将发布者的DataWriters与订阅者的DataReaders绑定的实体,在DDS域中是唯一的。它可在进程之间交换的数据的消息,数据表示为可以包含不同数据类型的结构,如整数,字符串等;

数据写入器(Data Writer):

它是负责发布消息的实体,用户在创建此实体时必须提供一个主题,该主题将是发布数据的主题;

数据读取器(Data Reader):

它是订阅主题以接收发布的实体,用户在创建此实体时必须提供订阅主题;

发布者(Publisher):

它是负责创建和配置其实现的DataWriters的DCPS实体。DataWriter是负责实际发布消息的实体。每个人都有一个分配的主题,在该主题下发布消息;

订阅者(Subscriber):

它是 DCPS实体,负责接收在其订阅的主题下发布的数据。它为一个或多个DataReader对象提供服务,这些对象负责将新数据的可用性传达给应用程序;

3 组件

eProsima Fast DDS-Gen

eProsima Fast DDS-Gen是一个 Java 应用程序,它使用 IDL(接口定义语言)文件中定义的数据类型生成eProsima Fast DDS源代码。

eProsima Fast DDS-Gen生成的源代码使用Fast CDR,这是一个提供数据序列化和编码机制的 C++11 库。因此,正如RTPS 标准中所述,发送数据时,它们会使用相应的通用数据表示 (CDR) 进行序列化和编码。CDR 传输语法是代理间传输的低级表示,从 OMG IDL 数据类型映射到字节流。

foonathan_memory_vendor

an STL compatible C++ memory allocator library.

fastcdr

a C++ library for data serialization according to the CDR standard (Section 10.2.1.2 OMG CDR).

fastrtps

the core library of eProsima Fast DDS library.

4 架构

DDS模型架构

主要功能类

Domain类图

Publisher类图

Subscriber类图

Topic类图

5 示例介绍

FastDDS 示例介绍

helloworld.idl

struct HelloWorld
{
    unsigned long index;
    string message;
};

在FastDDS中,unsigned long是一种无符号整数类型,通常用于表示非负整数。在DDS中,unsigned long常用于表示时间戳、状态代码等数值。

fastddsgen 生成文件

HelloWorld
├── CMakeLists.txt
├── HelloWorld.cxx		// 由 idl 生成, HelloWorld 类型定义
├── HelloWorld.h
├── HelloWorld.idl		// idl 文件, payload
├── HelloWorld_main.cpp
├── HelloWorldPublisher.cpp		// 发布服务器
├── HelloWorldPublisher.h
├── HelloWorldPubSubTypes.cxx	// 由 idl 生成, 序列化和反序列化代码
├── HelloWorldPubSubTypes.h
├── HelloWorldSubscriber.cpp	// 订阅服务器
└── HelloWorldSubscriber.h

 

序列化,反序列化

HelloWorld.h、HelloWorld.cxx 【类型定义,序列化反序列化(CDR<->Data)】

序列化反序列化,消息类型都必须继承自 eprosima::fastcdr::Cdr 类。

// 使用 CDR 将 HelloWorld 结构体序列化为二进制数据
void HelloWorld::serialize(
        eprosima::fastcdr::Cdr& scdr) const
{

    scdr << m_index;
    scdr << m_message.c_str();

}
// 使用 CDR 将二进制数据反序列化为 HelloWorld 结构体
void HelloWorld::deserialize(
        eprosima::fastcdr::Cdr& dcdr)
{

    dcdr >> m_index;
    dcdr >> m_message;
}

 

helloworldPubSubTypes.h & helloworldPubSubTypes.cxx 【序列化反序列化 (buffer<->CDR<->Data)】

helloworldPublisher.h & helloworldPublisher.cxx

eprosima::fastdds::dds::DomainParticipant* participant_;
eprosima::fastdds::dds::Publisher* publisher_;
eprosima::fastdds::dds::Topic* topic_;
eprosima::fastdds::dds::DataWriter* writer_;
eprosima::fastdds::dds::TypeSupport type_;

DomainParticipant:充当所有其他实体对象的容器,并充当发布者、订阅者和主题对象的工厂。

Publisher:是负责创建 DataWriter的对象。

DataWriter:允许应用程序设置要在给定主题下发布的数据的值。

TypeSupport:为participant提供序列化、反序列化和获取特定数据类型的key的函数。

helloworldSubscriber.h & helloworldSubscriber.cxx

eprosima::fastdds::dds::DomainParticipant* participant_;
eprosima::fastdds::dds::Subscriber* subscriber_;
eprosima::fastdds::dds::Topic* topic_;
eprosima::fastdds::dds::DataReader* reader_;
eprosima::fastdds::dds::TypeSupport type_;

 

DomainParticipant:充当所有其他实体对象的容器,并充当发布者、订阅者和主题对象的工厂。

Subscriber:是负责创建 DataReader 的对象。

DataReader:它是负责实际接收数据的对象。

TypeSupport:为participant提供序列化、反序列化和获取特定数据类型的key的函数。

发布消息步骤:

创建要发布数据的 idl ,并通过 fast-gen 生成对应的数据结构,并生成该数据结构序列化的类

通过 DomainParticipantFactory 创建 participant ,参数为 domain id 和 qos

将 participant 注册到 type ,该类型提供 helloworld 的序列化支持

通过 participant 创建 publisher ,用于发布数据

PubListener 继承于 DataWriterListener ,用于给发布者注册消息通知函数。DDS 通过服务发现,将消息最终给到应用

publisher 创建 writer ,用于最终的消息发布

 

   
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